KR100562450B1

KR100562450B1 - 알루미늄계 합금과 그 제조방법

Info

Publication number: KR100562450B1
Application number: KR1020040009807A
Authority: KR
Inventors: 왓슨토마스제이.
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2004-02-14
Publication date: 2006-03-20
Also published as: US20070289680A1; EP1471157A1; EP1471157B1; JP2004263297A; KR20040077467A; US6974510B2; US20040170522A1; DE602004025062D1; US7413621B2

Abstract

본 발명은 고강도, 고연성 알루미늄계 합금에 관한 것으로, 상기 알루미늄계 합금은 3% 내지 18.5%의 원소 비의 니켈 및 3% 내지 14.0%의 원소 비의 이트륨을 함유하며, 상기 합금은 탈유리화 상태가 되고 40% 보다 적은 금속간 상을 함유한다.

알루미늄계 합금, 니켈, 이트륨, 회토산화물, 금속간 상

Description

알루미늄계 합금과 그 제조방법{Aluminum Base Alloys and Process for making same}

도1은 Al-Y-Ni 계에서의 실온 등온선.

도2는 알루미늄이 많은 Al-Y-Ni 계의 등온선을 도시한 도1과 유사한 실내 온도 등온선.

도3은 일예로 합금1 내지 합금4의 TEM 미세 구조를 도시한 도면.

도4는 일예로 합금3 판의 일측면의 고해상도 TEM 영상.

도5는 Al-Y-Ni 계의 평형 상태도.

유리질 알루미늄계 합금은 항공 산업에서 구조용으로 고려되고 있다. 이러한 합금은 회토산화물의 첨가제 및/또는 전이 금속 요소에 관련될 수 있다. 이러한 합금은 종종 1,380 MPa 이상의 고인장 강도를 갖는다. 그러나, 불행히도 이러한 재료는 유리 상태의 벌크(bulk) 형태에서는 연성을 보이지 않는다.

이러한 재료에 연성을 부과하기 위한 노력으로는, 열처리를 통한 다양한 정도의 탈유리화(devitrification)가 도입되었으나, 상기 재료들에 취성(brittle)이 여전히 잔류한다는 점을 발견했다. 이것은 이러한 재료들이 양호한 유리 성형성을 위해 회토산화물 및/또는 전이 금속 요소의 비교적 높은 원자 비를 가지므로, 이러한 합금은 전형적으로 금속간 상(intermetallic phase) 또는 탈유리화 상태에 있는 금속간 상의 높은 부피 분율을 가져서 이러한 합금은 결국 구조용 재료로서는 무효한 취성이며 사용할 수 없다는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 주요한 목적은 전술한 단점을 극복하고 탈유리화 상태에서 고강도와 고연성을 특징으로 하는 알루미늄계 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점을 하기에서 알 수 있다.

본 발명에 따라, 전술한 목적이 용이하게 얻어지는 것을 알 수 있다.

본 발명의 알루미늄계 합금은 3.0% 내지 18.5%, 바람직하게는 4.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0%, 바람직하게는 7.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨 및 잔여 알루미늄을 포함하고, 탈유리화 상태가 되며, 40% 보다 적은 금속간 상을 함유한다. 추가 합금 성분이 포함될 수 있다.

본 발명에 따라, 본 발명의 알루미늄계 합금은 탈유리화 상태에서 고강도 및 고연성 특성이 있다는 것을 알게 되었다.

본 발명의 다른 특성은 다음에 나타난다.

본 발명은 참조 도면을 통해 더욱 용이하게 이해될 수 있다.

Al-Y-Ni 계의 실내 온도 등온선이 도1에 도시된다. 아래, 표1에는 Al-Y-Ni 계의 5가지 합금 조성물을 그 특성과 함께 기재한다.

