KR20210044205A - 용접 및 적층 제조용 고성능 Al-Zn-Mg-Zr계 알루미늄 합금 - Google Patents

용접 및 적층 제조용 고성능 Al-Zn-Mg-Zr계 알루미늄 합금 Download PDF

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KR20210044205A
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조셉 알. 크로토우
논 큐. 보
조슈아 피. 돈
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나노알 엘엘씨
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Abstract

초고강도 및 우수한 용접성을 나타내는 알루미늄-아연-마그네슘-지르코늄계 합금 및 알루미늄-아연-마그네슘-구리-지르코늄계 합금 및 그 제조 방법.

Description

용접 및 적층 제조용 고성능 Al-Zn-Mg-Zr계 알루미늄 합금
본원은 2018년 6월 20일자로 출원되고, 명칭이 "용접 및 적층 제조용 고성능 Al-Zn-Mg-Zr계 알루미늄 합금"이며, 개시 내용의 전체가 본원에서 참조로 포함되는 미국 가특허출원 제62/687,418호의 우선권 및 그 이익을 주장한다.
본원은, (i) 통상적인 제조 기술(예를 들어, 시트 주조), (ii) 분말 야금, 또는 (iii) 용융 프로세스를 이용한 적층 제조 기술에 의해서 프로세스될 때, 다른 상용 7000-계열 알루미늄 합금에 비해서, 초고강도, 개선된 열적 안정성 및 용접성을 가지는 구성요소를 제조할 수 있는, Al-Zn-Mg 및 Al-Zn-Mg-Cu 합금 계열, 또는 7000-계열 알루미늄 합금에 관한 것이다.
7000-계열 알루미늄 합금은 이용 가능한 가장 고강도의 합금 중 하나이다. 이러한 그리고 다른 특성으로 인해서, 그러한 합금은 종종 자동차, 항공기, 및 우주항공 산업에서 이용된다. 그러나, 7000-계열 알루미늄 합금은 일반적으로 용접이 거의 불가능한 것으로 당업자에 의해서 인식되고, 이는 많은 적용예에서의 그 사용을 제한한다. 따라서, 용접 가능한 7000-계열 알루미늄 합금을 제공할 수 있는 능력이 매우 요구되고 있다. 그러한 재료는 또한, 알루미늄 합금 구성요소 및 제품을 생산하기 위한, 적층 제조(즉, 3D 프린팅)와 같은 제조 프로세스에서의 이용에 적합할 수 있다.
본원에서 설명된 실시예는, 하나 이상의 부가적인 전이 금속 또는 희토류 금속, 그리고 선택적으로 구리를 포함하는, 7000-계열 알루미늄-아연-마그네슘-계 합금에 관한 것이다. 접종물(inoculant)(Sn, In, 또는 Sb)을 더 포함할 수 있는 알루미늄 합금이, 용접을 이용할 수 있는 제조 방법, 공급원료로서 와이어 또는 분말을 이용하는 적층 제조 방법, 또는 분말 야금에서 이용하기에 적합한 공급원료(즉, 시트, 와이어, 분말 등)로 제조될 수 있다. 여러 양태에서, 본 개시 내용은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄, 그리고 나머지 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금을 제공한다. 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다는 것이 확인되었다. 유리한 특성의 결과로서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및/또는 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다. 또한, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다.
본 개시 내용은 또한 용접 가능 알루미늄 합금을 생산하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은, 성분들의 액체 혼합물을 형성하기 위해서 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃의 온도에서, 알루미늄-마스터 합금 또는 순수 원소를 첨가하면서, 재활용 알루미늄 또는 버진 알루미늄(virgin aluminum)을 용융시키는 단계를 포함하고, 그러한 성분들의 액체 혼합물은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄 또는 대안적으로 약 0.3 내지 약 2 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 가돌리늄, 디스프로슘, 에르븀 또는 이테르븀, 또는 그 조합, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 그리고 나머지 알루미늄을 포함하고, 성분들의 액체 혼합물은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 용융된 구성요소가 주변 온도의 또는 냉각된 주조 몰드(an ambient or chilled casting mold) 내로 주조되어 주조된 잉곳을 형성할 수 있고, 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리되어, L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg 고용체를 포함하는 용체화된 잉곳을 형성할 수 있다. 용체화된 잉곳은 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물 또는 단조물로 열간-형성 및/또는 냉간-형성될 수 있다.
또한, 방법은 최종-형상의 구성요소, 또는 거의-최종-형상의 구성요소(near-net-shape), 또는 빌릿(billet)으로부터 압출된 구성요소의 제조에 관한 것이다. 이러한 방법은, 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 그리고 분말 야금의 경우에, 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 제조하기 위해서, 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금에 대해서 적층 제조 프로세스 또는 분말 야금 프로세스를 적용하는 단계를 포함한다. 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 일차 석출물(예를 들어, Al3Zr), 및 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성할 수 있고, 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래한다.
개시된 알루미늄 합금은 또한 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성하기 위해서 이용될 수 있다. 이는, 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성하기 위해서 알루미늄 합금 분말을 냉간 분무 프로세스, 열 분무 프로세스(thermal spray process), 레이저-보조 냉간 분무 프로세스, 또는 레이저 크래딩 프로세스를 적용하는 것을 포함한다. 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소를 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리할 수 있다. 일부 경우에, 구성요소의 열처리 후에, 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리할 수 있다.
