DE102019104492A1

DE102019104492A1 - Verfahren zur herstellung einer kristallinen aluminium-eisen-silizium-legierung

Info

Publication number: DE102019104492A1
Application number: DE102019104492.8A
Authority: DE
Inventors: Zhongyi Liu; Daad B. Haddad; Tengjiao Qi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2019-08-29
Also published as: US11085109B2; CN110193597B; CN110193597A; US20190264308A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung und eines kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungsteils. Ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges Verbundpulver ist vorgesehen, das eine amorphe Phase und eine erste kristalline Phase mit einer hexagonalen Kristallstruktur bei Umgebungstemperatur beinhaltet. Das Verbundpulver wird auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C erwärmt, um zumindest einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln und das Verbundpulver in eine kristalline Aluminium-Eisen-Silizium (Al-Fe-Si)-Legierung umzuwandeln. Die erste kristalline Phase ist eine vorherrschende Phase in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung.

Description

EINLEITUNG
Eisenaluminide (z. B. FeAl und Fe₃Al) sind intermetallische Verbindungen mit einer definierten Stöchiometrie und einer geordneten Kristallstruktur. Viele Eisenaluminide weisen eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit, relativ niedrige Dichten, hohe Schmelzpunkte, hohe Festigkeits-/Gewichtsverhältnisse, gute Verschleißfestigkeit, einfache Verarbeitung und niedrige Produktionskosten auf, da sie im Allgemeinen keine seltenen Elemente enthalten, was sie zu attraktiven Ersatzstoffen für Edelstahl in industriellen Anwendungen macht. Bei niedrigen bis mittleren Temperaturen leiden Eisenaluminide jedoch oft unter schlechter Duktilität und geringer Bruchzähigkeit. Bei erhöhten Temperaturen weisen Eisenaluminide eine begrenzte Kriechfestigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Erhöhung des Aluminiumgehalts dieser Materialien kann ihre Dichte verringern und die Bildung einer schützenden Oxidschicht bei hohen Temperaturen verstärken, aber auch ihre Duktilität in feuchtigkeitshaltigen Umgebungen (z. B. Luft) aufgrund eines Phänomens, das als Wasserstoffversprödung bekannt ist, deutlich verringern.
Ternäre intermetallische Al-Fe-Si-Verbindungen sind aufgrund ihrer potenziell vorteilhaften Eigenschaften für die Entwicklung von Legierungen von Interesse. Insbesondere die Zugabe von Silizium in das Al-Fe Binärsystem hat das Potenzial, eine ternäre intermetallische Al-Fe-Si-Verbindung mit einer Kristallstruktur zu erzeugen, die eine Kombination aus einer relativ geringen Dichte und guten mechanischen Eigenschaften, wie z. B. gute Steifigkeit und Duktilität, aufweist. Daher besteht in der Technik Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Al-Fe-Si-Legierung mit einer festgelegten Stöchiometrie und einer geordneten Kristallstruktur, die eine relativ geringe Dichte und eine wünschenswerte Kombination von guten chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften aufweist.
KURZDARSTELLUNG
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung kann ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges Verbundpulver vorgesehen werden. Das Verbundpulver kann eine amorphe Phase und eine erste kristalline Phase mit einer hexagonalen Kristallstruktur bei Umgebungstemperatur beinhalten. Das Verbundpulver kann auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C erwärmt werden, um zumindest einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln und das Verbundpulver in eine kristalline Aluminium-Eisen-Silizium (Al-Fe-Si)-Legierung umzuwandeln. Die erste kristalline Phase kann eine vorherrschende Phase in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen.
Die kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann keine amorphe Phase beinhalten.
Die erste kristalline Phase kann auf atomarer Basis 64-66,5 % Aluminium (Al), 24-25 % Eisen (Fe) und 9,5-11 % Silizium (Si) umfassen.
Die erste kristalline Phase kann Gitterparameter von a = 0,7509 nm ± 0,005 nm und c = 0,7594 nm ± 0,005 nm aufweisen.
Die erste kristalline Phase kann eine kristallographische Raumgruppe P6₃/mcc aufweisen.
Die erste kristalline Phase kann eine Dichte von weniger als 5,0 /cm³ aufweisen.
Die erste kristalline Phase kann mehr als 65 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmachen. Darüber hinaus kann die kristalline Al-Fe-Si-Legierung eine zweite kristalline Phase umfassen, die zumindest eine von einer orthorhombischen oder triclinischen Kristallstruktur aufweist. In diesem Fall kann die zweite kristalline Phase weniger als 32 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmachen.
Das Verbundpulver kann auf eine Temperatur im Bereich von 900 °C bis 930 °C erwärmt werden, um zumindest einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln. In diesem Fall kann die erste kristalline Phase mehr als 85 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmachen. Die kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann auch eine zweite kristalline Phase umfassen, die zumindest eine von einer orthorhombischen oder triclinischen Kristallstruktur aufweist. In diesem Fall kann die zweite kristalline Phase weniger als 15 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmachen.
Das Verbundpulver kann 41-55 % Aluminium (AI), 33-48 % Eisen (Fe) und 9-13 % Silizium (Si) umfassen.
Das Verbundpulver wird durch Bereitstellen eines aluminium-, eisen- und siliziumhaltigen Vorläufermaterials in Pulverform und mechanisches Legieren des Vorläufermaterials hergestellt. Das aluminium-, eisen- und siliziumhaltige Vorläufermaterial kann mindestens eines aus einer Mischung von Metallpulvern oder einem vorlegierten Metallpulver umfassen.
Das Verbundpulver kann nicht durch schnelles Verfestigen einer Schmelze gebildet werden.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungsteils kann ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges Verbundpulver vorgesehen werden. Das Verbundpulver kann eine amorphe Phase und eine erste kristalline Phase mit einer hexagonalen Kristallstruktur bei Umgebungstemperatur beinhalten. Das Verbundpulver kann in eine Matrize eingebracht werden. Das Verbundpulver kann in der Matrize auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C erwärmt werden, um zumindest einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln und das Verbundpulver in eine kristalline Aluminium-Eisen-Silizium (Al-Fe-Si)-Legierung umzuwandeln. Die erste kristalline Phase kann eine vorherrschende Phase in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung sein. Die kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann in der Matrize verfestigt werden, um ein festes kristallines Al-Fe-Si-Legierungsteil herzustellen.
Das Verbundpulver kann in der Matrize für eine Dauer von 0,5 Stunden bis 36 Stunden erwärmt werden.
Das Verbundpulver kann einer Umgebung mit subatmosphärischem Druck oder einer inerten Umgebung in der Matrize ausgesetzt sein.
Die kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann in der Matrize unter Verwendung mindestens eines pulvermetallurgischen Verfahrens verfestigt werden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Verdichtung, Sintern, Warmschmieden, Pulverschmieden, Warmverfestigung, Heißpressen, heißisostatisches Pressen, kaltisostatisches Pressen und Warmstrangpressen.
Die kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann innerhalb der Matrize durch Erwärmen der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung auf eine Temperatur im Bereich von 800 °C bis 950 °C und Aufbringen eines Drucks auf die kristalline Al-Fe-Si-Legierung im Bereich von 100 kN/m² bis 500 kN/m² für eine Dauer von 20 Sekunden bis 40 Sekunden konsolidiert werden.
Das kristalline Al-Fe-Si-Legierungsteil kann eine Komponente für einen Verbrennungsmotor umfassen.
Figurenliste

