CN107626916A - 改进的含过渡元素的铝合金粉末金属 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了改进的含过渡元素的铝合金粉末金属和一种过渡元素掺杂的铝粉末金属及其制备方法。所述制备方法包括形成铝‑过渡元素熔体，其中所述铝‑过渡元素熔体中的过渡元素含量小于6重量％。然后使所述铝‑过渡元素熔体粉末化以形成过渡元素掺杂的铝粉末金属。可以通过例如空气雾化来实现所述粉末化。

Description

改进的含过渡元素的铝合金粉末金属

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2011/064875，国际申请日为2011年12月14日，进入中国国家阶段的申请号为201180056037.0，发明名称为“改进的含过渡元素的铝合金粉末金属”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请要求2011年12月15日提交的题为“改进的含过渡元素的铝合金粉末金属”的美国临时专利申请系列第61/423,535号，和2011年4月21日提交的题为“改进的含过渡元素的铝合金粉末金属”的美国临时专利申请系列第61/477,764号的优先权。这些申请的内容通过引用全文纳入本文以用于全部目的。

关于联邦资助研究或开发的声明

无。

技术背景

本发明涉及粉末冶金法。具体地，本发明涉及用于粉末冶金法的粉末金属配方。

粉末冶金法是传统金属成形技术例如浇铸法的一种替代技术。使用粉末冶金法，可以制造具有复杂几何形貌的部件，该部件具有与最终部件中所需尺寸非常接近的尺寸。该尺寸精度可以节省大量用于机械加工或者再加工的费用，特别是对于那些大批量生产的部件更是如此。

由粉末冶金法制得的部件通常以如下方式形成。首先，在压力条件下将包含一种或多种粉末金属和润滑剂材料的配方在工具和模具组中压实，以形成PM压制品。然后加热此PM压制品以去除润滑剂材料，并通过基于扩散的质量传输将粉末金属的单个颗粒烧结到一起。通常通过将粉末金属材料加热至略低于或略高于其固相线温度的温度来进行烧结。当保持在低于固相线温度时，在缺少液相的情况下发生烧结。这通常称作固态烧结。当保持在高于固相线温度时，形成了受控的液相馏分。这种方式的烧结称作液相烧结。无论采用何种烧结温度，烧结部件的形状与原始压制品非常相似。

在烧结过程中，部件尺寸通常会发生收缩。当发生扩散时，相邻颗粒会相互颈缩以形成永久的相互结合，并开始填充颗粒之间的任意空穴。相比于压制品，该致密化使得孔隙尺寸靠近和/或下降，并降低了烧结部件的总体尺寸。但是，即使是烧结时间较长，仍会在烧结部件中留下一些空穴。不幸的是，对于未达到完全致密的烧结部件，此类烧结部件的机械强度通常略小于锻造部件的机械强度。

因此，存在改进粉末金属的需求。具体来说，对于这样的粉末金属存在持续的需求，该粉末金属在烧结后具有与其锻造对应物接近的机械强度。

发明内容

本发明揭示了一种改进的铝合金粉末金属及其制备方法。与具有传统铝粉末金属组成和微结构的部件相比，由本发明所揭示的铝合金粉末金属制造的PM部件具有改善的强度性质。铝合金粉末金属至少部分改善了强度性质，原因在于过渡元素以较均匀的方式掺杂进铝粉末金属。这减少了沿着颗粒边界形成的金属互化物的数量，并能促进形成在整个烧结部件上均匀强化的弥散体相，所述金属互化物在颗粒边界处的益处是有限的。这类形貌在压制-烧结类型产品中是未知的。

本发明揭示了一种用于生产粉末金属部件的粉末金属的制造方法。所述制备方法包括形成铝-过渡元素熔体，其中所述铝-过渡元素熔体中过渡元素的含量小于6重量％。铝-过渡元素熔体粉末化以形成过渡元素掺杂的铝粉末金属。过渡元素添加物可包括铁、镍、钛和锰中的一种或多种。

