JP7480323B2 - 金属合金表面修正方法、及び改善された結合耐久性を有する、関連する金属合金製品 - Google Patents
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Description
本出願は、2020年2月19日に出願された米国仮特許出願第62/978,767号、2020年3月3日に出願された米国仮特許出願第62/984,555号、及び2020年3月23日に出願された米国仮特許出願第62/993,365号の利益及び優先権を主張し、これらは、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される場合、「発明(invention)」、「発明(the invention)」、「本発明(this invention)」及び「本発明(the present invention)」という用語は、本特許出願のすべての主題及び以下の特許請求の範囲を広く指すことを意図している。これらの用語を含有する記述は、本明細書に記載の主題を限定するものではなく、また以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。
本明細書に記載の合金は、当業者に既知の任意の好適な鋳造方法を使用して鋳造され得る。少しの非限定的な例として、鋳造プロセスには、直接チル(DC)鋳造プロセスまたは連続鋳造(CC)プロセスが含まれ得る。連続鋳造プロセスは、一対の可動対向鋳造面(例えば、可動対向ベルト、ロールまたはブロック)、一対の可動対向鋳造面間の鋳造キャビティ、及び溶融金属インジェクタを有する連続鋳造システムを含み得る。溶融金属インジェクタは、端部開口部を有し得、そこから溶融金属が溶融金属インジェクタから出て鋳造キャビティ内に注入され得る。
本明細書に記載されているアルミニウム合金製品は、自動車の用途や他の航空機、鉄道などの用途といった輸送の用途に使用され得る。例えば、開示されたアルミニウム合金製品を使用して、バンパー、サイドビーム、ルーフビーム、クロスビーム、ピラー補強材(例えば、Aピラー、Bピラー、及びCピラー)、インナーパネル、アウターパネル(外板)、サイドパネル(横板)、インナーフード、アウターフード、またはトランクリッドパネルなどの形成された金属製品及び自動車構造部品を作ってもよい。本明細書に記載のアルミニウム合金製品及び方法は、航空機または鉄道車両の用途にも、例えば、外部及び内部パネルを作るためにも使用され得る。
本明細書に記載されているのは、とりわけアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、マグネシウム複合材料、及び鋼を含む金属及び金属合金を処理する方法、ならびに結果として処理される金属及び金属合金である。いくつかの例では、本明細書に記載の方法における使用のための金属としては、アルミニウム合金、例えば、1xxxシリーズのアルミニウム合金、2xxxシリーズのアルミニウム合金、3xxxシリーズのアルミニウム合金、4xxxシリーズのアルミニウム合金、5xxxシリーズのアルミニウム合金、6xxxシリーズのアルミニウム合金、7xxxシリーズのアルミニウム合金、または8xxxシリーズのアルミニウム合金が挙げられる。いくつかの実施例において、本明細書に記載の方法で使用するための材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウムベースの材料、マグネシウム合金、マグネシウム複合材料、チタン、チタンベースの材料、チタン合金、銅、銅ベースの材料、複合材料、複合材料で使用されるシート、または任意の他の好適な金属、非金属、もしくは材料の組み合わせを含む非鉄材料が挙げられる。モノリシック材料、ならびに非モノリシック材料、例えば、ロールボンド材料、クラッド合金、クラッド層、複合材料(例えば、限定されないが、炭素繊維含有材料など)、または他の様々な材料もまた、本明細書に記載の方法で有用である。いくつかの実施例において、鉄を含有するアルミニウム合金は、本明細書に記載の方法で有用である。
アルミニウム合金製品試料を、直接チル(DC)鋳造、熱間圧延、冷間圧延、及び溶液熱処理によって調製し、0.9mm~2.0mmの最終ゲージ厚さでAA5182シート試料(O温度で試験)及びAA6451シート試料(T4温度で試験)を生成した。次いで、シート試料を、40nsのパルス持続時間、30%のオーバーラップ、最大1000W、0.85mmまたは1.4mmのスポットサイズ、及び10kHzまたは20kHzの周波数でナノ秒イッテルビウムレーザー(モデルYLPN、1064nm、IPGフォトニクス)に表面を曝露するように配置し、レーザービーム設定及び表面調整パラメータを調整して、AA5182試料については図10A、図10B、図10C、ならびにAA6451試料については図10D及び図10Eに示すように異なる表面テクスチャに影響を与えるように調整した。図10Aは、10kHzで100W~1000Wで処理したAA5182合金の、0.85mmのスポットサイズによる表面テクスチャの進化を示す。