KR20160132965A - 고온에 적용되는 알루미늄 초합금 - Google Patents

고온에 적용되는 알루미늄 초합금 Download PDF

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Abstract

높은 온도, 큰 응력 및 다양한 다른 어플리케이션들에 이용될 수 있는 알루미늄-지르코늄 및 알루미늄-지르코늄-란타나이드 초합금에 대해 기술한다. 란타나이드(lanthanide)는 바람직하게는 홀뮴(holmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium) 또는 이테르븀(ytterbium)이고, 가장 바람직하게는 에르븀이다. 또한, 앞서 언급한 합금들의 제조 방법 역시 개시된다. 대략 220℃℃를 초과하는 온도에서 상업적으로 적합한 경도를 갖는 초합금은, 극심한 열적 조건을 견뎌낼 수 있는 고강도(high-strength) 합금을 생성하는 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 포함하며, 선택적으로 나노스케일의 Al3Er 석출물 및 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다. 이러한 나노스케일의 석출물들은, α-Al(f.c.c) 매트릭스 내에 Ll2-구조를 가지며, 대략 20나노미터("nm") 미만의 평균 직경을 갖는데, 바람직하게는 대략 10 nm 미만, 더욱 바람직하게는 대략 4-6 nm의 평균 직경을 가지며, 예를 들어 대략 1021 m- 3 보다 높은 개수 밀도를 갖는다. 높은 개수 밀도의 나노스케일 석출물의 형성은, 그룹 3A, 4A 및 5A 금속 또는 준금속과 같은 접종제의 첨가에 기인한 것으로 평가된다. 아울러, Al 내에서 Zr 의 확산율을 증가시키는 방법에 대해서도 개시된다.

Description

고온에 적용되는 알루미늄 초합금{ALUMINUM SUPERALLOYS FOR USE IN HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS}
본 발명은, 특정 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 고온에서 향상된 특성을 보여주는 알루미늄 합금에 관한 것이다.
알루미늄 합금은, 가장 다양하게 이용될 수 있는 공학 및 건축 재료이다. 예를 들어, 알루미늄 합금은, 강철이나 구리와 비교하여 가볍고, 무게 대비 높은 강도(strength)를 갖는다. 또한, 부식에 강한 알루미늄 합금은, 강철보다 세배 이상의 열전도성을 가지며, 용이하게 다양한 형태로 가공할 수 있다. 다만, 현재 상업적으로 이용되는 경량화 되고 시효경화가 가능한(age-hardenable) 알루미늄 합금은, 함유된 강화 침전물(strengthening precipitates)이 용해되거나, 거칠어지거나 또는 원치 않는 형태로 변형되는 문제로 인해 대략 220℃(428℉)를 초과하는 온도에서는 사용할 수 없다. 더 고온을 견뎌낼 수 있는 알루미늄-스칸듐 합금이 개발되기는 했지만, 그것은 스칸듐의 사용으로 인해 통상적으로 매우 비싸다. 따라서, 우수한 가공성을 가지며, 자동차의 브레이크 로터나 엔진 부품과 같이 고온(예를 들어, 300-450℃ 또는 572-842˚F)에 노출되는 어플리케이션에 이용될 수 있는 상업적 알루미늄 합금에 대한 필요성이 있다. 통상적으로, 이러한 고온 및 높은 응력을 받는 어플리케이션에는 알루미늄 대비 대략 세배정도 무거운 주철 또는 알루미늄 합금보다 훨씬 더 비싼 티타늄 합금이 이용된다.
알루미늄 초합금에 대한 다른 잠재적인 어플리케이션은 피스톤과 같은 엔진 부품을 포함하는데, 근래에 자동차 제조사들은, 대략 220℃의 최대온도에서 동작하는 알루미늄 부품에 국한시키고 있으며, 이로 인해 엔진 효율을 감소시키고, 가스배출을 늘리며, 또한 제조 비용과 냉각 시스템의 크기를 증가시키고 있다.
또 다른 어플리케이션으로는 비행기의 꼬리 부분에 위치하는 보조 전원 장치(APU)와 같은 항공 엔진 구성부품을 들 수 있다. 근래에 APU 프레임, 마운팅 브라켓, 그리고 배기 덕트에는 고가의 티타늄 합금이 이용되는데, 이는 대략 300℃(572˚F)의 고온 환경 때문이며, 이러한 티타늄 합금은 본 명세서를 통해 개시되는 더 가볍고, 비용이 훨씬 덜 드는 고온 알루미늄 합금(high-temperature aluminum alloys)으로 대체될 수 있다.
본 명세서에서 다양한 실시형태로 설명하게 될 본 발명에 따른 합금은, 알루미늄, 지르코늄, 그리고 그룹 3A, 4A, 및 5A금속이나 준금속(metalloid)과 같은 적어도 하나의 접종제(inoculant)를 포함하며, 또한 하나 이상의 타입의 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 합금은, 알루미늄, 지르코늄, 에르븀과 같은 란타나이드 계열의 금속 및 그룹 3A, 4A, 및 5A금속이나 준금속(metalloid)과 같은 적어도 하나의 접종제(inoculant)를 포함할 수 있다. 이러한 합금은, Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 석출물과 같은 하나 이상의 나노스케일의 높은 개수 밀도(high number density) 석출물을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 합금은, 고온에서 우수한 강도(strength), 경도(hardness), 크리프 저항성(creep resistance) 및 내노화성(aging resistance)을 가지며 또한 모든 온도 영역에서 우수한 전기적 열적 전도성을 갖는 반면, Sc를 함유한 알루미늄 합금과 비교하여 더 저렴하다.
본 발명은, 종래에 이용되던 합금과 비교하여 더 가볍고, 비용이 훨씬 덜 들면서도, 더욱 우수한 물성을 갖는 알루미늄 합금을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본원은, 특히 높은 온도, 큰 응력 및 다양한 다른 어플리케이션들에 이용될 수 있는 알루미늄-지르코늄 및 알루미늄-지르코늄-란타나이드 초합금에 관한 것이다. 란타나이드(lanthanide)는 바람직하게는 홀뮴(holmium), 에르븀(erbium), 툴륨(thulium) 또는 이테르븀(ytterbium)이고, 가장 바람직하게는 에르븀이다. 또한, 앞서 언급한 합금들의 제조 방법 역시 개시된다. 대략 220℃를 초과하는 온도에서의 경도가 상업적으로 적합한 초합금은, 극심한 열적 조건을 견뎌낼 수 있는 고강도(high-strength) 합금을 생성하는 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 포함하며, 선택적으로 나노스케일의 Al3Er 석출물 및 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다. 이러한 나노스케일의 석출물들은, α-Al(f.c.c) 매트릭스 내에 Ll2-구조를 가지며, 대략 20나노미터("nm") 미만의 평균 직경을 갖는데, 바람직하게는 대략 10 nm 미만, 더욱 바람직하게는 대략 4-6 nm의 평균 직경을 가지며, 예를 들어 대략 1021 m-3 보다 높은 개수 밀도를 갖는다. 아울러, 본 명세서에서는 Zr 및 Al의 확산율을 증가시키는 방법에 대해서도 개시하고 있다.
