CN109554586A - 具有优化的性能的铝铁硅合金 - Google Patents

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Abstract

公开了通过使用添加剂而具有优化的性能的Al‑Fe‑Si合金。在一些方面，使用机械优化添加剂(诸如硼、锆、铬和钼的组合)来优化机械性能。在一些方面，使用抗腐蚀添加剂(诸如铬、钼和钨)来优化抗腐蚀的性能。在一些方面，通过加入孪晶添加剂(诸如锌、铜、钒和钼中的任何项目)来优化延展性。

Description

具有优化的性能的铝铁硅合金
引言
本发明涉及铝-铁-硅(“Al-Fe-Si”)合金领域，更具体地涉及用于优化Al-Fe-Si合金性质的组合物和方法。
钢和钛合金已经用于车辆制造。这些合金提供高温强度，但它们可能是很重的和/或昂贵的。已经在车辆制造中研究了由轻质金属制成的部件，但需要持续改进性能和燃料经济性。轻质金属的一些实例包括铝和/或镁合金。然而，在形成过程中对机械性能和限制的要求可能决定需要选择哪种合金材料和合金成分。例如，当合金化部件降低密度时，诸如强度，可锻性和延展性的机械性能可能急剧恶化。
发明内容
期望形成具有优化的性能的轻质Al-Fe-Si合金。有利地，某些添加剂可用于增加晶界强度和单个晶粒的强度(例如晶格强度)。例如，如本文所述，包含添加剂硼、锆、铬和钼的Al-Fe-Si合金可以优化机械性能并减少形成Al-Fe-Si合金的限制。有利地，某些添加剂可用于抑制Al-Fe-Si合金的腐蚀。例如，如本文所述，包括铬、钼和钨组合的Al-Fe-Si合金抑制了Al-Fe-Si合金的腐蚀。有利地，某些添加剂可用于通过孪晶来增加Al-Fe-Si合金的延展性。例如，如本文所述，包括锌、钒、铜和钼中的任何一种的Al-Fe-Si合金减少了形成Al-Fe-Si合金的限制。
根据本发明的方面，一合金包括第一数量的铝、第二数量的铁、第三数量的硅和机械优化添加剂。机械优化添加剂由第四数量的硼、第五数量的锆、第六数量的铬和第七数量的钼组成。
根据本发明的其他方面，第四数量是第五数量的至少两倍。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第六数量为约2原子％至约6原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第七数量为约0.2原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第一数量为约59原子％至约66原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第二数量为约24原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第三数量为约9.5原子％至约15原子％。
根据本发明的方面，一合金包括第一数量的铝，第二数量的铁，第三数量的硅和抗腐蚀添加剂。抗腐蚀添加剂由第四数量的铬，第五数量的钼和第六数量的钨组成。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第五数量为约0.2原子％至约2原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第六数量为约0.2原子％至约2原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第四数量为约2原子％至约6原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第一数量为约59原子％至约66原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第二数量为约24原子％。
