DE3780131T2 - METHOD FOR PRODUCING COMPOSITES BY SPRAYING MOLTEN METAL. - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING COMPOSITES BY SPRAYING MOLTEN METAL.Info
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetall-Niederschlags durch Sprühgießen. Die Technik des Sprühgießens ist bekannt und umfaßt die Stufen, daß man einen Strom eines geschmolzenen Metalls unter Ausbildung eines Sprays von heißen Metallteilchen atomisiert, indem man den Strom einem auf den Strom gerichteten relativ kalten Gas aussetzt, und den Spray auf ein Substrat abscheidet. Dadurch, daß man ein schnelles und kontrolliertes Abkühlen vorsieht, wird die Herstellung von Niederschlägen mit einer ungewöhnlichen Mikrostruktur ermöglicht, die man unter Ausbildung von Formkörpern walzen oder formen kann. Soweit aber nur eine Quelle des geschmolzenen Metalls zur Verfügung steht, besteht eine Begrenzung des erhältlichen Bereiches der Zusammensetzungen und der Mikrostrukturen.The invention relates to a method of producing a composite metal deposit by spray casting. The technique of spray casting is well known and comprises the steps of atomizing a stream of molten metal to form a spray of hot metal particles by exposing the stream to a relatively cold gas directed onto the stream and depositing the spray onto a substrate. By providing rapid and controlled cooling, it is possible to produce deposits having an unusual microstructure which can be rolled or formed to form shaped articles. However, as only one source of molten metal is available, there is a limitation on the range of compositions and microstructures available.
In US-PS 4 674 554 wird das Spraygießen beschrieben, welches die Stufen des Aufbringens eines Stroms oder eines Sprays von feinen, festen Teilchen auf einem Material unterschiedlicher Zusammensetzung von dem Metall einschließt. Die Teilchen werden in dem Niederschlag eingeschlossen. Die Verwendung von feuerbeständigen Teilchen, z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid, kann in der Metallmatrixzusammensetzung verbesserte Eigenschaften bewirken.U.S. Patent No. 4,674,554 describes spray casting, which includes the steps of applying a stream or spray of fine, solid particles to a material of different composition from the metal. The particles become entrapped in the deposit. The use of refractory particles, e.g., aluminum oxide or silicon carbide, can provide improved properties in the metal matrix composition.
US-PS 4 522 784 beschreibt ein Gießverfahren, bei dem zwei Ströme von geschmolzenem Metall unmittelbar vor dem Gießen vermischt werden, wobei der kleinere Strom eine höhere Temperatur als der größere Strom aufweist, und so ausgewählt wird, daß ein feiner intermetallischer Niederschlag während und vor dem Gießen ausgebildet wird. Bei der beschriebenen DC Gießmethode ist es schwierig, die Wärme schnell genug aus dem System zu entfernen, um eine Umwandlung der intermetallischen Niederschläge zu verhindern.US-PS 4,522,784 describes a casting process in which two streams of molten metal are mixed immediately before casting, the smaller stream having a higher temperature than the larger stream, and selected so that a fine intermetallic precipitate is formed during and before casting. With the DC casting method described, it is difficult to remove the heat from the system quickly enough to prevent transformation of the intermetallic precipitates.
GB 1359486 beschreibt eine Sprühgießmethode zum Gießen von zwei unmischbaren Metallen unterschiedlicher Dichte. Ein Einzelstrom aus geschmolzenem Metall, bestehend aus konzentrierten Strömen von zwei Metallen, wird atomisiert, und die Tropfen werden auf einem Substrat gesammelt. Der Bereich der Legierungszusammensetzung, die man in dieser Weise gießen kann, ist jedoch sehr beschränkt.GB 1359486 describes a spray casting method for casting two immiscible metals of different densities. A single stream of molten metal consisting of concentrated streams of two metals is atomized and the droplets are collected on a substrate. However, the range of alloy composition that can be cast in this way is very limited.