본 발명의 제1 실시예는, 지르코늄, 그리고 주석, 인듐, 안티몬 및 마그네슘 중 적어도 어느 하나 이상의 원소와 함께 합금화된 알루미늄 합금에 관한 것이며, 이러한 알루미늄 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제2 실시예는, 지르코늄, 에르븀, 그리고 실리콘, 주석, 인듐, 안티몬 및 마그네슘 중 적어도 하나 이상의 원소와 함께 합금화된 알루미늄 합금(불가피한 불순물을 포함하는 개념)에 관한 것이며, 이러한 알루미늄 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 및 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제3 실시예는, 지르코늄, 그리고 실리콘, 주석, 인듐, 안티몬 및 마그네슘 중 둘, 셋, 넷, 또는 다섯 가지의 조합과 합금화 된 알루미늄 합금(불가피한 불순물을 포함하는 개념)에 관한 것이며, 이러한 알루미늄 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제4 실시예는, 지르코늄, 란탄 계열 금속(바람직하게는 홀뮴, 에르븀, 툴륨 또는 이테르븀이며, 가장 바람직하게는 에르븀), 그리고 실리콘, 주석, 인듐, 안티몬 및 마그네슘 중 둘, 셋, 넷, 또는 다섯가지 전부의 조합과 합금화 된 알루미늄 합금에 관한 것이며, 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 A13X 석출물 및 나노스케일 Al3(Zr,X) 석출물을 포함한다(여기서, X는 란탄 계열 금속임).
본 발명의 제5 실시예는, 대략 0.3 원자%(at.%)의 지르코늄(Zr)(여기서, 모든 농도는 달리 언급이 없는 이상 원자%에 해당하는 것임), 대략 1.5at.%의 실리콘(Si), 대략 0.1at.%의 주석(Sn), 대략 0.1at.%의 인듐, 대략 0.1 at.%의 안티몬(Sb)으로 이루어지는 합금(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐)에 관한 것이며, 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제6 실시예는, 대략 0.1 at.%의 지르코늄, 대략 0.01at.%의 주석으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제7 실시예는, 대략 0.1at.%의 지르코늄, 대략 0.02at.%의 주석으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제8 실시예는, 대략 0.06at.%의 지르코늄, 대략 0.02at.%의 인듐으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제9 실시예는, 대략 0.3at.%의 지르코늄, 대략 0.05at.%의 에르븀, 대략 1.5at.%의 실리콘, 대략 0.1at.%의 주석, 대략 0.1at.%의 인듐, 대략 0.1at.%의 안티몬으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr, 나노스케일의 Al3Er 석출물, 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제10 실시예는, 대략 0.1at.%의 지르코늄, 대략 0.04at.%의 에르븀, 대략 0.01at.%의 주석으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr, 나노스케일의 Al3Er 석출물, 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제11 실시예는, 대략 0.1at.%의 지르코늄, 대략 0.04at.%의 에르븀, 대략 0.02at%의 주석으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr, 나노스케일의 Al3Er 석출물, 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제12 실시예는, 대략 0.1at.%의 지르코늄, 대략 0.04at.%의 에르븀, 대략 0.2at.%의 실리콘으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr, 나노스케일의 Al3Er 석출물, 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제13 실시예는, 대략 0.1at.%의 지르코늄, 대략 0.04at.%의 에르븀, 대략 0.02at.%의 인듐으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr, 나노스케일의 Al3Er 석출물, 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제14 실시예는, 대략 0.1at.%의 지르코늄, 대략 0.04at.%의 에르븀, 대략 0.02at.%의 안티몬으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물들로 채워짐), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일의 Al3Zr, 나노스케일의 Al3Er 석출물, 나노스케일의 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함한다.
본 발명의 제15 실시예는, Al-Zr-X-Si-Mg 으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다. 합금 원소들(Alloying elements)은, 통상적으로, 예를 들어 1000 내지 8000 시리즈와 같은 상업적인 알루미늄 합금 내에 존재하는 원소들로 이해될 수 있다.
본 발명의 제16 실시예는, Al-Zr-X-Si-Mg 으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제17 실시예는, Al-Zr-X-Si-Mg 으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제18 실시예는, Al-Zr-Er-X-Si-Mg 으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제19 실시예는, Al-Zr-Er-X-Si-Mg 으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제20 실시예는, Al-Zr-Er-X-Si-Mg 으로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제21 실시예는, Al-Zr-X-Fe로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Fe는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제22 실시예는, Al-Zr-X-Fe로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Fe는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제23 실시예는, Al-Zr-X-Fe로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Fe는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제24 실시예는, Al-Zr-Er-X-Fe로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Fe는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제25 실시예는, Al-Zr-Er-X-Fe로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Fe는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제26 실시예는, Al-Zr-Er-X-Fe로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Fe는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제27 실시예는, Al-Zr-X-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제28 실시예는, Al-Zr-X-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제29 실시예는, Al-Zr-X-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제30 실시예는, Al-Zr-Er-X-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제31 실시예는, Al-Zr-Er-X-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제32 실시예는, Al-Zr-Er-X-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제33 실시예는, Al-Zr-X-Cu로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Cu는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제34 실시예는, Al-Zr-X-Cu로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Cu는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제35 실시예는, Al-Zr-X-Cu로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Cu는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제36 실시예는, Al-Zr-Er-X-Cu로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Cu는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제37 실시예는, Al-Zr-Er-X-Cu로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Cu는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제38 실시예는, Al-Zr-Er-X-Cu로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Cu는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제39 실시예는, Al-Zr-X-Si로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제40 실시예는, Al-Zr-X-Si로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제41 실시예는, Al-Zr-X-Si로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제42 실시예는, Al-Zr-Er-X-Si로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제43 실시예는, Al-Zr-Er-X-Si로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제44 실시예는, Al-Zr-Er-X-Si로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Si는 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제45 실시예는, Al-Zr-X-Zn-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Zn 및 Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제46 실시예는, Al-Zr-X-Zn-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Zn 및 Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제47 실시예는, Al-Zr-X-Zn-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Zn 및 Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제48 실시예는, Al-Zr-Er-X-Zn-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Zn 및 Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 3A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제49 실시예는, Al-Zr-Er-X-Zn-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Zn 및 Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 4A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제50 실시예는, Al-Zr-Er-X-Zn-Mg로 이루어지는 합금에 관한 것이며(여기서, Zn 및 Mg은 합금 원소(alloying elements)이며, X는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)에 해당하는 것임), 이러한 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 제51 실시예는, 알루미늄, 지르코늄, 그리고 주석, 인듐 및 안티몬 중 적어도 하나 이상으로 이루어지는 합금에 관한 것이며, 이러한 합금은, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않으며, 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함한다.
본 발명의 제52 실시예는, 알루미늄, 지르코늄, 에르븀, 그리고 실리콘, 주석, 인듐 및 안티몬 중 적어도 하나 이상으로 이루어지는 합금에 관한 것이며, 이러한 합금은, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않으며, 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, Al3Zr 석출물 및/또는 나노스케일 Al3Er 석출물 및/또는 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물은, 평균 직경이 대략 10nm 미만이다. 본 발명의 또 다른 측면에 있어서, Al3Zr 석출물 및/또는 나노스케일 Al3Er 석출물의 평균 직경은, 대략 4-6nm 이다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않으며, Al3Zr, Al3Er 및 Al3(Zr,Er)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고 Ll2-구조인 복수의 나노스케일 석출물을 갖는 알루미늄 합금의 제조 방법이 개시된다. 이러한 제조 방법은, 다음과 같은 단계들을 포함한다: (a) 알루미늄을 용융시키고 지르코늄, 그리고 에르븀, 실리콘, 주석, 인듐, 안티몬 및 마그네슘 중 적어도 하나를 첨가하는 단계; (b) 용융물을 응고시키고 그 결과물인 고상의 조각을 대략 0℃(32˚F) 내지 300℃(572˚F) 까지 냉각시키는 단계; (c) 선택적으로, 고상의 조각을 대략 600℃ (1112˚F) 내지 660℃ (1220˚F) (예를 들어, 6400℃ 또는1184˚F)에서 대략 0.3 시간 내지 72시간 동안 균질화 하는 단계; (d) 선택적으로, 대략 1시간 내지 12시간 동안 온도를 대략 100℃(212˚F) 내지 375℃(707˚F) 으로 유지시키는 것을 포함하는 단계로서, 합금 원소(alloying elements)의 일부를 석출시키기 위한 제1 열처리를 수행하는 단계; 및 (e) 선택적인 제1 열처리 단계 이 후에, 대략 1시간에서 48시간 동안 대략 375℃(707˚F) 내지 550℃(1022˚F)의 온도로 열처리 및 유지시키는 것을 포함하는 메인 열처리 단계(main heat treating step).