根据本发明的其他方面，基于第一数量至第七数量的所有原子，第二数量为约9.5原子％至约15原子％。
根据本发明的方面，一合金包括第一数量的铝、第二数量的铁、第三数量的硅和第四数量的孪晶添加剂。孪晶添加剂配置用于在合金内形成孪晶结构。第一数量，第二数量，第三数量和第四数量产生具有化学计量式(Al1-xMx)3Fe2Si的合金，其中M是孪晶添加剂。
根据本发明的其他方面，x为约0.01至约0.1。
根据本发明的其他方面，孪晶添加剂选自锌、铜、钒、钼及其组合。
根据本发明的其他方面，孪晶添加剂为锌。
根据本发明的其他方面，孪晶添加剂由中间半径的原子组成。
根据本发明的其他方面，孪晶添加剂为具有约0.1335nm原子半径的单一元素。
从以下对用于实施本发明的最佳模式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
具体实施方式
如本文所述，某些添加剂可用于优化Al-Fe-Si合金的性能。例如，某些添加剂可用于增加晶界强度和单个晶粒的强度(例如晶格强度)，某些添加剂可用于Al-Fe-Si合金的抗腐蚀，并且可以使用某些添加剂通过孪晶增加Al-Fe-Si合金的延展性。有利地，这些优化提供了轻质Al-Fe-Si合金的使用，与其他轻质合金(例如钛合金)相比，其减少了制造负担和产品投资，并且克服了制造抑制，诸如相对较低的延展性抑制了精细结构的部件。
例如，如本文所述，包括硼、锆、铬和钼组合的添加剂可以优化机械性能并减少形成Al-Fe-Si合金的限制。例如，如本文所述，包括铬、钼和钨组合的添加剂抑制Al-Fe-Si合金的腐蚀。例如，如本文所述，包括锌、钒、铜和钼中任何一种的添加剂降低了形成Al-Fe-Si合金的限制。有利地，如本文所述，某些添加剂可用于为所得Al-Fe-Si合金提供这些益处中的至少一种。
根据本发明的方面，通过添加某些机械优化添加剂来优化晶界强度和优化单个晶粒的晶格强度，改善了Al-Fe-Si合金的机械性能。根据本发明的方面，机械优化添加剂包括硼、锆、铬和钼的组合。尽管不受理论束缚，但据信铬和钼主要增强单个晶粒的晶格强度，而硼和锆主要增强所得Al-Fe-Si合金的晶界强度。
具有优化的机械性能的合金包括铝、铁、硅、硼、锆、铬和钼的组合。在一些方面，具有机械优化的性能的合金包括基于合金内所有原子的约59原子％(“at％”)至约66at％的铝，基于合金内所有原子的约24at％的铁，基于合金内所有原子的约9.5at％至约15at％的硅，基于合金内所有原子的约2at％至约6at％的铬，基于合金内所有原子的约0.2at％的钼，并且以每个锆原子至少两个硼原子的比例用硼和锆填充剩余部分。
在一些方面，该合金可包括基于合金内所有原子的约0.1at％的锆，和基于合金内所有原子的大于约0.2at％的硼。例如，在一些方面，基于合金内的所有原子，锆的量为约0.1at％而硼的量为约0.24at％。在一些方面，基于合金内的所有原子，锆的量为约0.1at％而硼的量为约0.4at％。在一些方面，基于合金内的所有原子，锆的量为约0.1at％而硼的量为约0.6at％。有利地，因为可以实施固态加工以将机械优化添加剂结合在Al-Fe-Si合金中，机械优化添加剂可以减少加工负担。此外，因为机械优化添加剂可以在任何合金化之前结合铝、铁和硅基础金属，可以通过减少或不增加加工步骤的数量来优化具有机械优化的性能的合金的制造。