Die vorliegende Erfindung stellt einen einfachen Weg zur Verfügung, um einen Verbundmetallniederschlag durch Sprühgießen zu ergeben, und ist gegenüber dem vorerwähnten Stand der Technik durch die Tatsache gekennzeichnet, daß separate Ströme aus geschmolzenem Metall getrennt atomisiert werden. Als Ergebnis gibt es viel weniger Beschränkungen hinsichtlich der Zusammensetzung der beiden Metalle.The present invention provides a simple way to give a composite metal deposit by spray casting and is distinguished from the aforementioned prior art by the fact that separate streams of molten metal are separately atomized. As a result, there are much fewer restrictions on the composition of the two metals.
GB 1083003 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Lagermetallen durch gleichzeitiges Aufsprühen von Al und Pb auf einen Verstärkungsstreifen. Dadurch erhält man eine Mikrostruktur, umfassend alternierende Größenbereiche entsprechend (im wesentlichen) den geschmolzenen Spraytropfen aus Al und Pb. In US-PS 3 826 301 wird etwas Ähnliches offenbart.GB 1083003 describes a process for producing bearing metals by simultaneously spraying Al and Pb onto a reinforcing strip. This produces a microstructure comprising alternating size ranges corresponding (essentially) to the molten spray droplets of Al and Pb. Something similar is disclosed in US Patent 3,826,301.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines laminierten Metallgegenstandes mit aufeinanderfolgenden Schichten von abgeschiedenen Metallzusammensetzungen zur Verfügung, wobei die Zusammensetzungen von allen zwei aufeinanderfolgenden Schichten in dem laminierten Artikel verschieden sind, und wobei das Verfahren umfaßt: Das Zur-Verfügung-Stellen von wenigstens zwei Metallströmen und einem Substrat, Atomisieren jedes der Metallströme unter Ausbildung von wenigstens zwei Sprays von heißen Metallteilchen, indem man jeden der Metallströme einem relativ kalten Gas, welches auf die genannten Metallströme gerichtet ist, aussetzt, Abscheiden der Metallteilchen von einem der genannten Ströme auf das Substrat unter Ausbildung einer ersten Schicht darauf, Abscheiden der Metallteilchen von einem anderen der genannten Metallströme auf die erste Schicht unter Ausbildung einer zweiten Schicht und, gewünschtenfalls, Abscheiden in aufeinanderfolgender Weise von Schichten von Metallteilchen von allen der genannten Sprays derart, daß alle zwei aufeinanderfolgenden Schichten unterschiedliche Zusammensetzungen haben, unter Ausbildung eines Laminats, wobei die Atomisierungsbedingungen derart eingestellt werden, daß die Metallteilchen der Sprays teilweise oder vollständig flüssig, aber beim Auftreffen in einem solchen Maße unterkühlt sind, daß unmittelbar beim Auftreffen Verfestigung stattfindet, oder daß die unmittelbare Verfestigung im Anschluß an die Abscheidung auf dem Substrat erfolgt.The invention provides a method of making a laminated metal article having successive layers of deposited metal compositions, the compositions of any two successive layers in the laminated article being different, the method comprising: providing at least two metal streams and a substrate, atomizing each of the metal streams to form at least two sprays of hot metal particles by exposing each of the metal streams to a relatively cold gas directed at said metal streams, depositing the metal particles from one of said streams onto the substrate to form a first layer thereon, depositing the metal particles from another of said metal streams onto the first layer to form a second layer, and, if desired, depositing layers of metal particles from all of said sprays in succession such that any two successive layers have different compositions to form a Laminates, wherein the atomization conditions are set in such a way that the metal particles of the sprays are partially or completely liquid, but are supercooled on impact to such an extent that solidification takes place immediately on impact, or that the immediate solidification takes place following deposition on the substrate.