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않으며, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일Al3Zr 석출물 또는 나노스케일Al3Zr 석출물, 나노스케일Al3Er 석출물 및 Al3(Zr,Er) 석출물을 갖는 알루미늄 합금의 제조 방법이 개시된다. 이러한 제조방법은, 다음의 단계들을 포함할 수 있다: (a) 알루미늄을 용해시키고 지르코늄, 그리고 에르븀, 실리콘, 주석, 인듐, 안티몬 및 마그네슘 중 적어도 하나 이상을 첨가시키는 단계; (b) 용융물을 응고시키고, 그 결과물인 고상의 조각을 대략 0℃(32˚F) 내지 300℃(572˚F) 까지 냉각시키는 단계; (c) 선택적으로, 고상의 조각을 대략 0.3 내지 72시간 동안 대략 600℃(1112˚F) 내지 660℃ (1220˚F) (예를 들어, 640℃ 또는 1184˚F)의 온도에서 균질화 시키는 단계; (d) 대략 1시간 내지 12시간 동안 대략 100℃(212˚F) 내지 375℃(707˚F)의 온도를 유지시키는 제1 열처리 단계; 및 (e) 대략 1시간 내지 48시간 동안 대략 375℃(707˚F) 내지550℃(1022˚F)의 온도를 유지시키는 제2 열처리 단계.
본 명세서에서 개시되는 알루미늄 합금 및 그에 대한 제조방법에 관해서는 이하에서 도면과 함께 더욱 상세하게 설명할 것이다.
본 발명에 따르면, 종래에 이용되던 합금과 비교하여 더 가볍고, 비용이 훨씬 덜 들면서도, 더욱 우수한 물성을 갖는 알루미늄 합금이 제공될 수 있다.
도 1은, α-Al 매트릭스 내에서 용질의 확산에 대해 측정된 활성 에너지를 나타내는 그래프로서, Sc, 그룹 4B의 원소들(Ti, Zr 및 Hf) 및 선택된 일부 접종제(inoculants)들의 상대적인 확산도(diffusivities)를 함께 보여주는 그래프이다.
도 2A및 도 2B는, 640℃(1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 Al-0.1 Zr at.%, Al-0.1 Zr- 0.01 Sn at.%, 및 Al-0.1 Zr- 0.02 Sn at.% 에 대해 25℃/3hr 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 비커스 마이크로 경도(Vickers microhardness)의 일시적 발달(temporal evolution)을 나타내며(도 2A), 또한 상온에서의 전기 전도성을 나타낸다(도 2B).
도 3A 및 3B는, 640℃(1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 또는 균질화를 하지 않고(예를 들어, 주방품(as-cast) 상태) Al-0.1 Zr- 0.02 Sn at.% 에 대해 25℃/3hr 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 비커스 마이크로 경도(Vickers microhardness)의 일시적 발달(temporal evolution)을 나타내며(도 3A), 또한 상온에서의 전기 전도성을 나타낸다(도 3B). 비교를 위해 Al-0.1 Zr at.% 에 대한 데이터 역시 포함되어 있다.
도 4A 및 도 4B는, Al-0.06 Zr at.% 에 대해서는 균질화를 하지 않고 Al-0.06 Zr-0.02 In at.% 에 대해서는 640℃(1184˚F) 의 온도에서 24 시간 동안의 균질화 이 후에 25℃/3hr 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 비커스 마이크로 경도(Vickers microhardness)의 일시적 발달(temporal evolution)을 나타내며(도 4A), 또한 상온에서의 전기 전도성을 나타낸다(도 4B).
도 5A 및 도 5B는, 640℃(1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 Al-0.1 Zr-0.04 Er at.%, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.01 Sn at.% 및 Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sn at.% 에 대해 25℃/3hr 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 비커스 마이크로 경도(Vickers microhardness)의 일시적 발달(temporal evolution)을 나타내며(도 5A), 또한 상온에서의 전기 전도성을 나타낸다(도 5B).
도 6A 및 6B는, 640℃(1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 Al-0.1 Zr-0.04 Er at.%, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 In at.%, Al-0.1 Zr- 0.04 Er-0.02 Sb at.% 및 Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.17 Si at.% 에 대해 25℃/3hr 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 비커스 마이크로 경도(Vickers microhardness)의 일시적 발달(temporal evolution)을 나타내며(도 6A), 또한 상온에서의 전기 전도성을 나타낸다(도 6B).
도 7A 및 도 7B는, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 In at.%, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sb at.% 에 대해서는 균질화를 하지 않고 Al-0.1 Zr-0.04 Er at.% 에 대해서는 640℃(1184˚F) 의 온도에서 24 시간 동안의 균질화 이 후에 25℃/3hr 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 비커스 마이크로 경도(Vickers microhardness)의 일시적 발달(temporal evolution)을 나타내며(도 7A), 또한 상온에서의 전기 전도성을 나타낸다(도 7B).
도 8A는, 640℃(1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 Al-0.06 Zr at.% , Al-0.06 Zr-0.02 In at.%, Al-0.1 Zr at.%, Al-0.1 Zr-0.01 Sn at.%, Al-0.1 Zr-0.02 Sn at.% 에 대해 25℃/3hours 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 마이크로경도의 증가를 요약하여 나타내는 것으로서, 베이스 값인 200Mpa로부터 제1, 제2 피크-경도(peak-hardness)의 증가를 나타낸다.
도 8B는, Al-0.1 Zr-0.04 Er at.%, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.01 Sn at.%, Al-0.1 Zr- 0.04 Er-0.02 Sn at.%, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.17 Si at.% 에 대해서는 640℃ (1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에, 그리고 Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 In at.%, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sb at.% 에 대해서는 균질화 없이 25℃/3hours 로 등시성 에이징(isochronal aging)을 하는 과정에 있어서, 마이크로경도의 증가를 요약하여 나타내는 것으로서, 베이스 값인 200Mpa로부터 제1, 제2 피크-경도(peak-hardness)의 증가를 나타낸다.
도 9는, 640℃(1184˚F) 에서 24 시간 동안 균질화한 이 후에 400℃(752˚F)의 온도에서 72시간 동안 에이징 된 Al-0.1 Zr- 0.02 Sn at.% 의 3-D 원자 탐침 토모그래피 재구성(3-D atom-probe tomographic reconstruction)으로서, 대략 8-12nm의 직경을 갖는Al3Zr 나노 석출물(nano-precipitates)을 보여준다. 또한, 도 9는, 한 쌍의 나노석출물(nanoprecipitates)의 확대된 재구성을 포함하며, Zr 원자(그린 색상) 및 Sn 원자(레드 색상)을 나타낸다. 분석에 있어서, 매트릭스로부터 석출물을 구별 짓기 위해, 등농도 표면(isoconcentration surface)으로는 12 at.% Zr 이 이용되었다.
본 개시사항들은, 다수의 실시예를 갖는 본 발명의 예시적인 것으로 간주되는 것임을 이해해야 하며, 이러한 개시사항들이 예시된 특정의 실시예로 본 발명을 국한시키고자 하는 것이 아니라는 점을 이해해야 한다. 또한, 본 섹션의 명칭(발명의 상세한 설명)은 미국 특허청의 요구에 관련된 것일 뿐, 여기서 개시되는 주제들로 국한시키고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다.