在该方法的一个形式中，粉末化步骤可包括使铝-过渡元素熔体空气雾化。在该方法的其他形式中，使铝-过渡元素熔体粉末化以形成过渡元素掺杂的铝粉末金属可包括用除了空气之外的气体(例如氮气、氩气或者氦气)进行雾化、粉碎、研磨、化学反应和/或电解沉积。

可以由该过渡元素掺杂的铝粉末金属形成粉末金属部件。粉末金属部件中过渡元素的浓度可基本等于用于形成所述粉末金属部件的过渡元素掺杂的铝粉末金属中过渡元素的浓度，这表示作为独立元素粉末或作为部分母合金加入极少量的过渡元素，或者没有加入作为独立元素粉末或作为部分母合金的过渡元素。与加入了过渡元素作为元素粉末或作为部分母合金的类似组成的粉末金属形成的粉末金属部件相比，由过渡元素掺杂的铝粉末金属形成的粉末金属部件可具有沿着部件颗粒边界形成的明显较少的金属互化物。

过渡元素掺杂的铝粉末金属可与其他粉末金属混合以提供至少一种其他合金化元素。通过混合过渡元素掺杂的铝粉末金属和另一种粉末金属，形成了混合的粉末金属，所述混合的粉末金属之后可用于形成粉末金属部件。

本发明还揭示了通过上述方法制得的粉末金属。所述粉末金属是过渡元素掺杂的铝粉末金属，其中过渡元素均匀分布在整个过渡元素掺杂的铝粉末金属中，并且，所述过渡元素掺杂的铝粉末金属含有小于6重量％的过渡元素。

此外，可通过空气雾化或者本文所述的其他形式的粉末化来形成过渡元素掺杂的铝粉末金属。

过渡元素可包括铁、镍、锰和钛中的一种或多种。还可以以最高达15％体积的量加入瓷添加剂，例如，SiC和/或AlN。

本发明还揭示了另一种用于生产粉末金属部件的粉末金属的制造方法。所述制备方法包括形成铝-合金元素熔体，其中所述铝-合金元素熔体中合金元素的含量小于6重量％。所述合金元素选自下组：铁、镍、钛和锰。使铝-合金元素熔体粉末化以形成合金元素掺杂的铝粉末金属。

本发明还揭示了另一种用于生产粉末金属部件的粉末金属的制造方法。根据此制备方法，形成了铝-合金元素熔体，其中所述铝-合金元素熔体中合金元素的含量小于6重量％。使铝-合金元素熔体粉末化以形成合金元素掺杂的铝粉末金属。合金元素和铝形成金属互化物相，该金属互化物相均匀分散在整个合金元素掺杂的铝粉末金属中。此外，由于金属互化物相不同于传统的PM材料，并非主要位于颗粒边界，因此金属互化物改善了这种粉末金属制得的部件的强度。

通过以下详述和附图能够清楚地了解本发明的上述以及其他优点。以下仅描述了本发明的一些优选的实施方式。为了评定本发明的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非权利要求书范围内的仅有的实施方式。

附图简要说明

图1显示2324铝合金(Al-4.5Cu-1.5Mg-0.2Sn)的各种粉末变体的生坯强度。

图2显示2324铝合金粉末及其变体在不同压制压力下得到的理论密度百分数。

图3显示2423铝合金粉末金属及其各种变体烧结所得样品的理论密度百分数。

图4到7比较了由经过T1热处理的铝合金粉末金属制得样品的屈服强度、极限拉伸强度(UTS)、伸长率和杨氏模量，包括在一些情况下铝合金粉末金属预合金化以及向其中添加过渡元素的差异。

图8和9比较了由经过T6热处理的铝合金粉末金属制得样品的杨氏模量和屈服强度。

具体实施方式

出于比较目的，生产了具有不同化学性质的多种粉末金属样品。作为比较的基线系统，使用2324铝合金粉末金属(合金数字对应国际合金命名系统中的合金名称)。用作基线的2324铝合金包含4.5重量％铜、1.5重量％镁、和0.2重量％锡，粉末的余下部分是铝(任何其它杂质含量微少)。掺混物还使用1.5重量％的Licowax C作为润滑剂。Licowax C是润滑剂材料，在加热过程中蒸发掉。