Die ersten und zweiten Metallströme können zur Verfügung gestellt werden durch Schwerkraftfließen aus Vorratsgefäßen, in denen Vorräte der geschmolzenen Metalle vorliegen. Die Erfindung sieht die Verwendung von zwei, drei oder mehr geschmolzenen Metallströmen vor, die jeweils getrennt atomisiert werden, und die Bezugnahme auf erste und zweite Metallströme soll entsprechend interpretiert werden.The first and second metal streams may be provided by gravity flow from storage vessels containing supplies of the molten metals. The invention contemplates the use of two, three or more molten metal streams which are each atomized separately, and references to first and second metal streams should be interpreted accordingly.
Die Atomisierungsbedingungen können, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, so gewählt werden, daß man die Größe, die Geschwindigkeit, die Richtung und die Temperatur der Sprays aus heißen Metallteilchen einstellt. Nach dem Atomisieren teilen sich die geschmolzenen Metallteilchen zu einem konischen Spraymuster, welches einen kreisförmigen Querschnitt haben kann, oder, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, modifiziert werden kann, unter Ausbildung von unterschiedlichen Querschnitten oder einer noch gleichmäßigeren Verteilung der Metallteilchen.The atomization conditions can be selected, as is known in the art, to adjust the size, speed, direction and temperature of the sprays of hot metal particles. After atomization, the molten metal particles divide into a conical spray pattern, which can have a circular cross-section or, as is known in the art, can be modified to form different cross-sections or an even more uniform distribution of the metal particles.
Das Substrat kann eine Metalloberfläche sein, die z.B. flach oder rohrenförmig sein kann, wobei der Metallspray auf die innere oder äußere Oberfläche abgeschieden werden kann. Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß die Metallteilchen beim Auftreffen zumindestens noch teilflüssig sind, weil anderenfalls der Niederschlag porös wird. Durch eine geeignete Einstellung der Atomisierungsbedingungen wird der Metallspray teilweise oder ganz flüssig, aber beim Auftreffen unterkühlt, so daß die Verfestigung unmittelbar nach dem Auftreffen stattfindet, und es besteht kein Bedarf, große Wärmemengen durch das Substrat abzuführen.The substrate can be a metal surface, which can be, for example, flat or tubular, and the metal spray can be deposited on the inner or outer surface. In general, it is preferred that the metal particles are at least partially liquid on impact, because otherwise the deposit becomes porous. By appropriately adjusting the atomization conditions, the metal spray becomes partially or completely liquid, but supercooled on impact, so that solidification takes place immediately after impact and there is no need to dissipate large amounts of heat through the substrate.
Es ist möglich, Fasern, Whiskers oder Teilchen von feuerfesten Materialien, z.B. Kohlenstoff oder Siliziumkarbid auf dem Substrat derart vorzusehen, daß sie in den zusammenhängenden Metallniederschlag eingebettet werden, und für diesen eine Verstärkung ausbilden. Wenn gewünscht, können auch Teilchen von feuerfesten Materialien in den ersten und/oder zweiten Spray nach dem Verfahren, wie es in der vorerwähnten US-A-4 674 554 beschrieben wird, inkorporiert werden.It is possible to provide fibres, whiskers or particles of refractory materials, e.g. carbon or silicon carbide, on the substrate in such a way that they become embedded in the coherent metal deposit and form a reinforcement for it. If If desired, particles of refractory materials may also be incorporated into the first and/or second spray according to the method described in the aforementioned US-A-4 674 554.
Man kann drei (oder mehr) Sprays verwenden. Beispielsweise kann man die Spraymuster von zwei Sprays übereinander legen und gleichzeitig betreiben unter Ausbildung einer Schicht des Laminataufbaus. Als Ergebnis erhält man einen laminierten Aufbau, bei dem alternierende Schichten vorliegen mit Mikrostrukturen, die sich aus den beiden gleichzeitig betriebenen Sprays ergeben. Oder man kann zwei übereinanderliegende Sprays wählen, die dann so zusammenwirken, wie dies im vorerwähnten US-Patent 4 522 784 beschrieben wird.Three (or more) sprays can be used. For example, the spray patterns of two sprays can be superimposed and operated simultaneously to form one layer of the laminate structure. The result is a laminated structure in which there are alternating layers with microstructures resulting from the two sprays operated simultaneously. Or, one can choose two sprays on top of each other and then work together as described in the aforementioned US patent 4,522,784.