알루미늄을 베이스로 하는 신규한 초합금이 개시된다. 이러한 합금은, 알루미늄, 지르코늄 및 적어도 하나의 접종(inoculant)을 포함하며, 또한 나노스케일의 Al3Zr 석출물을 포함한다. 또한, 알루미늄, 지르코늄, 란탄족(바람직하게는 홀뮴, 에르븀, 툴륨 또는 이테르븀, 가장 바람직하게는 에르븀), 및 적어도 하나의 접종을 포함하며, 또한 나노스케일의 Al3Zr 석출물, 나노스케일의 Al3lanthanide 석출물, 그리고 Al3(Zr,lanthanide) 석출물을 포함하는 합금이 개시된다. 이러한 초합금은, 가공성이 우수하고, 특히 대략 300-450℃(572-842˚F)의 고온에 대한 내열성이 좋다. 또한, 접종제로서 그룹 3A, 그룹 4A 또는 그룹 5A 금속 또는 준금속(metalloid)을 사용하여 알루미늄 내에서 지르코늄의 확산율을 증가시키는 방법이 개시된다. 또한, 접종제를 사용하여 Al3Zr(Ll2) 석출물의 직경을 감소시키는 방법에 대해서도 개시된다. 그룹 3A, 그룹 4A 또는 그룹 5A 금속 또는 준금속과 같은 접종제들은 나노스케일 석출물의 높은 개수 밀도(high number density) 형성에 충분한 정도로 제공되며, 예시들 및 도면들에 나타난 양을 포함한다.
또한, 알루미늄 합금은, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않으면서도 주위 온도 및 고온에서 스칸듐을 함유하는 알루미늄 합금과 비교하여 동등하거나 향상된 기계적 성질을 나타낸다(여기서, 스칸듐을 함유하지 않는다는 것은, 스칸듐이 합금 중에 대략 0.04at.% 미만으로 함유되거나 0.00at.% 함유된 경우를 의미함). 전통적인 지식으로는, 합금에서 스칸듐(Sc)을 제거하는 것은, 바람직하지 않은 것으로 여겨졌다. 이는, 예를 들어, 다른 어떠한 원소도 α-Al 매트릭스 내에서의 Sc와 비교할 때, 공융(eutectic) 응고(포정(peritectic) 응고 대신)를 포함하는 열역학적 동역학적 특성에 있어서 동등하지 못하고, 용융점 근처에서 고체 알루미늄 내에서 상대적으로 높은 용융성을 갖지 못하며(상기 용융성은 대략 200℃(392˚F)에서 거의 0까지 떨어짐), 응집성 및 반응집성을 갖는 A13X 석출물을 생성하는 능력을 갖지 못하기 때문이다(여기서, X는 전단에 대한 높은 저항성을 갖고 낮은 조잡 비율(coarsening rate) 경향을 가지며, 또한 Al과 격자 파라미터(lattice parameter) 불일치 정도가 작으며, 전단을 방지할 수 있을 만큼 작지만 균질화가 가능한 정도로는 빠른 확산율을 가지며, 용해 이 후에 높은 내부식성 및 내산화성을 갖고, 낮은 밀도를 가지며, 액상의 알루미늄 내에서 빠른 용해가 가능하도록 충분히 낮은 용융점을 갖는 Ll2 구조를 갖는 금속에 해당함). 예를 들어, 도 1에 나타나는 바와 같이, 알루미늄 내에서 지르코늄의 확산율은 Sc보다 두자릿수 내지 세자릿수 만큼 더 느리다. 이러한 작은 확산율로 인해, 희석된 Al-Zr 합금은, 핵형성을 위한 화학적 구동력이 매우 높은 낮은 온도에서의 에이징 과정 중에 높은 개수 밀도의 나노스케일 Al3Zr(Ll2) 석출물에 의해 강화될 수 없다.
도 2A, 3A 및 4A는, 2성분계의 Al-0.06 Zr 및 Al-0.1 Zr 에 있어서, 석출은 고온에서 일어나며(피크 경도는 대략 500℃에서 나타남), 이는 상대적으로 낮은 피크 경도로 이어진다는 것을 보여준다. 이는, 마이크로 경도 증가의 원인이 되는 Al3Zr 석출물이 20nm 내지 200nm로 상대적으로 큰 사이즈를 형성하기 때문이며, 더 고온에서 과포화가 더 적고 확산이 더 빠르기 때문이다.
따라서, Al 내에서 Zr의 확산율을 증가시키고 이로써 Al 내에서 Zr의 과포화를 증가시켜 석출 온도를 더 낮은 온도로 바꾸는 접종제(inoculant)들을 첨가하는 것이 바람직하다. 이러한 합금에 있어서, 대략 200℃(392˚F) 내지 400℃(752˚F)의 온도에서 에이징을 하는 것은, 높은 부피율(volume fractions)을 갖는 더 작은 석출물을 생성하며, 이에 따라 이것은 더욱 효율적인 강화제가 된다. 그러나, 지르코늄은, 그러한 온도 범위 내에서 매우 천천히 확산하며, 이에 따라 알루미늄 내에서 직경 20nm 미만의 작은 석출물을 핵성장 시키지는 않는다. 대략 400℃(752˚F) 내지 600℃(1112˚F)의 고온에서의 인공적인 에이징 과정에서, 또는 용융물로부터 고체로의 냉각 과정에서, Al3Zr 석출물이 형성될 수 있지만, 대략 20nm 내지 200nm 가량의 상대적으로 큰 직경을 갖는다. 따라서, 전통적으로, 오로지 지르코늄만을 함유하는 알루미늄 합금은, 고강도 합금을 형성하는데 있어서는 만족스러울 수 없다.
알루미늄-지르코늄 합금 내에 주석, 인듐, 및 안티몬 중 하나 이상의 원소가 존재하는 경우, 고강도의 함금을 생성할 수 있음을 알아내었다. 또한, 실리콘 역시 이러한 원소들 중 하나 이상과 함께 이용될 수 있다. 지르코늄 원자와 결합된 주석, 인듐 및 안티몬 원자는 알루미늄 내에서 지르코늄의 더 빠른 확산을 제공한다. 그 이 후, 대략 300℃(572˚F) 내지 400℃(752˚F) 온도에서의 인공 에이징 과정에서 접종제가 없는 Al-Zr 합금 대비 더 작은 Al3Zr 석출물이 생성될 수 있다. 이러한 나노스케일 석출물은 대략 20nm 미만, 바람직하게는 대략 10nm, 더욱 바람직하게는 대략 4-6nm의 평균 직경을 갖는다. 도 9에 나타난 예시에는, 640℃(1184˚F)에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 400℃(752˚F)에서 72시간 동안 에이징을 거친 Al-0.1 Zr- 0.02 Sn at.% 의 3-D 원자 탐침 토모그래피 재구성이 나타나 있는데, 이는 대략 8-12nm의 평균 직경을 갖는 Al3Zr 나노-석출물을 보여준다.
이에 따라, 주석, 인듐 및 안티몬과 같은 접종제들 중 하나 이상과 함께 지르코늄을 포함하며, 또한 접종제가 없는 경우보다 고강도의 합금을 생성하는 실리콘을 선택적으로 포함하는 알루미늄 합금이 개시된다.
또한, 알루미늄-지르코늄 합금 내에 에르븀을 첨가하고, 이에 더하여 주석, 인듐 및 안티몬, 그리고 선택적으로 실리콘을 포함하는 것은, 대략 200℃(572˚F) 내지 350℃(662˚F)의 더 낮은 온도에서 인공 에이징을 하는 과정에서 높은 개수 밀도의 Al3Er 석출물을 생성할 수 있음을 알아내었다. 또한, 이러한 합금은, Er이 없는 합금과 마찬가지로, 대략 350℃(662˚F) 내지 550℃(1022˚F)의 온도에서 Al3(Zr,Er) 석출물 뿐만 아니라Al3Zr 석출물을 석출시킨다. 나노스케일 Al3Er 석출물, 나노스케일 Al3Zr 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물은, 에르븀이 전혀 첨가되지 않은 Al3Zr 합금과 비교하여 강도의 향상을 보여주는 결합 매트릭스(combined matrix)를 생성한다.
