KR20170084142A - 철, 규소, 바나듐 및 구리를 갖는 알루미늄 합금 - Google Patents

철, 규소, 바나듐 및 구리를 갖는 알루미늄 합금 Download PDF

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Abstract

철, 바나듐, 규소 및 구리를 갖는 새로운 알루미늄 합금이 개시된다. 새로운 합금은 3 내지 12 중량%의 Fe, 0.1 내지 3 중량%의 V, 0.1 내지 3 중량%의 Si 및 1.0 내지 6 중량%의 Cu를 포함할 수 있고, 잔부는 알루미늄 및 불순물이다. 새로운 알루미늄 합금은 적층 제조 기술을 통해 생성될 수 있고, 이는 알루미늄 합금의 용융 풀(molten pool)의 급속 응고를 용이하게 할 수 있다.

Description

철, 규소, 바나듐 및 구리를 갖는 알루미늄 합금{ALUMINUM ALLOYS HAVING IRON, SILICON, VANADIUM AND COPPER}
본 발명은 철, 규소, 바나듐 및 구리를 갖는 알루미늄 합금 본체에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 다양한 응용에서 유용하다. 그러나, 다수의 알루미늄 합금은 승온에 노출될 때 강도가 감소하는 경향이 있다.
광범위하게는, 본 발명은 철, 규소, 바나듐 및 구리를 갖는 새로운 알루미늄 합금 본체에 관한 것이다. 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철 (Fe), 규소 (Si) 및 바나듐 (V)의 양은 5 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질(dispersoid)을 제공하기에 충분할 수 있다. 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리 (Cu)의 양은 (예를 들어, 구리가 분산된 상 또는 세포형 구조 중 어느 하나에서 Fe, V 또는 Si와 조합되는 경우) 0.25 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및/또는 분산-강화제를 실현시키기에 충분할 수 있다. AlFeVSi 분산질은 승온 응용 (예를 들어, 항공우주 및/또는 자동차 응용의 경우)에서 강도 유지를 용이하게 할 수 있다. 임의의 Al2Cu 석출물은 석출 경화를 용이하게 할 수 있고, 임의의 구리-함유 분산-강화제는 분산 경화를 용이하게 할 수 있으며, 이에 의해 알루미늄 합금 본체의 강도를 증가시킨다. 더욱이, Al2Cu 석출물 및/또는 구리-함유 분산질은 승온에서 조대화(coarsening)에 저항할 수 있고, 이는 또한 알루미늄 합금 본체의 승온 특성을 더욱 개선시킨다. 이와 관련하여, 새로운 알루미늄 합금 본체는 일반적으로 3 내지 12 중량%의 Fe, 0.1 내지 3 중량%의 V, 0.1 내지 3 중량%의 Si 및 1.0 내지 6 중량%의 Cu를 포함하고 (일부 경우, 이들로 본질적으로 이루어지고), 잔부는 알루미늄 및 불순물이다.
알루미늄 합금 본체 내에서 철, 규소 및 바나듐의 양은 AlFeVSi 분산질의 원하는 양에 따라 달라질 수 있지만, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철, 규소 및 바나듐의 양은 5 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질 및 35 부피% 이하의 AlFeVSi 분산질을 제공하기에 충분할 수 있다. 알루미늄 합금 본체 중 AlFeVSi 분산질의 양은 최종 부분의 횡단면을 금속조직학적으로 준비하고, 적절한 이미지 분석 소프트웨어와 함께 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 AlFeVSi 분산된 상의 면적 분율을 측정함으로써 결정되며, 해당된다면 적절한 이미지 분석 소프트웨어와 함께 최종 부분의 포일(foil)을 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM) 분석함으로써 보완된다. 일반적으로, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 40 nm 내지 약 500 nm이다. 최종 생성물 내의 AlFeVSi 분산질의 평균 크기가 이러한 범위의 하한을 향하는 것이 바람직하다. 일 실시 형태에서, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 250 nm 이하이다. 다른 실시 형태에서, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 200 nm 이하이다. 또 다른 실시 형태에서, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 150 nm 이하이다. 다른 실시 형태에서, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 100 nm 이하이다. 또 다른 실시 형태에서, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 75 nm 이하이다. 다른 실시 형태에서, AlFeVSi 분산질은 평균 크기가 약 60 nm 이하이다.