합금	합금 조성	금속간 상들의 체적비(v/o)					실온 인장 특성
합금	중량비	Al	Al₃Y	Al₃Ni	Al₁₆Ni₃Y	합 (v/o)	0.2% 항복강도(MPa)	극한 강도 (MPa)	연신 (%)
1 2 3 4 5	Al-7.2Y-17.7Ni Al-12.3Y-17.9Ni Al-12.4Y-6.6Ni Al-5.0Y-12.5Ni Al-19.6Y-10.3Ni	41 26 66 65 42	0 7 13 0 27	4 0 0 10 0	55 67 21 25 31	59 74 34 35 58	631.2 취성 496.7 317.3 취성	636.0 취성 544.9 420.8 취성	2.1 취성 5.6 11.0 취성

도2에서는 표1에 따라 준비된 5가지 합금 조성물과 함께, 도1의 Al-Y-Ni 계의 Al이 많은 쪽을 확대하여 도시한다.

표1의 각각의 합금은 탈유리화 되었다. 표1에서는 이러한 합금이 제2 상의 부피 분율을 따라 직접적으로 변화된 특성을 개시한다. 부피 분율이 약 40%를 초과했을 때, 합금은 표1에 나타낸 바와 같이 매우 취약해지기 쉽다.

전체적인 특성이 가장 우수한 재료는 합금3 이며, 이것은 합금1 내지 합금4의 미세 구조를 도시한 도3에 명확히 도시된 바와 같이 다른 합금과는 상이한 미세 구조를 갖는다. 도3에 명확히 도시된 바와 같이, 합금3의 금속간 제2 상의 미세 구조는 판형(plate-like)이다. 판형 구조는 조성 강화 메커니즘 때문에 상승된 온도에서의 강도 특성에 대한 이점을 갖는다.

도4에 도시된 바와 같이, 고해상도 TEM은 상술한 합금3의 판들이 2개의 상으로 구성된 것으로 보이게 도시한다. 제1 상은 Al₉Ni₃Y와 유사하며 판의 내부에서 형성되고(용질이 풍부하고), 제2 상은 판의 외부에서 형성되며 Al₁₆Ni₃Y와 유사하다(용질이 적음).

Al₉Ni₃Y 및 Al₁₆Ni₃Y는 열역학적 경쟁관계에 있는 것으로 볼 수 있다. Al₉Ni₃Y의 형성을 촉진하는 방식으로 유리질 조성을 진행시키는 것이 바람직하다. 열역학적으로 바람직한 상으로서 Al₉Ni₃Y를 갖는 중요성은 Al-Y-Ni 계의 평형 상태도가 도시된 도5에서 볼 수 있다. 도5의 합금3과 합금4 사이에서 점선으로 도시된 유사 이원(pseudo-binary) 조성을 고려한다면, Al₁₆Ni₃Y의 부피 분율이 40% 이나, Al₉Ni₃Y의 부피 분율은 25%인 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 조성에서 양호한 유리 성형성을 얻기에 충분한 용질을 가지고 있으나, 탈유리화 상태에서 Al₉Ni₃Y의 낮은 부피 분율을 가지게되므로 기계적 특성을 해치지 않는다.

Al₉Ni₃Y의 형성을 위해 소정의 조성에 대한 열역학적 및 운동학적인 조작을 하는 것이 중요하다. 이것은 다음의 공정에 의해 달성될 수 있다.

우선, 합금은 α-Al을 갖거나 또는 가질 수 없는 유리 메트릭스를 형성할 수 있어야 한다. 이러한 논의를 목적으로, 본 발명이 분말 야금 공정으로 제한되는 것은 아니지만, 분말 야금 공정에 대해 논할 수 있다. 다이 캐스팅, 스트립 캐스팅 등과 같은 기술은 적용예에 대한 요구에 따라 사용될 수 있다.