根据本发明的方面，通过添加某些抗腐蚀添加剂来降低Al-Fe-Si的腐蚀。在生产之后，通过在暴露表面上形成自然氧化物层来钝化Al-Fe-Si合金。基于合金和原生氧化物层之间界面处的反应速率，氧气通过已形成氧化物扩散的速率以及氧气到达氧化物层外表面的速率，原生氧化物层进行生长。随着氧化物层的厚度增加，氧扩散速率减慢并限制总反应速率。因此，在一段时间之后，氧化速率接近零并且氧化物厚度保持相对稳定。尽管当氧化物厚度稳定时氧气扩散受到限制，但是诸如氯离子的原子仍然可以穿透氧化物层并扩散到合金和氧化物之间的界面，在此该离子促进了合金的腐蚀。
将部件暴露于水中可以在天然氧化物层的外表面提供电解质。例如，在温度接近冰点的区域中的道路喷雾可能对Al-Fe-Si合金特别有害，因为施加在道路上的溶液抑制了冰的形成。这些溶液通常通过离子溶解起作用，并且在道路喷雾中携带的离子，例如氯化物，将沉积在与它们接触的Al-Fe-Si合金的表面上。
氯离子渗透到合金和天然氧化物层之间的界面促进了合金的点蚀，这可能引起部件的大规模失效。因为较高表面积体积比使更多的合金暴露于点蚀，点蚀尤其是涡轮增压器等部件的一个问题，而涡轮增压器具有许多复杂的部件。此外，涡轮增压器内的部件数量提供了水可能积聚的区域，即使在暴露于道路喷雾已经停止之后也可能花费大量时间来排出。例如，水可以通过毛细管作用被吸入废气门销和叶片之间的空间，而即使在干燥的条件下，由于缺乏气流，从这些空间中除去水也相对较慢。
在一些方面，抗腐蚀添加剂包括铬、钼和钨的组合。虽然不受理论束缚，但据信铬、钼和钨的组合抑制氯离子渗透到天然氧化物层中。
具有抗腐蚀优化的性能的合金包括铝、铁、硅、铬、钼和钨的组合。在一些方面，具有抗腐蚀优化的性能的合金包括基于合金内所有原子的约59at％至约66at％的铝，基于合金内所有原子的约24at％的铁，基于合金内所有原子的约9.5at％至约15at％的硅，基于合金内所有原子的约2at％至约6at％的铬，基于合金内所有原子的约0.2at％至约2at％的钼，和基于合金内所有原子的约0.2at％至约2at％的钨。有利地，因为可以实施固态加工以将抗腐蚀添加剂结合在Al-Fe-Si合金中，抗腐蚀添加剂可以降低加工负担。此外，因为抗腐蚀添加剂可以在任何合金化之前结合铝，铁和硅基础金属，可以通过减少或不增加加工步骤的数量来优化具有抗腐蚀优化的合金的制造。
根据本发明的方面，通过添加某些孪晶添加剂M来优化Al-Fe-Si合金的机械性能，诸如延展性，以产生具有孪晶结构的合金。当两个相同类型的晶体共生时发生孪晶，从而它们之间仅存在轻微的错向。孪晶边界的界面是高度对称的界面，其中原子被两个规则间隔的晶体共享。孪晶边界的界面也是比任意取向的晶体一起生长时形成的晶界更低能力的界面。
具有Al3Fe2Si合金的Al-Fe-Si合金属于NiTi2型结构(96个原子/晶胞)，其中硅占据Ti1位点(16个原子/晶胞)，铁占据Ni位点(32个原子/晶胞)，及铝占据Ti2位点(48个原子/晶胞)。
具有孪晶结构的合金包括铝、铁、硅和孪晶添加剂M的组合。在一些方面，孪晶添加剂M包括或选自由中间半径原子，该中间半径原子配置用于在亚晶格中的所需点处取代铝。如本文所用，中间半径原子是原子半径小于铝的原子半径(0.143nm)但是大于铁的原子半径(0.124nm)的原子。在一些方面，中间半径原子是具有约0.1335nm的原子半径的单一元素。在一些方面，中间半径原子包括多于一种元素的组，并且对元素进行选择以使得该组的平均原子半径为约0.1335nm。