Es besteht kein kritischer Bereich für die Verhältnisse aus zwei Metallen, welche den ersten und zweiten Spray ergeben. Geeignete Anteile von zwei (oder mehr) Metallen können, je nach den jeweiligen Anwendungen gewählt werden. Die Sprühmuster der ersten und zweiten Sprays können, aber müssen sich nicht überlappen; das heißt, daß zwei Sprays so angeordnet sein können, daß sie auf gleiche oder verschiedenen Flächen des Substrats auftreffen können. Das Substrat kann verschoben oder umgekehrt werden oder rotieren, um die beiden Metallsprays aufzunehmen. Diese Merkmale kann man anwenden, um eine weitere Kontrolle der Struktur des Niederschlages zu erhalten. Wenn sich beispielsweise die Sprühmuster von zwei Sprays nicht überlappen, und das Substrat wird zwischen ihnen pendelt, dann kann der Niederschlag aus alternierenden Schichten des ersten und zweiten Metalls bestehen.There is no critical range for the ratios of two metals that make up the first and second sprays. Appropriate proportions of two (or more) metals can be chosen depending on the particular application. The spray patterns of the first and second sprays may, but do not have to, overlap; that is, two sprays can be arranged to impinge on the same or different areas of the substrate. The substrate can be translated or inverted or rotated to accommodate the two metal sprays. These features can be used to provide further control over the structure of the deposit. For example, if the spray patterns of two sprays do not overlap and the substrate is shuttled between them, then the deposit can consist of alternating layers of the first and second metals.
Falls sich die Sprühmuster der beiden Sprays nicht überlappen, ist es erforderlich, die beiden Sprays alternativ zu betreiben, um den erwünschten laminierten Aufbau zu erhalten. Um beide Sprays kontinuierlich betreiben zu können, ist es deshalb bevorzugt, daß die beiden Sprühmuster so angeordnet werden können, daß sie nicht überlappen, und das Substrat zu pendeln oder zu rotieren, so daß alternierende Schichten aus den beiden Metallen darauf abgeschieden werden.If the spray patterns of the two sprays do not overlap, it is necessary to operate the two sprays alternately to obtain the desired laminated structure. Therefore, in order to operate both sprays continuously, it is preferred that the two spray patterns can be arranged so that they do not overlap and to oscillate or rotate the substrate so that alternating layers of the two metals are deposited thereon.
Weitere Variationen des Aufbaus kann man dadurch erzielen, daß man anfangs einen ersten Metallstrom vorsieht, dem dann ein zweiter folgt, so daß der Niederschlag aus dem ersten Metall besteht mit einer Oberflächenbeschichtung aus dem zweiten. Dadurch, daß das geschmolzene Metall in zwei oder mehr Strömen zu Verfügung gestellt werden kann, erhält der Operator zahlreiche Möglichkeiten, die Struktur des Niederschlags zu bestimmen.Further variations in the design can be achieved by initially providing a first metal stream followed by a second, so that the deposit consists of the first metal with a surface coating of the second. The fact that the molten metal can be provided in two or more streams gives the operator numerous possibilities for determining the structure of the deposit.