일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철, 규소 및 바나듐의 양은 10 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철, 규소 및 바나듐의 양은 15 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철, 규소 및 바나듐의 양은 20 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철, 규소 및 바나듐의 양은 25 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 철, 규소 및 바나듐의 양은 30 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질을 제공하기에 충분할 수 있다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 25 +/- 3 부피%의 AlFeVSi 분산질을 함유한다. 일부 실시 형태에서, 미세탐침 분석에 의해 측정될 경우, 적어도 일부 구리 (예를 들어, 분산질의 1 내지 5 중량%)가 AlFeVSi 분산질에 포함된다.
일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 4 내지 11 중량%의 Fe를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 5 내지 10 중량%의 Fe를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 6 내지 9.5 중량%의 Fe를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 6.5 내지 9.0 중량%의 Fe를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 약 8.5 중량%의 Fe를 포함한다. 일반적으로, 철은 알루미늄 외에, 알루미늄 합금 본체의 주된 합금화 원소이다.
일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 0.25 내지 3 중량%의 V를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 0.5 내지 3 중량%의 V를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 0.75 내지 2.75 중량%의 V를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.0 내지 2.50 중량%의 V를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.0 내지 2.25 중량%의 V를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.0 내지 2.0 중량%의 V를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 약 1.5 중량%의 V를 포함한다.
일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 0.25 내지 3 중량%의 Si를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 0.5 내지 3 중량%의 Si를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 0.75 내지 2.75 중량%의 Si를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.0 내지 2.50 중량%의 Si를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.25 내지 2.50 중량%의 Si를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.25 내지 2.25 중량%의 Si를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 약 1.7 중량%의 Si를 포함한다. 일 실시 형태에서, 규소의 양은 알루미늄 합금 본체 내에서 바나듐의 양을 초과한다.
알루미늄 합금 본체 내의 구리의 양은 Al2Cu 석출물 및/또는 구리-함유 분산-강화제의 원하는 양에 따라 달라질 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.0 내지 5.5 중량%의 Cu를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 1.5 내지 5.0 중량%의 Cu를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 2.0 내지 4.5 중량%의 Cu를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 2.5 내지 4.5 중량%의 Cu를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 3.0 내지 4.5 중량%의 Cu를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 3.0 내지 4.0 중량%의 Cu를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 약 3.5 중량%의 Cu를 포함한다.
일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 0.25 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. Al2Cu 석출물은 당업자에게 "쎄타(θ) 상"으로서 종종 지칭되는 평형 (부정합(incoherent)) 상태일 수 있거나, 또는 Al2Cu 석출물은 종종 당업자에게 쎄타 프라임(θ') 상으로서 지칭되는 비평형 (정합(coherent)) 상태일 수 있다. 은이 부재하는 경우, Al2Cu 석출물의 일부는 알루미늄 합금 결정립의 {100} 평면 (FCC) 상에 위치할 수 있다. 은이 합금에 사용되는 경우, 하기 기재되는 바와 같이 Al2Cu 석출물의 적어도 일부가 알루미늄 합금 결정립의 {111} 평면 (FCC) 상에 추가적으로 또는 대안적으로 위치할 수 있다. 알루미늄 합금 본체 중의 Al2Cu 석출물의 양은 상기 기재된 바와 같이 SEM 및/또는 TEM을 통해 결정된다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 0.50 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 1.0 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 1.5 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 2.0 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 2.5 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 3.0 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 3.5 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 4.0 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 4.5 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 5.0 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체 내에 함유된 구리의 양은 5.5 부피% 이상의 Al2Cu 석출물 및 6.5 부피% 이하의 Al2Cu 석출물을 제공하기에 충분할 수 있다.
다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 알루미늄 기지(matrix) 내에 세포형 구조를 포함할 수 있고, 구리 (Cu)는 이러한 세포형 구조를 부분적으로 구성할 수 있다. 예를 들어, 구리는 철 및/또는 규소와 조합하여 알루미늄 기지 내에 세포형 구조를 형성할 수 있다. 세포형 구조는 예컨대 1 내지 10 중량%의 Cu를 포함할 수 있다.