还通过加入包括铁和镍的过渡元素来制备2324铝合金的变体。这些过渡元素通过空气雾化作为预合金组分添加或者在不同制备样品中作为元素粉末添加。

值得注意的是，粉末掺混物变体是含有最高达6重量％的过渡元素的过渡元素掺杂的铝粉末。通常来说，当向粉末掺混物中加入合金元素时，这些合金元素是作为元素粉末(即仅含有合金元素的纯粉末)或者作为同时含有大量基础材料(在此情况下为铝)与合金元素的母合金加入的(例如，50/50母合金)。当使用母合金时，为了之后在最终部件中得到所需量的合金元素，用基础材料的元素粉末“切割”母合金。

相反，通过对含所需最终组成的过渡元素的铝-过渡元素熔体进行空气雾化或者气体雾化来得到过渡元素掺杂的铝粉末金属。粉末的空气雾化在较高的过渡元素浓度时是有问题的，因而可能无法对含有高重量百分数(相信此时超过6重量％)过渡元素的过渡元素掺杂的粉末进行雾化。

加入过渡元素导致形成了金属互化物，其使得合金强化并在一定温度范围内保持稳定。如果过渡元素是作为元素粉末或者如传统做法那样作为母合金的一部分加入，则优选沿着颗粒边界形成金属互化物相，并且所述金属互化物相的尺寸是粗糙的，因为较慢的扩散动力学和化学溶解度阻碍了过渡元素在烧结微结构中的均匀分布。在这些条件下，金属互化物相对于最终部件的性质仅具有有限的改进。

通过在铝粉末中掺杂过渡元素而不是以元素粉末或者母合金一部分的形式加入过渡元素，使过渡元素更一致并均匀地分布在整个粉末金属中。因此，过渡元素掺杂部件的最终形貌如下：过渡元素分布在整个铝中，并且金属互化物并未被驱逐到或者限制在主要沿着颗粒边界的位置，在该位置处它们仅有有限的作用。

应理解，虽然制备的样品包括铁和/或镍的过渡元素添加物，但是也能使用其它过渡元素。例如，可以额外添加作为掺杂的预合金过渡元素的锰和钛。

为了比较各种粉末金属，将2324和变体粉末制成测试棒。每种粉末压制成测试棒样品，烧结，然后进行T1或T6热处理。

首先看图1，比较各种粉末组合物相互之间的生坯强度。制备和测试的样品是：2324铝合金，具有0.2重量％空气雾化预合金化的锆的2324铝合金，具有1重量％空气雾化预合金化的镍的2324铝合金，具有1重量％空气雾化预合金化的铁的2324铝合金，具有1重量％空气雾化预合金化的铁和1重量％空气雾化预合金化的镍的2324铝合金，具有作为元素粉末添加的1重量％镍的2324铝合金以及具有作为元素粉末添加的1重量％铁的2324铝合金。所有这些样品在400MPa压制压力下压制。

从图1，可以看到加入1重量％铁和/或1重量％镍会造成样品生坯强度的明显增加。无论铁和/或镍通过空气雾化加入或作为元素粉末添加物的情况都是如此。2324铝合金的生坯强度略低于10MPa，而含有铁和/或镍的样品的生坯强度约为12MPa或更高。

图2显示了压制压力和预合金添加物对烧结密度的影响。四种样品组合物包括通过空气雾化预合金化1重量％镍的2324铝合金、通过空气雾化预合金1重量％铁的2324铝合金、通过空气雾化预合金1重量％铁和1重量％镍的2324铝合金以及单独的2324基底铝合金。这些组合物的样品分别在200MPa、400MPa、和600MPa的压制压力下制备，然后烧结。

