DE112007003139T5

DE112007003139T5 - Dreiteiliges Metallurgie-System mit Aluminium und Titan für eine leichtgewichtige Legierung

Info

Publication number: DE112007003139T5
Application number: DE112007003139T
Authority: DE
Inventors: June-Sang Siak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-23
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-11-05
Also published as: US20100015463A1; WO2008080041A1

Abstract

Ein pulverförmiges Metallurgie-Erzeugnis mit
– ersten Partikeln, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist;
– zweite Partikel, die Aluminium aufweisen; und
– dritte Partikel, die Titan aufweisen.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/871,790, eingereicht am 23. Dezember 2006.
TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, auf das sich diese Offenbarung im Allgemeinen bezieht, umfasst leichtgewichtige Hochtemperatur-Legierungen und Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND
Aluminium hat wegen seines geringen Gewichts und seiner geringen Kosten viele Vorteile. Es gibt jedoch Beschränkungen bei Hochtemperaturanwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält erste Partikel, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist; zweite Partikel, die Aluminium oder eine Aluminiumlegierung mit geringerem Titangehalt als die ersten Partikel aufweisen, und dritte Partikel, die Titan aufweisen.
Weitere beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden aus der nachfolgend gegebenen ausführlichen Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele ersichtlich werden. Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung angeben, nur zum Zwecke der Veranschaulichung gedacht sind und nicht den Umfangs der Erfindung einschränken sollen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen vollständiger verständlich, wobei:
1 ein Diagramm der Verschiebung (μm) gegenüber der Temperatur (Grad C) von drei Proben nach heißisostatischem Pressen (HIP) enthaltend 99 Gew.-% Al und 1 Gew.-% Ti; 97,5 Gew.-% Al und 2,5 Gew.-% Ti; und 95 Gew.-% Al und 5 Gew.-% Ti ist;
2 ein Diagramm des Wärmeflusses (mW) gegenüber der Temperatur (Grad C) einer Probe enthaltend 28,5 Gew.-% Al, 70 Gew.-% AlTi und 1,5 Gew.-% Ti während heißisostatischem Pressen (HIP) und nach HIP ist; und
3 ein elektronenmikroskopisches Bild einer Probe enthaltend 7,15 Gew.-% 0, 90,98 Gew.-% Al und 1,87 Gew.-% Ti ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist ausschließlich beispielhafter Natur und ist keinesfalls zur Beschränkung der Erfindung, ihrer Anwendungen oder Verwendungszwecke gedacht.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung enthält ein Erzeugnis ein Pulver, das drei Komponenten enthält. Das Erzeugnis kann erste Partikel enthalten, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist; zweite Partikel, die Aluminium aufweisen, und dritte Partikel, die Titan aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel können die ersten Partikel mit ungefähr 60 Gew.-% bis ungefähr 80 Gew.-%, die zweiten Partikel mit ungefähr 19 Gew.-% bis ungefähr 38 Gew.-% und die dritten Partikel mit ungefähr 0,5 Gew.-% bis 20 Gew.-% vorhanden sein. Die ersten Partikel können 40 bis 150 Mikrometer sein. Die zweiten Partikel können 20 bis 40 Mikrometer sein. In einem Ausführungsbeispiel weisen die zweiten Partikel Aluminium und Titan auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die dritten Partikel 1 bis 5 Mikrometer sein. Das Aluminium, das für die ersten Partikel und für die zweiten Partikel verwendet wird, kann auch eine Aluminiumlegierung (Cu, Si, usw.) sein. Zum Beispiel können die zweiten Partikel Aluminium 6061 enthalten und die zweiten Partikel können AlTi₃ enthalten, das unter Verwendung von Aluminium 6061 hergestellt wurde. Das Aluminium 6061 kann zum Beispiel 0,04 bis 0,35 Gew.-% Chrom, 0,15 bis 0,4 Gew.-% Kupfer, 0 bis 0,7 Gew.-% Eisen, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Magnesium, bis zu 0,15 Gew.-% Mangan, 0,4 bis 0,8 Gew.-% Silizium, bis zu 0,15 Gew.-% Titan, bis zu 0,25 Gew.-% Zink und bis zu 1 Gew.-% Verunreinigungen enthalten, wobei der verbleibende Anteil Aluminium ist.
