CN110035848A - 具有精细共晶型结构的铝合金产品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有精细共晶型结构的铝合金产品及其制造方法的各种实施例。所述用于制造具有精细共晶型结构的铝合金产品的方法包括将增材制造原料的至少一部分选择性加热至高于所述增材制造原料的液相线温度的温度，由此形成熔池；以及冷却所述熔池，由此形成固化块状物。

Description

具有精细共晶型结构的铝合金产品及其制造方法
技术领域
本专利申请涉及具有精细共晶类型结构的铝合金产品，以及其制造方法。
背景技术
铝业协会全球咨询小组(Aluminum Association Global Advisory Group)将“铝合金”定义为“含有合金元素的铝，其中相对于其它元素中的每一种，铝以质量计占主导且其中铝含量不超过99.00％。”(全球咨询小组GAG-指导,GAG指导文件(GAG GuidanceDocument)001,术语与定义(Terms and Definitions),2009-01版,2009年3月,§2.2.2.)。“合金元素”是“出于使铝合金具有某些特殊特性的目的而控制在特定上限和下限范围内的金属或非金属元素”(§2.2.3)。铸造合金定义为“主要打算用于制造铸件的合金”(§2.2.5)并且“锻造合金”是“主要打算通过热和/或冷加工制造锻造产品的合金”(§2.2.5)。
发明内容
概括地说，本专利申请涉及新铝合金产品以及其制造方法。由于本文所描述的独特组合物和/或制造方法，新铝合金产品可实现例如所得产品和/或在铝合金产品内具有定制特性的优先区域的一种或多种专门设计的定制特性(例如在产品的某些位置处定制的不同特性)。定制特性的实例包含但不限于：(a)精细共晶型微观结构和/或(b)较高体积分数的离散金属间化合物粒子。
在一种方法中，并且现参看图1，所述新铝合金产品可以通过增材制造来制造。如本文所使用，“增材制造”意思指如题为“增材制造技术的标准术语(Standard Terminologyfor Additively ManufacturingTechnologies)”的ASTM F2792-12a中所定义，“根据3D模型数据接合材料以制造物品的一种方法，通常是逐层制造，与减材制造方法相对”。在一个实施例中，一种制备增材制造的物体的方法包含以下步骤：(a)将增材制造原料的至少一部分(例如通过激光)选择性加热(200)至高于要形成的特定物体的液相线温度的温度，由此形成熔池，以及(b)冷却(300)所述熔池，由此形成固化块状物，所述固化块状物具有精细共晶型结构。在另一个实施例中，一种制备增材制造的物体的方法包含以下步骤：(a)将增材制造原料(例如金属粉末)分散(100)于床(或其它适合容器)中，所述增材制造原料包括足量的铝、合金元素和任选的添加剂，以制造出具有精细共晶型结构的铝合金，(b)将增材制造原料的至少一部分(例如通过能量源或激光)选择性加热(200)至高于要形成的特定物体的液相线温度的温度，由此形成熔池，以及(c)冷却(300)所述熔池，由此形成固化块状物，所述固化块状物具有精细共晶型结构。在一个实施例中，所述冷却包括以至少1000℃/秒的速率冷却。在另一个实施例中，冷却速率是至少10,000℃/秒。在又另一个实施例中，冷却速率是至少100,000℃/秒。在另一个实施例中，冷却速率是至少1,000,000℃/秒。根据需要，可以重复步骤(a)-(c)，直至完成所述物体，即，形成/完成最终增材制造的物体。所述最终增材制造的物体一般还包括精细共晶型结构。
用于产生最终增材制造的物体的增材制造原料可具有以下所给组成中的任一种。在一些实施例中，增材制造原料是粉末。在这一方面，增材制造粉末原料可包括金属粉末、合金粉末和非金属粉末(例如陶瓷粉末；金属间化合物粉末)的任何组合。此外，增材制造原料粉末可包括金属粉末和/或合金粉末，其中包括金属粉末和/或合金粒子的粒子在其中具有添加剂(例如陶瓷材料等)。在一个实施例中，增材制造原料包括铝和至少一种其它合金元素。在另一个实施例中，增材制造原料包括至少一种添加剂。在另一个实施例中，增材制造原料包括至少一种晶粒细化剂。在一些实施例中，晶粒细化剂包括至少一种陶瓷材料。在一些实施例中，增材制造原料是包括合金粒子的合金粉末，其中合金粒子自身在其中具有非金属粒子。作为非限制性实例，增材制造原料粉末可以包括合金粒子，并且合金粒子可在其中包含多种非金属粒子或添加剂，其中所述非金属粒子或添加剂的尺寸小于其中的合金粒子。
对于粉末增材制造原料，所述粉末本身可以包括精细共晶型结构等特征。就这一点而言，所述原料本身可以实现本文所描述的铝合金产品的任一特征(例如包含以下的所描述的特征中的一种或多种：等轴晶粒、平均晶粒尺寸、离散金属间化合物粒子的体积百分比、胞状结构的晶胞尺寸、共晶结构之间的间距等)。例如，所述原料可以包括等轴晶粒、不超过20微米的平均晶粒尺寸、至多35vol％的离散金属间化合物粒子、晶胞尺寸不超过1微米的胞状结构、不超过1微米的共晶结构之间的间距等。在本发明的这一方面，所述粉末可以通过任何适合的方法制造。在一个实施例中，所述粉末是通过使粉末快速固化的工艺制造。在一些实施例中，铝合金粉末是通过具有足够固化速率以促进精细共晶型结构的制造的方法制造。就这一点而言，铝合金粉末可以通过等离子雾化、气体雾化或熔融铝合金撞击(例如使撞击熔融金属液滴在冷基材上固化)中的任一种制造。在一些实施例中，粉末被配置成用于增材制造工艺中。
尽管本公开大体上涉及通过基于粉末的增材制造方法制造的铝合金产品，但在一些实施例中，以下铝合金组合物中的一种或多种也可以用于基于线材的增材制造方法中。例如，利用电子束和/或等离子弧的基于线材的增材制造方法可以使用。
如本文所使用，“精细共晶型结构”意思指一般在各个晶粒内具有胞状(cellular)、片层状和/或波状结构的共晶型微观结构。在一些实施例中，共晶型结构包括晶胞尺寸(cell size)一般小于1微米和/或片层状结构和/或波状结构之间的间距小于1微米的胞状结构。在其它实施例中，晶胞尺寸不超过0.5微米。在一些实施例中，晶胞尺寸不超过0.4微米。在一些实施例中，晶胞尺寸不超过0.3微米。在一些实施例中，晶胞尺寸是至少10纳米(0.01微米)。在一些实施例中，片层状结构和/或波状结构之间的间距不超过0.5微米。在一些实施例中，片层状结构和/或波状结构之间的间距不超过0.4微米。在一些实施例中，片层状结构和/或波状结构之间的间距不超过0.3微米。在一些实施例中，片层状结构和/或波状结构之间的间距是至少10纳米(0.01微米)。
如本文所使用，“晶胞”是二次枝晶。在固化期间，可以形成包括胞状结构的共晶型结构，其形成方式是先形成一次枝晶，随后形成源自一次枝晶的二次枝晶。
在一些实施例中，胞壁、片层状和/或波状结构包括金属间化合物，并且这些金属间化合物可以构成35vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，胞壁、片层状和/或波状结构包括金属间化合物，其中这些金属间化合物构成30vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，金属间化合物构成25vol％的最终增材制造的物体。在一些中，金属间化合物构成至少5vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，金属间化合物构成至少10vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，金属间化合物构成至少15vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，金属间化合物构成至少20vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，金属间化合物构成15-35vol％的最终增材制造的物体。在一些实施例中，金属间化合物构成20-30vol％的最终增材制造的物体。这些精细共晶型结构可有助于制造在其中具有较大体积分数离散分散体(例如具有15-35vol％的离散金属间化合物粒子)的最终产品。在一些实施例中，在热处理或热机械处理之后，在最终增材制造的物体中获得离散分散体，如下文进一步详细描述。
在一些实施例中，离散金属间化合物粒子一般可以实现不超过1微米的平均粒度。在一个实施例中，铝合金产品实现不超过0.8微米的平均粒度。在另一个实施例中，铝合金产品实现不超过0.6微米的平均粒度。在又另一个实施例中，铝合金产品实现不超过0.4微米的平均粒度。在另一个实施例中，铝合金产品实现不超过0.2微米的平均粒度。在又另一实施例中，铝合金产品实现不超过0.1微米(100nm)的平均粒度。在另一个实施例中，铝合金产品实现不超过0.01微米(10nm)的平均粒度。
在一些实施例中，“粒度”是通过分析二维图像显微图测定的平均截面直径。粒度可以通过以背散射电子成像(backscattered electron imaging，BEI)模式操作的扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)或通过透射电子显微镜(TransmissionElectron Microscope，TEM)测量。
