CN106238699B - 通过挤压铸造或半固态金属成形和后热处理使用原位成形的增强相制作铝或镁基复合材料发动机缸体或其他零件的方法 - Google Patents

通过挤压铸造或半固态金属成形和后热处理使用原位成形的增强相制作铝或镁基复合材料发动机缸体或其他零件的方法 Download PDF

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Abstract

一种制作增强金属合金部件的方法，所述方法包括将增强相前体引入块体合金中，所述块体合金选自由以下项组成的组：高熵合金、铝基合金、镁基合金和它们的组合。前体通过在后续热处理步骤、挤压铸造成型或半固态金属成型中的一个或多个期间将块体合金和前体暴露于高温而转化为增强相。

Description

通过挤压铸造或半固态金属成形和后热处理使用原位成形的 增强相制作铝或镁基复合材料发动机缸体或其他零件的方法
背景技术
本发明总体上涉及一种通过挤压铸造或半固态金属(SSM)成形制作轻质金属基质复合材料部件的方法，并且更具体地涉及由其中一种或多种增强相在铸造或成形操作期间原位生成的增强金属基质复合材料制作此类部件。
铸造已成为制造可重复(例如，大批量)部件(特别是采用轻质金属合金诸如铝或镁的那些部件)的金属成形操作的主要形式，并且包括多种变型，诸如模铸、金属型铸造、砂模铸造、石膏型铸造、熔模铸造等。不过，众所周知，铸造部件的机械性能通常要次于它们的锻制对应物，这很大一部分是由于孔隙率和已知铸造工艺中固有(或至少是难以避免)的相关缺陷所致。遗憾的是，大批量生产和形状复杂性考虑即使并非完全不可能也可使锻制选择成本过高。
通过提供使用能够进行复杂形状的大规模生产的成形工艺递送锻造性能的金属合金，SSM成形技术有助于缩小差距。具体地，这些SSM技术的浆化(即，触变的)微观结构使得易于通过铸造、锻造或其他已知成形工艺来执行半固态成型。在常规的SSM成形工艺中，将铸坯(1)加热至其再结晶温度之上但在其固相线温度之下的温度；(2)挤出成大体柱状形式；(3)切成较短区段；(4)加热成半固态；以及(5)挤压进入形成在模组中的腔体中，从而形成零件。尽管存在优势，但孔隙率、表皮微观结构和相关的不完全零件成形问题仍存在于常规SSM中，特别是形成有带有薄或以其他方式小的特征结构的复杂几何形状的制品。此外，在此使用的坯料以及相关的触变工艺是实现期望的非枝状(即球状)微观结构的高度专业化(并且因此是昂贵的)的方式。
在相关方式中，挤压铸造已研究成为一种由轻质合金制备部件的方式。该工艺也可用其他名称指称，诸如液态金属锻造、液态模锻造、半固态铸造和成形、挤出铸造、加压固化以及加压结晶。常规的挤压铸造工艺由以下步骤限定：(1)对待浇注到预先加热的模腔中的熔融物的量进行定量；(2)将冲头缓慢降下靠近模腔；(3)对熔融金属加压并将其保持在那里持续一段短周期(例如，几秒钟)直到冲头被撤回；以及(4)将零件从模腔中喷出。因此，在一种形式中，挤压铸造(以及相关的液态锻造途径)比SSM成形更简单，因为其使用浇注到模腔中并在固化期间在压力下挤压的预定量的熔融金属的，从而在单一操作中形成合金零件。此外，挤压铸造使得可以使用处于液态的锻制铝(或镁)合金来形成具有复杂特征结构的复杂零件。高直接熔融物压力有助于消除热撕裂并形成具有优异机械性能和低孔隙率的产品。如此，挤压铸造可看做是常规铸造和锻造技术的混合产物，从而以大批量的经济性和铸件的形状能力实现铸造的强度和置信水平。
众所周知，可通过将增强相引入块体合金中实现部件的提高的结构或机械性能(诸如弹性模量、强度、抗疲劳性、抗蠕变性等)。如此，这类称为复合材料的材料已形成以帮助满足这些或其他越来越苛刻的工程要求。与形成此类工程复合材料相关的困难之一是与以不同材料在最终产品中实现期望的结构益处的方式引入所述不同材料相关联的成本。由于将离散增强相引入块体合金中是复杂的(因此是极其昂贵的)，大批量部件生产技术不可通过上述传统金属铸造形式中的一种或多种用于发动机部件。