Die stabile Phasenübergangskurve von Aluminium-Titan-Legierungen von 1 Gew.-% Titan bis 20 Gew.-% Titan kann zur Ausbildung einer leichtgewichtigen Hochtemperaturmetallstruktur mit einem pulverförmigen Metall genutzt werden. Eine Aluminium-Titan-Legierung enthaltend 1 Gew.-% Titan würde zum Beispiel bei ungefähr 890°C schmelzen. Eine Aluminium-Titan-Legierung enthaltend 5 Gew.-% Titan würde bei ungefähr 1080°C schmelzen. Üblicherweise schmelzen Aluminiumlegierungen bei ungefähr 600°C. Reines Titan löst sich in geschmolzenem Aluminium auf, obwohl es eine Schmelztemperatur oberhalb von 1720°C aufweist, was auf eine exotherme Reaktion von Titan in geschmolzenem Aluminium zurückzuführen ist.
Sintern und Verdichten von pulverförmigem Metall führt in der Regel zu einem gewissen Schrumpfen und einer gewissen Porosität der Struktur. Das Sintern von Aluminiumpulver ist schwierig, weil die Oxidschicht auf der Außenseite der Aluminiumpartikel bei der Sintertemperatur schwer zu werfen ist.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Erzeugnis gesintert werden, um die ersten Partikel mit einem Lötmaterial aneinander zu heften. Die Legierung der Lötverbindung kann einen höheren Schmelzpunkt als die ersten Partikel aufweisen. Die ersten Partikel haben einen höheren Schmelzpunkt als die zweiten Partikel. Die zweiten Partikel können als das Lösungs-Metall während des Sinterns dienen, um die ersten Partikel mit dem hohen Schmelzpunkt zu verlöten. Das Lötmaterial kann Aluminium oder Aluminium-Titan enthalten. Das Verhältnis der ersten Partikel zu den zweiten Partikeln kann 60% bis 40% betragen.
In einem Ausführungsbeispiel werden die dritten Partikel zu den zweiten Partikeln (dem Al/Ti-Anteil mit niedrigem Schmelzpunkt) hinzugefügt, um einen 5%-Titangehalt zu erreichen, wenn dieser Anteil gelöst ist. Beispielsweise würden 0,9 g der dritten Partikel zu 30 g der zweiten Partikel (2%) hinzugefügt werden, so dass ein 5%-Titangehalt erreicht wird, wenn dieser Anteil während des Sinterns geschmolzen wird.
Die Form kann durch Heißpressen oder Kaltpressen mit oder ohne Binder bereitgestellt werden. Das Sintern kann in einem Sinterofen mit Formiergas, durch heißisostatisches Pressen oder durch Eintauchen in ein geschmolzenes Metall oder in ein geschmolzenes Salzbad durchgeführt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Sintertemperatur 150°C unterhalb des Schmelzpunkts der ersten Partikel liegen.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Form eine Zuführstruktur hinzugefügt, die gepresste zweite Partikel und dritte Partikel enthält. Die Zuführstruktur kann verwendet werden, um die zweiten und dritten Partikel zum Eindringen in Freiräume zwischen den ersten Partikeln hinzuzufügen. Das Verhältnis der ersten Partikel zu den zweiten Partikeln kann 60% bis 40% betragen. Während des Sinterns kann die Struktur schmelzen und der Form zur Reduzierung der Porosität zugeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des offenbarten Verfahrens findet das Sintern der ersten, zweiten und dritten Partikel bei 785°C für 120 Minuten statt, was zu keiner Krustenbildung, aber einer lockeren Struktur führt. In einem anderen Ausführungsbeispiel findet das Sintern bei 785°C für 300 Minuten statt, was zu keiner Krustenbildung und einer festen Struktur entweder mit oder ohne Titanpulver führt. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Sintern 870°C für 180 Minuten ohne Titanpulver, was zu keiner Krustenbildung und einer festen Struktur führt. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt das Sintern bei 870°C für 180 Minuten mit Titanpulver, was zu keiner Krustenbildung, einer festen Struktur und einer einfachen Bearbeitbarkeit führt. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt das Sintern bei 980°C für 120 Minuten ohne Titanpulver, was zu keiner Krustenbildung und einer festen Struktur führt. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt das Sintern bei 980°C für 120 Minuten mit Titanpulver, was zu keiner Krustenbildung, einer festen Struktur und einer einfachen Bearbeitbarkeit führt. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt das Sintern 1145°C für 60 Minuten ohne Titanpulver, was zu einem Schmelzen des TiAl₃ und einem Einschluss von Stützmitteln in die Struktur führt, welche durch Bearbeitung entfernt werden können. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die ersten Partikel eine intermetallische Verbindung aus Aluminium und Titan auf, zweite Partikel, die Aluminium aufweisen und dritte Partikel, die Titan aufweisen, werden gedruckt und gesintert unter Verwendung stereolithografischer Techniken zur Herstellung einer porösen Struktur.
Zahlreiche Ausführungsbeispiele der Erfindung können enthalten das lose verdichtete Sintern eines pulverförmigen Metallurgie-Systems mit einem Gesamtgewicht von 10 g, enthaltend 9 g der ersten Partikel, 1 g der zweiten Partikel und 0,5 g der dritten Partikel. Das resultierende gesinterte Erzeugnis wurde mit Stützmitteln abgedeckt. Die Sinterbedingungen umfassen die Verwendung eines Formiergases, das 95% Argon und 5% Wasserstoff bei 825 bis 860 Torr aufweist. Der Temperaturerhöhungsplan umfasst eine anfängliche Erhöhung auf 675°C mit 10°C/Minute, gefolgt von einer Erhöhung auf die Endtemperatur mit 5°C pro Minute. Die Haltezeiten umfassen 120 Minuten oder 300 Minuten bei 785°C, 180 Minuten bei 870°C, 120 Minuten bei 980°C und 60 Minuten bei 1145°C.
Die Aluminium-Titan-Lösung sollte durch Kapillarfunktion der Struktur einbehalten bleiben. Das gesinterte Erzeugnis kann für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht hierauf beschränkt, Abgaskrümmer und Laufbuchsen für Verbrennungsmotorkolben, insbesondere für Aluminiummotoren.
1 ist ein Diagramm mit den Ergebnissen einer thermomechanischen Analyse (TMA). TMA kann die Verwendung eines thermomechanischen Analysators zur Messung von die Abmessungen betreffenden und viskoelastischen Veränderungen als Funktion der Temperatur oder Zeit umfassen. 1 zeigt die Verschiebung (μm) über die Temperatur (Grad C) für drei unterschiedliche Proben nach heißisostatischem Pressen (HIP). Der HIP-Prozess kann eine Probe gleichzeitig einer hohen Temperatur und Druck aus vielen unterschiedlichen Richtungen aussetzen. Die erste Probe enthält 99 Gew.-% Al und 1 Gew.-% Ti. Die zweite Probe enthält 97,5 Gew.-% Al und 2,5 Gew.-% Ti. Die dritte Probe enthält 95 Gew.-% Al und 5 Gew.-% Ti.
2 ist ein Diagramm mit Differentialrasterkalorimetrie (DSC)-Ergebnissen. DSC kann die Verwendung eines Differentialrasterkalorimeters zur Messung der Energiemenge (Hitze), die von einer Probe aufgenommen oder abgegeben wird, wenn die Probe erhitzt, gekühlt oder auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. 2 zeigt den Wärmefluss (mW) über die Temperatur (Grad C) einer Probe, die 28,5 Gew.-% Al, 70 Gew.-% AlTi und 1,5 Gew.-% Ti enthält, vor HIP und nach HIP. In 2 gibt es einen Peak zwischen 700 und 1000 während dem HIP, und der Peak ist nach HIP nicht vorhanden, was die exotherme Reaktion der Aluminiumlösung mit dem Titan zeigt.
3 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild einer Probe, die 7,15 Gew.-% Aluminiumoxid und Titanoxid, 90,98 Gew.-% Al und 1,87 Gew.-% Ti aufweist. 3 zeigt, dass die Grenze zwischen der Lötmatrix und den ersten Partikeln eine gute Verbindung aufweist.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, weshalb Abweichungen davon nicht als Abweichen vom Geist und dem Umfang der Erfindung angesehen werden müssen.
Zusammenfassung:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält erste Partikel, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist; zweite Partikel, die Aluminium aufweisen; und dritte Partikel, die Titan aufweisen.