다음, 공정 중, 예로써, 분말을 가스 방출하여 빌렛(billet)으로 고상화하는 동안, 유리 전이 온도보다 약간 높게 처리하는 것이 바람직하다. α-Al 상은 대부분 열역학적으로 바람직한 상태에 있기 때문에, 매우 조밀한 구로 핵을 이뤄 성장하게 된다. 이러한 성장은 임의의 지점까지 계속 진행되어 정지되는 것이 관찰되 었다. 이것은 확산 장 충돌(diffusion field impingement) 때문일 수 있다. 한편, 전자 에너지 손실 분광기(Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)에서는 회토산화물(RE)의 고농축물이 α-Al을 에워싸고, 이러한 구로 Al이 더 확산되는 것을 방지하는 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 RE가 풍부한 영역은 Al이 결여될 수 있다.

시간이 경과하면서, 제2 상이 α-Al에 형성될 수 있다. α-Al 구 주변 영역이 허용 가능한 평균 농도 이상으로 용질이 많기 때문에, 형성되는 제2 상의 용질이 많아진다. 따라서, 이트륨 함유 계에서 Al₉Ni₃Y는 Al₁₆Ni₃Y에 대해 형성된다. Al₉Ni₃Y의 형성이 결정화 시작 시간보다 먼저 완료된다면, 유리에는 용질이 결핍되며, 간단하게 α-Al로 결정화될 수 있다. Al₉Ni₃Y의 형성이 결정화(탈유리화) 이전에 완료되지 않는다면, 유리에서의 용질 수준은 Al₉Ni₃Y 형성이 시작될 때보다 낮아질 수 있으나, α-Al의 수준보다는 높으며, Al₁₆Ni₃Y는 Al₉Ni₃Y 상에서 이종 핵화하며 둘러싸는 쉘(Shell)로 성장한다. 이러한 이트륨의 경우, 회토산화물의 Al 유리로의 변형은 결핍되며, α-Al로 결정화 할 것이다.

일단 Al₉Ni₃Y 상이 핵화하여 성장을 시작하면, 상 또는 상들의 크기와 형태는 재료가 유지되는 이후의 온도에 의해 조정될 수 있다. 즉, 고밀도 α-Al을 얻기 위한 유리 전이 온도 이상에서 진행시킨 후, 시효 온도를 낮게 또는 높게 조정하여 제2 상의 크기 및 형태를 제어할 수 있다. 즉, 온도를 낮출수록 크기가 미세하게 되며, 반대로 온도를 높일수록 크기는 커진다. 온도를 낮출수록 도3에 도시 된 합금3의 판 구조를 얻는데 유리하다는 것을 알 수 있다. 도3의 구조(1, 2, 4)는 높은 온도에서의 결과이다. 따라서, 강도 특성이 양호해지지 않도록 조성은 더 이상 강화되지 않는다.

Al-Y-Ni-X 계에 있어서, 유리질 상태는 결정질 상태의 미세 구조와 비교할 때 기계적으로 우수한 특성을 갖는 미세 구조를 만든다. 따라서, 본 발명은 결정질 재료가 완전히 결핍되거나 또는 결핍되지 않을 수 있고, 유리질이 되는 재료를 소정의 퍼센트로 갖고, 준안정 또는 평형 상태로 총 40% 부피비 이하의 α-Al 및 제2 상의 면심 입방 메트릭스를 마련하기 위해 제어되지 않거나 또는 제어된 방식으로 탈유리화 될 수 있는 유리질의 분쇄된 분말(그러나, 분말로 제한되지 않음)과 같은 유리질 재료를 만드는 합금의 화학적 조성을 포괄한다. 상기 α-Al 메트릭스는 예로써, 마그네슘, 스칸디움, 티타늄, 철, 지르코늄, 코발트 및 가돌리늄과 같은 다른 요소들을 갖거나 갖지 않을 수 있으나, 만약 갖는다면, 이러한 요소들은 의도했건 안했건 또는 다른 유익한 목적으로 바람직한 유리 성형성, 강화, 입자 또는 제2 상 미립화를 마련하는데 도입될 수 있다. 이러한 재료는 우선 고냉각률을 필요로 하는 분말 야금 방법을 사용하거나, 또는 주조 공정, 롤 주조, 다이 캐스팅 또는 플로트 유리 공정과 같은 저냉각율을 마련하는 공정으로 마련될 수 있다.