본원에서 개시된 7000-계열 알루미늄 합금의 장점은 그 피용접성이다. 따라서, 용접된 금속 조립체를 제조하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 용접 프로세스에서 2개 이상의 알루미늄 합금 구성요소를 필러 재료로 접합하는 단계를 포함한다. 구성요소들을 접합하는 필러 재료는 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 와이어 또는 봉재일 수 있다. 둘 이상의 알루미늄 합금 구성요소의 각각이 Al-Zn-Mg 합금, Al-Zn-Mg-Cu 합금, Al-Zn-Mg-Zr 합금, 및 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 합금으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 합금은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄, 그리고 약 3 % 이하의 구리(존재할 때)를 포함한다. 알루미늄은 조성물의 나머지를 구성하고, 그러한 조성물은 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다.
본원에 포함된 도면은, 본원에서 설명된 특정 실시예에 의해서 달성될 수 있고 어떠한 방식으로도 제한적이지 않은, 본원에서 설명된 금속 합금의 미세조직의 그리고 재료 특성 예이다.
도 1은 Al-11Zn-2.5Mg-1Cu 중량%의 용융-스피닝된 리본(melt-spun ribbon)의 주사전자현미경 사진이다. 입자들이 크고, 리본의 폭에 걸쳐진다.
도 2는 Al-11Zn-2.5Mg-1Cu-1.5Zr 중량%의 용융-스피닝된 리본의 주사전자현미경 사진이다. 입자들은 매우 정제되고, 다수의 입자가 리본 내에 포함된다.
도 3은, 열간 압축(hot-compacted) 및 압출되고, 용체화 열처리되고, 인공 시효 처리된, Al-11Zn-2.5Mg-1Cu 중량% 용융-스피닝된 리본의 광학적 현미경 사진이다. 입자들이 수백 마이크로미터 크기까지 성장되었다.
도 4는, 열간 압축 및 압출되고, 용체화 열처리되고, 인공 시효 처리된, Al-11Zn-2.5Mg-1Cu-1.5Zr 중량% 용융-스피닝된 리본의 광학적 현미경 사진이다. 매우 정련된 입자 미세조직이 보전되었다.
도 5는 450 ℃에서의 통상적인 용체화 열처리 중에 통상적으로 주조된 Al-10Zn-3Mg 합금이 연화되는 것을 도시하는 반면, Al-10Zn-3Mg-1.2Zr은, Al3Zr 나노-석출물로 인해서 동일한 용체화 단계 중에 경화 응답을 나타낸다.
도 6은 450 ℃에서의 통상적인 용체화 열처리 중에 통상적으로 주조된 Al-10Zn-3Mg 합금이 입자 성장되는 것을 도시하는 반면, Al-10Zn-3Mg-(0.6-1.2)Zr은 개선된 열적 안정성을 나타내고 높은 온도에서 입자 성장을 저지한다.
도 7은 실시예에 따른 적층 제조(AM) 프로세스의 비제한적인 예를 도시한다.
도 8은, 실시예에 따른, 압축 및 소결 또는 열적 프로세싱의 단계를 포함하는 일반적인 분말 야금 프로세스를 도시한다.
통상적인 7000-계열 합금 금속 분말은 주로 아연 및 마그네슘, 그리고 선택적으로 구리로 구성되고, 나머지는 알루미늄이다. 이러한 합금 원소들의 조합이 7000-계열의 알루미늄 합금을 구성한다. 이러한 합금은, 프로세스-후 시효 처리 중에 고체 합금 내에 형성되는, Zn2Mg 석출물의 형성에 의해서 강화된다. Al-Zn-Mg계 시스템에 구리를 첨가하는 것이 합금의 강도를 개선하나, 또한 내식성 및 합금의 피용접성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 피용접성은, 적층 제조 방법에 의해서 프로세스되는 합금을 위한 필수적인 전제조건이다.
용접을 이용하는 통상적인 제조 프로세스(예를 들어, 시트 주조)에서, 2개의 고체 금속 구성요소가 서로 접촉되게 배치되고, 에너지원을 이용하여 2개의 구성요소의 표면을 국소적으로 용융시키고, 2개의 구성요소의 액체 상이 대류에 의해서 혼합된다. 일단 응고되면, 2개의 구성요소들이 야금학적으로 접합되고, 용접부에 걸친 화학적 조성이 종종 기본 재료로부터 구별될 수 없다. 그러한 프로세스에서, 에너지원은 전류, 레이저 빔, 또는 전자 빔일 수 있다. 특정 프로세스에서, 용융된 용접부 내로 와이어 또는 봉재를 공급하는 것에 의해서 부가적인 금속이 용접부에 첨가되고, 첨가된 재료가 에너지원에 의해서 용융되고 대류에 의해서 2개의 구성요소의 액체 상과 혼합된다. 일단 응고되면, 2개의 구성요소들이 야금학적으로 접합되고, 용접부의 화학적 조성은 종종 기본 재료와 상이하다. 이러한 프로세스 중에, 에너지원으로부터의 열 입력이 기본 재료의 화학적 성질 및 미세조직을 변경할 수 있고, 결과적으로, 재료의 영역 내에서, 열 영향 구역(HAZ)으로 알려진, 기본 재료로부터의 용접부의 분리를 초래할 수 있다. 따라서, 용접부는, 종종 미세조직 및 기계적 특성이 상당히 상이한, 용접부 또는 융합 구역(FZ), HAZ, 및 기본 재료를 포함하는, 3개의 구분된 구역에 의해서 특징지어질 수 있다. 가장 특히, FZ의 미세조직 및 기계적 특성은 주조 합금의 것과 유사할 것이고, 종종 기본 재료보다 훨씬 낮은 강도를 가질 것이다. 용접부 내로의 열 입력은 HAZ 내의 인접 입자를 조대화하거나 재결정화하는데 충분하고, 그에 따라 이러한 영역 내의 특성을 기본 재료의 특성보다 감소시킨다. 기본 재료는 용접에 의해서 영향을 받지 않고 시작 재료의 특성을 유지한다.