在本发明的另一个方面中，本文所描述的铝合金产品一般具有不超过680℉的非平衡凝固范围。就这一点而言，较窄的非平衡凝固范围(例如≤680℉)可以有助于制造定制的增材制造产品(例如无裂纹的增材制造产品)。在一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过650℉。在另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过600℉。在又另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过500℉。在另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过450℉。在又另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过400℉。在另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过350℉。在又另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过300℉。在另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过250℉。在又另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过200℉。在另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过150℉。在又另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过100℉。在另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过50℉。在又另一个实施例中，铝合金产品的非平衡凝固范围不超过25℉。在一个实施例中，铝合金产品或粉末被配置成具有不超过400℉的非平衡凝固范围且在其中具有15-35vol％的离散金属间化合物粒子。在另一实施例中，铝合金产品或粉末被配置成具有不超过200℉的非平衡凝固范围且在其中具有15-35vol％的离散金属间化合物粒子。
如本文所使用，“非平衡凝固范围”意思指使用在商业软件中实施的Scheil固化模型计算的固化范围。Scheil固化范围就是非平衡凝固范围(在液体中完全扩散；在固体中不扩散)。
作为一个实例，且现参看图2，显示了增材制造的Al-Ni-Mn合金(5.3wt％Ni、1.3wt％Mn)的显微图。增材制造的Al-Ni-Mn合金包含各种共晶结构，包含微胞结构(20)、片层状结构(22)和波状结构(24)。胞壁、片层状结构和/或波状结构一般由金属间化合物相(例如Al3Ni、Al12Mn、Al6Mn和/或其它Al-Ni-Mn化合物)分散于铝固溶体相(30)中组成。铝相可以是过饱和固溶体。可以实现其它共晶结构。例如，可以实现微胞结构(20)、片层状结构(22)和波状结构(24)的任何组合。
现参看图1和3，在制造出最终增材制造产品之后，可任选地在一种或多种温度下对其进行一次或多次热处理(400)。在一些实施例中，热处理最终增材制造的物体的温度和时间足以使最终增材制造的物体应力消除。在一些实施例中，热处理最终增材制造的物体的温度和时间足以在其中产生离散粒子(40)。在应力消除操作的情况下，所述高温可能足够低以使所述产品应力消除，但精细共晶型结构得以维持。在通过热处理(400)制造离散粒子(40)的情况下，离散粒子(40)可以由精细共晶型结构的微胞结构的胞壁和/或片层状或波状结构形成。
尽管不受任何特定理论束缚，但离散粒子(40)一般是分散于铝基质中的金属间化合物相。例如，离散金属间化合物粒子可以位于铝合金晶粒内和/或位于晶粒边界处。在一个实施例中，热加工的铝合金产品一般包括15-35vol％的离散粒子。在另一个实施例中，热加工的铝合金产品包括20-30vol％的离散粒子。这些离散粒子可以有助于在高温下保持强度(例如在发动机应用中，如用于涡轮增压器压缩机叶轮)。就这一点而言，图3中示出的显微图是在所述产品暴露于约600℉温度约100小时之后获取。如所示，增材制造产品包括多个离散金属间化合物粒子(40)。在一些实施例中，铝合金实现足以有助于在无热处理情况下，在高温下保持强度的离散粒子的量。在一些实施例中，铝合金实现足以有助于在热处理情况下，在高温下保持强度的离散粒子的量。就这一点而言，热处理(400)条件可以足以形成离散粒子。此外，热处理(400)条件可以产生大体呈球状的粒子。例如，热处理可以有助于使金属间化合物粒子(例如胞壁金属间化合物粒子和/或片层金属间化合物粒子)球化。就这一点而言，足以获得离散粒子的热处理条件(例如时间和温度)随合金组成而变化。然而，在一些实施例中，温度是至少数百华氏度。在一些实施例中，温度超过数百华氏度(例如热处理温度是约500-600℉，或更高温度)。就这一点而言，可以基于所用温度相应地调整时间。
铝合金产品可任选地被加工(500)成最终加工产品。在采用热处理(400)的那些实施例中，所述加工(500)可在热处理(400)之前、之后或期间(例如同时)进行。所述加工可以包含热加工和/或冷加工。所述加工(500)可以包含加工所述产品的全部或一部分。所述加工(500)可以包含例如轧制、挤出、锻造以及其它已知的加工铝合金产品的方法。在一个实施例中，所述加工(500)包括将最终增材制造产品模锻成最终加工产品，其中所述最终加工产品是一种复杂的形状(例如具有多个非平面表面)。在另一个实施例中，所述加工(500)包括将最终增材制造产品热等静压(hot isostatic pressing，HIP)成最终HIP产品。
如上所述，新铝合金产品可以通过增材制造来制造，并且可以使用ASTM F2792-12a中定义的所有增材制造工艺和设备制造具有精细共晶型结构的新铝合金产品。作为一个实例，可以使用选择性激光烧结和/或粘合剂喷射，其中增材制造原料粉末本身具有精细共晶型结构。可以将此粉末分散于床中，并且可以采用选择性激光烧结和/或可以将粘合剂选择性喷射至粉末上。适当时，可以重复此工艺，直至完成生坯增材制造部分，之后可以对所述生坯增材制造部分进一步加工，如通过烧结和/或热等静压(HIP'ing)进行加工，由此制造出最终增材制造产品。由于增材制造原料粉末本身具有精细共晶型结构，故最终增材制造产品包括精细共晶型结构。在完成了这一最终增材制造产品之后，该产品可以经历以上描述的热处理(400)和/或加工(500)步骤。
作为另一个特定实施例，可以使用直接能量沉积，其中将一种或多种增材制造原料粉末喷洒于控制性环境中，并在喷洒的同时，使用激光使喷洒的增材制造原料粉末熔融和/或固化。必要时，可以重复这一喷洒和同时进行的能量沉积，以有助于制造具有精细共晶型结构的最终增材制造产品。在完成了这一最终增材制造产品之后，该产品可以经历以上描述的热处理(400)和/或加工(500)步骤。
组合物
用于制造精细共晶型微观结构的铝合金组合物可以是具有适当组成以有助于制造精细共晶型微观结构的任何适合的二元、三元、四元或更高级次铝合金。在一种方法中，铝合金是Al-Ni-Mn合金，所述铝合金至少包括镍和锰作为合金元素。在一个实施例中，铝、镍和锰含量被控制成使得所述合金含有0.5至15.5wt％Ni、0.5至5.0wt％Mn，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≥-2.75Mn+7.375，且其中Ni≤-3.44Mn+17.22(Ni和Mn的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Ni-Mn合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al6Mn、Al12Mn和Al3Ni等。
在另一种方法中，铝合金是Al-Cu-Ni合金，所述铝合金至少包括铜和镍作为合金元素。在一个实施例中，铝、铜和镍含量被控制成使得所述合金含有1.0至22.0wt％Cu、1.0至16.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免杂质，其中Ni≥-0.78Cu+8.78，且其中Ni≤-0.738Cu+17.24(Cu和Ni的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Cu-Ni合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al2Cu、Al7Cu4Ni和Al3Ni等。在一个特定实施例中，铝、铜和镍含量被控制成使得所述合金含有1.0至22.0wt％Cu、1.0至16.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免杂质，其中Ni≥-0.8125Cu+9.125，且其中Ni≤-0.3Cu+8.1(Cu和Ni的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Cu-Ce合金，所述铝合金至少包括铜和铈作为合金元素。在一个实施例中，铝、铜和铈含量被控制成使得所述合金含有1.0至25.0wt％Cu、1.0至18.0wt％Ce，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Cu≥-0.8462Ce+12.846，且其中Cu≤-0.1361Ce2+1.564Ce+19.673(Cu和Ce的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Cu-Ce合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al4Ce、Al8Cu4Ce和Al2Cu等。在一个特定实施例中，铝、铜和铈含量被控制成使得所述合金含有1.0至25.0wt％Cu、1.0至18.0wt％Ce，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Cu≥-0.625Ce+12.625，且其中Cu≤-0.625Ce+24.625(Cu和Ce的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Cu-Si合金，所述铝合金至少包括铜和硅作为合金元素。在一个实施例中，铝、铜和硅含量被控制成使得所述合金含有1.0至24.0wt％Cu、0.5至25.0wt％Si，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≥-1.4Cu+16.4，且其中Si≤-0.0372Cu2-0.2048Cu+24.554(Cu和Si的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Cu-Si合金产品。这些产品中所包含的金属间化合物相可以包含Al2Cu等，和/或硅(Si)粒子。在一个特定实施例中，铝、铜和硅含量被控制成使得所述合金含有1.0至24.0wt％Cu、0.5至25.0wt％Si，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≥-1.4Cu+16.4，且其中Si≤-0.0408Cu2+0.2691Cu+15.281(Cu和Si的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Ce-Ni合金，所述铝合金至少包括铈和镍作为合金元素。