Claims

Ein pulverförmiges Metallurgie-Erzeugnis mit – ersten Partikeln, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist; – zweite Partikel, die Aluminium aufweisen; und – dritte Partikel, die Titan aufweisen.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von etwa 40 bis 150 μm aufweisen.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von etwa 20 bis 40 μm aufweisen.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die dritten Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von etwa 1 bis 5 μm aufweisen.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die intermetallische Verbindung AlTi₃ aufweist.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten Partikel Titan aufweisen und Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten Partikel einen niedrigeren Schmelzpunkt als die ersten Partikel aufweisen.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel mit ungefähr 60 bis ungefähr 80 Gew.-%, die zweiten Partikel mit ungefähr 19 bis ungefähr 38 Gew.-% und die dritten Partikel mit ungefähr 0,5 bis ungefähr 20 Gew.-% des gesamten pulverförmigen Metallurgie-Erzeugnisses vorhanden sind.
Ein gesintertes Erzeugnis mit – ersten Partikeln, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist; und – ein Lötmaterial, das die ersten Partikel miteinander verlötet.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 9, bei dem das Lötmaterial Titan aufweist.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 9, bei dem das Lötmaterial Aluminium aufweist.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 9, bei dem das Lötmaterial eine Aluminium-Titan-Verbindung aufweist.
Ein Erzeugnis gemäß Anspruch 9, bei dem die ersten Partikel AlTi₃ oder eine Aluminium-Titan-Legierung mit anderen Atomanteilen als AlTi₃ aufweisen.
Ein Verfahren mit: – Bereitstellen eines pulverförmigen Metallurgieerzeugnisses, das erste Partikel, die eine intermetallische Verbindung, die Titan und Aluminium aufweist, zweite Partikel, die Aluminium oder eine Aluminium-Titan-Legierung mit geringerem Titangehalt als die ersten Partikel, und dritte Partikel, die Titan aufweisen, aufweist; und – Sintern der ersten Partikel, zweiten Partikel und dritten Partikel zur Ausbildung eines gesinterten Produkts, das die ersten Partikel und ein Lötmaterial aufweist, das die ersten Partikel miteinander verbindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Sintern bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der zweiten Partikel für einen Zeitraum ausgeführt wird, der zu einer guten Bindung zwischen dem Lötmaterial und den ersten Partikeln führt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Sintern in einem Sinterofen mit einem Formiergas durchgeführt wird, das 95% Argon und 5% Wasserstoff bei einem Druck von 825–860 Torr aufweist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die ersten Partikel AlTi₃ aufweisen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Lötmaterial Aluminium aufweist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Lötmaterial eine Aluminium-Titan-Verbindung aufweist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die ersten Partikel mit ungefähr 60 bis ungefähr 80 Gew.-%, die zweiten Partikel mit ungefähr 19 bis ungefähr 38 Gew.-% und die dritten Partikel mit ungefähr 0,5 bis ungefähr 20% des gesamten pulverförmigen Metallurgieerzeugnisses vorhanden sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Sintern bei einer Temperatur von ungefähr 100°C ausgeführt wird.
Ein Verfahren mit: – Drucken einer Mischung, die erste Partikel, die eine intermetallische Verbindung aus Aluminium und Titan aufweisen, zweite Partikel, die Aluminium aufweisen und dritte Partikel, die Titan aufweisen, aufweist und Sintern der gedruckten Mischung unter Verwendung stereolithografischer Techniken.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Sintern ein Eintauchen des pulverförmigen Metallurgieerzeugnisses in geschmolzenes Metall oder ein geschmolzenes Salzbad umfasst.
Ein Verfahren mit: – stereolithografischem Abscheiden und Sintern einer Vielzahl von Schichten, die jeweils eine pulverförmige Metallurgie aufweisen, die erste Partikel aufweist, die eine intermetallische Verbindung aufweisen, die Titan und Aluminium aufweist, zweite Partikel, die Aluminium oder eine Aluminium-Titan-Legierung mit niedrigerem Titangehalt als die ersten Partikel aufweist zur Herstellung eines Erzeugnisses, wobei ein Lötmaterial die ersten Partikel miteinander verbindet.
Ein Verfahren mit: – Bereitstellen eines Metallurgie-Erzeugnisses, das erste Partikel aufweist, die eine intermetallische Verbindung, die Titan und Aluminium aufweist, zweite Partikel, die Aluminium oder eine Aluminium-Titan-Legierung mit einem geringeren Titangehalt als die ersten Partikel, und dritte Partikel, die Titan aufweisen, bewirken, dass die zweiten Partikel eine Lösung bilden und exotherm mit den dritten Partikeln reagieren und ein Erzeugnis bilden, das erste Partikel und ein Lötmaterial aufweist, das die ersten Partikel miteinander verbindet.