Die 1 und 2 verdeutlichen Röntgenbeugungsmuster eines teilweise amorphen Al-Fe-Si-Verbundpulvers (10) und vier verschiedenen kristallinen Al-Fe-Si-Legierungsproben: Probe 1 (20), Probe 2 (30), Probe 3 (40) und Probe 4 (50). Repräsentative Spitzen einer hexagonalen Al-Fe-Si kristallinen Phase sind mit Dreiecken (Δ) gekennzeichnet, repräsentative Spitzen einer orthorhombischen Al-Fe-Si kristallinen Phase sind mit Kreisen (o) gekennzeichnet und repräsentativen Spitzen einer triklinischen Al-Fe-Si kristallinen Phase sind mit Quadraten (□) gekennzeichnet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das gegenwärtig offenbarte mechanische Legierungs- und Wärmebehandlungsverfahren kann zur Herstellung einer kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung mit einer gewünschten Mikrostruktur und einer relativ hohen Duktilität im Vergleich zu Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungen mit der gleichen chemischen Zusammensetzung verwendet werden, die nicht einem derartigen Verfahren unterzogen wurden. Zudem kann das gegenwärtig offenbarte mechanische Legierungs- und Wärmebehandlungsverfahren in Kombination mit einem oder mehreren pulvermetallurgischen Prozessen zur Herstellung von geformten kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungsteilen verwendet werden.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung“ auf ein Material, das Aluminium (Al) als den größten Einzelbestandteil des Materials nach Gewicht sowie Legierungselemente aus Eisen (Fe) und Silizium (Si) umfasst. Dies kann bedeuten, dass die Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung, bezogen auf das Gewicht, mehr als 50 % Aluminium oder weniger als 50 % Aluminium umfasst, sofern elementares Aluminium als größter Einzelbestandteil der Legierung nach Gewicht vorliegt. Eisen und Silizium sind in der Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung enthalten, um der Legierung bestimmte wünschenswerte Eigenschaften zu verleihen, die nicht durch reines Aluminium dargestellt werden.
Eine Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungszusammensetzung zur Herstellung von geformten kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungsteilen durch Pulvermetallurgie kann neben Aluminium auch Legierungselemente aus Eisen (Fe) und Silizium (Si) umfassen und kann daher hierin als Al-Fe-Si-Legierung bezeichnet werden. Die jeweiligen Eisen- und Siliziummengen, die in der Al-Fe-Si-Legierung enthalten sind, können ausgewählt werden, um der Al-Fe-Si-Legierung bestimmte wünschenswerte Eigenschaften zu verleihen, die nicht durch reines Aluminium dargestellt werden. So kann beispielsweise die Al-Fe-Si-Legierung mehr als oder gleich 41 Gew.-% oder 43 Gew.-% Aluminium; weniger als oder gleich 55 Gew.-% oder 51 Gew.-% Aluminium; oder zwischen 41-55 Gew.-% oder 43-51 Gew.-% Aluminium umfassen. Die Al-Fe-Si-Legierung kann mehr als oder gleich 33 Gew.-% oder 38 Gew.-% Eisen; weniger als oder gleich 48 Gew.-% oder 42 Gew.-% Eisen; oder zwischen 33-48 % oder 38-42 % Eisen umfassen. Die Al-Fe-Si-Legierung kann mehr als oder gleich 8 Gew.-% oder 9 Gew.-% Silizium; weniger als oder gleich 13 Gew.-% oder 12 Gew.-% Silizium; oder zwischen 8-13 Gew.-% oder 9-12 Gew.-% Silizium umfassen.
Zusätzliche Elemente, die nicht absichtlich in die Zusammensetzung der Al-Fe-Si-Legierung eingeführt werden, können jedoch inhärent in der Legierung in relativ kleinen Mengen vorhanden sein, zum Beispiel weniger als 4,5 %, vorzugsweise weniger als 2,0 % und noch wünschenswerter weniger als 0,02 Gew.-% der Al-Fe-Si-Legierung. Diese Elemente können beispielsweise als Verunreinigungen in den Rohmaterialien vorliegen, die zur Herstellung der Al-Fe-Si-Legierungszusammensetzung verwendet werden. In Ausführungsformen, in denen die Al-Fe-Si-Legierung als ein oder mehrere Legierungselemente (z.B. eines oder mehrere von Fe und Si) und Aluminium als Ausgleich bezeichnet wird, schließt der Begriff „als Ausgleich“ nicht das Vorhandensein zusätzlicher Elemente aus, die nicht absichtlich in die Zusammensetzung der Al-Fe-Si-Legierung eingebracht wurden, aber dennoch inhärent in der Legierung in relativ geringen Mengen, z. B. als Verunreinigungen, vorhanden sind.
Die jeweiligen Mengen an Al, Fe und Si in der Al-Fe-Si-Legierung werden ausgewählt, um der Legierung die Fähigkeit zu verleihen, während der Herstellung eine gewünschte kristalline Struktur zu entwickeln. Insbesondere werden die jeweiligen Mengen an Al, Fe und Si in der Al-Fe-Si-Legierung ausgewählt, um der Legierung die Fähigkeit zu verleihen, eine kristalline Struktur zu entwickeln, die überwiegend eine stabile kristalline Al-Fe-Si-Phase, bekannt als τ10 oder τ11, umfasst, wenn die Al-Fe-Si-Legierung einer mechanischen Legierungsstufe und einer nachfolgenden Wärmebehandlungsstufe unterzogen wird. Diese stabile Al-Fe-Si-kristalline Phase weist bei Umgebungstemperatur (d. h. 25 °C) eine hexagonale Kristallstruktur auf und kann hierin als „h-Al-Fe-Si kristalline Phase“ bezeichnet werden. Die kristalline h-Al-Fe-Si-Phase kann einen Gitterparameter a von etwa 0,7509 nm und einen Gitterparameter c von etwa 0,7594 nm aufweisen. So kann beispielsweise die kristalline h-Al-Fe-Si-Phase einen Gitterparameter a von 0,7509 nm ± 0,005 nm und einen Gitterparameter c von 0,7594 nm ± 0,005 nm aufweisen. Das Verhältnis der Gitterparameter c/a in der kristallinen h-Al-Fe-Si-Phase liegt nahe bei eins (z. B. größer als etwa 1,01), was darauf hindeutet, dass die Kristallgitterstruktur der kristallinen h-Al-Fe-Si-Phase nahe an der einer verzerrten, flächenzentrierten kubischen (fcc) Kristallgitterstruktur liegt. Die erste kristalline h-Al-Fe-Si-Phase kann eine kristallographische Raumgruppe P6₃/mmc aufweisen. Darüber hinaus kann das Pearson-Symbol für die kristalline Phase h-Al-Fe-Si hP28 stehen, was darauf hindeutet, dass sich die kristalline Phase h-Al-Fe-Si im hexagonalen Kristallsystem befindet, eine Gitterstruktur vom Primitivtyp aufweist und 28 Atome in einer Kristalleinheitszelle beinhaltet. Die Dichte der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si beträgt weniger als 5,0 /cm³. So kann beispielsweise die Dichte der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si im Bereich von 4,0 /cm³ bis 4,2 /cm³ liegen. In einer Form kann die kristalline Phase h-Al-Fe-Si eine Dichte von 4,1 /cm³ aufweisen. Die kristalline Phase h-Al-Fe-Si kann durch die folgende empirische Formel dargestellt werden: Al_xFe_ySi_z, worin 4 ≤ x ≤ 5 ist; 1,5 ≤ y ≤ 2,2 ist; und z = 1 ist. In einer Form kann die kristalline Phase h-Al-Fe-Si durch die folgende empirische Formel dargestellt werden: Al₄Fe_1,7Si. In der Praxis kann die kristalline Phase h-Al-Fe-Si auf atomarer Basis 64-66,5 % Aluminium, 24-25 % Eisen und 9,5-11 % Silizium umfassen. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass die jeweiligen Mengen an Aluminium, Eisen und Silizium in der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung etwas anders sein können als die durch die vorstehend beschriebenen empirischen Formeln prognostizierten Mengen.
Das Bilden der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si als vorherrschende Phase in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung und deren Halten bei Umgebungstemperatur kann der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung bestimmte erwünschte Eigenschaften verleihen. Wenn beispielsweise die kristalline Phase h-Al-Fe-Si als vorherrschende Phase innerhalb der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung bei Umgebungstemperatur erhalten bleibt, kann die Al-Fe-Si-Legierung im Vergleich zu teilweise amorphen Al-Fe-Si-Legierungen oder Al-Fe-Si-Legierungen, in denen andere kristalline Phasen vorherrschen, relativ leicht sein, eine außergewöhnliche mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und eine relativ hohe Steifigkeit und Duktilität aufweisen. Wie hierin unter Bezugnahme auf eine bestimmte Phase innerhalb der Al-Fe-Si-Legierung verwendet, bedeutet der Begriff „vorherrschend“ und seine verschiedenen Wortformen und Konjugate, dass diese Phase die größte Einzelphase in der Al-Fe-Si-Legierung nach Gewicht ist, wobei der Gewichtsanteil der vorherrschenden Phase in der Al-Fe-Si-Legierung größer ist als der Gewichtsanteil aller anderen Phasen in der Al-Fe-Si-Legierung, individuell oder in Kombination betrachtet.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein, ist davon auszugehen, dass die relativ hohe Steifigkeit und Duktilität der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung auf die einzigartige Kristallstruktur der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si zurückzuführen ist. Insbesondere weist die kristalline Phase h-Al-Fe-Si eine hexagonale, dicht gepackte (hcp) Kristallstruktur mit einem c/a-Verhältnis von etwa 1,01 auf, das deutlich niedriger ist als das ideale c/a-Verhältnis von 1,63. Das relativ niedrige Verhältnis c/a der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si deutet darauf hin, dass die Gitterräume in der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si stark komprimiert sind, weshalb die Ebenen der Atome bei Belastung relativ leicht aneinander vorbei gleiten können, verglichen mit hcp-Kristallstrukturen mit relativ hohen Verhältnissen c/a (z. B. näher an 1,63). Daher kann die kristalline Phase h-Al-Fe-Si eine relativ hohe Steifigkeit und Duktilität aufweisen und sich unter Last vor dem Bruch leichter verformen als Kristallstrukturen mit Gitterebenen, die nicht so dicht gepackt sind.
Es wurde festgestellt, dass die kristalline Phase h-Al-Fe-Si im Gleichgewichtszustand im Allgemeinen nur bei Temperaturen im Bereich von 727 °C bis 997 °C stabil ist und sich in andere feste Phasen umwandeln kann, wenn sie bei relativ langsamer Abkühlung von diesen Temperaturen auf Umgebungstemperatur, z. B. bei Geschwindigkeiten von weniger als einem (1) Kelvin pro Sekunde, abgekühlt werden. Aus diesem Grund wurde die erfolgreiche Bildung und Erhaltung einer h-Al-Fe-Si kristallinen Phase innerhalb der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung bei Umgebungstemperatur bisher als notwendig erachtet, um die Al-Fe-Si-Legierung auf Temperaturen bei oder über dem Schmelzpunkt der Al-Fe-Si-Legierung zu erwärmen (z. B. bei oder über 1250 °C), gefolgt von einer schnellen Verfestigung der Legierung auf Umgebungstemperatur, um eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung bei Umgebungstemperatur zu bilden und zu halten. So wurde beispielsweise bisher angenommen, dass die Konservierung einer metastabilen kristallinen h-Al-Fe-Si-Phase innerhalb der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung bei Umgebungstemperatur ein Volumen an geschmolzenem Al-Fe-Si-Legierungsmaterial erfordert, das mit einer Geschwindigkeit von mehr als zehn (10) Kelvin pro Sekunde heruntergekühlt werden muss, wie beispielsweise durch Eintauchen des Materialvolumens in ein flüssiges Medium, z. B. Wasser oder Öl. Noch schnellere Abkühlgeschwindigkeiten von ca. 10² Kelvin pro Sekunde und etwa 10⁵ Kelvin pro Sekunde wurden ebenfalls verwendet und jeweils durch wassergekühlte Schmelztiegel-Verfestigung sowie Schmelzspinnen erreicht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die resultierende kristalline Phase h-Al-Fe-Si bei Verwendung dieser schnellen Verfestigungstechniken typischerweise nur einen geringen Gewichtsanteil der Al-Fe-Si-Legierung darstellt und daher nicht als vorherrschende Phase in der Al-Fe-Si-Legierung vorhanden sein kann.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann eine kristalline Al-Fe-Si-Legierung, die überwiegend eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si bei Umgebungstemperatur (d. h. 25 °C) umfasst, durch ein Verfahren hergestellt werden, das eine mechanische Legierungsstufe und eine nachfolgende Wärmebehandlungsstufe beinhaltet. Sowohl die mechanische Legierungsstufe als auch die nachfolgende Wärmebehandlungsstufe werden im festen Zustand durchgeführt, ohne die Al-Fe-Si-Legierung zu schmelzen.