在一个实施例中，铝、铈和镍含量被控制成使得所述合金含有0.5至21.0wt％Ce、0.5至17.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≥-0.5833Ce+8.5833，且其中Ni≤-0.6316Ce+17.632(Ce和Ni的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Ce-Ni合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al3Ni、Al4Ce、Al10Ni2Ce和Al8Ni4Ce等。在一个特定实施例中，铝、铈和镍含量被控制成使得所述合金含有0.5至21.0wt％Ce、0.5至17.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≥-0.5833Ce+8.5833，且其中Ni≤-0.75Ce+17.75(Ce和Ni的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Ce-Fe合金，所述铝合金至少包括铈和铁作为合金元素。在一个实施例中，铝、铈和铁含量被控制成使得所述合金含有0.5至21.0wt％Ce、0.5至8.0wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Fe≥-0.3Ce+4.6，且其中Fe≤-0.3062Ce+8.641(Ce和Fe的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Ce-Fe合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al3Fe、Al13Fe4、Al4Ce、Al10Fe2Ce和Al8Fe4Ce等。在一个特定实施例中，铝、铈和铁含量被控制成使得所述合金含有0.5至21.0wt％Ce、0.5至8.0wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Fe≥-0.2857Ce+4.4286，且其中Fe≤-0.2Ce+4.2(Ce和Fe的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Y-Ni合金，所述铝合金至少包括钇和镍作为合金元素。在一个实施例中，铝、钇和镍含量被控制成使得所述合金含有0.25至20.0wt％Y、1.0至17.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-1.2857Ni+11.286，且其中Y≤-1.1875Ni+21.188(Y和Ni的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Y-Ni合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al3Ni、Al3Y和Al10Ni2Y等。在一个特定实施例中，铝、钇和镍含量被控制成使得所述合金含有0.25至20.0wt％Y、1.0至17.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-1.2857Ni+11.286，且其中Y≤-0.625Ni+12.125(Y和Ni的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Y-Mn合金，所述铝合金至少包括钇和锰作为合金元素。在一个实施例中，铝、钇和锰含量被控制成使得所述合金含有0.5至20.0wt％Y、0.5至5.0wt％Mn，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-4.5Mn+11.25，且其中Y≤-4.4444Mn+23.222(Y和Mn的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Y-Mn合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al6Mn、Al3Y和Al8Mn4Y等。在一个特定实施例中，铝、钇和锰含量被控制成使得所述合金含有0.5至20.0wt％Y、0.5至5.0wt％Mn，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-4.5Mn+11.25，且其中Y≤-0.7879Mn2+2.1394Mn+10.2(Y和Mn的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Y-Fe合金，所述铝合金至少包括钇和铁作为合金元素。在一个实施例中，铝、钇和铁含量被控制成使得所述合金含有0.5至20.0wt％Y、0.5至8.0wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-2.375Fe+11.188，且其中Y≤-2.4667Fe+20.233(Y和Fe的值是以wt％计)。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的Al-Y-Fe合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al3Y、Al3Fe、Al13Fe4、Al10Fe2Y以及Al8Fe4Y等。在一个特定实施例中，铝、钇和铁含量被控制成使得所述合金含有0.5至20.0wt％Y、0.5至8.0wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-2.67Fe+11.83，且其中Y≤-1.619Fe2+4.0476Fe+9.2143(Y和Fe的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Cu-Mn合金，所述铝合金至少包括铜和锰作为合金元素，并且其量足以获得精细共晶型结构。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al2Cu、Al12Mn、Al6Mn和Al20Cu2Mn3等。
在另一种方法中，铝合金是Al-Li-Si合金，所述铝合金至少包括硅和锂作为合金元素。在一个实施例中，铝、硅和锂含量被控制成使得所述合金含有1至28wt％Si、1至5wt％Li，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-5.3Li+32.7，且其中Si≥-1.9Li+9.1。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含硅和锂的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：Al3Li、Si-金刚石和AlLiSi等。在一个特定实施例中，铝、硅和锂含量被控制成使得所述合金含有1至28wt％Si、1至5wt％Li，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-3Li+19，且其中Si≥1.0(硅和锂的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Ni-Si合金，所述铝合金至少包括硅和镍作为合金元素。在一个实施例中，铝、硅和镍含量被控制成使得所述合金含有2至27wt％Si、1至16wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-0.064Ni2-0.747Ni+29.3，且其中Si≥-1.92Ni+15.8。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含硅和镍的铝合金产品。这些产品中所包含的金属间化合物相可以包含Si-金刚石和Al3Ni等中的一种或多种。在一个特定实施例中，铝、硅和镍含量被控制成使得所述合金含有2至27wt％Si、1至16wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-0.179Ni+19.4，且其中Si≥0.51Ni2-4.76Ni+18.9(硅和镍的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Si-Fe合金，所述铝合金至少包括硅和铁作为合金元素。在一个实施例中，铝、硅和铁含量被控制成使得所述合金含有2至28wt％Si、1至8wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-2.548Fe+32.2，且其中Si≥0.536Fe2-5.96Fe+19.2。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含硅和铁的铝合金产品。这些产品中所包含的金属间化合物相可以包含Si-金刚石和β-AlFeSi等中的一种或多种。在一个特定实施例中，铝、硅和铁含量被控制成使得所述合金含有2至28wt％Si、1至8wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤19，且其中Si≥-3Fe+16(硅和铁的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Si-Mg合金，所述铝合金至少包括硅和镁作为合金元素。在一个实施例中，铝、硅和镁含量被控制成使得所述合金含有1至30wt％Si、1至20wt％Mg，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-0.038Mg2-0.11Mg+29.8，且其中Si≥0.079Mg2-2.29Mg+18.9。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含硅和镁的铝合金产品。这些产品中所包含的金属间化合物相可以包含bcc(B2)和Mg2Si等中的一种或多种。相“bcc(B2)”是指有序的体心立方(body-centered cubic，bcc)相，与无序bcc相“bcc(A2)”相对。