JPH0448857B2 - - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム基合金に関し、より詳
細には、高い室温強度および高温強度、高モジユ
ラスすなわち90GPaを超える弾性率および良好な
延性を有するアルミニウム基合金に関するもので
ある。 発明の背景および目的 航空機および他の構造物中において、強い（引
張強さおよび降伏強さに関して）とともに剛性で
ある軽金属、即ち、密度約３ｇ／未満を有するも
ののニーズがしばしばある。炭化ケイ素を有する
軽金属（アルミニウム）複合体は、90GPaを超え
且つ140GPa程度でさえある高モジユラスを有す
ることができることが既知である。これらのアル
ミニウム−炭化ケイ素または炭化ホウ素複合体は
有用であるが、高温では特に強くはなく且つより
高いモジユラスにおいては比較的脆性である。 本発明の目的は、高い弾性率と強度との組み合
わせを有するアルミニウム基合金を提供すること
にあり、より詳細には、高い室温強度および高温
強度および高いモジユラスと結合された合理的な
引張伸びを有するアルミニウム基合金を提供する
ことにある。 発明の具体的な説明 本発明は、重量％でチタン10〜20または25％、
炭素１〜４％および機械的合金化装入物に有意に
加えられた安定な酸化物中に存在する酸素以外の
酸素0.2〜２％を含有する機械的合金化アルミニ
ウム基合金を意図する。 本発明の機械的合金化アルミニウム基合金は、
少なくとも90GPaの弾性率を有し且つ後述のよう
に合計で10重量％までの少量の他の元素を含有す
ることができる。より詳細には、本発明の合金
は、原子対原子基準でチタンの代わりに５重量％
までの量のバナジウム、ジルコニウムなどの遷移
元素を含有することができる。このように、事実
上、バナジウムは等しい重量基準で５重量％まで
チタンと置き換えることができ、且つジルコニウ
ムはジルコニウム２重量部対チタン１重量部の基
準でチタン2.5％と置き換えることができる。定
義の目的で、元素チタン、バナジウムおよびジル
コニウムの合金重量％は、 ％Ti＋％Ｖ＋２％Zr＝定義の範囲 であるように関係づけられるであろう。その最も
広い意味における「定義の範囲」は、10〜25％、
好ましくは10〜20％、より狭くは10〜16％、一層
狭くは10〜14％であるか、この説明において記載
のようなチタン単独またはチタン、バナジウムお
よびジルコニウムの２以上に適用できる他の範囲
である。 上記の各成分は、アルミニウムマトリツクスを
補強し強固にする強化相を提供するものである。
チタン、バナジウムおよびジルコニウムからなる
群は、アルミニウムと金属間化合物を形成する。
上記のように、チタンが合金中に存在しているこ
とが好ましいが、部分的にバナジウムもしくはジ
ルコニウムと置き換わつてもよい。これらの元素
が上記定義の範囲未満の場合には硬さが不十分と
なり好ましくない。一方、定義の上限値を超える
と合金を脆化させるので好ましくない。また、バ
ナジウムもしくはジルコニウムの含有量が増大す
ると合金の重量が増大し、実用的な用途の点で不
適当なものとなる。 酸素ならびに炭素は、アルミニウムとの間で、
Al2O3およびAl4C3のような超微細化合物を形成
する。酸素が0.1％未満あるいは炭素が１％未満
の場合は、これら分散質化合物の量は不十分であ
り合金の強度は低下する。一方、酸素が２％を超
えるかあるいは炭素が４％を超えると今度は組織
が脆化するので好ましくない。 本発明においては前記のように、他の元素、す
なわち、補助元素を機械的合金化アルミニウム基
合金中に存在させることができる。リチウムは約
３％までの量で存在でき且つ銅、ニツケル、セリ
ウムおよびエルビウムは５％までの合計量で存在
できる。他の元素、例えば、ケイ素、ベリリウ
ム、鉄、クロム、コバルト、ニオブ、イツトリウ
ム、タンタルおよびタングステンは、10％までの
合計量で存在できる。１％までの少量のホウ素
は、本発明の合金で有利に存在できる。これらの
元素は合金の強度を向上させる上で効果がある
が、上記の値を超えて過度に添加すると合金を脆
化する傾向があるので留意されるべきである。当