In der mechanischen Legierungsstufe wird ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges Vorläufermaterial in Pulverform bereitgestellt. Die im Vorläufermaterial bereitgestellten Mengen an Aluminium, Eisen und Silizium können den jeweiligen Mengen an Aluminium, Eisen und Silizium in der Al-Fe-Si-Legierung entsprechen. So kann beispielsweise das Vorläufermaterial 41-55 % Aluminium, 33-48 % Eisen und 9-13 % Silizium umfassen. Das Vorläufermaterial kann eine Mischung von Metallpulvern und/oder einem vorlegierten Metallpulver umfassen. So kann beispielsweise das Vorläufermaterial eine Mischung aus einem Aluminiumpulver, einem Eisenpulver und einem Siliziumpulver umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Vorläufermaterial Partikel einer aluminium-, eisen- und/oder siliziumhaltigen Legierung umfassen. Das/die Metallpulver, das/die zur Herstellung des pulverförmigen Vorläufermaterials verwendet wird/werden, können beispielsweise durch einen schnellen Verfestigungsprozess, wie beispielsweise einen Zerstäubungsprozess, gebildet werden.
Das pulverförmige Vorläufermaterial kann beispielsweise unter Verwendung eines Hochenergie-Kugelmahlverfahrens mechanisch legiert werden, wobei das Vorläufermaterial wiederholt einer plastischen Verformung unterworfen wird, bis ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges (Al-Fe-Si) Verbundpulver hergestellt wird. Das Al-Fe-Si Verbundpulver ist bei Umgebungstemperatur (d. h. 25 °C) zumindest teilweise amorph und kann eine amorphe Phase und eine oder mehrere kristalline Phasen umfassen. Die amorphe Phase kann, bezogen auf das Gewicht, mehr als ein (1) Prozent des Verbundpulvers umfassen. Gleichzeitig können die eine oder die mehreren kristallinen Phasen weniger als 65 Gew.-% des Verbundpulvers umfassen. In einer Form kann das Verbundpulver aus einer amorphen Phase und einer kristallinen Phase h-Al-Fe-Si bestehen, wobei keine anderen kristallinen Phasen im Verbundpulver vorhanden sind.
Der Hochenergie-Kugelmahlprozess kann durch Einbringen des Vorläufermaterials in eine geeignete Hochenergie-Kugelmühle durchgeführt werden. Beispiele für Hochenergie-Kugelmühlen sind Vibrations-Kugelmühlen, Drehkugelmühlen, Planeten-Kugelmühlen, Schüttelmühlen und Reibungsmühlen. In der Praxis kann das Vorläufermaterial zusammen mit Mahl- oder Schleifmitteln in eine Trommel, einen Tank, ein Glas oder ein anderes Mahlgefäß der Kugelmühle eingebracht werden. Während des Betriebs der Kugelmühle treffen die Mahl- oder Mahlkörper immer wieder auf das Vorläufermaterial, was zu wiederholtem Abflachen, Kaltverschweißen, Brechen und Wiederanschweißen der Pulverpartikel führt, bis sich ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges Verbundpulver bildet.
Die Trommel, der Tank, das Glas oder ein anderes Mahlgefäß der Kugelmühle kann aus einem Material gebildet werden, das nicht chemisch mit dem Vorläufermaterial reagiert und das Vorläufermaterial während des Kugelmahlvorgangs nicht daran haftet oder bindet. So kann beispielsweise die Trommel, der Tank, das Glas oder ein anderer Fräsbehälter der Kugelfräsvorrichtung aus rostfreiem Stahl, gehärtetem Stahl, Wolframkarbid, Aluminiumoxidkeramik, Zirkonoxidkeramik, Siliziumnitrid, Achat oder einem anderen entsprechend harten Material bestehen. Das Mahl- oder Schleifmedium kann Mahlkugeln umfassen. Die Mahlkugeln können aus rostfreiem Stahl, gehärtetem Stahl, Wolframkarbid, Aluminiumoxidkeramik, Zirkonoxidkeramik, Siliziumnitrid, Achat oder einem anderen entsprechend harten nicht reaktiven Material bestehen. In einer Form können die Mahlkugeln mindestens eine kleine Kugel (mit einem Durchmesser von etwa 3 mm bis etwa 7 mm) und mindestens einer großen Kugel (mit einem Durchmesser von etwa 10 mm bis etwa 13 mm) beinhalten. Das Verhältnis von großen zu kleinen Kugeln kann 1:2 betragen. So können beispielsweise die Mahlkugeln zwei kleine Kugeln mit einem Durchmesser von jeweils etwa 6,2 mm und eine große Kugel mit einem Durchmesser von etwa 12,6 mm beinhalten. Die Anzahl der großen und kleinen Kugeln sowie die Größe der Kugeln können beliebig angepasst werden.
Der Kugelmahlprozess kann bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt werden, ohne die aluminium-, eisen- und/oder siliziumhaltigen Bestandteile des Verbundpulvers zu schmelzen. So kann beispielsweise der Kugelmahlprozess bei einer Temperatur von weniger als 150 °C durchgeführt werden. Der Kugelmahlprozess kann in einer Umgebung durchgeführt werden, die ein nicht reaktives oder inertes Gas enthält, wie beispielsweise Argon, Helium, Neon oder Stickstoff. Es kann wünschenswert sein, den Kugelmahlprozess in Abwesenheit von Sauerstoffgas, beispielsweise in Abwesenheit von Luft, durchzuführen, um eine Oxidbildung auf der Oberfläche der Partikel des Vorläufermaterials zu verhindern.
Der Kugelmahlprozess kann mit einer Geschwindigkeit und für eine Dauer durchgeführt werden, die ausreichend sind, um das Vorläufermaterial in ein Verbundpulver mit einer amorphen Phase und einer oder mehreren kristallinen Phasen umzuwandeln. So kann beispielsweise der Kugelmahlprozess mit einer Geschwindigkeit von 1060 Zyklen pro Minute (115 V Fräse) oder 875 Zyklen pro Minute (230 V Fräse) durchgeführt werden. Der Kugelmahlprozess kann für eine Dauer von 8 Stunden bis 32 Stunden durchgeführt werden. Die Dauer des Kugelmahlprozesses kann je nach Volumen oder Masse des in die Kugelmühle eingebrachten Vorläufermaterials variieren.