예시(EXAMPLES)
다음의 예시들은, 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것이며, 이 후에 나타나는 청구항에서 정의된 바와 같은 본 발명에 국한되는 것으로 이해되어서는 아니된다.
합금 1-4
합금 조성, 공정 및 분석 테크닉
다음과 같은 하나의 이원계 제어 합금 및 세 개의 삼원계 접종 합금(inoculated alloys)이 공칭 조성(nominal composition)으로 주조되었다: 원자%로 Al-0.1 Zr, Al-0.1 Zr-0.01 Sn, Al-0.1 Zr-0.02 Sn, Al-0.06 Zr-0.02 In.
99.99wt.%의 순수 Al, Al-5.0 Zr wt.%, 99.99wt.%의 순수 Sn, 그리고 99.99wt.%의 순수 In을 포함하는 모합금(Master alloys)이 공기 중의 알루미늄 도가니 내에서 용융되었다. 용융물은, 800℃에서 60분간 힘차게 저어졌으며, 그런 다음 그라파이트 몰드로 주조되었으며, 이는 선택적으로 200℃까지 예비 가열 되었다. 이러한 몰드는, 고체화가 진행되는 동안 정상 응고(directional solidificational)를 강화하고 수축공(shrinkage cavities)을 감소시키기 위해 얼음 냉각된 구리 테이블(copper platen) 상에 놓여졌다. 합금의 화학적 조성은, 직류 플라즈마 원자 발광 분광법(direct-current plasma atomic- emission spectroscopy)(DCP-AES)에 의해 측정되었다.
Figure pct00001
주조 합금은, 공기 중에서 대략 640℃의 온도로 24시간 동안 균질화 된 다음, 주위 온도까지 워터 ?칭 되었다(watr quenched). 대략 150℃ 에서 550℃까지 25℃/3hr로 등시성 에이징(Isochronal aging)이 수행되었다. 모든 열처리는, 공기 중에서 이루어졌으며, 주위 온도까지 워터 ?칭을 통해 마무리 되었다.
비커스 마이크로경도 측정은, 표면 마감이 1㎛까지 폴리싱 된 샘플 상에서 5초동안 가해지는 200g의 로드를 이용하여 Duramin-5 마이크로경도 테스터(Struers)로 수행되었다. 시료마다 상이한 그레인들을 가로지르는 적어도 열 개의 자국들이 만들어졌다. 전기 전도성 측정은, 상온에서 Sigmatest 2.069 와상 전류 기구를 이용하여 수행되었다. 시료마다120, 240, 480, 그리고 960 kHz에서 다섯번의 측정이 수행되었다.
등시성 에이징 열처리(Isochronal Aging Heat Treatment)
640℃에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 25℃/3hours 로 등시성 에이징 처리가 진행되는 동안에 합금 1-3에 대한 마이크로 경도 및 전기전도성의 일시적 발달(temporal evolution)이 도 2A 및 2B에 나타나 있다. Al-0.1 Zr 제어 합금에 있어서, 마이크로 경도는 400℃에서 증가하기 시작하며, 대략 500℃에서 367±14 MPa 의 피크-마이크로 경도로 피크를 이룬다. 마이크로 경도 피크는 상대적으로 큰 직경(>20 nm)을 갖는 Al3Zr 석출물에 기인한 것이다. 500℃를 초과하면서 결정립 조대화(coarsening) 및 매트릭스로의 재용해로 인해 마이크로 경도는 지속적으로 감소한다.
Al-0.1 Zr-0.01 Sn 합금에 있어서, 마이크로 경도는 150℃에서 증가하기 시작하며, 대략 225℃에서 287±6 MPa의 마이크로 경도로 최초로 피크를 이룬다. 그런 다음, 그것은, 더 높은 온도에서 감소하는데, 다만 375 ℃에서 다시 증가하여 대략 475 ℃에서 451±17 MPa의 마이크로 경도로 두 번째로 피크를 이룬다. 마이크로 경도는, 에이징 온도인 475℃를 넘어서는 지속적으로 감소한다. Al-0.1 Zr-0.02 Sn는, 첫번째 마이크로 경도 피크가 더 낮은 온도인 200℃에서 더 높은 값인 357± 9 MPa 로 나타나고, 두번째 마이크로 경도가 더 낮은 온도인 425℃에서 더 높은 값인 493±22 MPa로 나타난다는 점을 제외하면, Al-0.1 Zr-0.01 Sn 합금과 유사하게 거동한다. 200℃에서 발생하는 Al-0.1 Zr-0.02 Sn 합의 첫번째 피크-마이크로 경도 값은, 500℃에서 발생하는 Al-0.1 Zr 합금의 피크-마이크로 경도 값과 동등하다는 것은 알려져 있다. 또한, 0.01-0.02 at.%의 Sn을 첨가하는 것은 Al-0.1 Zr 의 피크-마이크로 경도를 367 에서 451 및 493MPa로 향상시키는 반면 피크 온도를 감소시킨다는 것이 알려져 있다. Sn을 함유하는 합금에 있어서 더 큰 피크-마이크로경도 값이 얻어지는 것은 10nm보다 작은 직경을 갖는 더 작은 나노스케일 석출물의 형성에 기인한 것이다. 동등한 석출물 부피율로 더 작은 석출물을 분배하는 것이 조립질 석출물로 구성되는 합금에 비해 합금의 강화에 있어서 더 효율적이라는 것이 입증되었다.
합금 1 -3에 대한 전기전도성의 일시적인 발달이 도 2B에 나타나 있다. Al-0.1 Zr 합금의 전기 전도성은, 균질화된 상태에서 31.24±0.13 MS/m 이다. 전기 정도성은, 425℃에서 증가하기 시작하여 475 ℃에서 34.03±0.06 MS/m의 값으로 피크를 이루는데, 이는 International Annealed Copper Standard (IACS)의 58.7%에 해당하는 것이다. 전기 정도성의 증가는 Al 매트릭스로부터 Zr 용질 원자를 제거하는 Al3Zr 상의 석출에 기인한 것이다. Al 매트릭스 내에서 Al3Zr 석출물이 용해되고 Zr 원자가 용해되기 때문에 더 높은 온도에서는 전도성이 계속해서 감소한다. Al-0.1 Zr-0.01 Sn 및 Al-0.1 Zr-0.02 Sn에 대한 전기전도성은 일시적으로 발달하는데, 이는 전기 전도성 값이 더 낮은 온도인 400℃ 및 375 ℃에서 각각 증가하기 시작한다는 점을 제외하고는 Al-0.1 Zr 합금과 유사하다. 또한, Al-0.1 Zr-0.01 Sn 및 Al-0.1 Zr-0.02 Sn 합금 각각의 전기 전도성 값은, 둘 다 더 낮은 온도인 450 ℃에서 더 큰 값인 34.38±0.06 MS/m (59.3% IACS) 및 34.31±0.06 MS/m (59.2% IACS)으로 피크를 이룬다.
도 3A 및 3B는, 합금3(Al-0.1 Zr-0.02 Sn)에 있어서, 25℃/3hours로 등시성 에이징 처리 과정에서 마이크로 경도 및 전기 전도성의 일시적 발달을 보여준다(둘은, 각각 주방품(as-cast) 상태 및 640℃에서 24시간 동안 균질화된 상태임). 이들은, 첫번째 마이크로 경도 피크를 제외하고는 유사하게 거동한다(주방품 합금은 225℃에서 293 ± 9 MPa 값으로 첫번째 피크가 나타나고, 균질화된 합금은 200 ℃에서 357 ±9 MPa의 값으로 첫번째 피크가 나타남). 두 합금의 전기전도성의 일시적 발달은 유사하게 거동한다.