전형적인 첨가 요소로는 중량비가 아래와 같은 다음의 요소들일 수 있다.

마그네슘 - 0.1% 내지 6.5%, 바람직하게는 1.0% 내지 6.0%

스칸디움 - 0.05% 내지 5.0%, 바람직하게는 0.1% 내지 2.0%

티타늄 - 0.1% 내지 4.0%, 바람직하게는 0.5% 내지 3.5%

지르코늄 - 0.1% 내지 4.0%, 바람직하게는 1.0% 내지 2.0%

철 - 0.1% 내지 3.5%, 바람직하게는 1.0% 내지 2.0%

코발트 - 0.1% 내지 2.0%, 바람직하게는 1.0% 내지 2.0%

가돌리리움 - 0.1% 내지 10.0%, 바람직하게는 5.0% 내지 9.0%

합성 총합이 3% 내지 33%, 바람직하게는 7% 내지 14% 중량비인 다음의 합금 첨가물을 가질 수 있다.

가돌리니움,

세륨,

프라세오디뮴,

네오디뮴,

스칸디움 및/또는

이트륨.

합금 첨가물은 본 발명의 합금에 유리하다. 예로써, 지르코늄 첨가제는 상기 합금을 상승된 온도에서 열적으로 안정시키며, 스칸디움 첨가제는 연성의 저하없이 합금을 강화시키는 Al₃Sc_xTi_1-x 및 AlSc_xTiY2R_1-x-y와 같은 금속간 화합물(intermetallics)을 형성하게 한다.

티타늄 첨가제는 상승된 온도에서 열적 안정성을 향상시킨다.

본 발명의 합금은 바람직하게 실온에서 690 MPa 내지 897 MPa의 항복 강도와 5% 보다 큰, 바람직하게는 10% 보다 큰 연성을 얻을 수 있다. 또한, 바람직하게는 본 발명의 합금은 적어도 300℃(575℉)의 온도에서 적어도 172 MPa 바람직하게는 276 MPa 내지 414 MPa의 항복 강도의 적어도 5% 바람직하게는 10% 보다 큰 연성을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 합금은 40% 보다 적은, 바람직하게는 25% 내지 35%의 금속간 화합물을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 취성 합금은 0.5 보다 작은 연신율을 갖는 것으로 한정되며, 저 연성은 0.5% < D <5%를 의미한다.

본 발명의 합금을 제조하는 바람직한 방법은 아래에서 설명된다.

단계Ⅰ - 분말의 가스 분쇄화.

재료는 10⁵℃/초 내지 10⁶℃/초의 냉각률을 얻기에 충분한 크기를 갖는 입자를 형성하기 위해 도가니에 놓여져 분쇄된다. 이러한 공정은 유리질 분말을 형성하는 데 바람직하다. 평균 분말 크기는 75 미크론 또는 그 이하이다. 분쇄는 적어도 828 KPa 내지 1035 KPa, 바람직하게는 적어도 1,380 KPa의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다. 85%의 헬륨과 15%의 아르곤 함량의 가스 또는 다른 비활성 가스가 사용될 수 있다. 이상적인 가스 함량은 100%의 헬륨이다.

단계Ⅱ - 분말을 빌렛으로 만들기 위한 진공 고온 가압.

분말이 알루미늄 용기에 부어지며 용기는 소기(evacuate)된다. 상기 용기는 유리 전이 온도보다 13.9 ℃ 내지 16.7 ℃ 낮은 온도로 예로써, 표1의 합금3 및 합금4에 있어서는 약 193 ℃로 가열된다. 압력은 276 MPa 내지 828 MPa의 범위로 가해지며 빌렛이 형성된다.