하기 표 1은 다양한 본 발명의 합금 조성물 (모든 값은 중량 퍼센트 단위임)을 열거한다.
[표 1]
Figure pct00001
불순물과 관련하여, 알루미늄 합금 본체가 은-무함유 (0.10 중량% Ag 미만)인 경우, 알루미늄 합금 본체에는 일반적으로 마그네슘 (Mg)이 충분히 부재하여, 일반적으로 승온 응용에서 이롭지 않은 S 상 (Al2CuMg) 석출물의 형성을 제한/방지한다. 또한, 마그네슘의 존재는 알루미늄 합금 본체 내에 Al2Cu 석출물의 양을 감소시킬 수 있다. 이와 관련하여, 알루미늄 합금 본체가 은-무함유인 경우, 알루미늄 합금 본체는 일반적으로 0.30 중량% 이하의 Mg를 함유한다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 은-무함유이고, 0.20 중량% 이하의 Mg를 함유한다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 은-무함유이고, 0.15 중량% 이하의 Mg를 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 은-무함유이고, 0.10 중량% 이하의 Mg를 함유한다.
은은 선택적으로 알루미늄 합금 본체에 포함될 수 있다. 은이 포함되는 경우, 알루미늄 합금 본체는 또한 알루미늄 합금 결정립의 하나 이상의 {111} 평면 상에 Al2Cu 석출물의 생성을 용이하게 하는 양의 마그네슘을 포함하여야 한다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 알루미늄 합금 결정립의 하나 이상의 {111} 평면 상에서 적어도 일부의 Al2Cu 석출물이 생성되도록 충분한 양의 은 및 마그네슘을 함유하지만, 그러한 은 및 마그네슘의 양은 제한되어 바람직하지 않는 상, 예컨대 S 상이 방지되거나 제한되게 된다. 이와 관련하여, 알루미늄 합금 본체는 0.10 내지 1.0 중량%의 Ag 및 0.10 내지 1.0 중량%의 Mg를 포함할 수 있고, 이때 상대적인 양은 한정되어 바람직하지 않는 상, 예컨대 S 상이 방지되거나 제한되게 된다.
알루미늄 합금 본체에는 일반적으로 아연 (Zn)이 충분히 부재하여, 일반적으로 승온 응용에서 이롭지 않은 에타 (η) 상 (MgZn2) 석출물의 형성을 제한/방지한다. 이와 관련하여, 알루미늄 합금 본체는 일반적으로 0.5 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 일 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.35 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.25 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.15 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.10 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.05 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.01 중량% 이하의 Zn을 함유한다. 또 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.01 중량% 미만의 Zn을 함유한다.
일반적으로, 새로운 알루미늄 합금 본체는 Al, Fe, V, Si 및 Cu를 포함하는 분말을, 형성될 특정 알루미늄 합금 본체의 액상선 온도(liquidus temperature)보다 높은 온도로 선택적으로 가열하는 것을 용이하게 하여 Al, Fe, V, Si 및 Cu를 갖는 용융 풀(molten pool)을 형성한 후 이 용융 풀을 급속 응고하는 방법을 통해 생성된다. 급속 응고는 구리의 적어도 일부를 고용체 중에 유지시키는 것을 용이하게 할 수 있다.
일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 특히 적층 제조(additive manufacturing) 기술, 예컨대 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS), 선택적 레이저 용융 (Selective Laser Melting, SLM) 및 전자 빔 용융(Electron Beam Melting, EBM)을 통해 생성된다. 적층 제조 기술은 Al, Fe, V, Si 및 Cu를 포함하는 분말을 특정 알루미늄 합금의 액상선 온도보다 높은 온도로 선택적으로 가열하는 것을 용이하게 하여, Al, Fe, V, Si 및 Cu를 갖는 용융 풀을 형성한 후 이 용융 풀을 급속 응고한다.