業者は、チタンおよびチタンの代わりに使用する
元素以外の元素の配合が一般に延性を低下させな
がら合金の硬さを増大する傾向があるであろうこ
とを認識するであろう。従つて、範囲の上限、チ
タン15％よりも大、例えば、チタン15〜20重量％
においては、合金中の補助元素が、例えば、合計
２重量％まで最小限にされ、且つ15重量％未満に
おいては、もしあつても補助元素の許容可能な量
が前記合計最大量に徐々に増大するようにチタン
およびチタンの代わりに使用する元素の定義の範
囲において他の元素の配合を限定することが有利
である。同様の状況は、有意に加えられる酸化物
物質、例えば、アルミナ、イツトリアまたはイツ
トリウム含有酸化物、例えば、イツトリウム−ア
ルミニウム−ガーネツトなどおよび炭素に関して
存在する。合計で、任意の酸化物物質は、２％ま
での合計量で存在でき、最大はチタン含量が少な
く且つ補助元素が低濃度または不在である時にの
み存在する。同様に、定義の範囲が15％未満であ
る時以外は、炭素は、最大２％に維持することが
好ましい。 前記のように、アルミニウムおよび前記範囲内
の前記元素および化合物からなる本発明の合金
は、米国特許第3740210号明細書、第4600556号明
細書、第4624705号明細書、第4643780号明細書、
第4668470号明細書、第4627959号明細書、第
4668282号明細書、第4668470号明細書および第
4557893号明細書に既述のように元素状成分また
は金属間化合物成分（例えば、Al3Ti）を機械的
に合金化することによつて調製する。成分を機械
的に合金化して本発明の合金を調製する際に、加
工助剤、例えば、ステアリン酸またはステアリン
酸と黒鉛との混合物が、使用される。粒状アルミ
ニウムおよびチタンをステアリン酸と一緒に、さ
らに場合によつて追加の元素とともに、摩砕する
結果得られることは、プロセス制御剤中の炭素お
よび酸素の量と本質上化学量論量的に等価の量の
酸化物および炭化物の生成である。本発明の合金
においては、これらの酸化物および炭化物は、主
としてAl2O3および炭化アルミニウム（場合によ
つてチタンによる変性を受けている場合がある）
である。比較的少しの炭化チタンしか合金中に存
在しない。 機械的合金化完了後、即ち、粉末成分が複合粒
子の繰返破壊および再破壊によつて十分に混合し
且つ飽和硬さを達成するか実質上達成した後、篩
分けて微粉を排除した摩砕粒子は、容器に入れ、
減圧下で、例えば、500℃で２〜12時間脱ガスし、
真空中で印加圧力下で圧粉し、次いで、押出す。
実用的範囲として、押出比は約５対１から約50対
１であることができ且つ押出温度は約250℃〜約
600℃であることができる。 本発明の高モジユラスアルミニウム基合金の組
成（重量％）を表１に示す。
細には、高い室温強度および高温強度、高モジユ
ラスすなわち90GPaを超える弾性率および良好な
延性を有するアルミニウム基合金に関するもので
ある。 発明の背景および目的 航空機および他の構造物中において、強い（引
張強さおよび降伏強さに関して）とともに剛性で
ある軽金属、即ち、密度約３ｇ／未満を有するも
ののニーズがしばしばある。炭化ケイ素を有する
軽金属（アルミニウム）複合体は、90GPaを超え
且つ140GPa程度でさえある高モジユラスを有す
ることができることが既知である。これらのアル
ミニウム−炭化ケイ素または炭化ホウ素複合体は
有用であるが、高温では特に強くはなく且つより
高いモジユラスにおいては比較的脆性である。 本発明の目的は、高い弾性率と強度との組み合
わせを有するアルミニウム基合金を提供すること
にあり、より詳細には、高い室温強度および高温
強度および高いモジユラスと結合された合理的な
引張伸びを有するアルミニウム基合金を提供する
ことにある。 発明の具体的な説明 本発明は、重量％でチタン10〜20または25％、
炭素１〜４％および機械的合金化装入物に有意に
加えられた安定な酸化物中に存在する酸素以外の
酸素0.2〜２％を含有する機械的合金化アルミニ
ウム基合金を意図する。 本発明の機械的合金化アルミニウム基合金は、
少なくとも90GPaの弾性率を有し且つ後述のよう
に合計で10重量％までの少量の他の元素を含有す
