JP2006336104A - 高温アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高温アルミニウム合金は、アルミニウムと、スカンジウムと、ニッケル、鉄、クロム、マンガン、およびコバルトのうちの少なくとも一つと、ジルコニウム、ガドリニウム、ハフニウム、イットリウム、ニオブ、およびバナジウムのうちの少なくとも一つとを含む。これらの合金は、アルミニウム固溶体マトリックスと、さまざまな分散質の混合物とを含む。これらの合金は、マグネシウムを実質的に含まない。
【選択図】図2
Description
米国政府は、米国空軍とユナイテッド・テクノロジーズ・コーポレイション、プラット・アンド・ホイットニーとの間の契約番号第FA8650−05−C−5804に従って、また、米国空軍とDWAアルミニウム複合体との間の中小企業革新研究契約(Small Business Innovative Research Contract)番号第F04611−03−M−3030(段階I)に従って一定の権利を有し得る。
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜10)Gd−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜10)Gd−(1〜4)Y、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(2〜6)Gd−(4〜8)Y、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(3〜7)Gd、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(2〜6)Y、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(4〜9)Y−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(1〜6)Nb−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(1〜6)Nb、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(1〜5)V、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(1〜6)Nb−(1〜5)V、および、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(0.5〜2.9)Zr−(1〜5)V、
が含まれる。
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−2.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−4.1Gd−5.4Y、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.5Gd−2.5Y、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−11.5Hf−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−9.8Hf−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−9.0Hf−4.5Gd、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.5Hf−3.0Y、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−6.5Y−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−5.0Nb−2.1Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−9.5Hf−2.5Nb、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.0Hf−2.0V、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−2.5Nb−3.2V、および、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−2.5Zr−3.2V、
が含まれる。
以下の新規な合金組成(重量パーセント): 約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−2.5Zr、約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−1.5Zr、および約Al−8.4Ni−2.15Sc−4.1Gd−5.4Y、のさまざまな実施態様を、さまざまな粉末冶金処理を用いて製造した。これらの合金を製造するのに使用する粉末冶金処理は、インゴット製造、不活性ヘリウムガスアトマイゼーション、高温真空脱ガス、真空ホットプレス、および押出しから成っていた。合金化元素を一緒に混合し、約15〜60分間、約2100〜2300°F(1149〜1260℃)においてアルゴン雰囲気中で溶融させて、上述した組成で、各インゴットの酸素含有量が非常に低いインゴットを形成した。これらのインゴットは次いで、約15〜60分間、約2400〜2600°F(1316〜1427℃)においてアルゴン雰囲気中でさらに溶融させ、次いで、ヘリウムガスアトマイゼーションによって噴霧して、同様に酸素含有量の非常に低い球状粉末を形成した。これらの粉末は次いで、約−325メッシュに篩い分けした。その後、粉末は、約4〜15時間、約650〜750°F(343〜399℃)において高温真空脱ガスして、粉末から水分および不要なガスを除去した。次に、これらの粉末は、一方向真空ホットプレス内で、約1〜5時間、約650〜750°F(343〜399℃)において圧密成形して、ビレットを作成した。これらのビレットは次いで、約5〜30分間、約650〜750°F(343〜399℃)において、約5:1から約25:1までの範囲の押出し比を用いて押出して、さまざまな大きさの丸棒を製造した。以下の表1に示す処理パラメータに従って、各合金のいくつかの非限定的な実施態様を作成した。