통상적인 7000-계열 알루미늄 합금이 용접될 때, 그리고 특히 그러한 합금이 합금 원소로서 구리를 포함할 때, 입자 성장이 억제되지 않고, 상 편석(phase segregation)은 고체 상과 액체 상 사이에 형성되는 액화 균열, 그리고 용접 프로세스 중에 생성되는 극단적인 내부 응력을 견딜 수 없는 미정제 입자 구조물로부터 기인하는 열간 균열을 초래한다. 따라서, AA7050 및 AA7075와 같은 7000-계열 알루미늄 합금은 일반적으로 당업자에 의해서 용접이 불가능한 것으로 인식된다.
3D 프린팅으로 일반적으로 지칭되는 적층 제조는 최종-형상의, 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 적층 방식으로 형성하는 방법을 일반적으로 설명하고, 여기에서, 희망하는 3-차원적인 형상에 도달할 때까지, 재료가 한 번에 한 층씩 침착되고, 이러한 방법으로부터 초래되는 폐기 재료 또는 스크랩은 매우 적다. 이는, 최종적인 3-차원적인 형상에 도달할 때까지 큰 예비-성형체로부터 재료가 제거되는, 예를 들어 밀링되는 통상적인 "차감형 제조"와 대조적이고, 이러한 방법에서는 일반적으로 많은 폐기 재료 및 스크랩이 발생된다.
금속의 적층 제조는 전형적으로 구형 금속 합금 분말을 이용하고, 특정 위치에서 금속 분말을 융합시켜 큰 공간적 해상도를 갖는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하기 위해서, 레이저 빔 또는 전자 빔과 같은 집중된 에너지원을 이용한다. 구형 금속 분말은 전형적으로, 구형 분말을 자연적으로 생성하는 가스-무화(gas-atomization) 또는 플라즈마-무화에 의해서, 또는 불규칙적인 입자를 구형 분말로 변환하는 플라즈마 구형화에 의해서 제조된다. 전형적으로, 이러한 적층 제조 기술의 이용 중에, 금속 분말은 에너지원에 의해서 완전히 용융되고 급속으로 응고되며, 그에 따라 이들은, 이미 존재하는 기재 또는 이전에 침착된 분말 재료의 층일 수 있는, 하부 재료에 융합된다. 희망하는 즉, 99% 초과의 상대적인 밀도를 갖는 부품을 성취하기 위해서, 침착된 재료의 다수의 층들이, 전형적으로 한 번 초과 재-용융되고, 그에 따라 침착된 재료의 각각의 층 사이에서 완전한 융합이 존재한다. 이러한 프로세스 중에, 용융 합금은, 103 ℃/초의 냉각 속도를 쉽게 초과하여 그리고 106 ℃/초 정도로 빠르게, 급속으로 응고된다. 이러한 냉각 속도는, 전형적으로 약 100 내지 102 ℃/초인 용융 합금의 통상적인 주조 중에 발생되는 냉각 속도를 크게 초과한다. 적층 제조 기술 고유의 매우 빠른 냉각 속도로 인해서, 이들은 평형에 도달하지 못하는 것으로 간주되고, 평형 프로세싱을 위해서 최적화된 통상적인 합금은 그러한 방법에 의해서 용이하게 프로세스될 수 없다.
통상적인 7000-계열 알루미늄 합금이 적층 제조 방법에 의해서 프로세스될 때, 입자 성장이 억제되지 않고, 상 편석(phase segregation)은 고체 상과 액체 상 사이에 형성되는 액화 균열, 그리고 적층 제조 방법 중에 생성되는 극단적인 내부 응력을 견딜 수 없는 미정제 입자 구조물로부터 기인하는 열간 균열을 초래한다. 따라서, AA7050 및 AA7075와 같은 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금은 일반적으로 당업자에 의해서 적층 제조하기 거의 불가능한 것으로 인식된다. 그러한 2개의 난제에 대한 해결책은 응고되는 재료 내의 입자의 크기를 정제하는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 시도로서 나노입자가 이용된다. 나노입자는 금속 합금 분말의 표면을 코팅하기 위해서 이용될 수 있고, 이어서 나노입자들은 적층 제조 중에 용융 합금 내에서 통합된다. 이러한 나노입자는 수지상(dendrite) 성장을 억제하고, 그에 따라 입자 성장을 방해하여, 제조된 고체 내의 입자 크기를 효과적으로 정제하며, 그에 따라 액화 균열 및 열간 파열이 방지되며, 조밀하고 결함이 없는 구성요소가 프로세스하기 어려운 합금으로부터 제조될 수 있다. 그러나, 금속 합금 분말을 나노입자로 코팅하는 프로세스는 적층 제조를 위한 금속 합금 분말의 생산에 비용 및 복잡성을 부가하고, 그에 따라 적층 제조 방법에서 이용하기 위한 금속 합금 분말의 대량의 그리고 경제적인 생산을 위한 이상적인 기술로서 간주되지 않는다.