ることができる。より詳細には、本発明の合金
は、原子対原子基準でチタンの代わりに５重量％
までの量のバナジウム、ジルコニウムなどの遷移
元素を含有することができる。このように、事実
上、バナジウムは等しい重量基準で５重量％まで
チタンと置き換えることができ、且つジルコニウ
ムはジルコニウム２重量部対チタン１重量部の基
準でチタン2.5％と置き換えることができる。定
義の目的で、元素チタン、バナジウムおよびジル
コニウムの合金重量％は、 ％Ti＋％Ｖ＋２％Zr＝定義の範囲 であるように関係づけられるであろう。その最も
広い意味における「定義の範囲」は、10〜25％、
好ましくは10〜20％、より狭くは10〜16％、一層
狭くは10〜14％であるか、この説明において記載
のようなチタン単独またはチタン、バナジウムお
よびジルコニウムの２以上に適用できる他の範囲
である。 上記の各成分は、アルミニウムマトリツクスを
補強し強固にする強化相を提供するものである。
チタン、バナジウムおよびジルコニウムからなる
群は、アルミニウムと金属間化合物を形成する。
上記のように、チタンが合金中に存在しているこ
とが好ましいが、部分的にバナジウムもしくはジ
ルコニウムと置き換わつてもよい。これらの元素
が上記定義の範囲未満の場合には硬さが不十分と
なり好ましくない。一方、定義の上限値を超える
と合金を脆化させるので好ましくない。また、バ
ナジウムもしくはジルコニウムの含有量が増大す
ると合金の重量が増大し、実用的な用途の点で不
適当なものとなる。 酸素ならびに炭素は、アルミニウムとの間で、
Al2O3およびAl4C3のような超微細化合物を形成
する。酸素が0.1％未満あるいは炭素が１％未満
の場合は、これら分散質化合物の量は不十分であ
り合金の強度は低下する。一方、酸素が２％を超
えるかあるいは炭素が４％を超えると今度は組織
が脆化するので好ましくない。 本発明においては前記のように、他の元素、す
なわち、補助元素を機械的合金化アルミニウム基
合金中に存在させることができる。リチウムは約
３％までの量で存在でき且つ銅、ニツケル、セリ
ウムおよびエルビウムは５％までの合計量で存在
できる。他の元素、例えば、ケイ素、ベリリウ
ム、鉄、クロム、コバルト、ニオブ、イツトリウ
ム、タンタルおよびタングステンは、10％までの
合計量で存在できる。１％までの少量のホウ素
は、本発明の合金で有利に存在できる。これらの
元素は合金の強度を向上させる上で効果がある
が、上記の値を超えて過度に添加すると合金を脆
化する傾向があるので留意されるべきである。当
業者は、チタンおよびチタンの代わりに使用する
元素以外の元素の配合が一般に延性を低下させな
がら合金の硬さを増大する傾向があるであろうこ
とを認識するであろう。従つて、範囲の上限、チ
タン15％よりも大、例えば、チタン15〜20重量％
においては、合金中の補助元素が、例えば、合計
２重量％まで最小限にされ、且つ15重量％未満に
おいては、もしあつても補助元素の許容可能な量
が前記合計最大量に徐々に増大するようにチタン
およびチタンの代わりに使用する元素の定義の範
囲において他の元素の配合を限定することが有利
である。同様の状況は、有意に加えられる酸化物
物質、例えば、アルミナ、イツトリアまたはイツ
トリウム含有酸化物、例えば、イツトリウム−ア
ルミニウム−ガーネツトなどおよび炭素に関して
存在する。合計で、任意の酸化物物質は、２％ま
での合計量で存在でき、最大はチタン含量が少な
く且つ補助元素が低濃度または不在である時にの
み存在する。同様に、定義の範囲が15％未満であ
る時以外は、炭素は、最大２％に維持することが
好ましい。 前記のように、アルミニウムおよび前記範囲内
の前記元素および化合物からなる本発明の合金
は、米国特許第3740210号明細書、第4600556号明
細書、第4624705号明細書、第4643780号明細書、
第4668470号明細書、第4627959号明細書、第
4668282号明細書、第4668470号明細書および第
4557893号明細書に既述のように元素状成分また
は金属間化合物成分（例えば、Al3Ti）を機械的
に合金化することによつて調製する。成分を機械