도 4A 및 4B는, 25 ℃/3hours로 등시성 에이징 처리를 하는 동안 균질화 되지 않은 주방품 Al-0.06 Zr 및 균질화된 Al-0.06 Zr-0.02 In 합금에 대한 마이크로경도 및 전기전도성의 일시적 발달에 대해서 각각 보여준다. Al-0.06 Zr 합금에 있어서, 마리크로경도는 400℃에서 증가하기 시작하여 대략 490℃에서 피크 경도 값 290 MPa 으로 피크를 이룬다. 마이크로경도는, Al3Zr석출물에 기인하여 반복적으로 피크를 나타낸다. Al-0.06 Zr-0.02 In 합금에 있어서, 마이크로경도는 150℃ 미만에서 증가하며, 대략 150 ℃에서 321±12 MPa 의 마이크로경도 값으로 처음으로 피크를 이루는데, 이는 Al-0.06 Zr 합금에 대한 피크보다 더 큰것이다. 그리고 나서 그것은, 더 높은 온도에서 감소하는데, 다만 400 ℃에서 다시 증가하여 475 ℃ 에서 323 ±10 MPa의 경도 값으로 두번째 피크를 이루며, 이것은 다시 Al-0.06 Zr 합금에 대한 피크 마이크로경도보다 더 큰것에 해당한다. 475 ℃의 에이징 온도를 넘어서는 마이크로경도는 계속해서 감소한다. Al-0.06 Zr 합금의 전기 전도성은 주방품 상태에서는 31.9 MS/m에 해당한다. 그것은, 425 ℃에서 증가하기 시작하여 475 ℃에서 34.25 MS/m (59.1% IACS)의 값으로 피크를 이룬다. Al-0.06 Zr-0.02 In 합금의 전기전도성은 균질화된 상태에서는 33.17 ± 0.09 MS/m에 해당한다. 그것은, 150 ℃ 미만에서는 약간씩 증가하다가 더 높은 온도에서는 거의 일정하게 유지되며, 425 ℃에서 다시 증가하여 475 ℃에서는 34.00 ±0.05 MS/m (58.6% IACS)의 값으로 피크를 이룬다.
데이터는, Al-0.1 Zr 합금에 있어서, 접종제로서 0.01-0.02 at.% Sn를 첨가하는 것이 마이크로경도를 향상시키고 이로써 기계적 강도, 전기전도성, 그리고 열전도성을 향상시킨다는 것을 보여준다. 접종제로서 200 ppm 의 In을 첨가하는 것은 마이크로 경도를 향상시키고 이로써 기계적 강도를 향상시키며, 또한 전기전도성은 약간 감소시킨다. 접종제는, 저온에서 나노사이즈화 된 석출물의 형성을 가능하게 하고, 20 nm 보다 작고 보통은 대략 10nm보다 작은 직경의 석출물을 갖는 고강도 합금을 생성한다.
도 8A는, 모든 Al-0.06 Zr 를 베이스로 하는 합금과 Al-0.1 Zr를 베이스로 하는 합금에 대해 25 ℃/3 hour로 등시성 에이징을 하는 과정에서, 베이스 값인 200 MPa로부터 마이크로경도의 증가 및 첫번째와 두번째 피크 마이크로경도를 요약적으로 나타낸다.
합금 5-10
합금 조성, 공정 및 분석 테크닉
다음과 같은 하나의 삼원계 합금과 다섯의 4원계 합금들이 공칭 조성(nominal composition)으로 주조되었다: Al-0.1 Zr-0.04 Er, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.17 Si, Al-0.1 Zr-0.04 Er- 0.01 Sn, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sn, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 In, Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sb(수치는 at.%로 나타낸 것임). 99.99 wt.% 의 순수 Al, Al-5.0 Zr wt.% , Al-5.0 Er wt.%, Al-12 Si wt.%, 99.99 wt.%의 순수Sn, 및 99.99 wt.% 의 순수 In 그리고 99.99 wt.% 의 순수Sb를 포함하는 모합금이 공기 중에서 알루미나 도가니 속에서 용융되었다. 용융물은, 800 ℃에서 60분간 힘차게 저어졌으며, 다음으로는 그라파이트 몰드로 주조되었으며, 선택적으로 200 ℃ 까지 예열 되었다. 이러한 몰드는, 고체화가 진행되는 동안 정상 응고(directional solidificational)를 강화하고 수축공(shrinkage cavities)을 감소시키기 위해 얼음 냉각된 구리 테이블(copper platen) 상에 놓여졌다. 합금의 화학적 조성은, 직류 플라즈마 원자 발광 분광법(direct-current plasma atomic- emission spectroscopy)(DCP-AES)에 의해 측정되었다.
Figure pct00002
등시성 에이징 열처리(Isochronal Aging Heat Treatment )
640 ℃ 에서 24시간 동안 균질화를 한 이 후에 25 ℃/3hours 로 등시성 에이징이 진행되는 동안, 합금 5-7에 대해 마이크로경도 및 전기전도성의 일시적 발달이 측정되었으며, 이것은 도 5A 및 5B에 나타나 있다. 접종제가 없는 Al-0.1 Zr-0.04 Er 제어 합금에 있어서, 마이크로경도는 200 ℃에서 증가하기 시작하여 325 ℃에서 313 ± 3 MP a의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬다. 그리고 나서 그것은, 더 높은 온도에서 감소하는데, 다만 400℃에서 다시 증가하여 475 ℃에서 369 ± 6 MPa의 경도로 두번째 피크를 이룬다. 첫번째 피크 마이크로경도는 Al3Er 석출물의 형성에 기인한 것이며, 두번째 피크 마이크로경도는 Al3Zr 석출물에 기인한 것이다. 마이크로경도 값은, 475 ℃의 에이징 온도를 초과해서는 계속적으로 감소하는데, 이는 석출물 결정립 조대화(precipitation coarsening) 및 석출물의 용해에 기인한 것이다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.01 Sn 합금에 있어서, 마이크로경도 값은, 150℃ 미만의 매우 낮은 온도에서 증가하기 시작하여 200℃에서 331 ± 8 MPa의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬다. 그리고 나서 그것은, 더 높은 온도에서는 거의 동일하게 유지되다가 400℃에서 다시 증가하여 450℃에서 435 ±12 MPa의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 제어 합금에 대한 것보다 더 큰 것이다. 마이크로경도는 450℃ 의 에이징 온도를 넘어서는 계속적으로 감소한다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sn 합금에 있어서, 마이크로경도는 150 ℃ 미만의 매우 낮은 온도에서 증가하기 시작하여 150℃에서 303±6 MPa의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬다. 그런다음, 마이크로경도는, 더 높은 온도에서는 거의 동일한 상태를 유지하다가 375 ℃에서 다시 증가하여 대략 425 ℃에서 449 ± 16 MP a의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 제어합금 및 Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.01 Sn 합금보다 더 큰 것이다. 마이크로경도는 425 ℃의 에이징 온도를 넘어서는 계속적으로 감소한다.
640 ℃ 에서 24시간 동안의 균질화를 거친 이 후에 Al-0.01 Zr-0.04 Er, Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.01 Sn, 그리고 Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 Sn 에 대한 전기전도성의 일시적인 발달은 유사하다. 균질화된 상태에서의 전기전도도 값은 32.2 내지 32.5 MS/m 범위로 변동이 비교적 높은 수준이다. 전기전도성은, 350 ℃ 내지 400℃에서는 증가하기 시작하여 Al-0.01 Zr-0.04 Er 의 경우 475℃에서 34.33±0.23 (59.2% IACS)의 값으로 피크를 이루고, Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.01 Sn의 경우 500℃에서 34.27 ± 0.06 (59.1% IACS)의 값으로 피크를 이루며, Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 Sn의 경우 450 ℃에서 34.20 ±0.06 (59.0% IACS)의 값으로 피크를 이룬다.