具有孪晶结构的合金遵循化学计量式(Al1-xMx)3Fe2Si，其中M为孪晶添加剂。在一些方面，x为约0.01至约0.1。在一些方面，孪晶添加剂M包括锌，铜，钒，钼及其组合中的任一种或选自锌，铜，钒，钼及其组合。锌的原子半径为0.133nm，接近0.1335nm的平均值。钒的原子半径为0.132nm，铜的原子半径为0.128nm，钼的原子半径为0.136nm。在一些方面，孪晶添加剂M仅为锌，锌基于其特定密度和原子半径提供益处。虽然不受理论束缚，但据信锌、铜、钒和钼中的任何一种通过在铝亚晶格上的某些点处取代铝来改善Al-Fe-Si合金的机械性能，诸如延展性，以增加晶格的自由体积。虽然不受理论束缚，但据信锌、铜、钒和钼的中间半径原子通过同步剪切机构促进了大量孪晶，从而在相邻原子平面上的不同方向上存在两个剪切。
在一些方面，该合金包括基于合金内所有原子的约40at％至约55at％的铝，基于合金内所有原子的约30at％至约36at％的铁，基于合金内所有原子的约16at％至约17at％的硅，以及基于合金内所有原子的大于约0.2at％的孪晶添加剂。在一些方面，该合金包括基于合金内所有原子的约45at％至约49.5at％的铝，基于合金内所有原子的约33.3at％的铁，基于合金内所有原子的约16.7at％的硅，以及基于合金内所有原子的约0.5at％至约5at％的孪晶添加剂。有利地，因为可以实施固态加工以将孪晶添加剂M结合在Al-Fe-Si合金中，孪晶添加剂M可以降低加工负担。此外，因为孪晶添加剂M可以在任何合金化之前结合铝，铁和硅基础金属，可以通过减少或不增加加工步骤的数量来优化具有孪晶性能的合金的制造。
根据本发明的方面，球磨用于进行固相反应。球磨在快速移动的研磨介质(例如，研磨球)之间或在研磨介质和研磨容器的壁之间在能量上一起撞击原料，以实现原子混合和/或机械合金化。
形成合金的实例包括提供铝、铁、硅和任何所需的添加剂作为原料。每种原料可以是粉末形式，并且可以是元素或合金材料。例如，铝原料可以是元素铝、铝合金粉末等，铝合金粉末诸如铝和铁或铝和硅。粉末可以单独添加到球磨机中，或者可以添加作为目标合金的组合和子组合。虽然起始的元素或合金材料可以是基本上纯的，但所得合金仍可包含微量(例如，≤5at％)的其他合金元素。
可使用任何合适的高能球磨设备完成球磨。高能球磨设备的实例包括球磨机和磨碎机。球磨机以旋转或振荡运动的方式移动包含研磨介质和原料的整个滚筒、釜、罐或其他研磨容器，同时研磨机在具有轴和附接臂或盘的固定罐中搅拌研磨介质和原料。传统球磨机的实例包括SPEX SamplePrep8000M球磨设备的滚筒，釜，罐或其他研磨容器可以由不锈钢，硬化钢，碳化钨，氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷，氮化硅，玛瑙或其他合适的硬质材料形成。在一个实例中，球磨机滚筒，釜，罐或其他研磨容器可以由不会粘附原料的材料形成。
可以使用任何合适的研磨或研磨介质完成球磨，诸如研磨球。研磨介质可以是不锈钢球，硬化钢球，碳化钨球，氧化铝陶瓷球，氧化锆陶瓷球，氮化硅球，玛瑙球或其他合适的硬质研磨介质。研磨介质可包括至少一个小球(直径范围为约3mm至约7mm)和至少一个大球(直径范围为约10mm至约13mm)。在一些方面，大球与小球的比率是1:2。作为一个实例，研磨介质包括两个小球和一个大球，每个小球的直径约为6.2毫米，大球的直径约为12.6毫米。可以根据需要调节大球和小球的数量以及球的尺寸。在添加原料之前或之后，可以将研磨介质添加到球磨机滚筒，釜，罐或其他研磨容器中。
可以在含有非反应性气体的环境中完成球磨。在一些方面，非反应性气体是惰性气体，诸如氩气、氦气、氖气或氮气。含氧气体(诸如空气)可能不合适，因为这些气体很容易在原料表面形成氧化物，特别是如果在高温下进行研磨。
球磨可以以足以产生所需合金的速度和时间进行。在一个实例中，球磨的速度可以是约1060循环/分钟(115V mill)或875循环/分钟(230V mill)。在一个实例中，可以进行球磨的时间为约8小时至约32小时。时间可根据所用原料的量和待形成的合金的量而变化。