的に合金化して本発明の合金を調製する際に、加
工助剤、例えば、ステアリン酸またはステアリン
酸と黒鉛との混合物が、使用される。粒状アルミ
ニウムおよびチタンをステアリン酸と一緒に、さ
らに場合によつて追加の元素とともに、摩砕する
結果得られることは、プロセス制御剤中の炭素お
よび酸素の量と本質上化学量論量的に等価の量の
酸化物および炭化物の生成である。本発明の合金
においては、これらの酸化物および炭化物は、主
としてAl2O3および炭化アルミニウム（場合によ
つてチタンによる変性を受けている場合がある）
である。比較的少しの炭化チタンしか合金中に存
在しない。 機械的合金化完了後、即ち、粉末成分が複合粒
子の繰返破壊および再破壊によつて十分に混合し
且つ飽和硬さを達成するか実質上達成した後、篩
分けて微粉を排除した摩砕粒子は、容器に入れ、
減圧下で、例えば、500℃で２〜12時間脱ガスし、
真空中で印加圧力下で圧粉し、次いで、押出す。
実用的範囲として、押出比は約５対１から約50対
１であることができ且つ押出温度は約250℃〜約
600℃であることができる。 本発明の高モジユラスアルミニウム基合金の組
成（重量％）を表１に示す。
【表】
これらの例証の合金は、チタン10〜16％、炭素
1.3〜２％、酸素0.5〜1.2％、バナジウム2.5％ま
での範囲であり、残部が本質上アルミニウムであ
ることが確認される。前記のような表１に記載の
合金を調製した後、合金を微細構造に関して調べ
た。基本的には、微細構造は、微粒アルミナ質
（aluminous）マトリツクスを通して非常に均一
に分布された超微細（通常、大きさが0.2μｍ未
満）粒として存在する大容量分率のAl3Ti金属間
化合物相を示す。炭素は、本質上、非常に微細に
分けられたAl4C3またはチタンをドープした変性
物として存在し且つ酸素は、粒界酸化アルミニウ
ムとして存在する。合金No.２〜５の室温および高
温機械的特性を表２に示す。
1.3〜２％、酸素0.5〜1.2％、バナジウム2.5％ま
での範囲であり、残部が本質上アルミニウムであ
ることが確認される。前記のような表１に記載の
合金を調製した後、合金を微細構造に関して調べ
た。基本的には、微細構造は、微粒アルミナ質
（aluminous）マトリツクスを通して非常に均一
に分布された超微細（通常、大きさが0.2μｍ未
満）粒として存在する大容量分率のAl3Ti金属間
化合物相を示す。炭素は、本質上、非常に微細に
分けられたAl4C3またはチタンをドープした変性
物として存在し且つ酸素は、粒界酸化アルミニウ
ムとして存在する。合金No.２〜５の室温および高
温機械的特性を表２に示す。
【表】
【表】
表２は、本発明の合金が通常の溶融および鋳造
テクノロジーによつて調製されたアルミニウム合
金の一般的ランと比較して高温で強いことを示
す。 本発明の合金の場合にS.Spinner等、「Ａ
Method of、Determining Mechanical
Resonance Frequencies and for Calculating
Elastic Modulus from the Frequencies」、
ASTM Proc.No.61、p1221−1232、1961の方法に
よつて測定された室温での弾性率を表３に示す。 表３合金No. 弾性率、GPa １ 112.4 １★ 115.8 ２ 102.7 ３ 102.0 ４ 95.2 ５ 103.6 ★ 482℃の温度に60時間露出後に試験 表３は、本発明の合金によつて示される高い室
温弾性率を示し且つまた合金１に関しては弾性率
が高温への露出によつて劣化されないことを示
す。機械的特性の追加の試験は、合金２の場合に
は、427℃において0.2％降伏強さが121MPaであ
り、最終引張強さが132MPaであり且つ伸びが5.4
％であることを示す。機械的合金化アルミニウム
合金での実験室研究は、約427℃の温度でのこの
性状の機械的特性が合金を圧延、鍛造などの熱間
加工製法に受けることを可能にさせ、それによつ
て固体不溶性金属間化合物相を含有する硬質アル
ミニウム合金の実用性を有意に増大するを最近示
した。 法令の条項に従つて、本発明の特定の態様をこ
こに例示し且つ説明したが、当業者は、特許請求