640 ℃에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 이어지는 25 ℃/3hours로의 등시성 에이징 처리가 수행되는 동안의 합금5(제어 합금) 및 합금 8-10의 마이크로경도 및 전기전도도 값의 일시적 발달이 도 6A 및 6B에 나타나 있다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.17 Si 합금에 있어서, 마이크로경도는 225℃에서 증가하기 시작하여 대략 275℃에서 316 ± 8 MP a 의 마이크로경도 값으로 첫번째 피크를 이룬다. 그런 다음 그것은, 더 높은 온도에서 거의 일정하게 유지되다가 350 ℃에서 다시 증가하여 대략 400 ℃에서 470 ± 22 MPa의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 접종제를 함유하지 않은 제어 합금보다 더 큰 것이다. 마이크로경도는 400℃의 에이징 온도를 초과해서는 계속해서 감소한다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 In 합금에 있어서, 마이크로경도는 150℃ 미만의 매우 낮은 온도에서 증가하기 시작하여 대략 250℃에서 362±10 MPa의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬다. 그런 다음 그것은, 더 높은 온도에서 감소하다가 425℃에서 다시 증가하여 450℃에서 383 ± 11 MPa의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 제어 합금보다 더 큰 것이다. 마이크로경도는 425 ℃의 에이징 온도를 초과해서는 계속해서 감소한다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sb의 마이크로경도에 대한 일시적 발달은, 앞서 언급된 것들과 비교하여 확연히 다르게 나타난다. 이것은, 150℃에서 증가하기 시작하여 325℃에서 291 ± 13 MPa의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬 다음, 더 높은 온도에서 감소하지만, 425℃에서 다시 증가하여 475℃에서 275±10 MPa의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 제어 합금과 비교하여 더 작은 것이다. 마이크로경도는 475 ℃의 에이징 온도를 초과해서는 계속해서 감소한다.
도 6B에 있어서, Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 In 합금과 관련하여, 균질화된 상태에서의 전기전도도는 32.46 ± 0.12 이며, 이는 400 ℃ 까지 계속해서 증가하는데, 475 ℃까지 빠르게 증가하여 475 ℃에서 34.03 ±0.13 (58.7% IACS)의 값으로 피크를 이룬다. 대략 150 ℃ 내지 400 ℃ 온도에서의 Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 In 합금에 대한 전기전도성은 제어 합금과 비교하여 더 높다. Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.17 Si 합금에 있어서, 균질화된 상태에서의 전기전도도는 32.00 ± 0.07 이며, 이는 350 ℃에서 증가하기 시작하여 425 ℃에서 33.46 ± 0.08 (57.7% IACS)의 값으로 피크를 이룬 다음, 525 ℃ 까지는 거의 동일하게 유지되다가 525 ℃ 부터 다시 감소하기 시작한다. 도 6 B에 있어서, Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 Sb 합금과 관련하여, 균질화된 상태에서의 전기전도도는 33.69 ± 0.07이며, 이는 450 ℃에서 증가하기 시작하여 500 ℃에서 34.41 ±0.04 (59.3% IACS)의 값으로 피크를 이룬 후 500 ℃를 초과해서는 감소한다.
균질화 없이 25 ℃/3hours 으로 등시성 에이징 처리를 수행하는 과정에서의 합금 9-10에 대한 마이크로경도 및 전기전도도 값의 일시적 발달, 그리고 640℃ 에서 24시간 동안의 균질화 이 후에 25 ℃/3hours 으로 등시성 에이징 처리를 수행하는 과정에서의 합금 5(제어 합금)에 대한 마이크로경도 및 전기전도도 값의 일시적 발달이 도 7A 및 7B에 나타나 있다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 In 합금에 있어서, 마이크로경도는 150 ℃에서 증가하기 시작하여 대략 175 ℃에서 340 ± 16 MPa의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬다. 이것은, 175 ℃ 내지 300℃에서는 거의 일정한 상태를 유지하다가 375℃에서 다시 증가하여 500 ℃에서 427 ± 13 MPa의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 접종제가 함유되지 않은 제어 합금과 비교하여 더 큰 것이다. Al-0.1 Zr-0.04 Er-0.02 Sb 합금에 있어서, 마이크로경도는 150 ℃에서 증가하기 시작하여 200℃에서 273 ±10 MPa의 마이크로경도로 첫번째 피크를 이룬다. 이는, 200 ℃ 내지 250 ℃에서는 거의 일정하게 유지되다가 250 ℃에서 다시 증가하여 대략 475 ℃에서 463 ± 7 MPa의 마이크로경도로 두번째 피크를 이루는데, 이는 접종제가 함유되지 않은 제어 합금보다 더 큰 것이다.
도 7B에 있어서, Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 In 합금과 관련하여, 주방품 상태의 전기전도도는 31.25±0.12 인데, 이는 375℃ 까지는 거의 일정하게 유지되다가, 500℃까지 빠르게 증가하여 500℃에서 34.69 ±0.11 (59.8% IACS)의 값으로 피크를 이룬다. Al-0.01 Zr-0.04 Er-0.02 Sb 합금에 있어서, 주물 상태의 전기전도도는 31.40 ± 0.09 인데, 이는 375 ℃ 까지는 거의 일정하게 유지되다가 500 ℃까지 빠르게 증가하여 500 ℃에서 34.52 ± 0.12 (59.5% IACS)의 값으로 피크를 이룬다.
Al-0.1 Zr-0.04 Er 합금에 접종제로서 0.17 Si, 0.01 Sn, 0.02 Sn, 0.02 In, 또는 0.02 Sb 중 어느 것이라도 첨가하는 것은, 마이크로경도를 향상시킴으로써 기계적 강도를 향상시키면서도 피크 마이크로경도에서의 상대적으로 높은 전기전도성을 유지하는 것을 의미하는 것이다. 접종제는 낮은 온도에서 석출물의 빠른 형성을 가능하게 한다. 이러한 석출물은, 나노사이즈화 되어, 그 직경이 대략 20nm보다 작으며, 또한 대략 10nm 보다 더 작게 형성될 수 있다.
전기전도성 및 열전도성은 상호간에 연관이 되어 있는 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 여기서 언급되는 전기전도성의 향상은 마찬가지로 열전도성의 향상으로 이어지는 것이다.
도 8B는, 모든 Al-0.1 Zr-0.04 Er 을 베이스로 하는 합금에 대해, 25℃/3 hours 로 등시성 에이징을 수행하는 과정에 있어서, 첫번째 그리고 두번째 피크-경도 값의 증가를 요약하여 나타낸다.
앞으로 이어질 설명 및 예시들은, 본 발명의 예시를 들고자 하는 것이며 달성 가능한 사항들에 대해서 한정을 하는 것으로 간주되어서는 아니된다. 오히려, 당업자의 수준 및 전기전도성과 열전도성에 대한 특수한 목적을 갖는 합금을 마련하고자 하는 과학 분야에 있어서, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양한 변형예들이 가능한 것이다.