In einigen Ausführungsformen kann ein flüssiges Medium in die Trommel, den Tank, das Glas oder ein anderes Mahlgefäß der Kugelmühle zusammen mit dem Vorläufermaterial und den Mahl- oder Schleifmitteln vor dem Durchführen des Kugelmahlvorgangs eingebracht werden. In einer Form kann das flüssige Medium zugegeben werden, um zu verhindern, dass formbare Bestandteile des Vorläufermaterials (z. B. Aluminium) an den Innenflächen des Kugelmahlbehälters anhaften oder kleben können. Zusätzlich oder alternativ kann das flüssige Medium das gleichmäßige Mischen und Legieren der aluminium-, eisen- und siliziumhaltigen Bestandteile des Vorläufermaterials erleichtern. Das flüssige Medium kann jede Flüssigkeit umfassen, die nicht chemisch mit dem Vorläufermaterial reagiert (z. B. oxidiert). So kann beispielsweise das flüssige Medium eine wasserfreie Flüssigkeit umfassen, wie beispielsweise einen linearen Kohlenwasserstoff (z. B. Pentan, Hexan und/oder Heptan) oder einen cyclischen oder aromatischen Kohlenwasserstoff. Als weiteres Beispiel kann das flüssige Medium ein fluoriertes Lösungsmittel oder ein stabiles organisches Lösungsmittel mit nicht reaktivem elementaren Sauerstoff umfassen. Das Verhältnis des Volumens des Vorläufermaterials zum Volumen des flüssigen Mediums kann im Bereich von 1:5 bis 1:10 liegen. So kann beispielsweise das flüssige Medium dem Vorläufermaterial in der Kugelmühle in einer Menge zugegeben werden, die 80 bis 95 Vol.-% des Vorläufermaterials umfasst. Der größte Teil oder das gesamte flüssige Medium kann während der mechanischen Legierungsphase oder während der nachfolgenden Wärmebehandlungsstufe aus dem Vorläufermaterial freigesetzt werden, sodass die endgültige kristalline Al-Fe-Si-Legierung keine Restmenge an flüssigem Medium enthält.
Die Wärmebehandlungsphase wird nach Abschluss der mechanischen Legierungsphase durchgeführt. In der Wärmebehandlungsphase wird das Verbundpulver auf eine ausreichende Temperatur und für eine ausreichende Dauer erwärmt, um das Verbundpulver in eine vollkristalline Al-Fe-Si-Legierung umzuwandeln, die überwiegend eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si umfasst. Die resultierende Al-Fe-Si-Legierung ist „vollständig kristallin“, was bedeutet, dass die resultierende Al-Fe-Si-Legierung zu 100 % kristallin ist und keine amorphen Phasen umfasst. Das Verbundpulver kann der Wärmebehandlungsstufe unterzogen werden, um mindestens einen Teil der amorphen Phase in eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si umzuwandeln.
Die Wärmebehandlungsstufe kann das Erwärmen des Verbundpulvers auf eine Temperatur oberhalb der niedrigsten Temperatur beinhalten, bei welcher die kristalline Phase h-Al-Fe-Si im Gleichgewicht stabil ist (z. B. etwa 727 °C), aber unterhalb der höchsten Temperatur, bei welcher die kristalline Phase h-Al-Fe-Si im Gleichgewicht stabil ist (z. B. etwa 997 °C), für eine Dauer im Bereich von 0,5 Stunden bis 36 Stunden. So kann beispielsweise der Wärmebehandlungsprozess das Erwärmen des Verbundpulvers auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C für eine Dauer im Bereich von 0,5 Stunden bis 36 Stunden beinhalten. In einem spezifischen Beispiel kann der Wärmebehandlungsprozess das Erwärmen des Verbundpulvers auf eine Temperatur im Bereich von 910 °C bis 930 °C für eine Dauer im Bereich von 20 Stunden bis 30 Stunden beinhalten.
Die Temperatur und Dauer des Wärmebehandlungsprozesses werden ausgewählt, um eine kristalline Al-Fe-Si-Legierung herzustellen, die überwiegend eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si umfasst. Ohne die Absicht zu verfolgen, an die Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass sich die zunächst im Verbundpulver vorhandene amorphe Phase je nach Temperatur, bei welcher die Wärmebehandlungsphase durchgeführt wird, während der Wärmebehandlungsphase direkt in eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si umwandeln kann oder auch nicht. So kann beispielsweise in einigen Fällen die amorphe Phase in einen oder mehrere verschiedene Al-Fe-Si kristalline Phasen in einem Zwischenschritt in der Wärmebehandlungsphase umgewandelt werden, wobei mindestens ein Teil dieser Al-Fe-Si kristallinen Phasen in der Folge bis zum Ende der Wärmebehandlungsphase in die kristalline Phase h-Al-Fe-Si übergehen. Die eine oder die mehreren verschiedenen kristallinen Al-Fe-Si-Phasen können bei Umgebungstemperatur (d. h. 25 °C) orthorhombische und/oder triclinische Kristallstrukturen aufweisen. Ein Beispiel für eine Al-Fe-Si kristalline Phase mit einer orthorhombischen Kristallstruktur, die während der Wärmebehandlungsphase erzeugt werden kann, ist bekannt als τ3 und kann hierin als „kristalline o-Al-Fe-Si-Phase“ bezeichnet werden. Ein Beispiel für eine kristalline Al-Fe-Si-Phase mit einer triclinischen Kristallstruktur, die während der Wärmebehandlungsphase erzeugt werden kann, ist bekannt als τ1 und kann hierin als „kristalline t-Al-Fe-Si-Phase“ bezeichnet werden.
In einigen Fällen kann die amorphe Phase in eine o-Al-Fe-Si und/oder t-Al-Fe-Si kristalline Phase in einem Zwischenschritt in der Wärmebehandlungsphase, mit mindestens einem Anteil der o-Al-Fe-Si und/oder t-Al-Fe-Si kristallinen Phase übergehen, die anschließend bis zum Ende der Wärmebehandlungsphase in die kristalline Phase h-Al-Fe-Si übergeht. Als solches werden Temperatur und Dauer der Wärmebehandlungsstufe vorzugsweise so gewählt, dass unabhängig davon, ob sich während eines Zwischenschritts in der Wärmebehandlungsstufe weitere nicht-hexagonale kristalline Phasen (z. B. o-Al-Fe-Si und/oder t-Al-Fe-Si kristalline Phasen) bilden, wobei die kristalline Phase h-Al-Fe-Si die vorherrschende kristalline Phase in der resultierenden kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ist. In einer Form kann die kristalline Phase h-Al-Fe-Si nach Abschluss der Wärmebehandlungsstufe mehr als 65 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen. Insbesondere kann die kristalline Phase h-Al-Fe-Si nach Abschluss der Wärmebehandlungsphase 70-90 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen.
Die resultierende kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann relativ geringe Mengen anderer nicht-hexagonaler kristalliner Phasen beinhalten. So kann beispielsweise die kristalline Al-Fe-Si-Legierung überwiegend eine kristalline Phase h-Al-Fe-Si umfassen und auch weniger als 35 Gew.-% einer oder mehrerer anderer nicht-hexagonaler kristalliner Phasen beinhalten. Die kombinierten Mengen der kristallinen Phase o-Al-Fe-Si und der kristallinen Phase t-Al-Fe-Si in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung kann weniger als 35 Gew.-% oder, noch bevorzugter, weniger als 15 % der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmachen. So kann beispielsweise die kristalline Phase o-Al-Fe-Si weniger als 15 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung und der kristallinen Phase t-Al-Fe-Siweniger als 20 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen. In einem konkreten Beispiel kann die h-Al-Fe-Si kristalline Phase nach Abschluss des Wärmebehandlungsprozesses mehr als oder gleich 85 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen, die o-Al-Fe-Si kristalline Phase kann weniger als 3 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen, und die t-Al-Fe-Si kristalline Phase kann weniger als 10 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung umfassen.