11…Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−1.5Zr合金
12…Al−8.4Ni−2.15Sc−4.1Gd−5.4Y合金
13…市販のアルミニウム合金(7075)
14…市販のアルミニウム合金(6061)
Claims (46)
- (a) 約0.6〜2.9重量パーセントのスカンジウムと、
(b) 約1.5〜25重量パーセントのニッケル、約1.5〜20重量パーセントの鉄、約1〜18重量パーセントのクロム、約1.5〜25重量パーセントのマンガン、および約1〜25重量パーセントのコバルトのうちの少なくとも一つと、
(c) 約0.4〜2.9重量パーセントのジルコニウム、約0.4〜20重量パーセントのガドリニウム、約0.4〜30重量パーセントのハフニウム、約0.4〜30重量パーセントのイットリウム、約0.3〜10重量パーセントのニオブ、および約0.2〜10重量パーセントのバナジウムのうちの少なくとも一つと、
(d) 残部の実質的にアルミニウムと、
を含むことを特徴とするアルミニウム合金。 - 前記合金は、アルミニウム固溶体マトリックスと、複数の分散質とを含み、この分散質は、Al3Ni、Al3Fe、Al6Fe、Al7Cr、Al6Mn、Al9Co2、およびAl3Xのうちの少なくとも一つを含み、
各Al3X分散質は、L12構造を有しており、ここで、Xは、スカンジウムと、ジルコニウム、ガドリニウム、ハフニウム、イットリウム、ニオブ、およびバナジウムのうちの少なくとも一つと、を含むことを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金。 - 前記合金は、マグネシウムを実質的に含まないことを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、約−420°F(−251℃)から約650°F(343℃)までの温度において使用できることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金。
- 前記アルミニウム合金は、航空機部品、ロケット部品、および自動車部品のうちの少なくとも一つに使用されることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金。
- 前記ロケット部品は、構造ジャケット、ターボポンプハウジング、タービンロータ、タービンロータハウジング、インペラー、弁、弁ハウジング、噴射器、ノズル、ブラケット、ダクト、配管部品、およびロケットエンジン構造部材のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項5記載のアルミニウム合金。
- 前記航空機部品は、空気入口ハウジング、ステータアッセンブリ、歯車ボックス、軸受ハウジング、カーボンシールハウジング、ドーム、カバー、ベーン、およびステータのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項5記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、約50体積パーセントまでの強化第二相をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金。
- 前記強化第二相は、酸化物、炭化物、窒化物、酸化窒化物、酸化炭化窒化物、ケイ化物、ホウ化物、鉄合金、ホウ素、黒鉛、タングステン、チタン、SiC、Si3N4、Al2O3、B4C、Y2O3、MgAl2O4、TiC、およびTiB2のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項8記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、
少なくとも約103℃/秒以上の冷却速度を用いる急速凝固技術と、
鋳造処理と、
のうちの少なくとも一方により製造されることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金。 - 前記鋳造処理は、高圧鋳造法、ダイカスト法、砂型鋳造、および永久型鋳造のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項10記載のアルミニウム合金。
- 前記急速凝固技術は、溶融紡糸、スプラット急冷、アトマイゼーション、スプレー堆積、真空プラズマスプレー、コールドスプレー、レーザー溶融、機械的合金化、低温ミリング、スピン形成、およびボールミルのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項10記載のアルミニウム合金。
- 前記急速凝固技術は、少なくとも以下の各工程:
所定の組成を有するインゴットを作成し、
このインゴットを溶融させ、
溶融インゴットを噴霧して粉末を形成し、
この粉末を脱ガスし、
この粉末を圧密成形してビレットを作成し、
このビレットを所定の形態に熱間加工する、
ことを含むことを特徴とする請求項10記載のアルミニウム合金。 - 前記作成工程は、約15〜60分間、約1149〜1260℃においてアルゴン雰囲気中で行われることを特徴とする請求項13記載のアルミニウム合金。
- 前記溶融工程は、約15〜60分間、約1316〜1427℃においてアルゴン雰囲気中で行われることを特徴とする請求項13記載のアルミニウム合金。