本发明的发明人已发现，传统的SSM或挤压铸造技术尚不能充分利用此类材料的使用将以其他方式提供的机械或结构性能。具体地，本发明的发明人已经确定仍然存在通过成本效益好的、大批量制造途径开发低成本、经久耐用的发动机部件的需要，所述成本效益好的、大批量制造途径使用SSM、挤压铸造或相关的制作技术更好地利用轻质金属基质复合材料使之成为可能的高的特定性能。
发明内容
为了满足上述需要，本发明的发明人已经确定在轻质金属合金中原位成核和生长增强相来制作复合材料可由在挤压铸造或SSM成形途径期间发生的添加的前体材料的活化事件来触发。此种活化事件的一个优选形式是是热活化，其中前体在部件成形工艺期间暴露于升高的温度。不管采用哪种活化原理实现基于热方式将前体原位转化为分散于整个轻质金属块体合金中的增强相，本发明的发明人已发现所形成部件的类似复合材料的性质使得改善的机械性能成为可能，所述改善的机械性能可通过SSM成形或挤压铸造以与传统模铸和其他大批量的传统铸造途径的方式类似的方式以大批量获得。
根据本发明的第一方面，公开了一种制作增强金属基质复合材料部件的方法。该方法包括将一种或多种增强相前体(本文又称为“成核位点前体”，或更简单地称为“前体”)引入块体(即，进料)合金中，通过活化步骤将前体转化成增强相，以及与任选的成形后热处理结合使用压挤铸造或SSM成形将部件形成为块体合金和一种或多种增强相的复合材料，使得增强相的线性大小在纳米到微米范围内。进料合金选自由铝基合金、镁基合金以及所谓的高熵合金组成的组，其中在本发明的上下文中，此类“高熵”合金为由多种(通常为五种或更多种)金属以大约相等的量制成的那些合金。一个此种示例为铝、锂、镁、钪和钛的组合。此类材料表现出具有高的特定机械性能的纳米晶体构型。此外，在本发明的上下文内，只要相应铝或镁为主要组分之一(即使不是大部分组分)，此类高熵合金在本文视为由术语“铝基合金”、“镁基合金”等所涵盖。显著地，在活化期间生成的增强相的存在有助于块体合金呈现类似复合材料的属性，使得实现所形成复合材料的某些机械性能(比如弹性模量)的提高。不像添加呈其基本上最终形式的增强相的常规复合材料，本文所公开的本发明的各方面的增强相在液态-固态转化或材料的后续热处理中的一种或多种期间在原位形成。
如在别处地方所提及，使用挤压铸造或SSM成形的选择以及所使用的块体合金的选择可以取决于所制造的部件。在采用SSM成形的情况下，两个附加选择是可能的，第一个选择包括提供呈微粒(即，固态，其示例包括粒状、粉末或相关固态的)形式的块体合金，并且第二个选择包括提供呈基本上液态(即，熔融)形式的块体合金。
根据本发明的另一个方面，一种制作增强金属基质复合材料部件的方法包括将一种或多种增强相前体引入选自由高熵合金、铝基合金或镁基合金组成的组的块体合金中，催化该增强相前体(或前体)，使得增强相将在将所述部件成型为块体合金和一种或多种增强相的复合材料之前形成和生长或者形成和生长作为将所述部件成型为块体合金和一种或多种增强相的复合材料的一部分。成型包括加热块体合金和前体的混合物直到其呈至少部分熔融的形式，将该混合物放置在模腔中，以及将高压施加在该复合材料上直到由模腔限定的部件的形状已经基本上固化。正如之前的方面一样，当该块体合金可以处于微粒或熔融状态时，所述成型使用SSM成形或挤压铸造操作，并且可以使用多于一个模腔(例如，初始模腔和最终模腔)。
根据本发明的又一个方面，公开了一种制作增强金属基质复合材料部件的方法。该方法包括将一种或多种增强相前体引入选自由高熵合金、铝基合金或镁基合金组成的组的块体合金中，以及然后将所述部件成型为块体合金和增强相的复合材料，该增强相通过增强相前体的活化而形成。所述成型通过挤压铸造或SSM成形实现，且包括加热复合材料直到其呈至少部分熔融的形式，将该至少部分熔融的复合材料放置在模腔中，以及将高压施加在该复合材料上直到由模腔限定的部件的形状已经基本上固化。在一个任选的方式中，增强相的生长部分地(或在一些情况下基本上)通过一种或多种后续热处理步骤实现，使得一旦催化反应发生在块体合金中，增强相从前体位点生长出来。按照这种方式，增强相的存在以不同于离散增强相颗粒常规添加和后续混合进入块体合金的方式来实现。