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden das teilamorphe Al-Fe-Si-Verbundpulver und die kristalline Al-Fe-Si-Legierung nicht durch schnelle Verfestigung einer Schmelze gebildet. Insbesondere das teilweise amorphe Al-Fe-Si-Verbundpulver und die kristalline Al-Fe-Si-Legierung werden nicht durch Abkühlen eines geschmolzenen Materials auf Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit von mehr als oder gleich einem (1) Kelvin pro Sekunde gebildet.
Die kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann vor, während oder nach der Wärmebehandlungsstufe durch ein oder mehrere geeignete pulvermetallurgische Verfahren in eine gewünschte Form gebracht werden. Einige Beispiele für pulvermetallurgische Prozesse, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können, um die kristalline Al-Fe-Si-Legierung in eine gewünschte Form zu bringen, beinhalten: Verdichtung, Sintern, Warmschmieden, Pulverschmieden, Warmverfestigung, Heißpressen in starren Matrizen (Matrizenverdichtung), Heißpressen, isostatisches Heißpressen, isostatisches Kaltpressen und Warmstrangpressen. Alle diese Prozesse müssen in einer kontrollierten, nicht oxidierenden Umgebung durchgeführt werden, z.B. durch das Schaffen einer Umgebung mit subatmosphärischem Druck oder einer inerten Umgebung.
In einer Form kann eine kristalline Al-Fe-Si-Legierung, die eine gewünschte Form aufweist und eine vorherrschende kristalline Phase h-Al-Fe-Si aufweist, durch einen Heißpressprozess hergestellt werden. In einem ersten Schritt des Prozesses kann ein Al-, Fe- und Si-haltiges Pulver in eine Matrize eingebracht und bei einer Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C in der Matrize verfestigt werden, um das Al-, Fe- und Si-haltige Pulver in eine einheitliche, einteilige feste Masse mit einer gewünschten Form umzuwandeln. Das Al-, Fe- und Si-haltige Pulver kann ein teilweise amorphes Al-Fe-Si-Verbundpulver oder ein kristallines Al-Fe-Si-Legierungspulver mit einer vorherrschenden kristallinen Phase h-Al-Fe-Si umfassen.
In Ausführungsformen, in denen das Al-, Fe- und Si-haltige Pulver ein teilweise amorphes Al-Fe-Si-Verbundpulver umfasst, kann das Verbundpulver während des Heißpressvorgangs wärmebehandelt werden, um das Verbundpulver in eine kristalline Al-Fe-Si-Legierung umzuwandeln, die eine gewünschte Form aufweist und eine vorherrschende h-Al-Fe-Si kristalline Phase aufweist. In diesem Fall kann das teilamorphe Al-Fe-Si-Verbundpulver bei Umgebungstemperatur in die Matrize eingebracht und dann in der Matrize mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Grad Celsius pro Minute auf eine Temperatur von mehr als 800 °C (z. B. etwa 820 °C) erwärmt werden. Anschließend kann der Druck im Bereich von 100 kN/m² bis 500 kN/m² auf das Verbundpulver innerhalb der Matrize für eine Dauer von 20 Sekunden bis 40 Sekunden aufgebracht werden, während das Verbundpulver weiter auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C erwärmt wird, um das Verbundpulver zu einer einheitlichen einteiligen festen Masse zu verdichten, die eine gewünschte Form aufweist, und um das Verbundpulver in eine kristalline Al-Fe-Si-Legierung mit einer vorherrschenden kristallinen Phase h-Al-Fe-Si umzuwandeln. Die geformte kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann mit weniger als einem (1) Kelvin pro Sekunde unter Verwendung von Flüssigstickstoff auf Umgebungstemperatur in der Matrize abgekühlt werden. Die geformte kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur aus der Matrize entfernt werden.
In Ausführungsformen, in denen das in die Matrize eingebrachte Al-, Fe- und Si-haltige Pulver bereits in Form eines kristallinen Al-Fe-Si-Legierungspulvers mit einer vorherrschenden kristallinen Phase h-Al-Fe-Si vorliegt, kann das kristalline Al-Fe-Si-Legierungspulver in der Matrize bei Umgebungstemperatur verfestigt oder in der Matrize bei einer Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C erwärmt werden und ein Druck im Bereich von 100 kN/m² bis 500 kN/m² kann für eine Dauer im Bereich von 20 Sekunden bis 40 Sekunden auf das Pulver aufgebracht werden, um das Pulver zu einer einheitlichen einteiligen festen Masse mit einer gewünschten Form zu verdichten. Anschließend kann die geformte kristalline Al-Fe-Si-Legierung mit weniger als einem (1) Kelvin pro Sekunde unter Verwendung von Flüssigstickstoff auf Umgebungstemperatur in der Matrize abgekühlt werden. Die geformte kristalline Al-Fe-Si-Legierung kann nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur aus der Matrize entfernt werden.
BEISPIELE
Ein aluminium-, eisen- und siliziumhaltiges Vorläufermaterial wurde in Pulverform hergestellt, Proben des Vorläufermaterials wurden mechanisch legiert und bei verschiedenen Temperaturen und Laufzeiten wärmebehandelt, um kristalline Al-Fe-Si-Legierungsproben herzustellen, die unterschiedliche Mengen einer kristallinen Phase h-Al-Fe-Si umfassen. Die Röntgenpulverdiffraktometrie wurde verwendet, um die kristallinen Phasen in den resultierenden kristallinen Al-Fe-Si-Legierungsproben zu identifizieren.
Drei (3) Gramm des Vorläufermaterials wurden unter Argongas hergestellt, indem geeignete Mengen eines 99,5 %igen reinen Aluminiumpulvers von Alfa Aesar (Stock #11067, Lot# A26I27), eines 97 %igen reinen Eisenpulvers von J.T. Baker (Lot M47600) und eines 99,5 %igen reinen Siliziumpulvers von Alfa Aesar (Stock# 12681, Lot# G08H24) abgewogen und gemischt wurden. Die Menge jedes der Aluminium-, Eisen- und Siliziumpulver, die zur Herstellung des Vorläufermaterials verwendet werden, ist in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