の範囲によつてカバーされる本発明の形態で変更
を施すことができること、および本発明の或る特
徴が他の特徴の対応の使用なしに時々有利に使用
できることを理解するであろう。
テクノロジーによつて調製されたアルミニウム合
金の一般的ランと比較して高温で強いことを示
す。 本発明の合金の場合にS.Spinner等、「Ａ
Method of、Determining Mechanical
Resonance Frequencies and for Calculating
Elastic Modulus from the Frequencies」、
ASTM Proc.No.61、p1221−1232、1961の方法に
よつて測定された室温での弾性率を表３に示す。 表３合金No. 弾性率、GPa １ 112.4 １★ 115.8 ２ 102.7 ３ 102.0 ４ 95.2 ５ 103.6 ★ 482℃の温度に60時間露出後に試験 表３は、本発明の合金によつて示される高い室
温弾性率を示し且つまた合金１に関しては弾性率
が高温への露出によつて劣化されないことを示
す。機械的特性の追加の試験は、合金２の場合に
は、427℃において0.2％降伏強さが121MPaであ
り、最終引張強さが132MPaであり且つ伸びが5.4
％であることを示す。機械的合金化アルミニウム
合金での実験室研究は、約427℃の温度でのこの
性状の機械的特性が合金を圧延、鍛造などの熱間
加工製法に受けることを可能にさせ、それによつ
て固体不溶性金属間化合物相を含有する硬質アル
ミニウム合金の実用性を有意に増大するを最近示
した。 法令の条項に従つて、本発明の特定の態様をこ
こに例示し且つ説明したが、当業者は、特許請求
の範囲によつてカバーされる本発明の形態で変更
を施すことができること、および本発明の或る特
徴が他の特徴の対応の使用なしに時々有利に使用
できることを理解するであろう。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ チタン、バナジウムおよびジルコニウムから
なる群からの少なくとも１種の元素（前記バナジ
ウムは、存在するならば、５重量％までの量であ
り、前記ジルコニウムは、存在するならば、５重
量％までの量であり、チタン、バナジウムおよび
ジルコニウムの重量％は次式 ％Ti＋％Ｖ＋２％Zr＝10〜25％ の関係に合致する）、酸素0.1〜２％、炭素１〜４
％を含有し、残部は実質的にアルミニウムである
ことを特徴とする、機械的合金化高モジユラスア
ルミニウム基合金。 ２ 前記群からの元素がチタンであり且つ前記合
金がチタンアルミナイドの分散体を含有する、請
求項１に記載の高モジユラスアルミニウム基合
金。 ３ 補助元素として、リチウム３％まで、銅とニ
ツケルとセリウムとエルビウムとの合計５％ま
で、ホウ素１％まで、ケイ素とベリリウムと鉄と
クロムとコバルトとニオブとイツトリウムとタン
タルとタングステンとの合計10％までを含有し、
但し、すべての補助元素の合計は10％を超えな
い、請求項１に記載の高モジユラスアルミニウム
基合金。 ４ 前記補助元素が合計２％までの量で存在し且
つ炭素は％Ti＋％Ｖ＋２％Zr＞15％である時に
は２％未満であり、且つ前記補助元素は％Ti＋
％Ｖ＋２％Zr＜15％である時には徐々に増大す
る合計量で存在し且つ10％に接近する、請求項３
に記載の高モジユラスアルミニウム基合金。 ５ 請求項１に記載の酸素含量によつて予想され
る酸化物を超える酸化物物質２％までを含有す
る、請求項１に記載の高モジユラスアルミニウム
基合金。 ６ 前記酸化物物質が、アルミナおよびイツトリ
ウム含有酸化物の群から選ばれる、請求項５に記
載の高モジユラスアルミニウム基合金。 ７ チタン10％〜16％、炭素1.3〜２％、酸素0.5
〜1.2％、バナジウム2.5％までを含有し、残部が
本質上アルミニウムである、請求項２に記載の高
モジユラスアルミニウム基合金。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US190713 | 1988-05-06 | ||