附图说明
当结合下面的附图阅读时，可最好地理解本发明优选实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标号指示，且其中：
图1示出了可与本发明一起使用的概念性模铸系统；
图2示出了根据本发明的一个方面的与图1的系统一起使用的挤压铸造的流程图；
图3示出了根据本发明的另一个方面的与图1的系统一起使用的SSM的流程图；以及
图4示出了根据本发明的一个方面可以形成的概念性发动机缸体的等轴视图。
具体实施方式
首先参考图1和图4，类似于高压模铸的代表性铸造途径示出浇包10，浇包10用于将熔融金属20浇注到浇注槽30中并且向下浇注到终止于井40的浇注口中。射料套筒50接收熔融金属并且在增大的压力下(诸如通过柱塞(未示出))将其递送到给可分离上砂箱70和下砂箱80进料的一系列浇口60，上砂箱70和下砂箱80充当其中的模腔的壳体，所述模腔限定部件诸如具体在图4中描绘的发动机缸体100的代表性形状。除了别的之外还包括曲轴箱110、曲轴轴承120、凸轮轴轴承130(就具有顶阀和推杆的发动机而言)、水冷却夹套140、飞轮壳体150和缸膛160的复杂特征结构可以由腔体限定。立管(又称为进料器)90也被包括在上砂箱70中，以便给铸造进料以补偿在部件冷却和固化期间可发生的收缩。虽然未示出，但是相当的基于浇道的系统可以用于其他形式的永久(或半永久)铸造。在此种系统中，使用大体上水平浇道来代替上述模铸系统的加压射料套筒50；任一系统均与本发明兼容。例如，因为SSM成形和挤压铸造使用显著慢于典型的HPDC工艺的填充时间，所以基于浇道的进料的使用在本发明的上下文内可以特别有用。
接着参考图2和图3，示出了显示在挤压铸造(图2)和SSM(图3)下形成部件时所使用的步骤的流程图。这两种途径由于在固化期间将高压施加于至少部分熔融金属上而均能够形成具有细粒微观结构的制品。具体地关于挤压铸造，熔融合金的缓慢进模口速度避免湍流和气体截留，使得在冷冻(即，固化)循环期间，可以产生高密度和基本上无孔隙的部件。在本发明的上下文中，诸如“增加的”、“升高的”或“高”的修饰语结合用在初始和最终模腔中的一个或两个中的压力的使用表示足以实现必要挤压铸造或液态锻造的值；此类数字对于前者优选地在约50MPa和140MPa之间并且对于后者在约40MPa至100MPa之间。
如上所述，当与具有树枝状微观结构的微观结构进行比较时，基于SSM的微观结构具有优异的流动特性，这是因为坯原料的等轴状微观结构可被加热到半固态温度范围，以将细粒坯微观结构转换为允许相对自由流动(但仍具粘性)的流体行为的鲕状微观结构。这继而允许较高金属流动速度而没有随之而来的湍流问题，这继而显著地改善了部件生产率。除了SSM成形在填充期间不产生湍流之外，其还使用较低的进入金属温度使得对加工的热冲击较少，由于较低的进入金属温度而采用较短循环时间，并且不涉及液态金属的处理，且产生具有低或无孔隙率和高机械性能的精细微观结构。挤压铸造提供类似优点，包括享有以下益处：产生良好的表面光洁度(其有助于铸造后精加工减少)，产生几乎不浪费材料的近净形零件，允许任何残留材料的现场熔融以作为减少浪费的方式，以及使所得的部件具有精细微观结构、低或无孔隙率和高机械性能。