Vorzugsweise umfaßt der laminierte Niederschlag wenigstens zwei Schichten eines jeden Metalles in alternierender, übereinanderliegender Beziehung. Die Dicke der alternierenden Schichten hat eine signifikante Wirkung auf die Eigenschaften des Laminats. In dem Niederschlag, wie er sich bei dem Aufsprühen ergibt, hat jede Schicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 100 mm, insbesondere 1 bis 10 mm. Der aufgesprühte Niederschlag kann gewalzt werden. Für viele Zwecke wird es bevorzugt, daß jede Schicht in dem gewalzten Produkt eine Dicke von 10 bis 500 um, insbesondere 30 bis 200 um hat.Preferably, the laminated deposit comprises at least two layers of each metal in alternating, superimposed relationship. The thickness of the alternating layers has a significant effect on the properties of the laminate. In the deposit as resulting from spraying, each layer preferably has a thickness in the range 0.01 to 100 mm, especially 1 to 10 mm. The sprayed deposit can be rolled. For many purposes, it is preferred that each layer in the rolled product has a thickness of 10 to 500 µm, especially 30 to 200 µm.
Da die beiden Metalle sich nicht vor dem Niederschlag auf dem Substrat berühren, und dann anschließend sofort die Verfestigung erfolgt, gibt es wenig Beschränkungen in der Metallart, die man anwenden kann. Es wäre nachteilig, wenn die Temperatur eines Metalls beim Abscheiden so hoch wäre, daß ein wesentliches Schmelzen des anderen auf dem Niederschlag stattfindet. Häufig ist es vorteilhaft, zwei verschiedene Legierungen des gleichen Grundmetalles zu verwenden. Dieses Verfahren ist insbesondere zum Spraygießen von Aluminiumlegierungen von Interesse, bei dem ein Inertgas, wie Argon oder Stickstoff im allgemeinen wünschenswert aber nicht wesentlich ist.Since the two metals do not touch each other before deposition on the substrate and then solidification occurs immediately afterwards, there are few restrictions in the type of metal that can be used. It would be disadvantageous if the temperature of one metal during deposition was so high that there would be substantial melting of the other on the deposit. It is often advantageous to use two different alloys of the same base metal. This process is of particular interest for spray casting of aluminum alloys, where an inert gas such as argon or nitrogen is generally desirable but not essential.
Bezugnehmend auf Figuren 1 bis 3 stellt jede davon ein schematisches Diagramm eines Systems dar zur Herstellung eines Verbundmetallwerkstoffes gemäß der Erfindung. Bezugnehmend auf Figur 1 umfaßt das System einen ersten und einen zweiten Ofen 10 und 12 für erste und zweite Ströme von geschmolzenem Metall, welches dann (nicht gezeigt) zu ersten und zweiten Sprays 14 und 16 aus heißen Metallteilchen atomisiert wird. Die Sprühmuster überlappen, und jeder Spray wird abwechselnd betrieben, währen der andere abgeschaltet ist. Die Sprays werden abwechselnd auf ein Substrat 18 aufgebracht, dessen Position und Orientierung durch die Vorrichtung 20 eingestellt wird. Die Metallsprays und das Substrat befinden sich innerhalb einer Sprühkammer 22, die geschlossen ist mit Ausnahme einer Austrittsöffnung für Gas und irgendwelche nicht abgeschiedene Spraypulver.Referring to Figures 1 to 3, each of them represents a schematic diagram of a system for producing a composite metal material according to the invention. Referring to Figure 1, the system includes first and second furnaces 10 and 12 for first and second streams of molten metal which is then atomized (not shown) into first and second sprays 14 and 16 of hot metal particles. The spray patterns overlap and each spray is alternately operated while the other is off. The sprays are alternately applied to a substrate 18 whose position and orientation is adjusted by the device 20. The metal sprays and the substrate are located within a spray chamber 22 which is closed except for an exit port for gas and any undeposited spray powders.
Ein feuerfestes Material, das in einem Strom eines Trägermaterials vorliegt, wird durch eine Leitung 26 zu der Region zugeführt, bei welcher das erste Metall atomisiert wird, und wird in den ersten Metallspray 14 inkorporiert.A refractory material present in a stream of carrier material is supplied through a conduit 26 to the region where the first metal is atomized and is incorporated into the first metal spray 14.