선택적인 다른 원소에 더하여 스칸듐(Sc)을 필요로 하는 7000-계열 알루미늄 합금 분말이 제조되었고 적층 제조 프로세스에서 이용되어 왔다. 예를 들어, Lenczowski(US　2017/0233857　A1) 참조. 그러나, 스칸듐은 매우 고가인 것으로 알려져 있고(대략적으로 은보다 약 10 더 고가이다), 그 이용성이 또한 제한된다. 따라서, 스칸듐의 이용은 분말화된 합금의 비용을 크게 증가시키고, 그에 따라 대량 적용예를 위한 그 용도를 제한한다.
일반적으로, 희망 특성을 가지는 알루미늄 합금, 구체적으로 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된, 용접된 구성요소 또는 적층 제조된 구성요소에서 (ASTM E112에 따라 측정되는) 입자 크기를 정제하는 개선된 방법이 요구되고 있다. 바람직하게, 이러한 방법은 합금의 화학적 성질에 의해서 달성될 수 있고, 나노입자를 용접부 또는 적층 제조된 구성요소에 통합하기 위한 이차적인 단계를 필요로 하지 않을 수 있다. 또한, 이러한 방법은 첨가되는 금속 원소로서의 고가의 스칸듐의 이용을 피할 수 있어야 한다.
또한, 이는 이러한 방법에 의해서 프로세스되는 7000-계열 알루미늄 합금에서 바람직할 뿐만 아니라, 기존 합금의 성능을 능가하는 합금을 가지는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 용접 및 적층 제조와 연관된 난제를 극복하기 위해서, AA7075와 같은, 알려진 7000-계열 알루미늄 합금을 채택하는 것이 바람직할 수 있으나, Al-Zn-Mg 또는 Al-Zn-Mg-Cu 시스템을 기초로 하는 합금으로부터 보다 더 높은 성능을 달성하는 것이 더 바람직할 수 있다.
전형적으로, 고강도의 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금은 용접이 불가능한 것으로 알려져 있다. 대조적으로, 개시된 합금은, 비제한적으로, 필러 재료(즉, 용접 공급 재료 또는 용접 와이어)가 있거나 없이, 동일한 합금 조성을 가지는 구성요소에 용접될 수 있는, 초고강도 및 용접 가능한 알루미늄 합금을 형성하는데 있어서 유리하다. 필러 재료는 또한 모 재료(parent material)와 동일한 합금 조성을 가질 수 있다. 또한, 개시된 합금은, 비제한적으로, 분말 기반의 적층 제조 기술, 예를 들어 레이저 분말 베드 융합, 지향형 에너지 침착, 레이저 엔지니어링된 최종 형상, 그리고 레이저 크래딩, 및 와이어-기반의 적층 제조 기술, 예를 들어 와이어-아크 적층 제조에서, 특히 유리하다. 이러한 방법에 의해서 7000-계열 알루미늄 합금을 프로세스하는 것이 매우 어려운데, 이는, 용접될 수 없는 이러한 합금에 기인하는 액화-균열 및 열간-파열로 인해서, 그러한 합금이 실패하는 경향이 있기 때문이다. 개시된 합금은, 이러한 난제를 극복하도록, 그에 따라 프로세싱에서 급속 용융 및 응고가 본질적인 그러한 방법에 의해서 용이하게 프로세스되도록, 구체적으로 설계되었다. 또한, 개시된 합금은, 분말 또는 가공된 제품 형태의, 통상적인 7000-계열로부터 제조된 구조적 구성요소의 ASTM E8/E8M에 따라 측정되는 바와 같은 강도 그리고 (구체적으로 입자 크기의 안정성으로서 정의되는) 열적 안정성을 개선하는데 있어서 유리한데, 이는, 개시된 합금이 고온에서 이차 석출-강화 상을 형성하기 때문이고, 그러한 상은 통상적인 합금에서는 형성되지 않는다. 이러한 새로운 상은 강도의 증가에 기여하고, 합금이 고온에서 재결정을 억제할 수 있게 한다. 마지막으로, 개시된 합금은, 열간 등압 프레싱, 분말 몰딩, 및 압출과 같은 통상적인 분말 야금 기술에서 유리하다. 이러한 기술 중에, 개시된 합금은 다시 고온에서 비-통상적인 강화 상(예를 들어, Al3Zr)을 석출하고, 이는, 재결정 억제에 의해서, 합금의 강도를 높이고 열적 안정성을 개선한다. 이러한 비-통상적인 석출물은, 7000-계열 알루미늄 합금을 강화하는 통상적인 석출물(예를 들어, Zn2Mg)에 대해서 부가적이다. 따라서, 개시된 합금은, 예를 들어, 우주항공 및 자동차 적용예, 스포츠 및 레저 장비, 및 소비자 상품에서 구조적 구성요소의 성능을 개선하는데 있어서 유리하다.
정의
본원에서 사용된 바와 같이, "통상적인 7000-계열 알루미늄 합금"은, 아연(Zn)이 일차 합금 원소이고 마그네슘이 적은 양으로 존재하는 알루미늄 합금을 지칭한다. 구리, 규소, 및 철과 같은 다른 원소가 또한 적은 양으로 첨가될 수 있다. 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금은 열-처리 가능한, 고강도 재료로서 특징 지어진다. 일반적으로 알려진 7000-계열 알루미늄 합금의 예는 AA7070 및 AA7075를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "입자 성장"은 고체 알루미늄 내의 입자의 크기의 증가를 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "액화 균열" 또는 "열간 균열"은 용접 금속의 응고 중의 수축 균열의 형성을 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "고용체"는, 주 성분의 결정 격자 내에서 균일하게 분포된 적은 성분을 포함하는 고체 혼합물을 지칭한다. 이는, 고체 상태에서 전체적인 또는 부분적인 혼화성 간극(miscibility gap)을 갖는 둘 이상의 고체의 기계적 혼합물과 구별된다.