Zielgewicht (%) Zielgewicht (g) Tatsächliches Gewicht (g)

Al-Pulver 46,73 1,4019 1,4010

Fe-Pulver 41,10 1,2330 1,2335

Si-Pulver 12,17 0,3651 0,3652
Das so vorbereitete Vorläufermaterial wurde unter Argongas in ein Kugelmahlgefäß gegeben, zusammen mit einer geeigneten Menge Pentan (erhältlich bei VWR International) und drei (3) Mahlkugeln. Die drei Mahlkugeln beinhalteten zwei kleine Kugeln mit 6,20 mm Durchmesser und eine große Kugel mit 12,65 mm Durchmesser. Das Kugelmahlen des vorbereiteten Vorläufermaterials wurde bei Umgebungstemperatur mit einem SPEX SamplePrep 8000M MLXER/MILL® für 32 Stunden durchgeführt, um ein teilamorphes und teilkristallines Verbundpulver herzustellen.
Die Röntgendiffraktometrie wurde an dem resultierenden Verbundpulver mit einem Bruker D8 erweiterten Röntgendiffraktometrie-System und einem Rigaku Röntgendiffraktometrie-System durchgeführt. Die 1 und 2 stellen ein Röntgenbeugungsmuster (XRD) des unpräparierten Verbundpulvers (10) dar. Das XRD-Muster des vorbereiteten Verbundpulvers (10) beinhaltet keine scharfen Spitzen, was darauf hindeutet, dass das Verbundpulver nicht 100 % kristallin und bei Umgebungstemperatur zumindest teilweise amorph ist.
Proben des Verbundpulvers wurden bei verschiedenen Temperaturen und Laufzeiten wärmebehandelt, um kristalline Al-Fe-Si-Legierungsproben herzustellen, die unterschiedliche Mengen der kristallinen Phasen h-Al-Fe-Si, o-Al-Fe-Si und t-Al-Fe-Si umfassen. Nach der Wärmebehandlung der Proben wurden die Proben mit einer Geschwindigkeit von weniger als einem (1) Kelvin pro Sekunde, z. B. etwa fünf (5) Kelvin pro Minute, auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die spezifische Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung für jede der Proben ist in der nachstehenden Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