Claims (51)

  1. 알루미늄, 지르코늄, 접종제 및 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하며,
    상기 나노스케일 석출물은, 대략 20 nm 이하의 직경을 가지며, 또한 α-Al 면심입방구조 매트릭스 내에 Ll2 구조를 갖는 알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 합금은,
    감지되지 않는 대략 0.04 at.%스칸듐(Sc) 함량 범위까지의 스칸듐만을 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은,
    란탄 계열의 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 석출물은,
    원자-탐침 토모그래피 기술로 측정된 대략 10nm 이하의 평균직경을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물은,
    대략 4-6nm의 평균직경을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물의 평균 개수 밀도(average number density)는 대략 1021m-3 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접종제는,
    Sn, In, Sb 또는 Mg 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 접종제는,
    마그네슘, 그리고 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 접종제는,
    Si, Sn, In, Sb 또는 Mg 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물은,
    Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er)를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 합금은,
    에르븀을 포함하는 란탄 계열 금속, 그리고 Si, Sn, In, Sb, 및 Mg 중 하나 이상을 포함하는 접종제를 더 포함하며, Ll2 구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er)을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 접종제는, Si, Sn, In, Sb, 및 Mg 중 하나 이상의 조합을 포함하며
    상기 합금은, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은,
    란탄 계열 금속, 그리고 Si, Sn, In, Sb, 및 Mg 중 적어도 하나 이상을 포함하는 접종제를 더 포함하며, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 A13X 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,X) 석출물을 포함하고, 상기 X는 란탄 계열 금속인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은,
    란탄 계열 금속, 그리고 Si, Sn, In, Sb, 및 Mg 중 하나 이상을 포함하는 접종제를 더 포함하며, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 A13X 석출물, 및 나노스케일 Al3(Zr,X) 석출물을 포함하고, 상기 X는 Ho, Er, Tm, 및 Yb 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은,
    란탄 계열 금속, 그리고 Si, Sn, In, Sb, 및 Mg 중 하나 이상을 포함하는 접종제를 더 포함하고, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물 및 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.3 at.% Zr, 대략 1.5 at.% Si, 대략 0.1 at.% Sn, 대략 0.1 at.% In, 대략 0.1 at.% Sb, 나머지 잔량을 채우는 Al으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2 구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.01 at.% Sn, 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.02 at.% Sn, 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.06 at.% Zr, 대략 0.02 at.% In, 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2 구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.3 at.% Zr, 대략 0.05 at.% Er, 대략 1.5 at.% Si, 대략 0.1 at.% Sn, 대략 0.1 at.% In, 대략 0.1 at.% Sb, 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지며,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.04 at.% Er, 대략 0.01 at.% Sn, 그리고 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.04 at.% Er, 대략 0.02 at.% Sn, 그리고 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.04 at.% Er, 대략 0.2 at.% Si, 그리고 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.04 at.% Er, 대략 0.02 at.% In, 그리고 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 합금은, 대략 0.1 at.% Zr, 대략 0.04 at.% Er, 대략 0.02 at.% Sb, 그리고 나머지 잔량을 채우는 알루미늄으로 이루어지고,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 그리고 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은, Al-Zr-X-Si-Mg 조합을 가지며, 상기 Si 및 Mg는 합금 원소(alloying elements)이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하며,
    또한, 상기 합금은, Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물은,
    Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  28. Al-Zr-Er-X-Si-Mg 조합을 가지며(단, Si 및 Mg는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  29. Al-Zr-X-Fe 조합을 가지며(단, Fe는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물은,
    Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  31. Al-Zr-Er-X-Fe 조합을 가지며(단, Fe는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  32. Al-Zr-X-Mg 조합을 가지며(단, Mg는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일Al3Zr 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  33. Al-Zr-Er-X-Mg 조합을 가지며(단, Mg는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  34. Al-Zr-X-Cu 조합을 가지며(단, Cu는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일Al3Zr, 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  35. Al-Zr-Er-X-Cu 조합을 가지며(단, Mg는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  36. Al-Zr-X-Si 조합을 가지며(단, Si는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일Al3Zr, 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  37. Al-Zr-Er-X-Si 조합을 가지며(단, Si은 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  38. Al-Zr-X-Zn-Mg 조합을 가지며(단, Zn 및 Mg는 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일Al3Zr, 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  39. Al-Zr-Er-X-Zn-Mg 조합을 가지며(단, Zn 및 Mg은 합금 원소이고, X는 그룹 3A, 4A, 5A 금속 또는 준금속을 포함하는 것임), 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er) 나노스케일 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  40. 제1항에 있어서,
    상기 접종제는, Sn, In 및 Sb 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 합금은, 필수적으로 스칸듐(Sc)을 함유하지 않고 Ll2- 구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  41. 제1항에 있어서,
    상기 접종제는, Sn, In 및 Sb 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 합금은, 대략 0.04 at.% 스칸듐(Sc)을 가지며, 또한 Ll2- 구조를 갖는 나노스케일 Al3Zr 석출물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  42. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 Er을 더 포함하고,
    상기 접종제는, Si, Sn, In, 및 Sb 중 하나 이상으로 이루어지며,
    상기 합금은, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않고, 또한 Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr 석출물, 나노스케일 Al3Er 석출물, 및 나노스케일 Al3(Zr,Er) 석출물을 포함하는 알루미늄 합금.
  43. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물은, Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er)을 포함하고,
    상기 석출물은, 대략 10nm 이하의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  44. 제1항에 있어서,
    상기 나노스케일 석출물은, Al3Zr, Al3Er, 및 Al3(Zr,Er)을 포함하고,
    상기 석출물은, 대략 4-6nm의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  45. Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr, Al3Er 및 Al3(Zr,Er) 석출물을 가지며, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법으로서,
    (a) 알루미늄을 용융시키고, 지르코늄, 그리고 에르븀, 실리콘, 주석, 인듐, 안티몬, 및 마그네슘 중 하나 이상을 첨가시키는 단계;
    (b) 용융물을 응고시키고, 그 결과물인 고체 조각을 대략 0 ℃ 내지300 ℃ 까지 냉각시키는 단계;
    를 포함하는 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법은, 상기 고체 조각을 대략 600℃ 내지 660℃의 온도에서 대략 0.3 시간 내지 72 시간동안 균질화 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법은,
    대략 100℃ 내지375℃ 의 온도를 대략 1 내지 12 시간 동안 유지하는 제1 열처리 단계를 수행하는 단계; 및
    선택적인 상기 제1 열처리 단계 이 후에, 대략 375℃ 내지 550℃ 의 온도로 대략 1 내지 48 시간 동안 열처리 및 유지하는 것을 포함하는 메인 열처리 단계를 수행하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법.
  48. Ll2-구조를 갖는 복수의 나노스케일 Al3Zr, Al3Er 및 Al3(Zr,Er) 석출물을 가지며, 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법으로서,
    (a) 알루미늄을 용융시키고, 지르코늄, 그리고 Er, Si, Sn, in, Sb, 및 Mg 중 하나 이상을 첨가시키는 단계;
    (b) 용융물을 응고시키고, 그 결과물인 고체 조각을 대략 0℃ 내지300 ℃ 까지 냉각시키는 단계;
    를 포함하는 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법은, 상기 고체 조각을 대략 600℃ 내지 660℃의 온도에서 대략 0.3 시간 내지 72 시간동안 균질화 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법은,
    대략 100℃ 내지375℃ 의 온도를 대략 1 내지 12 시간 동안 유지하는 제1 열처리 단계를 수행하는 단계; 및
    대략 375℃ 내지 550℃ 의 온도로 대략 1 내지 48 시간 동안 유지하는 제2 열처리 단계를 수행하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 필수적으로 스칸듐을 함유하지 않는 알루미늄 합금을 형성하는 방법.
  51. 브레이크 로터, 피스톤, 보조 전원 장치, 보조 전원 장치 프레임, 마운팅 브라켓, 항공 엔진 배기 덕트로 이루어지는 부품 그룹으로부터 선택된 알루미늄 합금 부품으로서, 제1항에 따른 알루미늄 합금을 포함하는 알루미늄 합금 부품.

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