在一个特定实施例中，铝、硅和镁含量被控制成使得所述合金含有1至30wt％Si、1至20wt％Mg，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-0.102Mg2+1.69Mg+17.4，且其中Si≥0.09Mg2-2.02Mg+17.7(硅和镁的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Co-Ni合金，所述铝合金至少包括钴和镍作为合金元素。在一个实施例中，铝、钴和镍含量被控制成使得所述合金含有1至15wt％Ni、1至12wt％Co，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≤-1.336Co+16.8，且其中Ni≥-1.23Co+8.1。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含钴和镍的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含Al3Ni和Al9Co2等的一种或多种。在一个特定实施例中，铝、钴和镍含量被控制成使得所述合金含有1至15wt％Ni、1至12wt％Co，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≤-0.464Co2+1.51Co+9.6，且其中Ni≥-1.086Co+6.8(钴和镍的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Co-Mn合金，所述铝合金至少包括钴和锰作为合金元素。在一个实施例中，铝、钴和锰含量被控制成使得所述合金含有1至4wt％Mn、1至10wt％Co，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Mn≤-0.376Co+4.67，且其中Mn≥-0.257Co+2.4。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含钴和锰的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含Al6Mn和Al9Co2等中的一种或多种。在一个特定实施例中，铝、钴和锰含量被控制成使得所述合金含有1至4wt％Mn、1至10wt％Co，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Mn≤-0.4Co+4.73，且其中Mn≥-0.257Co+2.4(钴和锰的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Fe-Ni合金，所述铝合金至少包括铁和镍作为合金元素。在一个实施例中，铝、铁和镍含量被控制成使得所述合金含有1至17wt％Ni、1至8wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≤-2.29Fe+19.3，且其中Ni≥-0.917Fe+7.75。这些要求可有助于制造出具有精细共晶型结构的含铁和镍的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含Al3Ni和Al13Fe4等中的一种或多种。在一个特定实施例中，铝、铁和镍含量被控制成使得所述合金含有1至17wt％Ni、1至8wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≤-6Fe+19，且其中Ni≥-1Fe+7(铁和镍的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Mn-Fe合金，所述铝合金至少包括锰和铁作为合金元素。在一个实施例中，铝、锰和铁含量被控制成使得所述合金含有2至5.5wt％Mn、0.5至8.5wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Mn≤-0.105Fe2+0.546Fe+4.82，且其中Mn≥-0.054Fe2+0.153Fe+2.37。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含锰和铁的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含以下一种或多种：fcc铝、Al13(Fe,Mn)4和Al6Mn等。在一个特定实施例中，铝、锰和铁含量被控制成使得所述合金含有2至5.5wt％Mn、0.5至8.5wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Mn≤-0.643Fe2+1.75Fe+4.07，且其中Mn≥-0.179Fe+2.71(锰和铁的值是以wt％计)。
在另一种方法中，铝合金是Al-Cr-Fe合金，所述铝合金至少包括铬和铁作为合金元素。在一个实施例中，铝、铬和铁含量被控制成使得所述合金含有0.5至6.5wt％Cr、0.5至6.5wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Fe≤-0.1002Cr2-0.0637Cr+6.35，且其中Fe≥-0.335Cr2-0.294Cr+6.73。这些要求可有助于制造出具有精细共晶型结构的含铬和铁的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含Al13Fe4和Al7Cr等中的一种或多种。
在另一种方法中，铝合金是Al-Fe-Mn-Si合金，所述铝合金至少包括铁、锰和硅作为合金元素。在一个实施例中，铝、锰和铁含量被控制成使得所述合金含有至少0.5wt％Fe、至少0.5wt％Mn和4至20wt％Si，其中(Fe+Mn)的量是2至17wt％，且其中Mn/Fe是0.05至2，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含锰、铁和硅的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含Al12(Fe,Mn)3Si、Al9Fe2Si2等中的一种或多种。在另一个实施例中，铝、锰和铁含量被控制成使得所述合金含有至少0.5wt％Fe、至少0.5wt％Mn和7至15wt％Si，其中(Fe+Mn)的量是4至13wt％，且其中Mn/Fe是0.05至2，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质。在又另一个实施例中，铝、锰和铁含量被控制成使得所述合金含有至少0.5wt％Fe、至少0.5wt％Mn和10至12wt％Si，其中(Fe+Mn)的量是8至11wt％，且其中Mn/Fe是0.05至2，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质。
在另一种方法中，铝合金是Al-Cr-Si合金，所述铝合金至少包括铬和硅作为合金元素。在一个实施例中，铝、铬和硅含量被控制成使得所述合金含有0.5至1.0wt％Cr、14至22wt％Si，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-11Cr+27，且其中Si≥-2Cr+15.5。这些要求可以有助于制造出具有精细共晶型结构的含铬和硅的铝合金产品。这些产品中包含的金属间化合物相可以包含Al7Cr和/或Si-金刚石等中的一种或多种。
如本文所使用，“添加剂”包含晶界调节剂、铸造助剂和/或晶粒结构控制材料(例如陶瓷材料、金属间化合物和/或作为晶粒细化剂的其它材料，和/或其组合)。就这一点而言，除非上下文另外明确规定，否则以上“添加剂”的定义可以用于增材制造原料(例如粉末；线材)和/或铝合金产品(例如增材制造产品、铸锭、铸件、粉末冶金等)的情形。可以用于所述合金中的此类材料(例如本文中称为添加剂(addition/additions)或添加材料)的一些非限制性实例包含任选呈元素形式的钛、硼、锆、钪和铪等等。在一些实施例中，至少一种添加剂被配置用于有助于形成离散金属间化合物粒子。在一些实施例中，添加剂包括陶瓷，其中所述陶瓷被配置用于有助于形成精细晶粒(例如等轴晶粒和/或具有不超过20μm的平均尺寸)。在一些实施例中，添加剂包括金属间化合物，其中所述金属间化合物被配置用于有助于形成精细晶粒。
陶瓷的一些实例包含氧化物材料、硼化物材料、碳化物材料、氮化物材料、硅材料、碳材料和/或其组合。陶瓷的一些其它实例包含金属氧化物、金属硼化物、金属碳化物、金属氮化物和/或其组合。此外，陶瓷的一些非限制性实例包含：TiB、TiB2、TiC、SiC、Al2O3、BC、BN、Si3N4、Al4C3、AlN、其适合等效物和/或其组合。
在不受任何特定机制或理论束缚的情况下，相信此类添加剂可以有助于制造出无裂纹的增材制造铝合金产品。在一个实施例中，所述原料包括足量的添加剂以有助于制造出无裂纹的增材制造铝合金产品。添加剂，如晶粒结构控制材料可以有助于例如制造出在微观结构中具有等轴晶粒的增材制造铝合金产品。在一些实施例中，铝合金产品包括等轴晶粒和精细共晶型结构。就这一点而言，添加剂可以帮助促进等轴晶粒和精细共晶型结构的制造。然而，过量的添加剂可能降低增材制造铝合金产品的强度。因此，在一个实施例中，所述原料包括足量的添加剂以有助于制造出无裂纹的增材制造铝合金产品(例如通过等轴晶粒)，但铝合金产品中添加剂的量受到限制，以使得所述增材制造铝合金产品保持其强度(例如拉伸屈服强度(TYS)和/或极限拉伸强度(UTS))。在一些实施例中，添加剂的量可以受到限制，以使得铝合金产品的强度基本上对应于其在无添加剂存在下的强度(例如差异在5ksi范围内；在1-4ksi范围内)。在一些实施例中，添加剂的量可以受到限制，以使得铝合金产品的强度基本上对应于其在无添加剂存在下的强度(例如差异在5％范围内)。
在一些实施例中，添加剂包括至少一种晶粒细化剂。在一些实施例中，添加剂包括至少一种晶粒细化剂，其中所述至少一种晶粒细化剂足以有助于制造出小晶粒。