단계Ⅲ - 바 스톡(bar stock)으로의 빌렛 압출.

단계Ⅱ의 결과인 빌렛은 371 ℃ 내지 482 ℃, 바람직하게는 399 ℃ 내지 449 ℃의 온도에서 바 스톡으로 압출된다. 압출비(빌렛의 치수 또는 직경 대 스톡의 치수 또는 직경의 비)는 바람직한 재료의 거동을 위해서는 10 : 1 보다 큰, 바람직하게는 10 : 1 내지 25 : 1이다.

상기의 방법은

AlNiY

Al₂₃Ni₆Y₄ 및

Al₉Ni₃Y와 같이 보다 많은 용질이 풍부한 상을 달성하도록 디자인된다.

이것은 부피 분율을 낮게하고, 연성을 바람직하게 하며, 유리 성형성을 크게 할 수 있다. 얇은 구조물을 만든다면 연성이 감소된다.

또한, 스프레이 형성법, 다이 캐스팅 또는 몰드를 채용할 수 있다. 이러한 기술은 유리 전이 온도의 13.9 ℃ 내지 16.7 ℃ 내에서 또는 그 아래에서 바람직하게 사용될 수 있다.

본 발명은 단지 본 발명을 수행하는 최적의 모드를 설명하는 본 명세서의 설명으로 제한되지 않으며, 부품의 형태, 크기, 배치 및 상세한 작동에 있어 변경될 수 있다. 본 발명은 상기의 변경들을 청구범위에 한정된 기술 사상 및 발명의 범주 내에 포함한다.

본 발명에 따라, 탈유리화 상태의 고강도 및 고연성을 갖는 구조용 재료로서 사용이 가능한 알루미늄계 합금이 제공된다.

Claims

3.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨과, 잔여 알루미늄을 포함하며,

탈유리화 상태가 되며 40% 미만의 금속간 상을 함유하고,

상기 알루미늄계 합금은 고강도 및 고연성이고,

상기 금속간 상은 판형 미세 구조인 알루미늄계 합금.
삭제
제1항에 있어서, 다음의 중량비를 갖는 하나 이상의 첨가물을 포함하는 알루미늄계 합금.

마그네슘 - 0.1% 내지 6.5%,

스칸디움 - 0.05% 내지 5.0%,

티타늄 - 0.1% 내지 4.0%,

지르코늄 - 0.1% 내지 4.0%,

철 - 0.1% 내지 3.5%,

코발트 - 0.1% 내지 3.5%,

가돌리늄 - 0.1% 내지 10.0%
제3항에 있어서, 다음의 중량비를 갖는 하나 이상의 첨가물을 포함하는 알루미늄계 합금.

마그네슘 - 1.0% 내지 6.0%,

스칸디움 - 0.1% 내지 2.0%,

티타늄 - 0.5% 내지 3.5%,

지르코늄 - 1.0% 내지 2.0%,

철 - 1.0% 내지 2.0%,

코발트 - 1.0% 내지 2.0%,

가돌리늄 - 5.0% 내지 9.0%
제1항에 있어서, 합성 총합이 3% 내지 33%의 중량비인 다음의 합금 첨가제 중 하나 이상을 포함하는 알루미늄계 합금.