Temperatur (°C) Dauer (Stunden)

Stichprobe 1 850 0,5

Stichprobe 2 945 5

Stichprobe 3 850 24

Stichprobe 4 920 24
Die 1 and 2 stellen die Röntgenbeugungsmuster (XRD) der resultierenden kristallinen Al-Fe-Si-Legierungsproben dar: Probe 1 (20), Probe 2 (30), Probe 3 (40) und Probe 4 (50). Repräsentative Spitzen der kristallinen Phase h-Al-Fe-Si sind mit Dreiecken (Δ) gekennzeichnet, repräsentative Spitzen der kristallinen Phase o-Al-Fe-Si sind mit Kreisen (o) gekennzeichnet, und die repräsentativen Spitzen der kristallinen Phase t-Al-Fe-Si sind mit Quadraten gekennzeichnet (□). Die jeweiligen Gewichtsanteile der einzelnen kristallinen Phasen h-Al-Fe-Si, o-Al-Fe-Si und t-Al-Fe-Si in jeder der Proben bei Umgebungstemperatur sind in der nachstehenden Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3

h-Al-Fe-Si (%) o-Al-Fe-Si (%) t-Al-Fe-Si (%)

Stichprobe 1 68 13 19

Stichprobe 2 84 < 0,1 16

Stichprobe 3 84 4 12

Stichprobe 4 89 2 9
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen, Aspekte und speziellen Beispiele weisen lediglich einen beschreibenden Charakter auf; sie sind nicht dazu gedacht, den Umfang der folgenden Ansprüche zu begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierung das Verfahren umfassend: Bereitstellen eines aluminium-, eisen- und siliziumhaltigen Verbundpulvers, das eine amorphe Phase und eine erste kristalline Phase mit einer hexagonalen Kristallstruktur bei Umgebungstemperatur beinhaltet, wobei das Verbundpulver 41-55 % Aluminium (Al), 33-48 % Eisen (Fe) und 9-13 % Silizium (Si) umfasst; und Erwärmen des Verbundpulvers auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C, um zumindest einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln und das Verbundpulver in eine kristalline Aluminium-Eisen-Silizium (Al-Fe-Si)-Legierung umzuwandeln, worin das Verbundpulver nicht durch schnelle Verfestigung eines geschmolzenen Materials gebildet wird, worin die erste kristalline Phase eine vorherrschende Phase in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ist, und worin die kristalline Al-Fe-Si-Legierung keine amorphe Phase beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste kristalline Phase auf atomarer Basis 64-66,5 % Aluminium (Al), 24-25 % Eisen (Fe) und 9,5-11 % Silizium (Si) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste kristalline Phase Gitterparameter von a = 0,7509 nm ± 0,005 nm und c = 0,7594 nm ± 0,005 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste kristalline Phase eine kristallographische Raumgruppe P6₃/mmc aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste kristalline Phase eine Dichte von weniger als 5,0 /cm³ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die kristalline Al-Fe-Si-Legierung eine zweite kristalline Phase umfasst, die mindestens eine orthorhombische oder triclinische Kristallstruktur aufweist, und worin die erste kristalline Phase mehr als 65 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmacht und die zweite kristalline Phase weniger als 32 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verbundpulver auf eine Temperatur im Bereich von 900 °C bis 930 °C erwärmt wird, um mindestens einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln, worin die kristalline Al-Fe-Si-Legierung eine zweite kristalline Phase umfasst, die mindestens eine orthorhombische oder triklinische Kristallstruktur aufweist, und wobei die erste kristalline Phase mehr als 85 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung und die zweite kristalline Phase weniger als 15 Gew.-% der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verbundpulver hergestellt wird durch: Bereitstellen eines aluminium-, eisen- und siliziumhaltigen Vorläufermaterials in Pulverform, wobei das aluminium-, eisen- und siliziumhaltige Vorläufermaterial mindestens eines aus einer Mischung von Metallpulvern oder einem vorlegierten Metallpulver umfasst; und Mechanisches Legieren des Vorläufermaterials.
Verfahren zur Herstellung eines kristallinen Aluminium-Eisen-Silizium-Legierungsteils, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines aluminium-, eisen- und siliziumhaltigen Verbundpulvers, das eine amorphe Phase und eine erste kristalline Phase mit einer hexagonalen Kristallstruktur bei Umgebungstemperatur beinhaltet; Einbringen des Verbundpulvers in eine Matrize; Erwärmen des Verbundpulvers in der Matrize auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C für eine Dauer im Bereich von 0,5 Stunden bis 36 Stunden, um mindestens einen Teil der amorphen Phase in die erste kristalline Phase umzuwandeln und das Verbundpulver in eine kristalline Aluminium-Eisen-Silizium (Al-Fe-Si)-Legierung umzuwandeln, wobei die erste kristalline Phase eine vorherrschende Phase in der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung ist; und Verfestigen der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung in der Matrize, um ein festes kristallines Al-Fe-Si-Legierungsteil herzustellen, wobei die kristalline Al-Fe-Si-Legierung in der Matrize unter Verwendung mindestens eines pulvermetallurgischen Verfahrens ausgewählt ist, das aus der Gruppe bestehend aus: Verdichtung, Sintern, Warmschmieden, Pulverschmieden, Warmverfestigung, Heißpressen, heißisostatisches Pressen, kaltisostatisches Pressen und Warmstrangpressen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verbundpulver einer Umgebung mit subatmosphärischem Druck oder einer Inertgasumgebung in der Matrize ausgesetzt wird, und wobei die kristalline Al-Fe-Si-Legierung innerhalb der Matrize durch Erwärmen der kristallinen Al-Fe-Si-Legierung auf eine Temperatur im Bereich von 850 °C bis 950 °C und Aufbringen eines Drucks auf die kristalline Al-Fe-Si-Legierung im Bereich von 100 kN/m² bis 500 kN/m² für eine Dauer im Bereich von 20 Sekunden bis 40 Sekunden.