在一些实施例中，所述原料或产品包括至多5wt％的添加剂。在一个实施例中，所述原料或产品包括至少0.01wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括至少0.05wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括至少0.08wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括至少0.1wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括至少0.5wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括至少0.8wt％的添加剂。在一个实施例中，所述原料或产品包括不超过4.5wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过4.0wt％的添加剂。在又另一实施例中，所述原料或产品包括不超过3.5wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过3.0wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过2.5wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过2.0wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过1.5wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过1.25wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括不超过1.0wt％的添加剂。在一个实施例中，所述原料或产品包括0.01至5wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括0.1至5wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括0.01至1wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括0.1至1wt％的添加剂。在又另一个实施例中，所述原料或产品包括0.5至3wt％的添加剂。在另一个实施例中，所述原料或产品包括1至3wt％的添加剂。在这些实施例中的一些实施例中，添加剂包括至少一种陶瓷材料，其中至少一种陶瓷材料是TiB2。
如本文所使用，“等轴晶粒”意思指如通过题为“用于测定平均晶粒尺寸的标准测试方法(Standard Test Methods for Determining Average Grain Size)”的ASTM标准E112-13中所描述的“Heyn线性截距程序(Heyn Lineal Intercept Procedure)”方法测定XY、YZ和XZ平面所测量的平均纵横比不超过1.5至1的晶粒。包括等轴晶粒的增材制造产品可以实现例如延展性和/或强度的改善。就这一点而言，实现不超过20微米的平均晶粒尺寸的等轴晶粒可以帮助促进延展性和/或强度改善等的实现。在一个实施例中，增材制造产品包括等轴晶粒，其中平均晶粒尺寸是0.5至20微米。在一个实施例中，增材制造产品包括等轴晶粒，其中平均晶粒尺寸不超过10微米。在另一个实施例中，增材制造产品包括等轴晶粒，其中平均晶粒尺寸不超过6微米。在又另一个实施例中，增材制造产品包括等轴晶粒，其中平均晶粒尺寸不超过4微米。
本文所描述的铝合金产品的特征(例如精细共晶型结构、等轴晶粒等)可以防止、减少和/或除去在增材制造期间可能出现的缺陷。例如，精细等轴晶粒(例如平均晶粒尺寸不超过20μm)可以有助于减少增材制造产品的开裂。在一些实施例中，增材制造产品是无裂纹的。
如本文所使用，“无裂纹增材制造产品”意思指充分地不含裂纹以使其可以用于其预定最终用途目的的增材制造产品。增材制造产品是否“无裂纹”的确定可以通过任何适合方法，如通过目视检查、染料渗透剂检查和/或通过测试方法进行。在一些实施例中，非破坏性测试方法是一种计算机断层摄影扫描(“CT扫描”)检查(例如通过测量产品内的密度差异)。在一个实施例中，通过目视检查确定增材制造产品无裂纹。在另一个实施例中，通过染料渗透剂检查确定增材制造产品无裂纹。在又另一个实施例中，通过CT扫描检查确定增材制造产品无裂纹。在另一个实施例中，在增材制造工艺期间确定增材制造产品无裂纹，其中采用了增材制造构造的原位监测。
粉末冶金
尽管以上公开内容大体上涉及通过增材制造所制造的铝合金产品，但在一些实施例中，以上铝合金组合物中的一种或多种也可以用于粉末冶金方法中。例如，包括精细共晶型结构的铝合金粉末可用于制造粉末冶金产品。就这一点而言，所述粉末可以通过适合方法，如等离子雾化、气体雾化或熔融金属撞击(例如使撞击熔融金属液滴在冷基材上固化)制造。
包括精细共晶型结构的铝合金粉末可以被压实成最终或近似最终产品形式。例如，所述粉末可以通过低压方法和/或通过加压方法压实。就这一点而言，可以使用低压方法，如松粉烧结、铸浆成型、粉浆浇铸、流延成型或振动压实。另一方面，可以使用加压方法，通过如例如模压、冷/热等静压和/或烧结等方法实现压实。在一些实施例中，以上铝合金组合物中的一种或多种还可用于粉末冶金方法中，其中粉末被冷等静压成压坯(例如足够致密以便能进行进一步热压，例如超过70％的理论密度)，接着经历真空热压或热等静压以形成基本上对应于接近理论密度(例如高于99％理论密度)的基本上致密的坯料。
此类粉末冶金方法可以有助于制造出无裂纹的最终或近似最终产品。在任何情况下，无裂纹产品可以进一步加工以获得锻造最终产品。此进一步加工可以包含热处理和/或加工步骤的任何组合。就这一点而言，无裂纹产品可以通过热轧或冷轧、挤出、锻造和/或其组合进一步加工。
铸锭、铸件和锻造合金产品
尽管以上公开内容大体上涉及通过增材制造所制造的铝合金产品，但在一些实施例中，以上铝合金组合物中的一种或多种也可用作铸锭、铸造合金和/或锻造合金。因此，本专利申请还涉及由上文所描述的铝合金组合物制造的铸锭、铸造合金和锻造合金。实际上，本文所描述的新产品可通过能够产生足以赋予精细共晶型结构的固化速率的任何其它工艺制造。例如，一些连续铸造工艺，如美国专利第7,182,825号所描述的连续铸造工艺，能够实现足够高的固化速率，并且此专利的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
另外，尽管热处理步骤(400)可用于制造离散金属间化合物粒子，但这一热处理步骤明确地是任选的，并且本文所描述的产品可以在不采用热处理步骤情况下销售或使用。
产品应用
本文所描述的铝产品可以用于多种产品应用中。在一个实施例中，铝产品被用于高温应用中，如航空(例如发动机或结构)、机动车(例如活塞、阀等)、防御设施、电子装置(例如消费型电子装置)或空间应用中。在一个实施例中，铝产品被用作航空航天器中的发动机部件(例如呈叶片，如并入发动机中的压缩机叶片形式)。在另一个实施例中，铝产品被用作航空航天器发动机的热交换器。随后可以操作包含发动机部件/热交换器的航空航天器。在一个实施例中，铝产品是机动车发动机部件。随后可以操作包含所述发动机部件的机动车。例如，铝产品可以用作涡轮增压器部件(例如涡轮增压器的压缩机转轮，其中因发动机排气再循环穿过涡轮增压器可能实现高温)，并且可以操作包含涡轮增压器部件的机动车。在另一个实施例中，铝产品可以用作发电用陆地(固定式)涡轮机中的叶片，并且可以操作包含所述铝产品的陆地涡轮机以有助于发电。
最后，尽管已详细描述了本文所描述的新技术的各种实施例，但显而易见的是，本领域技术人员将想到这些实施例的修改和改编。不过，应明确地理解，此类修改和改编在本公开技术的精神和范围内。
附图说明
图1显示了根据本公开的用于制造具有精细共晶型结构的铝合金产品的实施例。
图2显示增材制造的Al-Ni-Mn合金(5.3wt％Ni、1.3wt％Mn)的显微图，示出了本文所公开的精细共晶型结构的类型的实例，包含由这一样品的图像获得的片层状结构、波状结构和微胞结构的目测表示。不希望受特定机制或理论的束缚，片层状结构、波状结构和微胞结构分别是精细共晶型结构的实例并且其各自可以个别地或以组合形式出现于一个或多个本公开的实施例中。
图3显示增材制造的Al-Ni-Mn合金(5.3wt％Ni、1.3wt％Mn)在暴露于600℉温度100小时之后的显微图。如本文所描绘，在这一样品中，离散粒子被分散于铝固溶体基质中。如由带圆圈的二个离散粒子所示，离散粒子的相应尺寸可根据本公开的各种实施例而不同。
图4显示了根据本公开的各种实施例，来自实例1的增材制造的合金1试片的SEM显微图，其提供微胞结构占主导的精细共晶型结构的示意性实例；并且显示了微观结构内的陶瓷TiB2粒子。
图5a显示了根据本公开的各种实施例，来自实例1的增材制造的合金1试片的SEM显微图，其提供了样品中具有微胞结构和片层状结构的区域的示意性实例。
图5b显示了来自实例1的增材制造的合金1试片的SEM显微图，进一步示出了图5a中所示片层状结构和微胞结构的界面。
图6a显示了来自实例1的增材制造的合金1产品的EBSD显微图，示出了微观结构的晶粒和晶粒边界。如EBSD显微图所显示以及根据图6b中的晶粒尺寸分布所定量，根据本公开的各种实施例，所述增材制造的产品实现约2微米的平均晶粒尺寸。
图6b显示图6a中所给合金1EBSD显微图中的晶粒尺寸分布。
图7显示根据本公开的各种实施例，实例2的固化合金2试片的SEM显微图，示出了微胞结构以及微观结构中的大量离散金属间化合物粒子。
具体实施方式
实例1
使用激光粉床增材制造设备制造出由Al-Ni-Mn合金(“合金1”)制成的增材制造产品。合金1的目标组成是6wt％Ni、2.8wt％Mn和1.7wt％TiB2，其余部分是铝。在固化条件(即，不存在任何热处理)下制备合金1试片的各种样品用于微观结构分析，其显微图显示于图4、5a、5b和6a中。
使用扫描电子显微镜(“SEM”)在2,000×放大率下获取合金1的一个区域的显微图并显示于图4中。如图4中所示，增材制造的合金1微观结构主要由微胞(20)结构组成。此外，图4显示合金1微观结构中尺寸一般小于5微米的陶瓷TiB2粒子。