가돌리늄,

세륨,

프라세오디뮴,

네오디뮴,

스칸디움,

이트륨
제5항에 있어서, 상기 합금 첨가제들의 총합이 7% 내지 14% 중량비인 알루미늄계 합금.
제1항에 있어서, 상기 금속간 상들이

Al₃Y,

Al₃Ni,

Al₁₆Ni₃Y 및

Al₉Ni₃Y 중 하나 이상을 포함하는 알루미늄계 합금.
삭제
제1항에 있어서, 상기 합금은 α-Al의 면심 입방 메트릭스를 마련하기 위해 탈유리화가 될 수 있는 유리질 메트릭스를 포함하는 알루미늄계 합금.
3.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨과, 잔여 알루미늄을 함유하는 알루미늄 합금의 빌렛을 형성하고,

상기 빌렛을 399 ℃ 내지 449 ℃의 온도 범위에서 10 : 1 내지 25 : 1 범위의 압출비로 압출하는 알루미늄 합금 제조 공정.
삭제
제10항에 있어서, 상기 빌렛 형성 단계는,

10⁵ 내지 10⁶ ℃의 냉각률을 얻기에 충분한 크기를 갖는 알루미늄 합금의 입자를 형성하는 단계와,

상기 입자를 용기 안으로 위치시키는 단계와,

상기 용기를 유리 전이 온도의 13.9 ℃ 내지 16.7 ℃ 낮은 온도로 가열하는 단계와,

상기 빌렛을 형성하기 위해 276 MPa 내지 828 MPa 범위의 압력을 가하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 제조 공정.
제12항에 있어서, 상기 입자 형성 단계는 75 미크론 또는 그 이하의 평균 크기를 갖는 입자 형성 단계를 포함하는 알루미늄 합금 제조 공정.
제12항에 있어서, 상기 입자 형성 단계는 적어도 828 KPa 내지 1035 KPa의 압력과 적어도 85%의 헬륨을 함유하는 분위기에서 상기 재료를 분쇄하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 제조 공정.
3.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨과, 잔여 알루미늄을 포함하며,

탈유리화 상태가 되며 40% 미만의 금속간 상을 함유하고,

상기 금속간 상은 판형 미세 구조인 알루미늄계 합금.
제15항에 있어서, 실온에서 690 MPa 보다 큰 항복 강도와 5% 보다 큰 연성을 갖는 알루미늄계 합금.
제15항에 있어서, 실온에서 10% 보다 큰 연성을 갖는 알루미늄계 합금.
제15항에 있어서, 적어도 300 ℃의 온도에서 적어도 172 MPa의 항복 강도와 5% 보다 큰 연성을 갖는 알루미늄계 합금.
3.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨과,

0.1% 내지 6.5% 중량비의 마그네슘, 0.05% 내지 5.0% 중량비의 스칸디움, 0.1% 내지 4.0% 중량비의 티타늄, 0.1% 내지 4.0% 중량비의 지르코늄, 0.1% 내지 3.5% 중량비의 철, 0.1% 내지 3.5% 중량비의 코발트, 0.1% 내지 10% 중량비의 가돌리늄과,

잔여 알루미늄을 포함하며,

탈유리화 상태가 되며 40% 보다 적은 금속간 상들을 함유하는 알루미늄계 합금.
3.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨과,

합성 총합이 3.0% 내지 33% 중량비인 가돌리늄, 세륨, 프라세오디늄, 네오디뮴 및 스칸디움을 포함하는 합금과,

잔여 알루미늄을 포함하며,

탈유리화 상태가 되며 40% 보다 적은 금속간 상들을 함유하는 알루미늄계 합금.
3.0% 내지 18.5% 중량비의 니켈과, 3.0% 내지 14.0% 중량비의 이트륨과,

0.1% 내지 6.5% 중량비의 마그네슘, 0.05% 내지 5.0% 중량비의 스칸디움, 0.1% 내지 4.0% 중량비의 티타늄, 0.1% 내지 4.0% 중량비의 지르코늄, 0.1% 내지 3.5% 중량비의 철, 0.1% 내지 3.5% 중량비의 코발트 및 0.1% 내지 10% 중량비의 가돌리늄과,

합성 총합이 3% 내지 33% 중량비인 가돌리늄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴 및 스칸디움을 포함하는 합금과,

잔여 알루미늄을 포함하며,

탈유리화 상태가 되며 40% 보다 적은 금속간 상들을 함유하는 알루미늄계 합금.