具体参考图2，示出了根据本发明的方面的用于挤压铸造200的各个步骤。所述步骤包括使块体合金熔融210，将前体添加到熔融物使得当达到合适的高温时原位形成增强相220，将块体合金和前体的液态混合物(在本文又称为浓缩合金)装载到射料套筒中230，使用射料套筒(诸如图1的射料套筒50)以将浓缩液态合金推入基本上最终成型的模腔中240，对腔体内的合金施加并保持高压直到部件固化250，去除(诸如通过喷射)固态零件260，以及然后执行任选的喷射后热处理270。在一种形式中，对增强相前体的加热可以通过感应加热进行。此外，虽然本公开的剩余部分优选地描绘了使用水平射料套筒以及利用其给腔体提供进料的相关浇道和浇口，但是本领域技术人员将清楚，还可以采用垂直或其他非水平进料方案且所述垂直或其他非水平进料方案仍然被认为在本发明的范围内。在最优选形式中，发动机缸体和其他汽车部件可以凭借通过挤压铸造或SSM成形工艺将原位产生的一种或多种增强相组合到块体合金中而制成。所得的颗粒增强、高刚度复合材料与其非增强对应物相比表现出优异的刚度，又避免了传统复合材料成形途径的成本和复杂性。
具体参考图3，示出了根据本发明的方面用于SSM成形300的各个步骤。实际上，两个平行路径300A、300B是可能的，这取决于从呈粉末/微粒形式或呈熔融形式的块体合金开始是否是优选的。对这两个路径进行解释。对于其中块体合金呈微粒、粉末或相关固态形式的情况，路径300A的步骤包括提供块体合金310A，将微粒前体混合到块体合金中320A，将块体合金和增强相前体的组合物或混合物引入初始成型的模具中330A，加热(连同压力)以固化初始成型的零件340A。同样，对于其中块体合金在引入增强相前体前呈熔融形式的情况，路径300B的步骤包括使块体合金熔融310B，将前体添加到熔融物以促进增强相的原位成形320B，将液态合金混合物浇注到初始成型的模具中330B，以及然后压制以固化初始成型的零件340B。
不管使用两个平行路径300A、300B中哪一个，后续步骤包括将固态的初始成型的零件传送到最终成型的模具中350，加热最终成型的零件和模具以使所述零件部分地熔融360，将高压施加于部分熔融的零件370以有助于所述零件以基本上最终形状固化380，喷射固化的零件390，以及执行任何任选的喷射后热处理400。在一个优选形式中，喷射后热处理400可有助于进一步形成期望的微观结构，包括具有介于纳米至微米范围内的不同尺寸的均匀分布的增强相。通过适当选择前体以种下成核位点，增强相的颗粒的弹性模量会比块体合金更高，从而提供所得复合零件的附加硬度。在一个优选形式中，前体在高于合金为固态的温度下可溶于合金，使得由温度、压力或其他能量源(诸如超声、振动或电磁)的增加引起的催化活化将促进成核位点的形成以使增强相颗粒在成核位点因该位点处的结构、尺寸和组合物中的一种或多种而生长成微米尺寸。所得的增强颗粒在低于它们成核的温度的某个温度下本身将不可溶于合金，并可呈化合物的形式，包括(但不限于)陶瓷、金属间化合物或分散质，以及它们的组合。此类陶瓷可包括碳化硅、氮化硅、氧化硅、碳化硼、氮化硼、氮化钛、碳化钛、氧化钛、氮氧化硅铝、滑石(硅酸镁)、氧化铝(矾土)和二氧化锆(氧化锆，其可以若干不同形式，或在可赋予相变增韧的亚稳结构中是化学稳定的，诸如不易破碎的部分稳定的氧化锆)。同样，合适的金属间化合物可包括FeAl、Fe3Al、FeAl3、FeCo、Cu3Al、NiTi、NiAl、Ni3Al、Ag3Sn、Cu3Sn、TiSi2、MgCu2、MgZn2、MgNi2、CuZn、Cu31Sn8、SbSn以及含有三个或更多个元素的其他化合物。也可使用低成本稀土元素的化合物，诸如Ce和La。在所述过程期间可单独地或共同地添加产生增强颗粒的前体，这取决于需求。值得注意的是，前体实现两件事情：第一，其提供增强相颗粒可生长的成核位点，以及第二，其提供可给增强相生长进料的元素。如此，它们可(或不可)由单一组合物制成。此外，可对它们进行涂覆(如下所述)以使外部组合物不同于受各种增强相的生长控制的芯的组合物。