在2,000×和10,000×放大率下获取合金1增材制造产品的另一区域的SEM显微图，并且分别显示于图5a和5b中。图5a中所示合金1区域显示出该合金微观结构内的微胞结构(20)和片层状结构(22)。另外，图5a中被圈住的区域显示片层状结构(22)与微胞结构(20)之间的界面。图5b中更详细地示出在10,000×放大率下的所述被圈住的界面。就这一点而言，片层状结构(22)之间的界面被视为是在增材制造工艺期间所形成的熔池边界处形成。此外，类似于图4，图5a显示尺寸一般小于5微米的TiB2粒子(50)。
如上所述，Al-Ni-Mn合金的微观结构大体上显示微胞结构(20)和片层状结构(22)。不过，也可以实现其它共晶结构。就这一点而言，图4-5b中显示的共晶结构的胞壁和/或片层一般由金属间化合物相(例如Al6Mn、Al12Mn和Al3Ni和/或其它Al-Ni-Mn化合物)分散于铝固溶体相中组成。在这一方面，金属间化合物相可以有助于合金在高温下保持强度。此外，归因于组成和制造方法，合金1铝相可以是过饱和固溶体。
制备出合金1用于电子背散射衍射(“EBSD”)分析。图6a中显示的图像示出了由EBSD分析得到的合金1微观结构的晶粒和晶粒边界。此外，图6b中显示了由EBSD分析得到的晶粒尺寸分布。就这一点而言，合金1试片实现了具有等轴晶粒和约2微米的平均晶粒尺寸的微观结构。
实例2
使Al-Fe-Mn-Si合金(“合金2”)试片经历快速固化以模拟激光粉床增材制造工艺。合金2的目标组成是5wt％Fe、5wt％Mn和12wt％Si，其余部分是铝。在合金2试片固化之后，在固化条件(即，不存在任何热处理)下制备样品用于微观结构分析。就这一点而言，图7中显示了在10,000×放大率下合金2的SEM显微图。如图7中所示,合金2微观结构主要由微胞(20)结构组成。不过，也可以实现其它共晶结构。此外，合金微观结构显示出较大体积分数的离散金属间化合物粒子(60)，其可以包括金属间化合物相，如Al12(Fe,Mn)3Si和/或Al9Fe2Si2等。此外，图7中所示的胞壁大体上由Al12(Fe,Mn)3Si和/或Al9Fe2Si2金属间化合物相等组成。就这一点而言，金属间化合物相(即，胞壁和/或离散金属间化合物粒子)可以有助于合金在高温下保持强度。最后，合金2铝相可以是过饱和固溶体。

Claims (95)

1.一种用于制造具有精细共晶型结构的铝合金产品的方法，所述方法包括：
(a)将增材制造原料的至少一部分选择性加热至高于所述增材制造原料的液相线温度的温度，由此形成熔池；
(b)冷却所述熔池，由此形成固化块状物，其中所述固化块状物包括精细共晶型结构；
(c)重复步骤(a)-(b)，由此制造出最终增材制造产品，其中所述最终增材制造产品包括所述精细共晶型结构；且
其中所述最终增材制造产品没有裂纹。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述增材制造原料包括铝和至少一种其它合金元素。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述增材制造原料包括添加剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述添加剂中的至少一种被配置用于促进晶粒细化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述增材制造原料是粉末或线材中的一种。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述添加剂包括至少一种晶粒细化剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一种晶粒细化剂足以促进铝合金晶粒成核。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其中所述最终增材制造产品包括至多5wt％的所述添加剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述添加剂包括至少0.01wt％的所述添加剂，或至少0.05wt％的所述添加剂，或至少0.08wt％的所述添加剂，或至少0.1wt％的所述添加剂，或至少0.5wt％的所述添加剂，或至少0.8wt％的所述添加剂。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述晶粒包括不超过4.5wt％的所述添加剂，或不超过4.0wt％的所述添加剂，或不超过3.5wt％的所述添加剂，或不超过3.0wt％的所述添加剂，或不超过2.5wt％的所述添加剂，或不超过2.0wt％的所述添加剂，或不超过1.75wt％的所述添加剂，或不超过1.50wt％的所述添加剂，或不超过1.25wt％的所述添加剂，或不超过1.0wt％的所述添加剂。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中至少一种陶瓷材料包括TiB2。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的方法，其中所述增材制造原料是粉末或线材中的一种，其中所述粉末或线材包括所述添加剂。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述冷却包括以至少1000℃/秒、或10,000℃/秒、或100,000℃/秒、或1,000,000℃/秒的冷却速率冷却所述熔池。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品的非平衡凝固范围不超过680℉、或不超过650℉、或不超过600℉、或不超过550℉、或不超过500℉、或不超过450℉、或不超过400℉、或不超过350℉、或不超过300℉、或不超过250℉、或不超过200℉、或不超过150℉、或不超过100℉、或不超过50℉、或不超过25℉。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括在一种或多种温度下对所述最终增材制造产品进行一次或多次热处理。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述热处理足以由所述精细共晶型结构产生离散粒子；
其中所述离散粒子被分散于铝基质中；
其中所述离散粒子构成所述精细共晶型结构的金属间化合物相。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述最终增材制造产品包括至多35vol％的所述离散粒子，或至多30vol％的所述离散粒子，或至多25vol％的所述离散粒子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述最终增材制造产品包括至少5vol％的所述离散粒子，或至少10vol％的所述离散粒子，或至少15vol％的所述离散粒子，或至少20vol％的所述离散粒子。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中所述离散粒子的平均尺寸不超过1微米、或0.8微米、或0.6微米、或0.4微米、或0.2微米、或0.1微米、或0.01微米。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述共晶型结构包括晶胞尺寸不超过1微米、或0.5微米、或0.4微米、或0.3微米的胞状结构。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述胞状结构的晶胞尺寸是至少10纳米。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在片层状结构和/或波状结构之间的共晶结构之间的间距不超过1微米、或0.5微米、或0.4微米、或0.3微米。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述共晶结构之间的间距是至少10纳米。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品包括等轴晶粒，其中所述等轴晶粒实现不超过20微米、或不超过15微米、或不超过10微米、或不超过6微米、或不超过4微米的平均晶粒尺寸。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括将所述最终增材制造产品加工成最终加工产品。
26.根据权利要求15或16所述的方法，包括将所述最终增材制造产品加工成最终加工产品，其中所述加工是与所述热处理同时进行。
27.根据权利要求15或16所述的方法，包括将所述最终增材制造产品加工成最终加工产品中，其中所述加工是在所述热处理之后进行。
28.根据权利要求15或16所述的方法，包括将所述最终增材制造产品加工成最终加工产品，其中所述加工是在所述热处理之前进行。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的方法，其中所述加工是冷加工。
30.根据权利要求25至28中任一项所述的方法，其中所述加工是热加工。
31.根据权利要求25至30中任一项所述的方法，其中所述加工包括将所述最终增材制造模锻成所述最终加工产品，其中所述最终加工产品包括多个非平面表面。
32.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：
将所述最终增材制造产品热等静压成最终HIP产品。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Ni-Mn合金产品，其包括0.5至15.5wt％Ni、0.5至5.0wt％Mn，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≥-2.75Mn+7.375，且其中Ni≤-3.44Mn+17.22。
34.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Cu-Ni合金产品，其包括1.0至22.0wt％Cu、1.0至16.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≥-0.78Cu++8.78，且其中Ni≤-0.738Cu+17.24。
35.根据权利要求34所述的方法，其中Ni≥-0.8125Cu+9.125，且其中Ni≤-0.3Cu+8.1。