| US07/190,713 US4834810A (en) | 1988-05-06 | 1988-05-06 | High modulus A1 alloys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01312052A JPH01312052A (ja) | 1989-12-15 |
| JPH0448857B2 true JPH0448857B2 (ja) | 1992-08-07 |
Family
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1107122A Granted JPH01312052A (ja) | 1988-05-06 | 1989-04-26 | 高モジュラスａ１合金 |
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| US (1) | US4834810A (ja) |
| EP (1) | EP0340788B1 (ja) |
| JP (1) | JPH01312052A (ja) |
| KR (1) | KR920001629B1 (ja) |
| AT (1) | ATE85250T1 (ja) |
| AU (1) | AU603537B2 (ja) |
| BR (1) | BR8902091A (ja) |
| DE (1) | DE68904689T2 (ja) |
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| US5171381A (en) * | 1991-02-28 | 1992-12-15 | Inco Alloys International, Inc. | Intermediate temperature aluminum-base alloy |
| US5702542A (en) * | 1993-03-26 | 1997-12-30 | Brown; Alexander M. | Machinable metal-matrix composite |
| US5511603A (en) * | 1993-03-26 | 1996-04-30 | Chesapeake Composites Corporation | Machinable metal-matrix composite and liquid metal infiltration process for making same |
| US6004506A (en) * | 1998-03-02 | 1999-12-21 | Aluminum Company Of America | Aluminum products containing supersaturated levels of dispersoids |
| JP3207841B1 (ja) * | 2000-07-12 | 2001-09-10 | 三菱重工業株式会社 | アルミニウム複合粉末およびその製造方法、アルミニウム複合材料、使用済み燃料貯蔵部材およびその製造方法 |
| CN100443219C (zh) * | 2001-06-26 | 2008-12-17 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 碳化钨铝硬质合金纳米粉末的制备方法 |
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| KR100702012B1 (ko) | 2005-03-22 | 2007-03-30 | 삼성전자주식회사 | 매립막 패턴들을 갖는 에스. 램들 및 그 형성방법들 |
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| US20090263273A1 (en) * | 2008-04-18 | 2009-10-22 | United Technologies Corporation | High strength L12 aluminum alloys |
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