在一个优选形式中，导致在成核位点形成增强相的活化包括通过将块体合金的温度升高到高于其固相线温度来催化一种或多种前体。一旦前体被催化，所得的增强相避免在液态熔融物存在下通过其相对高的熔融温度并结合在常见的铝和镁模铸合金的液相线温度TL左右或高于该液相线温度TL的温度下发生的成核而复原。实际上，这些增强相(优选地呈颗粒形式)事实上可在相当宽的温度范围内(例如，在约200℃至800℃之间)成核，这取决于其中发生成核的溶液，以及增强相的尺寸。例如，半径较小的颗粒因其高表面能在较低的熔融温度下形成。在其中预期使用基于铝的材料的情况中，本发明人认为约500℃至800℃的活化温度范围是足够的，而约425℃至700℃的活化温度范围适于基于镁的材料。在本发明的上下文中，人们期望在典型铸造合金的液相线温度TL左右发生成核，典型铸造合金的示例在下表中示出。
由于增强相的高熔点，增强相的正确选择将确保所述增强相即使在非常热的块体合金内也保持固态。例如，一种典型的增强氧化物颗粒即二氧化钛TiO2的熔融温度为1843℃或3350°F。如本领域技术人员所理解的，液相线温度TL和固相线温度Ts诸如在上表中所示的那些基于相图是材料组合物的函数。因此，铝的良好固相线温度Ts温度范围将在约500℃和700℃之间，而期望的液相线温度TL范围将在约550℃和750℃之间。同样地，镁合金的优选固相线温度TS范围将在约425℃和600℃之间，相应的液相线温度TL范围将在约550℃至700℃之间。
此外，通过本文中讨论的催化步骤对前体的活化通过减少的界面能改善了可润湿性；这继而产生所期望增强相的改善。因此，除了控制增强相的尺寸之外，前体可以涂覆(特别是在呈陶瓷形式时)有通常具有低熔点的金属，或通过机械研磨以及将它们混合在溶剂中然后干燥得到的化合物颗粒。溶剂或载体(其可以保留或在处理之后去除)可用于通过帮助减少颗粒表面之间的界面能来改善转化过程的效率或效力，以及避免颗粒群集。该溶剂或载体可以是有机或无机化学品诸如醇、氯化溶剂或市售的工业溶剂，以及固态润滑剂诸如氮化硼粉末、二硫化钼(MbS2)粉末等。
与本发明的复合材料生成途径一起使用挤压铸造或SSM成形的一个显著益处是，可使用铝或镁铸造合金的非传统组合物，包括具有显著非共晶组合物的那些非传统组合物，其虽然具有对发动机缸体和相关汽车部件来说有价值的属性，但部分由于将此类合金铸造为可重复的高品质成品具有的难度，迄今都被避免使用。同样，传统上与锻造材料(诸如铝-铜、铝-镁(具有或不具有附加合金成分))相关联的合金可以与本发明一起使用，从而将可用材料的范围扩展到迄今被视为不适用于低成本大批量部件制造的那些材料。以举例的方式，过共晶合金390传统上难以使用，因为其不能维持所期望的微观结构作为在铸造过程期间控制初晶硅尺寸和分布的一种方式。通过减少与初晶硅形成相关联的高熔化热的影响，本文所讨论的原位复合材料形成与挤压铸造或液态锻造的组合避免了传统的循环时间长和伴随的工具寿命缩短，这些因素先前限制这种(以及其他)合金的适用性。使用难铸造合金(诸如来自铝/铜类合金)的可能性在形成发动机缸体100中是特别期望的，因为限定在该发动机缸体100中的缸镗可以在不需要单独的铁基气缸套或其他插入件的“裸孔”配置中产生。此外，本公开的受让人当前为发动机缸体使用的传统亚共晶合金(诸如合金319和356，各自均有大约6％至7％的Si)以及近共晶合金(如合金380，具有大约9％的Si)可以与本文公开的方法有利地一起使用。
应当注意，类似“优选地”、“常常”和“通常”的术语在本文不用于限制受权利要求书保护的本发明的范围，或也并非意指某些特征对于受权利要求书保护的本发明的结构或功能是关键的、基本的或甚至重要的。相反，这些术语仅仅旨在用来突出可以用于或可以不用于本发明的具体实施例中的另选或另外的特征。此外，术语“基本上”在本文用于表示可归因于任何定量比较、数值、测量值或其他表示的不确定性的固有程度。如此，其表示定量表示可以与规定参考值有差异而不会导致讨论中主题基本功能产生变化的程度。
由于已经参照具体实施例详细描述了本发明，因此显而易见的是，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对本发明进行修改和变型。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是应当预期到，本发明不必局限于本发明的这些优选方面。