In dem in Figur 1 beschriebenen System kann das Substrat 18 stationär bleiben, so daß es darauf einen Verbundmetallkörper aufbaut, oder es kann pendelnrotieren oder umgedreht werden unter Ausbildung einer gleichmäßigen Verbundmetallschicht. Das Substrat 18 kann die Form einer Gießform haben, falls die Absicht besteht, den Niederschlag auf dem Substrat unter Ausbildung eines Formkörpers zu bearbeiten.In the system described in Figure 1, the substrate 18 may remain stationary so that a composite metal body is built up thereon, or it may be pendulum-rotated or inverted to form a uniform composite metal layer. The substrate 18 may be in the form of a mold if it is intended to machine the deposit on the substrate to form a molded body.
Figur 2 entspricht der Figur 1 mit der Ausnahme, daß Sprühmuster der beiden Metallsprays 14 und 16 dort nicht überlappend gezeigt werden. In diesem Fall werden die Sprays gleichzeitig betrieben, und das Substrat 18 wird hin und her gependelt, um einen Niederschlag zu erhalten aus alternierenden ersten und zweiten Metallschichten.Figure 2 corresponds to Figure 1 except that spray patterns of the two metal sprays 14 and 16 are not shown overlapping. In this case, the sprays are operated simultaneously and the substrate 18 is oscillated back and forth to obtain a deposit of alternating first and second metal layers.
In Figur 3 werden die Spraymuster der beiden Metallsprays 14 und 16 als teilüberlappend gezeigt, wenn sie auf ein zylindrisches Substrat 18 auftreffen, welches um eine horizontale Achse 28 rotiert. Von einer Spule 32 wird eine Faser 30 zugeführt, die in den Niederschlag inkorporiert wird.In Figure 3, the spray patterns of the two metal sprays 14 and 16 are shown as partially overlapping when they impinge on a cylindrical substrate 18 which rotates about a horizontal axis 28. A fiber 30 is fed from a spool 32 and is incorporated into the deposit.
Nachfolgend werden Beispiele gezeigt mit Kombinationen von Metallen und Legierungen, die man zur Herstellung der Verbundmetallniederschläge gemäß der Erfindung verwenden kann. In allen Fällen liegen das erste Metall oder die erste Legierung, die dort erwähnt wird, in dem Niederschlag in einer Volumenkonzentration vor, die so groß oder größer ist als die des zweiten Metalls oder der zweiten Legierung.Examples are shown below of combinations of metals and alloys that can be used to prepare the composite metal deposits according to the invention. In all cases, the first metal or alloy mentioned therein is present in the deposit in a volume concentration equal to or greater than that of the second metal or alloy.
A. Das erste Metall ist eine Legierung mit der Bezeichnung 7010 im Aluminium Association Register, und das zweite Metall ist eine weiche Al-Legierung wie 6061 oder reines Al-Metall. 7010 wird üblicherweise für Flugzeugteile verwendet, und das zweite Metall verbessert die Bruchzähigkeit bei einem mikro-laminierten Aufbau unter Verminderung von Erschöpfungsrissen.A. The first metal is an alloy designated 7010 in the Aluminum Association Register, and the second metal is a soft Al alloy such as 6061 or pure Al metal. 7010 is commonly used for aircraft parts and the second metal improves fracture toughness in a micro-laminated structure while reducing fatigue cracking.
B. Das erste Metall ist eine 7010 Legierung und das zweite Metall eine 6010 Legierung, wodurch Duktilität, Zähigkeit und Erschöpfungsbeständigkeit erzielt werden.B. The first metal is a 7010 alloy and the second metal is a 6010 alloy, providing ductility, toughness and fatigue resistance.
C. Das erste Metall ist eine 7010 Legierung und das zweite Metall eine Al/Zn-Legierung unter Verbesserung der Spannungskorrosions-Beständigkeit.C. The first metal is a 7010 alloy and the second metal is an Al/Zn alloy to improve the stress corrosion resistance.