일 실시 형태에서, 방법은 (a) Al, Fe, V, Si 및 Cu를 포함하는 분말을 층(bed) 내에 분산시키는 단계, (b) 분말의 일부를, (예를 들어, 레이저를 통해) 형성될 특정 알루미늄 합금 본체의 액상선 온도보다 높은 온도로 선택적으로 가열하는 단계, (c) Al, Fe, V, Si 및 Cu를 갖는 용융 풀을 형성하는 단계, 및 (d) 용융 풀을 1000℃/초 이상의 냉각 속도로 냉각시키는 단계를 포함한다. 일 실시 형태에서, 냉각 속도는 10,000℃/초 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 100,000℃/초 이상이다. 다른 실시 형태에서, 냉각 속도는 1,000,000℃/초 이상이다. 단계 (a) 내지 단계 (d)를, 알루미늄 합금 본체가 완성될 때까지, 즉 최종 적층 제조된 알루미늄 합금 본체가 형성/완성될 때까지 필요하다면 반복할 수 있다. 최종 알루미늄 합금 본체는 5 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질 및 35 부피% 이하의 AlFeVSi 분산질을 가질 수 있다. 최종 알루미늄 합금 본체는 복잡한 기하학적 구조를 가질 수 있거나, 단순한 기하학적 구조를 가질 (예를 들어, 시트 또는 판의 형태일) 수 있다.
적층 제조에서 사용될 분말을 위한 입자는 임의의 적합한 방법에 의해 수득되거나 형성될 수 있다. 일 실시 형태에서, Al, Fe, V, Si 및 Cu의 각각에 대한 별개의 상이한 입자가 사용된다 (즉, Fe 입자, V 입자, Si 입자 및 Cu 입자가 적절한 양으로 수득되거나 층에 제공된다). 다른 실시 형태에서, 일반적으로 균질한 입자가 사용되는데, 이 경우 이들 입자는 일반적으로 Al, Fe, V, Si 및 Cu 전부를 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 일반적으로 균질한 입자는 원하는 양의 Al, Fe, V, Si 및 Cu를 포함하는 용융 금속의 무화를 통해 생성될 수 있다.
하나의 대책으로, 전자 빔 (EB) 기술을 이용하여 알루미늄 합금 본체를 생성한다. 전자 빔 기술은 레이저 적층 제조 기술에 의해 쉽게 생성된 것보다 더 큰 부분의 생성을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 그리고 이제 도 1을 참고로 하면, 일 실시 형태에서, 방법은 작은 직경의 와이어(25) (예를 들어, 직경이 2.54 mm 이하인 튜브)를 전자 빔 건(50)의 와이어 공급기 부분으로 공급하는 단계를 포함한다. 와이어(25)는 상기 기재된 바와 같은 알루미늄 합금 조성물을 가질 수 있되, 단 이는 (예를 들어, 미국 특허 제5,286,577호의 공정 조건을 따라 생성되는 경우) 인발성(drawable) 조성물이다. 전자 빔(75)은 와이어 또는 튜브를, 경우에 따라, 형성될 알루미늄 합금 부분의 액상점보다 높이 가열한 후, 용융 풀을 급속 응고시켜 침착된 알루미늄 합금 재료(100) (예를 들어, 5 부피% 이상의 AlFeVSi 분산질 및 35 부피% 이하의 AlFeVSi 분산질을 갖는 알루미늄 합금 본체)를 형성한다. 일 실시 형태에서, 와이어(25)는 분말 코어드 와이어(powder cored wire)(200)이고, 여기서 튜브는 상기 기재된 바와 같은 알루미늄 합금 조성물의 입자를 튜브 내에 포함할 수 있는 한편, 튜브의 쉘(shell)은 알루미늄 또는 고 순도의 알루미늄 합금 (예를 들어, 적합한 1xxx 알루미늄 합금)을 포함할 수 있다.