这些组合物在各种压制压力下的平均理论密度百分数以及理论密度的百分数观察范围分别如图2所示。从收集的数据可以看出，预合金的组合物在所有的压制压力下都具有98％或以上的平均理论密度百分数。相比较而言，没有任何预合金镍或铁的2324铝合金在200MPa压制压力下的理论密度百分数只有96.4％。此外，预合金组合物的检测表明过渡元素的加入减小了平均理论密度百分数的范围。这表明过渡元素预合金的组合物更可靠地获得在平均理论密度百分数附近的烧结密度。

现在参考图3，比较各种样品(即，2324铝合金基粉末、具有空气雾化预合金的过渡元素的2324、具有过渡元素的元素粉末添加物的2324)相互之间的理论密度百分数。最值得注意的是，图3揭示虽然作为元素粉末加入1重量％铁会降低烧结，但是通过空气雾化预合金等量的铁则不会。含有作为元素粉末添加的1重量％铁的样品仅仅达到94％的理论密度。相反，通过空气雾化预合金1重量％铁的样品达到略低于98.5％的理论密度。

现参见图4到7，比较了由2324基底的铝合金粉末金属制得的样品及其一些变体在烧结和经过T1热处理后的机械性质。具体地，对2324铝合金、含1重量％铁的2324合金(通过空气雾化和作为元素粉末添加)、含1重量％镍的2324铝合金(通过空气雾化和作为元素粉末添加)以及通过空气雾化预合金含1重量％铁和1重量％镍的2324铝合金之间进行比较。

预合金的T1热处理的样品的拉伸性质通常来说好于2324铝合金基的组合物以及以元素粉末形式添加了过渡元素的组合物，或至少与它们相当。具体地，1重量％铁和1重量％镍的预合金的样品的拉伸性质(包括屈服强度、极限拉伸强度、伸长率和杨氏模量)好于2324基底材料样品、含1重量％铁的样品(通过空气雾化制备或作为元素粉末添加)以及含1重量％镍的样品(通过空气雾化制备或作为元素粉末添加)。1重量％铁和1重量％镍的样品唯一低于其它样品的表现是伸长率，其中，空气雾化的1重量％铁的样品在破碎之前具有略微较高的伸长率。1重量％铁和1重量％镍空气雾化的粉末金属制得部件的平均屈服强度约为220MPa，极限拉伸强度约为275MPa，伸率为略高于1.75％，杨氏模量超过70GPa。

现在参考图8和9，比较2324基底合金材料和各种含有空气雾化预合金的过渡元素的组合物与400MPa压制并经过T6热处理的样品进行比较。同样，观察到通过空气雾化预合金加入1重量％铁和/或1重量％镍产生了比没有这些添加的2324基底粉末更高的杨氏模量和屈服强度。印象最深刻的差异如图8所示，2324基底铝合金的平均杨氏模量约为45GPa，而含1重量％铁和1重量％镍的2324铝合金的杨氏模量约为85GPa。

虽然在上述制备和测试样品的制备中使用2324铝合金粉末金属基底，但是可以预期的是能够与过渡元素预合金化的其它铝合金体系。这些铝合金体系包括，但不限于Al-Cu-Mg-Si(例如，Al-4.5Cu-0.5Mg-0.7Si)、Al-Zn-Mg-Cu(例如，Al-5.5Zn-2.5Mg-1.5Cu)、Al-Mg-Sn和Al-Cu-Mg-Sn(例如，Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn)。

作为例子提供Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn铝合金体系的额外比较数据，以进一步支持在铝粉末金属中预合金化镍和铁的益处。

从Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn铝合金粉末金属(这种粉末金属配方预合金了1重量％铁，这种粉末金属配方添加1重量％作为铁元素的粉末，这种粉末金属配方预合金了1重量％镍，这种粉末金属配方添加1重量％作为元素粉末的镍)制备烧结的粉末金属样品。