- 前記脱ガス工程は、約4〜15時間、約343〜399℃において粉末を高温真空脱ガスすることを含むことを特徴とする請求項13記載のアルミニウム合金。
- 前記圧密成形工程は、約1〜5時間、約343〜399℃において粉末を真空ホットプレスすることを含むことを特徴とする請求項13記載のアルミニウム合金。
- 前記熱間加工工程は、約5〜30分間、約343〜399℃において行われることを特徴とする請求項13記載のアルミニウム合金。
- (a) 約0.6〜2.9重量パーセントのスカンジウムと、
(b) 約1.5〜25重量パーセントのニッケルと、
(c) 約0.4〜20重量パーセントのガドリニウム、約0.4〜2.9重量パーセントのジルコニウム、約0.4〜30重量パーセントのハフニウム、約0.3〜10重量パーセントのニオブ、約0.2〜10重量パーセントのバナジウム、および約0.4〜30重量パーセントのイットリウムのうちの少なくとも一つと、
(d) 残部の実質的にアルミニウムと、
を含むことを特徴とするアルミニウム合金。 - 前記合金は、アルミニウム固溶体マトリックスと、Al3NiおよびAl3Xから成る分散質とを含み、Al3Xは、L12構造を有しており、ここで、Xは、スカンジウムと、ガドリニウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、バナジウム、およびイットリウムのうちの少なくとも一つと、を含むことを特徴とする請求項19記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、マグネシウムを実質的に含まないことを特徴とする請求項19記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、約−420°F(−251℃)から約650°F(343℃)までの温度において使用できることを特徴とする請求項19記載のアルミニウム合金。
- 前記アルミニウム合金は、航空機部品、ロケット部品、および自動車部品のうちの少なくとも一つに使用されることを特徴とする請求項19記載のアルミニウム合金。
- 前記ロケット部品は、構造ジャケット、ターボポンプハウジング、タービンロータ、タービンロータハウジング、インペラー、弁、弁ハウジング、噴射器、ノズル、ブラケット、ダクト、配管部品、およびロケット構造部材のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項23記載のアルミニウム合金。
- 前記航空機部品は、空気入口ハウジング、ステータアッセンブリ、歯車ボックス、軸受ハウジング、カーボンシールハウジング、ドーム、カバー、ベーン、およびステータのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項23記載のアルミニウム合金。
- (a) 約1〜2.9重量パーセントのスカンジウムと、
(b) 約6〜10重量パーセントのニッケルと、
(c) 約2〜10重量パーセントのガドリニウム、約0.5〜2.9重量パーセントのジルコニウム、約6〜12重量パーセントのハフニウム、約1〜6重量パーセントのニオブ、約1〜5重量パーセントのバナジウム、および約1〜8重量パーセントのイットリウムのうちの少なくとも一つと、
(d) 残部の実質的にアルミニウムと、
を含むことを特徴とする請求項19記載のアルミニウム合金。 - (a) 約2.15重量パーセントのスカンジウムと、
(b) 約8.4重量パーセントのニッケルと、
(c) 約4.1〜8.8重量パーセントのガドリニウム、約1.5〜2.5重量パーセントのジルコニウム、約8.0〜11.5重量パーセントのハフニウム、約2.5〜5.0重量パーセントのニオブ、約2.0〜3.2重量パーセントのバナジウム、および約2.5〜6.5重量パーセントのイットリウムのうちの少なくとも一つと、
(d) 残部の実質的にアルミニウムと、
を含むことを特徴とする請求項26記載のアルミニウム合金。 - 重量パーセントで、下記の組成:
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜10)Gd−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜10)Gd−(1〜4)Y、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(2〜6)Gd−(4〜8)Y、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(3〜7)Gd、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(2〜6)Y、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(4〜9)Y−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(1〜6)Nb−(0.5〜2.9)Zr、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(1〜6)Nb、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(6〜12)Hf−(1〜5)V、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(1〜6)Nb−(1〜5)V、