36.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Cu-Ce合金产品，其包括1.0至25.0wt％Cu、1.0至18.0wt％Ce，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Cu≥-0.8462Ce+12.846，且其中Cu≤-0.1361Ce2+1.564Ce+19.673。
37.根据权利要求36所述的方法，其中Cu≥-0.625Ce+12.625，且其中Cu≤-0.625Ce+24.625。
38.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Cu-Si合金产品，其包括1.0至24.0wt％Cu、0.5至25.0wt％Si，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≥-1.4Cu+16.4，且其中Si≤-0.0372Cu2-0.2048Cu+24.554。
39.根据权利要求38所述的方法，其中Si≥-1.4Cu+16.4，且其中Si≤-0.0408Cu2+0.2691Cu+15.281。
40.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Ce-Ni合金产品，其包括0.5至21.0wt％Ce、0.5至17.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≥-0.5833Ce+8.5833，且其中Ni≤-0.6316Ce+17.632。
41.根据权利要求40所述的方法，其中Ni≥-0.5833Ce+8.5833，且其中Ni≤-0.75Ce+17.75。
42.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Ce-Fe合金产品，其包括0.5至21.0wt％Ce、0.5至8.0wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Fe≥-0.3Ce+4.6，且其中Fe≤-0.3062Ce+8.641。
43.根据权利要求42所述的方法，其中Fe≥-0.2857Ce+4.4286，且其中Fe≤-0.2Ce+4.2。
44.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Y-Ni合金产品，其包括0.25至20.0wt％Y、1.0至17.0wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-1.2857Ni+11.286，且其中Y≤-1.1875Ni+21.188。
45.根据权利要求44所述的方法，其中Y≥-1.2857Ni+11.286，且其中Y≤-0.625Ni+12.125。
46.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Y-Mn合金产品，其包括0.5至20.0wt％Y、0.5至5.0wt％Mn，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-4.5Mn+11.25，且其中Y≤-4.4444Mn+23.222。
47.根据权利要求46所述的方法，其中Y≥-4.5Mn+11.25，且其中Y≤-0.7879Mn2+2.1394Mn+10.2。
48.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Y-Fe合金产品，其包括0.5至20.0wt％Y、0.5至8.0wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Y≥-2.375Fe+11.188，且其中Y≤--2.4667Fe+20.233。
49.根据权利要求48所述的方法，其中Y≥-2.67Fe+11.83，且其中Y≤-1.619Fe2+4.0476Fe+9.2143。
50.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Li-Si合金产品，其包括1至28wt％Si、1至5wt％Li，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-5.3Li+32.7，且其中Si≥-1.9Li+9.1。
51.根据权利要求50所述的方法，其中Si≤-3Li+19，且其中Si≥1.0。
52.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Ni-Si合金产品，其包括2至27wt％Si、1至16wt％Ni，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-0.064Ni2-0.747Ni+29.3，且其中Si≥-1.92Ni+15.8。
53.根据权利要求52所述的方法，其中Si≤-0.179Ni+19.4，且其中Si≥0.51Ni2-4.76Ni+18.9。
54.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Si-Mg合金产品，其包括1至30wt％Si、1至20wt％Mg，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-0.038Mg2-0.11Mg+29.8，且其中Si≥0.079Mg2-2.29Mg+18.9。
55.根据权利要求54所述的方法，其中Si≤-0.102Mg2+1.69Mg+17.4，且其中Si≥0.09Mg2-2.02Mg+17.7。
56.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Co-Ni合金产品，其包括1至15wt％Ni、1至12wt％Co，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≤-1.336Co+16.8，且其中Ni≥-1.23Co+8.1。
57.根据权利要求56所述的方法，其中Ni≤-0.464Co2+1.51Co+9.6，且其中Ni≥-1.086Co+6.8。
58.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Co-Mn合金产品，其包括1至4wt％Mn、1至10wt％Co，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Mn≤-0.376Co+4.67，且其中Mn≥-0.257Co+2.4。
59.根据权利要求58所述的方法，其中Mn≤-0.4Co+4.73，且其中Mn≥-0.257Co+2.4。
60.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Fe-Ni合金产品，其包括1至17wt％Ni、1至8wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Ni≤-2.29Fe+19.3，且其中Ni≥-0.917Fe+7.75。
61.根据权利要求60所述的方法，其中Ni≤-6Fe+19，且其中Ni≥-Fe+7。
62.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Mn-Fe合金产品，其包括2至5.5wt％Mn、0.5至8.5wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Mn≤-0.105Fe2+0.546Fe+4.82，且其中Mn≥-0.054Fe2+0.153Fe+2.37。
63.根据权利要求62所述的方法，其中Mn≤-0.643Fe2+1.75Fe+4.07，且其中Mn≥-0.179Fe+2.71。
64.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Si-Fe合金产品，其包括2至28wt％Si、1至8wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-2.548Fe+32.2，且其中Si≥0.536Fe2-5.96Fe+19.2。
65.根据权利要求64所述的方法，其中Si≤19，且其中Si≥-3Fe+16。
66.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Fe-Mn-Si合金产品，其包括：
至少0.5wt％Fe；
至少0.5wt％Mn；和
4至20wt％Si；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中(Fe+Mn)是2至17wt％；且
其中Mn/Fe是0.05至2。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述铝合金产品包括7至15wt％Si，且其中(Fe+Mn)是4至13wt％。
68.根据权利要求67所述的方法，其中所述铝合金产品包括10至12wt％Si，且其中(Fe+Mn)是8至11wt％。47.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Cr-Fe合金产品，其包括0.5至6.5wt％Cr、0.5至6.5wt％Fe，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Fe≤-0.1002Cr2-0.0637Cr+6.35，且其中Fe≥-0.335Cr2-0.294Cr+6.73。
69.根据权利要求1至32中任一项所述的方法，其中所述铝合金产品是Al-Cr-Si合金产品，其包括0.5至1.0wt％Cr、14至22wt％Si，其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质，其中Si≤-11Cr+27，且其中Si≥-2Cr+15.5。
70.一种用于制造具有精细共晶型结构的铝合金产品的方法，所述方法包括：
(a)将增材制造原料分散于床中，其中所述增材制造原料具有精细共晶型结构；
(b)对所述增材制造原料进行选择性粘合剂喷射；