급속 응고 (냉각) 단계의 완료 후, 최종 알루미늄 합금 본체를 선택적으로 자연 시효시키고, 선택적으로 냉간 가공하고, 이어서 인공 시효시킬 수 있다. 자연 시효는 알루미늄 합금 본체의 특성을 안정화시키기에 충분한 기간 동안 (예를 들어, 수 일 동안) 발생할 수 있다. 선택적인 냉간 가공 단계는 알루미늄 합금 본체를 1 내지 10% (예를 들어, 압축 또는 신장에 의해) 변형시키는 단계를 포함할 수 있다. 알루미늄 합금 본체는 (예를 들어, 알루미늄 합금 본체가 0.25 부피% 내지 6.5 부피%의 Al2Cu 석출물 및/또는 구리-함유 분산질을 포함하도록 Al2Cu 석출물을 형성하기 위해) 인공 시효될 수 있다. 인공 시효는 원하는 부피의 Al2Cu 석출물 및/또는 구리-함유 분산질을 형성하기에 충분한 시간 동안 그리고 온도에서 발생할 수 있다 (예를 들어, 해당되는 경우 2 내지 48시간 동안 또는 그 이상의 시간 동안 125℃ 내지 200℃의 온도에서 인공 시효). 인공 시효는 단일 단계 또는 다중 단계 인공 시효 실행(practice)일 수 있다. 일 실시 형태에서, 예를 들어 (해당된다면) AlFeVSi 분산질의 적어도 일부를 가능하게는 개질시키기 위해서 (예를 들어, 구상화하기 위해서) 더 높은 온도가 사용될 수 있다 (예를 들어, 가능하게는 300℃만큼 높되, 단 그 높은 온도가 Al2Cu 입자 및/또는 구리-함유 분산질을 과도하게 조대화시켜서는 안 된다). 일부 경우, 최종 알루미늄 합금 본체를 어닐링(anneal)한 후 저속 냉각시킬 수 있다. 어닐링은 미세구조를 이완시킬 수 있다. 예를 들어, 어닐링은 냉간 가공 전에, 또는 인공 시효 전 또는 후에 발생할 수 있다. 일부 경우, 최종 알루미늄 합금 본체를 용체화 열처리하고 이어서 담금질시킬(quenched) 수 있고, 그 후에 임의의 자연 시효, 선택적인 냉간 가공 및 인공 시효가 완료될 수 있다. 용체화 열처리 및 담금질은, 예를 들어, 알루미늄과 함께 고용체 중에 구리의 적어도 일부를 배치시킴으로써 Al2Cu 석출물의 증가된 부피 분율을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 합금은 일반적으로 합금화 원소로서 철 및 바나듐을 갖는 것으로서 본 명세서에 기재되었지만, 철 및 바나듐 대신에 다양한 대체물이 사용될 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 코발트 (Co), 망간 (Mn) 및 니켈 (Ni)은 전체적으로 또는 부분적으로 철을 대신하고, AlFeVSi 분산질과 유사한 분산질이 형성되는 한 임의의 조합의 형태로 대체될 수 있는 것으로 여겨진다. 크롬 (Cr), 몰리브덴 (Mo) 및 니오븀 (Nb)은 부분적으로 철 (예를 들어, 가능하게는 약 5 중량% 이하)을 대체하고, AlFeVSi 분산질과 유사한 분산질이 형성되는 한 임의의 조합의 형태로 대체될 수 있다. 바나듐과 관련하여, 임의의 하프늄 (Hf), 지르코늄 (Zr), 스칸듐 (Sc), 크롬 (Cr) 또는 티타늄 (Ti)이 전체적으로 또는 부분적으로 바나듐을 대체할 수 있고, AlFeVSi 분산질과 유사한 분산질이 형성되는 한 임의의 조합의 형태로 대체될 수 있는 것으로 여겨진다.
새로운 알루미늄 합금 본체는 다양한 응용, 예컨대 다른 응용 중에서도 항공우주 또는 자동차 차량을 위한 승온 응용에 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 항공우주 차량의 엔진 구성요소로서 (예를 들어, 엔진에 포함된 컴프레서 블레이드(blade)와 같은 블레이드 형태로) 사용된다. 다른 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 항공우주 차량의 엔진용 열교환기로서 사용된다. 그 결과, 엔진 구성요소/열교환기를 포함하는 항공우주 차량이 작동될 수 있다. 일 실시 형태에서, 새로운 알루미늄 합금 본체는 자동차 엔진 구성요소이다. 그 결과, 엔진 구성요소를 포함하는 자동차 차량이 작동될 수 있다. 예를 들어, 새로운 알루미늄 합금 본체는 터보 과급기 구성요소 (예를 들어, 터보 과급기의 컴프레서 휠, 이 경우 터보 과급기를 통해 엔진 배기가스를 다시 재순환시키는 것으로 인하여 승온이 실현될 수 있음)로서 사용될 수 있고, 터보 과급기 구성요소를 포함하는 자동차 차량은 작동될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 알루미늄 합금 본체는 발전을 위한 지상용 (고정형) 터빈의 블레이드로서 사용될 수 있고, 알루미늄 합금 본체를 포함하는 지상용 터빈은 발전을 용이하게 하도록 작동될 수 있다.