同様に、図10Bは、10kHzで100W~1000Wで処理したAA5182合金の、1.4mmのスポットサイズによる表面テクスチャの進化を示す。図10Cは、100W~1000Wで20kHzで処理したAA5182合金の、1.4mmのスポットサイズによる表面テクスチャの進化を示す。AA6451試料の図10D~10Eは、10の異なる電力レジームにおける表面テクスチャの進化を示しており、上部で100Wから下部で1000Wまで、それぞれ10kHz及び20kHzで、1.4mmのスポットサイズで開始することが示されている。示されている表面のテクスチャ化は、電力が増加するにつれて増加する。レーザービームエネルギーの関数として、得られた表面との水の接触角は、標準的な技術によって、液滴接触角測定を使用して得られた。
アルミニウム合金製品試料を、DC鋳造、熱間圧延、冷間圧延、480℃で5分間の実験室熱処理によって調製し、熱間成形温度をシミュレートし、125℃で24時間人工的にT6温度までエージングして、約2.8mmの最終ゲージを有するAA7075シート試料を作製した。次いで、シート試料の表面を、15kHz~40kHzの周波数範囲を有するCL300 Wattの高強度レーザー(Adapt Laser, LLC)に曝露した。レーザーは、300W及び428μmのスポットサイズで、後続のパルスごとに、変動するレベルのオーバーラップ(25%及び50%)で表面にわたってパルス化した。図12A~12Cに示されるように、レーザー処理の前後の試料の表面のトポグラフィを測定した。比較として、図12Aは、AA7075シート試料の元のミル仕上げ表面または「処理されていない」表面上で測定されたトポグラフィを示す。図12Bは、AA7075シート試料の表面上で測定されたトポグラフィを示し、高エネルギーのパルスレーザービームは、パルス間の25%のオーバーラップを伴って露出表面上に誘導された。図12Cは、AA7075シート試料の表面上で測定されたトポグラフィを示し、高エネルギーのパルスレーザービームは、パルス間の50%のオーバーラップを伴って露出表面上に誘導された。25%から50%へのオーバーラップの増加は、測定されたトポグラフィ上の色出力の範囲によって示されるように、より粗い表面トポグラフィをもたらした。結果は、オーバーラップ割合を増加させることにより、より高い表面粗さ(3Dで測定した場合のSa)が生じることを示した。Sa値は、処理されていない表面(図12Aに示されるように)では0.3μm、パルス間の25%オーバーラップでレーザー処理された表面(図12Bに示されるように)では約1.1μm、パルス間の50%オーバーラップでレーザー処理された表面(図12Cに示されるように)では約1.4μmであることが測定された。
以下で使用されるように、一連の態様(例:「態様1~4」)または非列挙的な態様群(例えば、「先行または後続態様のいずれか1つ」)へのいかなる言及も、それらの態様の各々に対する言及として離接的に理解されるべきである(例えば、「態様1~4」は「態様1、2、3、または4」として理解されるべきである)。
Claims (47)
- 方法であって、
バルク及び第1の表面を有する、アルミニウム合金製品を提供することと、
第1の液体層を前記第1の表面上に塗布することと、
前記第1の液体層及び前記第1の表面にわたって高エネルギーのビームを走査することであって、前記高エネルギーのビームが、前記第1の表面及び前記第1の液体層と相互作用して、前記第1の表面を物理的に修正して、処理された第1の表面を形成する、前記走査することと、を含み、
前記第1の液体層にわたって高エネルギーのビームを走査することが、前記第1の液体層上にレーザーエネルギーのビームを誘導することを含み、
前記第1の液体層が、グリセリン、アルコール溶液、またはこれらの任意の組み合わせを含む、前記方法。 - 前記処理された第1の表面が、FLTM BV 101-07標準試験に従って、45サイクル~125サイクル、またはそれ以上の結合耐久性を呈する、請求項1に記載の方法。
- 前記アルミニウム合金製品が、5xxxシリーズアルミニウム合金、6xxxシリーズアルミニウム合金、または7xxxシリーズアルミニウム合金を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記高エネルギーのビームが、前記第1の液体層と相互作用して、金属間粒子と、アルミニウム合金の粒を含むマトリックスと、を含む、前記バルクの少なくとも一部分を物理的に修正して、処理された表面下層を形成する、請求項1に記載の方法。
- 前記処理された表面下層が、前記高エネルギーのビームによって以前に溶融されている前記アルミニウム合金の再凝固層を含み、前記表面下層が、前記アルミニウム合金製品の1μm~10μmの深さを占め、前記処理された表面下層中の金属間粒子の第1の濃度が、前記バルク中の金属間粒子の第2の濃度未満である、請求項4に記載の方法。