D. Das erste Metall ist eine 7075 Legierung, wie sie für Panzerplatten verwendet wird, und das zweite Metall ist eine Al/Si-Legierung zur Erhöhung der Splitterfestigkeit.D. The first metal is a 7075 alloy as used for armor plates and the second metal is an Al/Si alloy to increase splinter resistance.
E. Das erste Metall ist eine 7075 Legierung, und das zweite Metall ist Pb zur Erhöhung der Dichte, Verbesserung der ballistischen Eigenschaften, und um eine Mikrostruktur auszubilden, welche Schockwellen bricht.E. The first metal is a 7075 alloy, and the second metal is Pb to increase density, improve ballistic properties, and to form a microstructure that breaks shock waves.
F. Das erste Metall ist irgendeine Aluminiumlegierung, und das zweite Metall ist Zn, das auf die Oberfläche als Schicht, die 1 bis 5 % der gesamten Dicke des Niederschlags ausmacht, aufgebracht wird, um das Diffusionsbinden zu erleichtern.F. The first metal is any aluminum alloy and the second metal is Zn, which is deposited on the surface as a layer comprising 1 to 5% of the total thickness of the deposit to facilitate diffusion bonding.
G. Das erste Metall ist eine 6061 Legierung, und das zweite Metall ist eine 7475 Legierung + SiC, wobei man ein Produkt erhält mit einer verbesserten Duktilität und Zähigkeit.G. The first metal is a 6061 alloy and the second metal is a 7475 alloy + SiC, giving a product with improved ductility and toughness.
Ein laminiertes Material wurde gesprayt unter Verwendung einer Kombination einer 6061 Al-Legierung aus einem Atomisator und 7475 Al-Legierung + SiC aus einem anderen Atomisator.A laminated material was sprayed using a combination of 6061 Al alloy from one atomizer and 7475 Al alloy + SiC from another atomizer.
Beide verwendeten Schmelztiegel bestanden aus Aluminiumoxid mit Zirkoniumoxid-Düsen. Das Atomisierungsgas war Stickstoff. Der Kollektor war eine Aluminiumplatte von 300 mm Länge und 150 mm Breite: Die Platte wurde zwischen den Sprays mit einer Frequenz von 1 Hz gependelt.Both crucibles used were made of alumina with zirconia nozzles. The atomizing gas was nitrogen. The collector was an aluminum plate 300 mm long and 150 mm wide: the plate was oscillated between sprays at a frequency of 1 Hz.
Temperatur der Schmelze = 730ºCMelt temperature = 730ºC
Primärgas Druck = 1,8 barPrimary gas pressure = 1.8 bar
Fließrate = 0,6 m³/Min.Flow rate = 0.6 m³/min.
Geschwindigk. = 240 m/Sek.Speed = 240 m/sec.
Sekundärgas Druck = 5,5 barSecondary gas pressure = 5.5 bar
Fließrate = 8,0 m³/Min.Flow rate = 8.0 m³/min.
Geschwindigk. = 300 m/Sek.Speed = 300 m/sec.
Die Bedingungen für die 7475 Legierung waren die gleichen, abgesehen von der Schmelztemperatur, die 710ºC betrug. SiC-Teilchen (F600) wurden nur der 7475 Legierung zugeführt, und zwar mit einer Zuführungsgeschwindigkeit von 1,72 kg/Min. zu der Atomierungsdüse.The conditions for the 7475 alloy were the same, except for the melting temperature, which was 710ºC. SiC particles (F600) were fed only to the 7475 alloy, at a feed rate of 1.72 kg/min to the atomizing nozzle.
Es wurden mehrere Ansätze aus dem Material unter Anwendung gleicher Bedingungen durchgeführt.Several batches were made from the material using the same conditions.