(c)重复步骤(a)-(b)，由此制造出最终增材制造产品，其中所述最终增材制造产品包括所述精细共晶型结构。
71.一种用于制造具有精细共晶型结构的铝合金产品的方法，所述方法包括：
(a)喷洒增材制造原料；
(b)在所述喷洒步骤的同时，在所述增材制造原料上使用激光；
(c)重复步骤(a)-(b)，由此制造出最终增材制造产品，其中所述最终增材制造产品包括所述精细共晶型结构。
72.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至15.5wt％Ni；和
0.5至5.0wt％Mn；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Ni≥-2.75Mn+7.375；
其中Ni≤-3.44Mn+17.22；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
73.一种铝合金产品或粉末，包括：
1.0至22.0wt％Cu；和
1.0至16.0wt％Ni，
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Ni≥-0.78Cu(wt％Cu)+8.78；
其中Ni≤-0.738Cu(wt％Cu)+17.24；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
74.一种铝合金产品或粉末，包括：
1.0至25.0wt％Cu；和
1.0至18.0wt％Ce；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Cu≥-0.8462Ce+12.846；
其中Cu≤-0.1361Ce2+1.564Ce+19.673；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
75.一种铝合金产品或粉末，包括：
1.0至24.0wt％Cu；和
0.5至25.0wt％Si；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Si≥-1.4Cu+16.4；
其中Si≤-0.0372Cu2-0.2048Cu+24.554；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
76.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至21.0wt％Ce；和
0.5至17.0wt％Ni；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Ni≥-0.5833Ce+8.5833；
其中Ni≤-0.6316Ce+17.632；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
77.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至21.0wt％Ce；和
0.5至8.0wt％Fe；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Fe≥-0.3Ce+4.6；
其中Fe≤-0.3062Ce+8.641；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
78.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.25至20.0wt％Y；和
1.0至17.0wt％Ni；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Y≥-1.2857Ni+11.286；
其中Y≤-1.1875Ni+21.188；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
79.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至20.0wt％Y；和
0.5至5.0wt％Mn；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Y≥-4.5Mn+11.25；
其中Y≤-4.4444Mn+23.222；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
80.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至20.0wt％Y；和
0.5至8.0wt％Fe；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Y≥-2.375Fe+11.188；
其中Y≤--2.4667Fe+20.233；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
81.一种铝合金产品或粉末，包括：
1至28wt％Si；和
1至5wt％Li；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Si≤-5.3Li+32.7；
其中Si≥-1.9Li+9.1；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
82.一种铝合金产品或粉末，包括：
2至27wt％Si；和
1至16wt％Ni；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Si≤-0.064Ni2-0.747Ni+29.3；
其中Si≥-1.92Ni+15.8；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
83.一种铝合金产品或粉末，包括：
1至30wt％Si；和
1至20wt％Mg；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Si≤-0.038Mg2-0.11Mg+29.8；
其中Si≥0.079Mg2-2.29Mg+18.9；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
84.一种铝合金产品或粉末，包括：
1至15wt％Ni；和
1至12wt％Co；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Ni≤-1.336Co+16.8；
其中Ni≥-1.23Co+8.1；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
85.一种铝合金产品或粉末，包括：
1至4wt％Mn；和
1至10wt％Co；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Mn≤-0.376Co+4.67；
其中Mn≥-0.257Co+2.4；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
86.一种铝合金产品或粉末，包括：
1至17wt％Ni；和
1至8wt％Fe；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Ni≤-2.29Fe+19.3；
其中Ni≥-0.917Fe+7.75；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
87.一种铝合金产品或粉末，包括：
2至5.5wt％Mn；和
0.5至8.5wt％Fe；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Mn≤-0.105Fe2+0.546Fe+4.82；
其中Mn≥-0.054Fe2+0.153Fe+2.37；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
88.一种铝合金产品或粉末，包括：
2至28wt％Si；和
1至8wt％Fe；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Si≤-2.548Fe+32.2；
其中Si≥0.536Fe2-5.96Fe+19；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
89.一种铝合金产品或粉末，包括：
至少0.5wt％Fe；
至少0.5wt％Mn；和
4至20wt％Si；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中(Fe+Mn)是2至17wt％；
其中Mn/Fe是0.05至2；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
90.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至6.5wt％Cr；和
0.5至6.5wt％Fe；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Fe≤-0.1002Cr2-0.0637Cr+6.35；
其中Fe≥-0.335Cr2-0.294Cr+6.73；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
91.一种铝合金产品或粉末，包括：
0.5至1.0wt％Cr；和
14至22wt％Si；
其余部分是铝、任选的添加剂和不可避免的杂质；
其中Si≤-11Cr+27；
其中Si≥-2Cr+15.5；且
其中所述铝合金产品或粉末包括精细共晶型结构。
92.一种铝合金粉末，包括：
精细共晶型结构，其中所述铝合金粉末的非平衡凝固范围不超过680℉。
93.根据权利要求92所述的铝合金粉末，其中所述铝合金粉末是通过等离子雾化制造。
94.根据权利要求92所述的铝合金粉末，其中所述铝合金粉末是通过气体雾化制造。
95.根据权利要求92所述的铝合金粉末，其中所述铝合金粉末是通过熔融铝合金撞击制造。
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