预合金了1重量％铁和1重量％镍的合金在两种情况下展示出基本一致的可压缩性并获得96.3％的最大理论密度。相比较而言，在结合了1重量％作为元素粉末的铁和镍的掺混物中观察到一致的峰值。同样，预合金的添加物没有阻碍基底合金的可压缩性。

由预合金铝粉末配制的混合物作出的两条生坯强度曲线也是相当的，但是在程度上与生坯密度图不尽相同。实验中，发现结合有预合金的镍的掺混物展现出比含有预合金的铁的掺混物改进的生坯强度。通常增加量约为800kPa，并在压制压力大于300MPa时发生。在包含作为元素粉末的铁和镍添加物的基底粉末的粉末金属样品中能发现相似的性质。在这些样品中，镍添加物也具有比铁高的生坯强度。

有趣的是，预合金的生坯强度数据与过渡元素添加物的元素方式相比表明预合金的样品产生更高强度的压制。该提升是明显的，提升量根据添加物和采用的压制压力可以约为10-20％。

已知市售的P/M合金(如AC2014等)在近似的压力范围内展现出在2,500和14,000kPa之间的标称生坯强度，其与观察到的生坯强度是非常接近的。这些掺混物成功用于工业规模，实验系统中每个相当的生坯强度衰减预示对任何未来工业使用方面都是好的现象。总之，元素添加物或预合金添加物未发现对合金的压制性质产生任何不利影响。

还收集了用预合金的粉末制备的生坯压制体的显微图片。在这些基底粉末金属含有元素添加物的样品中，没有发现与相对高纯度和元素分离一致的第二相。这与预合金材料形成鲜明对比。在来自预合金粉末的压制体中，具有相当浓度的第二相是非常明显的。这些相具有细小的尺寸并均匀分布在铝颗粒中。

现参考下表1，提供的数据显示仅仅基底粉末(Al-2.3Cu-1.6Mg-02Sn)、预合金了1重量％铁或镍以及包含作为独立元素粉末添加的1重量％铁或镍的一般烧结响应。

表I

在每种情况下，预合金的铝粉末配制得到的合金比元素对应物具有更高的烧结密度。这也与表观硬度的增加相符，定量为5-6个点洛氏硬度(Rockwell Hardness E)(HRE)改进。

几个其它的观察也值得注意。对于烧结密度，预合金1重量％铁得到的最终值与没有铁的样品在统计上相当。预合金镍的情况则并非如此，出现了小但是可测的密度减少。

两种元素粉末添加物的观察都与上述第一个示例性体系(见图3)相似，在该示例性体系中，含1重量％铁元素添加物的样品对密度有良性效果，而含1重量％镍元素添加物的样品促使烧结密度降低。

预合金基底铝粉末也产生具有比基底合金更高的表观硬度的烧结产物。在镍添加物中增加量是适度的(约2HRE)但在铁中更加显著(约7HRE)。

由这些粉末金属配方制备的样品的拉伸特性总结在下表2中。

表II

对于每种过渡金属添加物，预合金体系明显胜过它们的元素对应物。对于铁，屈伸强度和UTS的增加量约为20-30％并有延展性的少量损失，而对于镍的情况则明显增加。

在所列的粉末金属配方中，当向基底铝粉末预合金1重量％的铁时，实现最佳的性质组合。这种合金的拉伸特性超过预合金镍和基底合金自身发现的特性。后一点有特别的意义，其证实了事实上实现了弥散体强化的衰减。如图所示，1重量％铁的预合金添加物促进屈服强度和UTS相对未改性的合金增加12％。延展性降低但是最终值(约4％)对于压制-烧结铝粉末金属合金而言仍然是有效的。事实上，弥散体强化合金的最终性质明显好于在同样T1温度下加工的市售掺混物如AC2014、A6061、和Al-14Si中所观察到的性质。

另外，当对烧结微结构进行分析时，在预合金镍粉末样品的微结构中的任何点都未检测到Al₃(Ni,Cu)₂的更丰富的铜的吸收相。该观察表明在预合金化中存在的镍铝互化物最终从微结构的α-铝颗粒中清除较少的铜。EDS分析支持这个标称铜含量现在在α-铝颗粒中更高的概念。