Messungen der Elementverteilung längs des Bandes zeigten an, daß ein gewisser Interdiffusionsgrad zwischen anliegenden Schichten vorlag, wodurch angezeigt wird, daß zwischen diesen eine wirksame metallurgische Bindung erfolgt ist. Der SiC-Gehalt in der 7475 Schicht betrug 10 bis 12 Volumen-%.Measurements of the elemental distribution along the ribbon indicated that there was a certain degree of interdiffusion between adjacent layers, indicating that an effective metallurgical bond had occurred between them. The SiC content in the 7475 layer was 10 to 12 volume percent.
Das besprühte Material wurde durch Heißwalzen bei 430ºC auf eine Dicke von annähernd 2 mm verfestigt und dann weiter auf 1 mm kaltgewalzt. Die nach dem Aufsprühen festgestellte Porosität nahm während dieses Verfahrens ab, und es bildete sich ein vollständig konsolidiertes Produkt. Das Blech wurde lösungsgeglüht, indem man es wenigsten 30 Minuten bei 500ºC behandelte und dann mit kaltem Wasser abschreckte. Das Material wurde künstlich bei 120º während 20 Stunden gealtert. Die Zugfestigkeit wurde bei verschiedenen Ansätzen des Bleches mit unterschiedlichen Laminatdicken bestimmt. Die nachfolgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung der Ergebnisse. Material 5 Schichten Laminat (= 200 um Schichten) 17 Schichten Laminat (= 70 um Schichten) 7475 Legierung mit SiC 6061 Legierung 6061 Legierung mit SiCThe sprayed material was consolidated by hot rolling at 430ºC to a thickness of approximately 2 mm and then further cold rolled to 1 mm. The porosity observed after spraying decreased during this process and a fully consolidated product was formed. The sheet was solution heat treated by treating it at 500ºC for at least 30 minutes and then quenching with cold water. The material was artificially aged at 120º for 20 hours. The tensile strength was determined on various batches of the sheet with different laminate thicknesses. The table below contains a summary of the results. Material 5 layers laminate (= 200 um layers) 17 layers laminate (= 70 um layers) 7475 alloy with SiC 6061 alloy 6061 alloy with SiC
Rißbildung und -fortschreiten wurde mit den nachfolgenden Ergebnissen bestimmt. Material Initiierungsenergie (J/m²) Fortschreitungsenergie (J/m²) 5 Schichten Laminat (= 200 um Schichten) 17 Schichten Laminat (= 70 um Schichten) 7475 Legierung mit SiCCrack initiation and propagation were determined with the following results. Material Initiation energy (J/m²) Propagation energy (J/m²) 5 layers laminate (= 200 um layers) 17 layers laminate (= 70 um layers) 7475 alloy with SiC
Diese Ergebnisse zeigen, daß die Kombination der beiden Materialien in dem Laminat eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gegenüber den einzelnen Bestandteilen ergibt. In diesem Fall zeigen die Ergebnisse eine Verbesserung der Festigkeit und Duktilität gegenüber 6061 und eine Verbesserung der Duktilität und der Rißbildung und -ausschreitungsenergie (was eine verbesserte Zähigkeit anzeigt) gegenüber der 7475 Legierung mit SiC an. Die Ergebnisse zeigen auch eine signifikante Verbesserung der Eigenschaften (insbesondere Duktilität) gegenüber der 6061 Legierung mit SiC an. Es wird auch gezeigt, daß die Dichte der laminierten Bereiche äußerst wichtig ist, um die Endeigenschaften des Materials einzustellen, insbesondere im vorliegenden Falle der Duktilität und der Zähigkeit des Laminates.These results show that the combination of the two materials in the laminate provides an improvement in mechanical properties over the individual components. In this case, the results indicate an improvement in strength and ductility over 6061 and an improvement in ductility and crack initiation and propagation energy (indicating improved toughness) over the 7475 alloy with SiC. The results also indicate a significant improvement in properties (particularly ductility) over the 6061 alloy with SiC. It is also shown that the density of the laminated regions is extremely important in controlling the final properties of the material, particularly in this case the ductility and toughness of the laminate.
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