Claims (9)

1.一种制作增强金属合金部件的方法，所述方法包括：
将至少一种增强相前体引入选自由铝基合金、镁基合金以及它们的组合组成的组的块体合金中；以及
形成所述部件作为所述块体合金和至少一种增强相的复合材料，所述至少一种增强相是在通过使用挤压铸造或半固态金属成形活化所述至少一种增强相前体时产生的，使得所述至少一种增强相的线性大小在纳米至微米范围内，
其中所述活化步骤包括，通过将所述块体合金的温度增加到高于其固相线温度来催化所述至少一种增强相前体，并且其中所述活化进一步发生在至少一个后续的热处理步骤中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中由所述挤压铸造进行的成形包括，在所述至少一种增强相前体添加至其中时使所述块体合金呈熔融形式，并且其中所述成形进一步包括：
将所述复合材料维持为基本上熔融的形式；
将所述基本上熔融的复合材料放置在射料套筒中；
将所述基本上熔融的复合材料推入基本上最终形状的模腔中；以及
维持所述基本上熔融的复合材料上的高压直到由所述最终形状的模腔限定的所述部件的最终形状基本上固化，其中所述基本上最终形状的模腔成型为限定汽车部件；
一旦所述部件已基本上固化，对所述部件进行热处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述活化包括通过以下中的至少一项催化所述至少一种增强相前体：增加所述增强相前体上的压力、将超声振动施加于所述增强相前体，以及将电磁场施加于所述增强相前体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中铝基块体合金选自由以下项组成的组：共晶合金、近共晶合金、亚共晶合金和过共晶合金。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述增强相限定比所述块体合金的弹性模量更高的弹性模量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述增强相选自由以下项组成的组：陶瓷、金属间化合物和稀土元素。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述半固态金属成形而进行的所述引入包括在所述至少一种增强相前体被引入到其中时提供呈颗粒形式的所述块体合金。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述成形进一步包括：
将所述复合材料引入基本上初始形状的模腔中；
提供热量和压力的组合直到由所述初始形状的模腔限定的所述部件的初始形状已基本上固化；
将所述固化复合材料传送到基本上最终形状的模腔；
对所述基本上最终形状的模腔进行加热使得其中的所述固化复合材料至少部分熔融；
将附加的压力施加于所述至少部分熔融的复合材料直到由所述最终形状的模腔限定的所述部件的最终形状已基本上固化，且其中所述基本上最终形状的模腔成型为限定出汽车发动机缸体；以及
一旦所述部件已基本上固化，对所述部件进行热处理。
9.根据权利要求1所述的方法，其中由所述半固态金属成形进行的所述成形进一步包括：
将所述复合材料维持为基本上熔融的形式；
将所述基本上熔融的复合材料放置到基本上初始形状的模腔中；
提供热量和压力的组合直到由所述初始形状的模腔限定的所述基本上熔融的复合材料已基本上固化；
将所述固化复合材料从所述初始形状的模腔传送到基本上最终形状的模腔；
对所述基本上最终形状的模腔进行加热使得其中的所述固化复合材料至少部分熔融；以及
将附加的压力施加于所述至少部分熔融的复合材料直到由所述最终形状的模腔限定的所述部件的最终形状已基本上固化。
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