본원에서 사용된 바와 같이, "구성요소"는 알루미늄 합금 또는 알루미늄 합금 분말로 제조된 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 금속 구조물을 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "적층 제조"(AM)는, 3-차원적인 물체를 초래하고 한 번에 하나의 층으로 물체의 형상을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는, 임의의 프로세스를 지칭한다. 예를 들어, AM 프로세스는 3-차원적인 프린팅(3DP) 프로세스, 레이저-최종-형상 제조, 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 직접 금속 레이저 용융(DMLM), 플라즈마 전달된 아크, 자유 형태 제조 등을 포함한다. 비제한적인 특정 유형의 AM 프로세스는, 분말 재료를 소결 또는 용융시키기 위해서, 에너지 빔, 예를 들어, 전자 빔 또는 전자기 복사선, 예를 들어 레이저 빔을 이용한다. AM 프로세스는 원료로서 금속 분말 재료 또는 와이어를 이용할 수 있다.
본원에서 설명된 실시예는 Al-Zn-Mg-계 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 그러한 합금은 전이 금속 또는 희토류 금속 원소와 추가적으로 합금화되었고, 구리 및/또는 접종물(Sn, In, 또는 Sb)을 포함할 수 있고, 그에 따라 그러한 합금은 고강도, 개선된 열적 안정성, 및 우수한 용접성을 갖는다. 따라서, 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 열-처리 가능 알루미늄 합금이다.
합금 조성
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속 원소 또는 희토류 원소; 그리고 나머지 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금이 제공되고, 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전이 금속 또는 희토류 금속은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 Ti, Zr, Hf, 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Er, 및 Yb로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속 원소 또는 희토류 원소; 그리고 나머지 알루미늄으로 본질적으로 이루어진 알루미늄 합금이 제공되고, 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전이 금속 또는 희토류 금속은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 약 0.3 내지 약 2 %의 전이 금속 원소를 포함한다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 Ti, Zr, Hf, 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Er, 및 Yb로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속 원소 또는 희토류 원소; 그리고 나머지 알루미늄으로 본질적으로 이루어진 알루미늄 합금으로서, 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 알루미늄 합금이 금속 또는 반금속(metalloid) 불순물을 더 포함한다. 이러한 맥락에서, 불순물은, 다른 의도된 강화 메커니즘에 영향을 미치지 않거나 알루미늄 합금의 재료 특성을 상당히 저하시키지 않는, 금속 또는 반금속 첨가제를 지칭한다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금의 불순물은 규소 및/또는 철이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 규소 및/또는 철 불순물은, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 양으로 존재한다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 규소 및/또는 철 불순물은, 약 0.3 중량%를 초과하지 않는 양으로 존재한다. 일부 실시예에서, 규소 및/또는 철 불순물은, 개시된 알루미늄 합금에서, 약 0.1 %를 초과하지 않는 양으로 존재한다. 어떠한 특정 이론에도 구속되지 않고, 고농도(즉, 약 0.5 중량%를 초과하는 농도)의 불순물 또는 불순물들(즉, 규소 및/또는 철)의 조합이, 본원에서 개시된 알루미늄 합금의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는, 유해한 금속간 상을 알루미늄 매트릭스 내에서 형성할 것임을 발견하였다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속 원소; 그리고 나머지 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금이 제공되고, 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 Ti, Zr, Hf, 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 전이 금속은 Zr이다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 희토류 원소; 그리고 나머지 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금이 제공되고, 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Er, 및 Yb로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 예를 들어, 약 4%, 약 4.5%, 약 5%, 약 5.5%, 약 6%, 약 6.5%, 약 7%, 약 7.5%, 약 8%, 약 8.5%, 약 9%, 약 9.5%, 약 10%, 약 10.5%, 약 11%, 약 11.5%, 또는 약 12%이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 합금은 약 5 내지 약 12 중량%의 아연, 약 6 내지 약 12 중량%의 아연, 약 7 내지 약 12%, 약 8 내지 약 12%, 약 9 내지 약 12%, 약 10 내지 약 12%, 약 5 내지 약 11%, 약 6 내지 약 11%, 약 7 내지 약 11%, 약 8 내지 약 11%, 약 4 내지 약 10%, 약 5 내지 약 10%, 약 6 내지 약 10%, 약 7 내지 약 10%, 약 8 내지 약 10%, 약 4 내지 약 9%, 약 5 내지 약 9%, 약 6 내지 약 9%, 약 7 내지 약 9%, 약 4 내지 약 8%, 약 5 내지 약 8%, 약 6 내지 약 8%, 약 4 내지 약 7%, 약 5 내지 약 7%, 약 4 내지 약 6%, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 아연을 포함한다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 7 내지 약 12 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 7 내지 약 11 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 7 내지 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 7 내지 약 9 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 8 내지 약 12 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 8 내지 약 11 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 8 내지 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 11 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 9 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 8 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 7 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 6 내지 약 12 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 6 내지 약 11 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 6 내지 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 6 내지 약 9 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 6 내지 약 8 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 9 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 5 내지 약 8 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 11 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 아연의 양은 약 12 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서,
일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 예를 들어, 약 1%, 약 1.25%, 약 1.5%, 약 1.75%, 약 2%, 약 2.25%, 약 2.5%, 약 2.75%, 약 3%, 약 3.25%, 약 3.5%, 약 3.75%, 또는 약 4%이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 1 내지 약 3 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 2 내지 약 4 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 1.5 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 2 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 2.5 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 3 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 3.5 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 마그네슘의 양은 약 4 중량%의 마그네슘이다.