在一些方面，在球磨过程中使用液体介质。可以添加的液体介质可以与研磨介质和原料一起添加至球磨机中，或者可以在研磨介质和原料中的任一种之后添加。可以添加液体介质以防止诸如铝的可锻金属永久地压靠或粘附到研磨容器的壁上。合适的液体介质包括非氧化性液体。在一些方面，使用了无水液体介质。无水液体介质的实例包括直链烃，诸如戊烷、己烷、庚烷或其他简单的液态烃。也可以使用无水环状烃或芳香烃。无水液体介质可以是特别理想的，因为它们没有氧原子。其他合适的液体介质可包括氟化溶剂或稳定的有机溶剂，其氧原子不会氧化金属原料。
在合金的形成过程中，液体介质的使用还可促进铝、铁、硅和添加剂之间的均匀混合和合金化。液体介质可以确保形成所需的合金，因为在整个过程中原料不会损失，并且还可以提高所需合金的产率。
总原料与液体介质的比可以为1:5至1:10的体积比。
虽然已经详细描述了用于执行本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及领域的技术人员将认识到在用于在所附权利要求的范围内实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种合金，所述合金包括：
第一数量的铝；
第二数量的铁；
第三数量的硅；以及
机械优化添加剂，所述机械优化添加剂由以下元素组成：
第四数量的硼，
第五数量的锆，
第六数量的铬，以及
第七数量的钼。
2.根据权利要求1所述的合金，其中所述第四数量是所述第五数量的至少两倍。
3.根据权利要求2所述的合金，其中基于所述第一数量至所述第七数量的所有原子，所述第六数量为约2原子％至约6原子％。
4.根据权利要求3所述的合金，其中基于所述第一数量至所述第七数量的所有原子，所述第七数量为约0.2原子％。
5.根据权利要求4所述的合金，其中基于所述第一数量至所述第七数量的所有原子的所述第一数量为约59原子％至约66原子％，基于所述第一数量至所述第七数量的所有原子的所述第二数量为约24原子％，基于所述第一数量至所述第七数量的所有原子的所述第三数量为约9.5原子％至约15原子％。
6.一种合金，所述合金包括：
第一数量的铝；
第二数量的铁；
第三数量的硅；以及
抗腐蚀添加剂，所述抗腐蚀添加剂由以下元素组成：
第四数量的铬，
第五数量的钼，以及
第六数量的钨。
7.根据权利要求6所述的合金，其中基于所述第一数量至所述第六数量的所有原子，所述第五数量为约0.2原子％至约2原子％，而基于所述第一数量至所述第六数量的所有原子，所述第六数量为约0.2原子％至约2原子％。
8.根据权利要求7所述的合金，其中基于所述第一数量至所述第六数量的所有原子的所述第四数量为约2原子％至约6原子％，基于所述第一数量至所述第六数量的所有原子的所述第一数量为约59原子％至约66原子％，基于所述第一数量至所述第六数量的所有原子的所述第二数量为约24原子％，基于所述第一数量至所述第六数量的所有原子的所述第三数量为约9.5原子％至约15原子％。
9.一种合金，所述合金包括：
第一数量的铝；
第二数量的铁；
第三数量的硅；以及
第四数量的孪晶添加剂，所述孪晶添加剂配置成在所述合金内产生孪晶结构，
其中所述第一数量、所述第二数量、所述第三数量和所述第四数量产生具有化学计量式(Al1-xMx)3Fe2Si的合金，其中M是所述孪晶添加剂。
10.根据权利要求9所述的合金，其中x为约0.01至约0.1，所述孪晶添加剂由中间半径原子组成，并且所述孪晶添加剂是具有约0.1335nm的原子半径的单一元素。
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