도 1은 적층 제조된 알루미늄 합금 본체의 생성에 사용되는 전자 빔 장치의 일 실시 형태의 개략적인 사시도이다.
도 2는 확립된 그대로의 조건에서 Al-Fe-V-Si-Cu 합금의 주사 전자 이미지로서; 도 2의 (A)는 Al-Fe-V-Si 분산질의 미세 분포를 나타내고; 도 2의 (B)는 Fe 및 Cu를 포함하는 세포형 구조를 나타낸다.
실시예 1
Al-Fe-V-Si-Cu 잉곳(ingot)을 공급원료로서 사용하였고, 이것에 불활성 가스 무화 공정을 가하여 분말을 생성하였다. 이어서, 이 분말을 적층 제조된 생성물을 생성하는 데 사용하기 위해 분류 및 블렌딩하였다. 이 생성물을 EOS M280 기계를 사용하여 분말 층 용융(powder bed fusion, PBF)을 통해 적층 제조하였다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)를 통해 분말 및 확립된 그대로의 성분들 (최종 생성물)의 화학적 분석을 수행하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타나 있다 (모든 값은 중량 백분율 단위임).
[표 2]
Figure pct00002
NIST 표준에 따라 아르키메데스 밀도 분석(Archimedes density analysis) 절차를 사용하여 확립된 그대로의 성분들의 밀도를 결정하였다. 아르키메데스 밀도 분석에 의하면, 이론 밀도의 99%를 초과하는 밀도가 확립된 그대로의 성분들 내에서 얻어졌음이 밝혀졌다.
광학 금속조직학(optical metallography, OM), 주사 전자 현미경법(SEM), 전자 탐침 미세분석(electron probe microanalysis, EPMA) 및 투과 전자 현미경법(TEM)을 통해 확립된 그대로의 성분들의 미세구조를 분석하였다. 베이클라이트(Bakelite)에 확립된 그대로의 견본의 섹션을 장착한 후 폴리싱 매체(polishing media)의 조합을 사용하여 연마 및 폴리싱함으로써 준비된 견본에 대해 OM을 수행하였다. OM 분석에 의하면, 견본 내에 1% 미만의 다공성이 존재하는 것으로 밝혀졌고, 이로써 아르키메데스 밀도 결과에 부합된다.
OM 분석을 위해 준비한 동일한 견본을 사용하여 SEM 이미지 분석을 수행하였고, 이에 의하면 구형 분산질 상 (즉, 미세 입자, 고용체로 다시 재용해될 수 없음) 및 미세 세포형 상 둘 모두가 존재하는 것으로 밝혀졌고, 이들의 대표적인 이미지는 도 2의 (A) 및 (B)에 나타나 있다. 이들 견본 중 하나의 이미지 분석을 수행하여 분산질 상의 크기 분포 및 부피 분율을 결정하였다. 100 μm2 미만의 면적을 갖는 단일 이미지를 상기 이미지 분석을 위해 사용하였다. 결과로서 얻어진 분석에 의하면, 분산질은 직경이 약 30 내지 400 nm의 범위이고 그 평균은 약 75 nm인 것으로 밝혀졌다. 또한, 분산질의 부피 분율은 약 6.7%인 것으로 결정되었다. EPMA에 의하면, 미세 분산질에는 철 (Fe) 및 바나듐 (V)이 풍부하였음이 밝혀졌고, 이는 Al12(Fe,V)3Si 유형을 갖는 것으로 여겨진다.