일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소 또는 희토류 금속 원소는 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 이트륨(Y), 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb) 및 루테튬(Lu), 또는 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.3 내지 약 2 중량%의 금속, 예를 들어, 약 0.3%, 약 0.4%, 약 0.5%, 약 0.6%, 약 0.7%, 약 0.8%, 약 0.9%, 약 1.0%, 약 1.1%, 약 1.2%, 약 1.3%, 약 1.4%, 약 1.5%, 약 1.6%, 약 1.7%, 약 1.8%, 약 1.9%, 또는 약 2 중량%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.3 내지 약 1 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.3 내지 약 0.7 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1 내지 약 2 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1 내지 약 1.5 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1.25 내지 약 1.75 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1.4 내지 약 1.6 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1.5 내지 약 2 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.1 내지 약 1 중량%의 금속, 예를 들어, 약 0.1%, 약 0.15%, 약 0.2%, 약 0.25%, 약 0.3%, 약 0.35%, 약 0.4%, 약 0.45%, 약 0.5%, 약 0.55%, 약 0.6%, 약 0.65%, 약 0.7%, 약 0.75%, 약 0.8%, 약 0.85%, 약 0.9%, 약 0.95%, 또는 약 1 중량%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.1 내지 약 0.5 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.6 내지 약 1 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 0.5 중량% 초과의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1.0 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 1.5 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소 또는 희토류 원소의 양은 약 2.0 중량%의 금속이다.
일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 희토류 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Er, 및 Yb로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 금속의 양은 약 0.3 내지 약 2 중량%, 예를 들어, 약 0.3%, 약 0.4%, 약 0.5%, 약 0.6%, 약 0.7%, 약 0.8%, 약 0.9%, 약 1.0%, 약 1.1%, 약 1.2%, 약 1.3%, 약 1.4%, 약 1.5%, 약 1.6%, 약 1.7%, 약 1.8%, 약 1.9%, 또는 약 2 중량%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 희토류 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 금속의 양은 약 1 내지 약 2 중량%이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 0.3 내지 약 1 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 0.3 내지 약 0.7 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 1 내지 약 2 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 1 내지 약 1.5 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 1.25 내지 약 1.75 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 1.4 내지 약 1.6 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 희토류 원소의 양은 약 1.5 내지 약 2 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 희토류 금속의 양은 약 1.0 중량%이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 희토류 금속의 양은 약 1.5 중량%이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 희토류 금속의 양은 약 2.0 중량%이다.
일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, 및 Y로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 Ti, Hf, 및 V로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속의 양은 약 0.3 내지 약 2 중량%, 예를 들어, 약 0.3%, 약 0.4%, 약 0.5%, 약 0.6%, 약 0.7%, 약 0.8%, 약 0.9%, 약 1.0%, 약 1.1%, 약 1.2%, 약 1.3%, 약 1.4%, 약 1.5%, 약 1.6%, 약 1.7%, 약 1.8%, 약 1.9%, 또는 약 2 중량%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 전이 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속의 양은 약 1 내지 약 2 중량%이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속 원소의 양은 약 0.3 내지 약 1 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 전이 금속 원소의 양은 약 0.3 내지 약 0.7 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 전이 금속 원소의 양은 약 1 내지 약 2 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 전이 금속 원소의 양은 약 1 내지 약 1.5 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 전이 금속 원소의 양은 약 1.25 내지 약 1.75 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 전이 금속 원소의 양은 약 1.4 내지 약 1.6 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내의 전이 금속 원소의 양은 약 1.5 내지 약 2 중량%의 금속이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속의 양은 약 1.0 중량%이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속의 양은 약 1.5 중량%이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 전이 금속의 양은 약 2.0 중량%이다.
일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 전이 금속 원소는 지르코늄(Zr)이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄, 예를 들어, 약 0.3%, 약 0.4%, 약 0.5%, 약 0.6%, 약 0.7%, 약 0.8%, 약 0.9%, 약 1.0%, 약 1.1%, 약 1.2%, 약 1.3%, 약 1.4%, 약 1.5%, 약 1.6%, 약 1.7%, 약 1.8%, 약 1.9%, 또는 약 2 중량%, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 Zr이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1 내지 약 2 중량%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 0.3 내지 약 1 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 0.3 내지 약 0.7 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1 내지 약 2 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1 내지 약 1.5 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1.25 내지 약 1.75 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1.4 내지 약 1.6 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1.5 내지 약 2 중량%의 지르코늄이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1.0 중량%의 Zr이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 1.5 중량%의 Zr이다. 일부 실시예에서, 개시된 합금 내에 존재하는 지르코늄의 양은 약 2.0 중량%의 Zr이다.
일부 실시예에서, 합금은, Sc를 배제한, 전이 금속 원소, 희토류 원소, 또는 란타넘족 원소의 추가적인 첨가에 의해서, 통상적인 7000-계열 합금과 구별된다. 일부 실시예에서, 합금에 대한 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Er, Tm, Yb, Lu 또는 그 조합의 총 첨가는 약 0.05 내지 약 0.8 원자%(at.%)이다. 일부 실시예에서, 합금에 대한 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Dy, Er, Tm, Yb, Lu 또는 그 조합의 총 첨가는 약 0.3 내지 약 0.5 원자%이다. 표 1에 기재된 바와 같이, 이들 농도는, 이러한 원소의 대부분에 대해서 약 0.1 원자% 미만인, 고체 알루미늄 내의 이러한 원소의 최대 평형 용해도 한계를 크게 초과한다.