- 前記第1の液体層が、1nm~1mmの厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の液体層が、1mm~5mmの厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 第2の表面に第2の液体層を塗布することをさらに含み、前記第2の表面が、前記第1の表面とは反対である、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の液体層が、1nm~1mmの厚さを有する、請求項8に記載の方法。
- 前記第2の液体層が、1mm~5mmの厚さを有する、請求項8に記載の方法。
- 前記第2の液体層が、前記第1の液体層と同じである、請求項8に記載の方法。
- 前記第2の液体層が、前記第1の液体層とは異なる、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の液体層及び前記第2の液体層のうちの少なくとも1つが、凝縮蒸気を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の液体層及び前記第2の液体層のうちの少なくとも1つが、水溶液を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の液体層及び前記第2の液体層のうちの少なくとも1つが、非水溶液を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の液体層及び前記第2の液体層のうちの少なくとも1つが、グリセリン、アルコール溶液、蒸気、またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の液体層及び前記第2の液体層のうちの少なくとも1つが、腐食を抑制することと、前記表面をテクスチャ加工することと、接着性を増加させることと、のうちの少なくとも1つを行うように構成されている、前処理化学物質を含み、前記前処理化学物質が、有機ホスホン酸、有機ホスフィン酸、シラン、カップリング剤、ポリマー、コポリマー、Zr/Mo前処理、Mnベースの前処理、Ceベースの前処理、またはこれらの組み合わせから選択される、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の液体層及び前記第2の液体層が、2つ以上のアプリケータによって前記第1の表面及び前記第2の表面上に塗布される、請求項8に記載の方法。
- 前記2つ以上のアプリケータが、パルスを有するかもしくは有しないスプレーアプリケータ、低圧高容量スプレーアプリケータ、低圧低容量スプレーアプリケータ、回転噴霧器、静電アプリケータ、ロールアプリケータ、またはこれらの任意の組み合わせを備える、請求項18に記載の方法。
- 前記2つ以上のアプリケータが、連続したラインにある、請求項18に記載の方法。
- 前記2つ以上のアプリケータが、2つ以上のアプリケータ浴として構成されている、請求項18に記載の方法。
- 前記レーザーエネルギーのビームが、連続レーザー、パルスレーザー、ナノ秒パルスレーザー、ピコ秒パルスレーザー、フェムト秒パルスレーザー、シングルパス構成、ダブルパス構成、連続波を有するレーザー、連続波を有しないレーザー、またはこれらの任意の組み合わせによって提供される、請求項1に記載の方法。
- 前記レーザーエネルギーのビームが、イッテルビウムレーザー、Nd-YAGレーザー、CO2レーザー、エキシマレーザー、またはこれらの任意の組み合わせによって提供される、請求項1に記載の方法。
- 前記レーザーエネルギーのビームが、約200nm~約1500nmの波長を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の液体層にわたって前記高エネルギーのビームを走査することが、前記第1の液体層上に少なくとも1つのレーザーエネルギーのビームを誘導することを含み、前記方法が、前記第2の液体層上に別の少なくとも1つのレーザーエネルギーのビームを誘導することをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 前記第1の表面が、処理されていない第1の表面である、請求項1に記載の方法。
- 前記処理されていない第1の表面が、その上に有機物、油、炭化水素、土壌、または無機残渣のうちの1つ以上を有し、前記処理された第1の表面が、有機物、油、炭化水素、土壌、または無機残渣のうちの1つ以上を欠いているか、または実質的に欠いている、請求項26に記載の方法。
- 前記処理されていない第1の表面が、化学的エッチング、酸性またはアルカリ性洗浄、溶媒洗浄、蒸気脱脂、機械的表面処理、ブラッシング、バフ研磨、機械的表面研磨、電気化学的研磨、化学的研磨、界面活性剤洗浄、及び変換コーティングから選択される1つ以上の湿潤加工工程に供されていない、請求項26に記載の方法。
- 前記処理されていない第1の表面が、前記処理されていない第1の表面上に前記高エネルギーのビームを誘導する前に、1つ以上の湿潤加工工程に供されていない、請求項26に記載の方法。