투과 전자 현미경법(TEM)을 사용하여 세포 벽의 조성을 결정하였다. 견본을 기계적으로 박화시킨 후, 20 내지 30 볼트의 전압을 가하면서 질산 (HNO3) 및 메탄올로 이루어진 용액을 사용하여 최종 일렉트로제트 폴리싱(electrojet polishing) 단계를 적용함으로써 확립된 그대로 및 열처리된 견본 (약 18시간 동안 약 375℉에서 처리됨) 둘 모두로부터 전자 투과성 TEM 포일을 준비하였다. TEM 분석에 의하면, 세포 벽에 구리 (Cu) 및 철 (Fe)이 풍부한 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 다양한 실시 형태가 상세하게 설명되었지만, 이러한 실시 형태의 변경 및 수정이 당업자에게 일어날 것임이 명백하다. 그러나, 그러한 변경 및 수정은 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 것으로 명백히 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 3 내지 12 중량%의 Fe;
    0.1 내지 3 중량%의 V;
    0.1 내지 3 중량%의 Si; 및
    1.0 내지 6 중량%의 Cu
    로 본질적으로 이루어지고,
    잔부는 알루미늄 및 불순물인, 알루미늄 합금.
  2. 제1항의 알루미늄 합금으로부터 제조된 알루미늄 합금 본체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 본체는 항공우주 차량을 위한 엔진 구성요소의 형태인, 알루미늄 합금 본체.
  4. 제2항에 있어서, 5 내지 35 부피%의 AlFeVSi 분산질(dispersoid)을 포함하는 알루미늄 합금 본체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 AlFeVSi 분산질은 적어도 일부의 구리를 포함하는, 알루미늄 합금 본체.
  6. 제2항에 있어서, 철 및 구리를 포함하는 세포형 구조를 포함하는 알루미늄 합금 본체.
  7. 알루미늄 합금 본체의 제조 방법으로서,
    (a) 분말을 층(bed) 내에 분산시키는 단계로서, 상기 분말은
    3 내지 12 중량%의 Fe;
    0.1 내지 3 중량%의 V;
    0.1 내지 3 중량%의 Si; 및
    1.0 내지 6 중량%의 Cu
    로 본질적으로 이루어지고, 잔부는 알루미늄 (Al) 및 불순물인, 단계;
    (b) 상기 분말의 일부를, 형성될 상기 특정 알루미늄 합금 본체의 액상선 온도(liquidus temperature)보다 높은 온도로 선택적으로 가열하는 단계;
    (c) Fe, V, Si, Cu 및 Al을 갖는 용융 풀(molten pool)을 형성하는 단계;
    (d) 상기 용융 풀을 1000℃/초 이상의 냉각 속도로 냉각시키는 단계; 및
    (e) 단계 (a) 내지 단계 (d)를 반복하여, 적층 제조된 알루미늄 합금 본체를 형성하는 단계
    를 포함하는, 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적층 제조된 알루미늄 합금 본체를 완성하여, 최종 알루미늄 합금 생성물을 실현시키는 단계;
    상기 최종 알루미늄 합금 생성물을 자연 시효시키는 단계; 및
    자연 시효 단계 후, 상기 최종 알루미늄 합금 생성물을 인공 시효시키는 단계
    를 포함하는 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자연 시효 단계 후, 상기 최종 알루미늄 합금 생성물을 1 내지 10%만큼 변형시키는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 인공 시효 단계는
    상기 최종 알루미늄 합금 생성물을 125℃ 내지 300℃의 온도에서 그리고 2 내지 48시간의 기간 동안 가열하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최종 알루미늄 합금 생성물은 항공우주 또는 자동차 차량을 위한 엔진 구성요소의 형태이며, 상기 방법은
    상기 엔진 구성요소를 상기 항공우주 또는 자동차 차량에 포함시키는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 항공우주 또는 자동차 차량을 작동시키는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 최종 알루미늄 합금 생성물은 터보 과급기를 위한 컴프레서 휠인, 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 최종 알루미늄 합금 생성물은 터빈을 위한 블레이드인, 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 최종 알루미늄 합금 생성물은 열교환기인, 알루미늄 합금 본체의 제조 방법.
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