Figure pct00001
* Knipling, Keith E., David C. Dunand, 및 David N. Seidman. "Criteria for developing castable, creep-resistant aluminum-based alloys-A review." Zeitschrift fuer Metallkunde 97, no. 3 (2006): 246-265.
따라서, 일부 실시예에서, 본 개시 내용은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄; 및 나머지 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금을 제공하고, 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐(Sc)도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 또는 루테튬, 또는 그 조합; 및 나머지 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금을 제공하고, 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐(Sc)도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 약 4 내지 약 12 중량%의 아연; 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘; 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄을 포함하는 알루미늄 합금은, 추가적으로 약 0.1 내지 약 1 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 또는 루테튬, 또는 그 조합; 그리고 나머지 알루미늄을 포함하고; 그러한 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 가지고; 그러한 합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있고; 그러한 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 또는 루테튬, 또는 그 조합의 양은 약 0.1%, 약 0.15%, 약 0.2%, 약 0.25%, 약 0.3%, 약 0.35%, 약 0.4%, 약 0.45%, 약 0.5%, 약 0.55%, 약 0.6%, 약 0.65%, 약 0.7%, 약 0.75%, 약 0.8%, 약 0.85%, 약 0.9%, 약 0.95%, 또는 약 1 중량%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 금속이다.
본원에서 설명된 바와 같이, 개시된 합금은 스칸듐을 가지지 않는다. 일부 실시예에서, 스칸듐은 본원에서 개시된 알루미늄 합금에 의도적으로 첨가되지 않는다. 결과적으로, 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 내의 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만, 약 0.04% 미만, 약 0.03% 미만, 약 0.02% 미만, 약 0.01% 미만, 약 0.005% 미만, 또는 약 0.001 중량% 미만의 총 조성이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 내의 스칸듐의 양은 합금 조성의 약 0.1 중량% 미만이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 내의 스칸듐의 양은 합금 조성의 약 0.05 중량% 미만이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 내의 스칸듐의 양은 합금 조성의 약 0.02 중량% 미만이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 내의 스칸듐의 양은 합금 조성의 약 0.01 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은, 합금을 더 강화하는 것으로 믿어지는 일차 석출물, 예를 들어 Al3Zr을 포함한다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.05 내지 약 1.5 ㎛, 예를 들어, 약 0.05 ㎛, 약 0.1 ㎛, 약 0.15 ㎛, 약 0.2 ㎛, 약 0.25 ㎛, 약 0.3 ㎛, 약 0.35 ㎛, 약 0.4 ㎛, 약 0.45 ㎛, 약 0.5 ㎛, 약 0.55 ㎛, 약 0.6 ㎛, 약 0.65 ㎛, 약 0.7 ㎛, 약 0.75 ㎛, 약 0.8 ㎛, 약 0.85 ㎛, 약 0.9 ㎛, 약 0.95 ㎛, 약 1.00 ㎛, 약 1.05 ㎛, 약 1.1 ㎛, 약 1.15 ㎛, 약 1.2 ㎛, 약 1.25 ㎛, 약 1.3 ㎛, 약 1.35 ㎛, 약 1.4 ㎛, 약 1.45 ㎛, 또는 약 1.5 ㎛의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.1 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 Al-X 일차 석출물이다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 Al3Zr이다. 일부 실시예에서, 다수의 전이 금속 또는 희토류 금속이 알루미늄 합금 내에 존재할 때, Al-X 일차 석출물은 Al-X1-X2, Al-X1-X2-X3 등의 일차 석출물이고, 여기에서 X1, X2, 및 X3 등의 각각은 상이한 전이 금속 또는 희토류 금속을 나타낸다.
일부 실시예에서, 일차 석출물은, 약 1 내지 약 100 nm, 예를 들어, 약 1 nm, 약 2 nm, 약 4 nm, 약 6 nm, 약 8 nm, 약 10 nm, 약 12 nm, 약 14 nm, 약 16 nm, 약 18 nm, 약 20 nm, 약 22 nm, 약 24 nm, 약 26 nm, 약 28 nm, 약 30 nm, 약 32 nm, 약 34 nm, 약 36 nm, 약 38 nm, 약 40 nm, 약 42 nm, 약 44 nm, 약 46 nm, 약 48 nm, 약 50 nm, 약 52 nm, 약 54 nm, 약 56 nm, 약 58 nm, 약 60 nm, 약 62 nm, 약 64 nm, 약 66 nm, 약 68 nm, 약 70 nm, 약 72 nm, 약 74 nm, 약 76 nm, 약 78 nm, 약 80 nm, 약 82 nm, 약 84 nm, 약 86 nm, 약 88 nm, 약 90 nm, 약 92 nm, 약 94 nm, 약 96 nm, 약 98 nm, 또는 약 100 nm의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 가지는 나노-스케일 석출물이다. 일부 실시예에서, 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 50 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 20 nm의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 나노-스케일 석출물은 Al-X 나노-스케일 석출물이다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, 나노-스케일 석출물은 Al3Zr이다. 일부 실시예에서, 다수의 전이 금속 또는 희토류 금속이 알루미늄 합금 내에 존재할 때, Al-X 나노-스케일 석출물은 Al-X1-X2, Al-X1-X2-X3 등의 나노-스케일 석출물이고, 여기에서 X1, X2, 및 X3 등의 각각은 상이한 전이 금속 또는 희토류 금속을 나타낸다.