当通过元素粉末添加物引入铝化物类型的弥散体相时，它们会不可避免地在烧结过程中原位形成。这涉及逐步的反应系列，其中多种中间相是可能的。一些所述中间相已知显示出明显的铜溶解度(例如，Al₃Ni₂)。这些反应也是放热的并能产生铝粉末的原位氮化，该原位氮化的程度可能成为不利的副反应。然而，在预合金的粉末中，铝化物是已存在的特性，其能消除元素粉末添加物相关的并发反应。这也导致弥散体相在烧结产品中改良且均匀的分布。在压制和烧结生产循环中的任何阶段中结合这些强化特性，并且(a)不会产生负面影响以及(b)是以一种产生明显强度改进的方式，被视为预合金方法的主要益处并对最终在工业规模实施是个好现象。

虽然一些配方已经如上述鉴定，应理解的是过渡元素掺杂的铝粉末也可与另外的合金元素混合(以预合金添加或元素粉末的形式)。在添加元素粉末的情况下，应当考虑元素粉末是否会降低烧结性能。例如，上述的数据表明铁元素粉末添加物降低了烧结性能，而镍元素添加物能在不牺牲烧结性能下使用。因而，镍可能适合作为元素粉末加入基底铝合金中，而铁可能被排除。

过渡元素掺杂的铝粉末金属能在各种用于改进强度性质和烧结反应的合金体系中作为基底粉末。在某些配方中，这种过渡元素掺杂的铝粉末金属能用于具有MMCs(金属基质复合物)的合金体系中。在这些体系中，能在过渡元素掺杂的铝粉末金属中添加最高达15体积％的陶瓷强化剂。能添加的陶瓷强化剂包括，但不限于，AlN和/或SiC。

应理解在本文的精神和范围内可做出优选实施方式的各种其他改进和变型。因此，本发明不应限于所述实施方式。应该参照所附权利要求书来判断本发明的全部范围。

Claims (10)

1.一种生产粉末金属部件的方法，所述方法包括：

通过向2324铝合金掺杂过渡元素形成铝-过渡元素熔体，所述过渡元素选自下组：铁、镍、钛和锰，所述铝-过渡元素熔体中的铁、镍、钛和锰的含量小于6重量％；

使得所述铝-过渡元素熔体粉末化以形成过渡元素掺杂的铝粉末金属；以及

从所述过渡元素掺杂的铝粉末金属形成粉末金属部件，这包括对所述过渡元素掺杂的铝粉末金属进行压制和烧结以形成粉末金属部件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金属部件中过渡元素的浓度等于用于形成所述粉末金属部件的过渡元素掺杂的铝粉末金属中存在的过渡元素的浓度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，粉末化步骤包括对所述铝-过渡元素熔体进行空气雾化。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述铝-过渡元素熔体进行粉末化以形成过渡元素掺杂的铝粉末金属包括以下至少一种：用诸如氩气、氮气或者氦气的其他气体进行雾化以及进行粉碎、研磨、化学反应和电解沉积。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金属部件含有含量小于2重量％的过渡元素。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过渡元素掺杂的铝粉末金属与至少一种其他粉末金属混合，以提供至少一种其他合金化元素，从而形成了用于形成粉末金属部件的混合粉末金属。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与加入了过渡元素作为元素粉末或作为部分母合金的类似组成的粉末金属形成的粉末金属部件相比，由过渡元素掺杂的铝粉末金属形成的粉末金属部件具有沿着部件颗粒边界形成的明显较少的金属互化物。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过渡元素包括1重量％铁和1重量％镍。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加入最高达15体积％的至少一种陶瓷添加剂例如SiC或者AlN。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，合金元素和铝形成金属互化物相，该金属互化物相均匀分散在整个合金元素掺杂的铝粉末金属中。