- 前記処理されていない第1の表面が、その上に圧延潤滑剤を有する圧延表面に対応する、請求項26に記載の方法。
- 前記処理されていない第1の表面上に高エネルギーのビームを誘導することが、乾燥洗浄プロセスに対応し、前記処理された第1の表面が、洗浄された表面に対応する、請求項26に記載の方法。
- 前記処理されていない第1の表面上に高エネルギーのビームを誘導することが、乾燥表面修正プロセスに対応し、前記処理された第1の表面が、接着剤との結合に好適な活性化された表面に対応する、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面が、近接表面微細構造を含み、前記第1の表面上に前記高エネルギーのビームを誘導することが、前記近接表面微細構造の少なくとも一部分を除去または排除する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の表面上に前記高エネルギーのビームを誘導することが、前記近接表面微細構造を熱的に修正する、請求項33に記載の方法。
- 前記処理された第1の表面が、0.1~0.5の乾燥静摩擦係数を呈する、請求項1に記載の方法。
- 圧延アルミニウム合金基板を含むアルミニウム合金製品であって、
前記圧延アルミニウム合金基板が、
バルクであって、前記バルクが、金属間粒子と、アルミニウム合金の粒を含むマトリックスと、を含む、前記バルクと、
前記バルクの第1の部分を覆うレーザー及び液体処理領域を含み、
ここで、レーザー及び液体加工された表面層が、10nm~300nmの厚さを有する第1の酸化層を含み、
前記レーザー及び液体処理領域が、
処理された表面下層であって、前記処理された表面下層が、高エネルギーのビームによって以前に溶融されている前記アルミニウム合金の再凝固層を含み、前記処理された表面下層が、前記アルミニウム合金製品の1μm~10μmの深さを占め、前記処理された表面下層中の金属間粒子の第1の濃度が、前記バルク中の金属間粒子の第2の濃度未満である、前記処理された表面下層と、
前記レーザー及び液体加工された表面層であって、前記レーザー及び液体加工された表面層が、近接表面微細構造と、有機物、油、炭化水素、土壌、無機残渣、圧延酸化物、または陽極酸化物のうちの1つ以上と、を実質的に欠いている前記レーザー及び液体加工された表面層と、を含む、前記レーザー及び液体処理領域と、
を含む、前記アルミニウム合金製品。 - 前記アルミニウム合金が、5xxxシリーズアルミニウム合金、6xxxシリーズアルミニウム合金、または7xxxシリーズアルミニウム合金を含む、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記アルミニウム合金中のマグネシウムの濃度が、10重量%未満である、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記バルク中のマグネシウムの濃度が、前記処理された表面下層中よりも大きいか、または前記バルク中の亜鉛の濃度が、前記処理された表面下層中よりも大きい、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記レーザー及び液体処理領域が、FLTM BV 101-07標準試験に従って、45サイクル~125サイクル、またはそれ以上の結合耐久性を呈する、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記アルミニウム合金製品が、その上に官能化層を含まない、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記バルクの第2の部分を覆う処理されていない領域をさらに含み、前記処理されていない領域が、レーザー処理プロセスに供されてないか、または供されたことがない、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記レーザー及び液体処理領域の第1の算術平均高さ(Spk)が、前記処理されていない領域の第2の算術平均高さ未満である、請求項42に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記レーザー及び液体処理領域が、0.1μm~10μmの算術平均高さ(Sa)を呈する、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記レーザー及び液体処理領域が、0.1%~80%の複雑さ(Sdr)を呈する、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記レーザー及び液体処理領域が、最大3ヶ月の表面安定性を呈する、請求項36に記載のアルミニウム合金製品。
- 前記官能化層が、リン含有有機酸コーティングである、請求項41に記載のアルミニウム合金製品。
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