約Al−(6〜10)Ni−(1〜2.9)Sc−(0.5〜2.9)Zr−(1〜5)V、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.5Gd−2.5Y、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−4.1Gd−5.4Y、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−11.5Hf−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−9.8Hf−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−9.0Hf−4.5Gd、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.5Hf−3.0Y、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−6.5Y−1.5Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−5.0Nb−2.1Zr、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−9.5Hf−2.5Nb、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.0Hf−2.0V、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−2.5Nb−3.2V、および、
約Al−8.4Ni−2.15Sc−2.5Zr−3.2V、
のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とするアルミニウム合金。 - 重量パーセントで、以下の組成: 約Al−8.4Ni−2.15Sc−8.8Gd−2.5Zrを含むことを特徴とするアルミニウム合金。
- 前記合金は、アルミニウム固溶体マトリックスと、L12構造を有する複数のAl3(Sc,Gd,Zr)分散質と、複数のAl3Ni分散質とを含むことを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、マグネシウムを実質的に含まないことを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、約−420°F(−251℃)から約650°F(343℃)までの温度において使用できることを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、約50体積パーセントまでの強化第二相をさらに含むことを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記強化第二相は、酸化物、炭化物、窒化物、酸化窒化物、酸化炭化窒化物、ケイ化物、ホウ化物、鉄合金、ホウ素、黒鉛、タングステン、チタン、SiC、Si3N4、Al2O3、B4C、Y2O3、MgAl2O4、TiC、およびTiB2のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項33記載のアルミニウム合金。
- 前記合金は、
少なくとも約103℃/秒以上の冷却速度を用いる急速凝固技術と、
鋳造処理と、
のうちの少なくとも一方により製造されることを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。 - 前記鋳造処理は、高圧鋳造法、ダイカスト法、砂型鋳造、および永久型鋳造のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記急速凝固技術は、溶融紡糸、スプラット急冷、アトマイゼーション、スプレー堆積、真空プラズマスプレー、コールドスプレー、レーザー溶融、機械的合金化、低温ミリング、スピン形成、およびボールミルのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記急速凝固技術は、少なくとも以下の各工程:
所定の組成を有するインゴットを作成し、
このインゴットを溶融させ、
溶融インゴットを噴霧して粉末を形成し、
この粉末を脱ガスし、
この粉末を圧密成形してビレットを作成し、
このビレットを所定の形態に熱間加工する、
ことを特徴とする請求項35記載のアルミニウム合金。 - 前記作成工程は、約15〜60分間、約1149〜1260℃においてアルゴン雰囲気中で行われることを特徴とする請求項38記載のアルミニウム合金。
- 前記溶融工程は、約15〜60分間、約1316〜1427℃においてアルゴン雰囲気中で行われることを特徴とする請求項38記載のアルミニウム合金。
- 前記脱ガス工程は、約4〜15時間、約343〜399℃において粉末を高温真空脱ガスすることを含むことを特徴とする請求項38記載のアルミニウム合金。
- 前記圧密成形工程は、約1〜5時間、約343〜399℃において粉末を真空ホットプレスすることを含むことを特徴とする請求項38記載のアルミニウム合金。
- 前記熱間加工工程は、約5〜30分間、約343〜399℃において行われることを特徴とする請求項38記載のアルミニウム合金。
- 前記アルミニウム合金は、航空機部品、ロケット部品、および自動車部品のうちの少なくとも一つに使用されることを特徴とする請求項29記載のアルミニウム合金。
- 前記ロケット部品は、構造ジャケット、ターボポンプハウジング、タービンロータ、タービンロータハウジング、インペラー、弁、弁ハウジング、噴射器、ノズル、ブラケット、ダクト、配管部品、およびロケットエンジン構造部材のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項44記載のアルミニウム合金。
- 前記航空機部品は、空気入口ハウジング、ステータアッセンブリ、歯車ボックス、軸受ハウジング、カーボンシールハウジング、ドーム、カバー、ベーン、およびステータのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項44記載のアルミニウム合金。
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