일부 실시예에서, L12 결정 조직을 갖는 나노-스케일 석출물 Al-X(또는 Al-X1-X2, Al-X1-X2-X3, 등)은, 약 1 내지 약 100 nm 범위의, 예를 들어, 약 1 nm, 약 2 nm, 약 4 nm, 약 6 nm, 약 8 nm, 약 10 nm, 약 12 nm, 약 14 nm, 약 16 nm, 약 18 nm, 약 20 nm, 약 22 nm, 약 24 nm, 약 26 nm, 약 28 nm, 약 30 nm, 약 32 nm, 약 34 nm, 약 36 nm, 약 38 nm, 약 40 nm, 약 42 nm, 약 44 nm, 약 46 nm, 약 48 nm, 약 50 nm, 약 52 nm, 약 54 nm, 약 56 nm, 약 58 nm, 약 60 nm, 약 62 nm, 약 64 nm, 약 66 nm, 약 68 nm, 약 70 nm, 약 72 nm, 약 74 nm, 약 76 nm, 약 78 nm, 약 80 nm, 약 82 nm, 약 84 nm, 약 86 nm, 약 88 nm, 약 90 nm, 약 92 nm, 약 94 nm, 약 96 nm, 약 98 nm, 또는 약 100 nm의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, L12 결정 조직을 갖는 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 50 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, L12 결정 조직을 갖는 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 20 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되지 않으면서, 이러한 나노-스케일 석출물의 형성은, 통상적인 7000-계열 합금으로부터 예상될 수 있는 것을 뛰어 넘는 강도 증가를 제공하는 것으로 생각된다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, L12 결정 조직을 갖는 나노-스케일 석출물은 Al3Zn 나노-스케일 석출물이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 Al-X 일차 석출물 및 Zn2Mg 석출물의 동시적인 분산체를 갖는 알루미늄 매트릭스를 포함한다. 일부 실시예에서, 동시적인 분산체는 나노-스케일 석출물 Al-X를 더 포함한다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다.
전술한 원소 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu(X)의 첨가는 금속 합금 내에서 열적으로 안정적인 알루미나이드 금속간 상 즉, Al-X를 형성할 것으로 예상되고, 다수의 원소가 첨가되는 경우에, 혼합된 알루미나이드 상, 즉 Al-(X1, X2, X3, 등)을 형성할 것이다. 어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되지 않으면서, 이러한 첨가 원소 및 결과적인 금속간 상의 목적은 3중적인 것으로 생각된다:
1. 이러한 고체 금속간 상이 용융 합금으로부터 석출되어 일차 석출물을 형성할 것이고, 그러한 일차 석출물은 약 0.1 내지 수십(10s) 마이크로미터이고, 바람직하게 크기가 0.1 내지 1.5 ㎛이며, 응고시에 fcc-Al 입자를 위한 핵생성 장소를 제공하고, 그에 따라 응고된 합금은 정제된 입자 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.1 내지 약 1.5 ㎛이다. 이는, 적층 제조와 연관된 일반적인 난제의 일부를 해결한다.
2. 프로세스-후 열처리 중에, 이러한 원소는 고체 합금 내에서, 크기가 약 1 내지 약 100　nm 또는 약 3 내지 약 20 nm인, 나노-스케일의 알루미나이드 석출물을 형성할 것이다. 이러한 석출물은, 통상적인 7000-계열 합금에서 예상될 수 있는 것을 뛰어 넘는 강도 증가를 제공한다. 또한, 이러한 알루미나이드 석출물은 일반적으로, 합금 내에 존재하고 고체 합금 내에서 미세-스케일의 Zn2Mg 석출물을 형성하며 통상적인 7000-계열 합금에서 강화 효과를 담당하는, 아연 및 마그네슘과 상호 작용하지 않고, 그에 따라 열처리 후에, 합금은, 통상적인 7000-계열 합금에서 예상될 수 있는 강도를 획득하기 위해서, 통상적인 방식으로 열처리될 수 있다.
3. 미세-스케일의 일차 석출물 및 나노-스케일의 알루미나이드 석출물 모두는, 고체 알루미늄 내의 이들 원소의 느린 확산성으로 인해서, 우수한 열적 안정성을 갖는다. 이러한 석출물은, 재결정에 대한 장벽을 제공하는 것에 의해서, 합금의 열적 안정성을 개선한다.
일부 실시예에서, 개시된 합금은, 고온에서, 통상적인 7000-계열 합금에 존재하지 않는, 비-통상적 강화 상(예를 들어, Al3Zr와 같은 금속간 상)을 형성한다. 이러한 비-통상적인 석출물은, 7000-계열 알루미늄 합금을 강화하는 통상적인 석출물(예를 들어, Zn2Mg)에 대해서 부가적이다. 어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되지 않으면서, 이러한 새로운 상은 강도 증가를 담당하고, 재결정을 억제하는 것에 의해서 열적 안정성을 개선한다.
일부 실시예에서, 구리가 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금에 더 첨가된다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 구리의 양은 약 3 중량% 이하의 구리이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 구리의 양은 약 1 내지 약 4 중량%의 구리, 예를 들어, 약 1%, 약 1.25%, 약 1.5%, 약 1.75%, 약 2%, 약 2.25%, 약 2.5%, 약 2.75%, 약 3%, 약 3.25%, 약 3.5%, 약 3.75%, 또는 약 4%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 구리이다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 구리의 양은 약 0 내지 약 3 중량%의 구리이다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 3 중량% 이하의 구리를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 2 중량% 이하의 구리를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 1 중량% 이하의 구리를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 약 1 중량%의 구리를 포함한다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 추가적으로, 약 0.001 내지 약 0.1 원자% 범위의, 예를 들어 약 0.001%, 약 0.005%, 약 0.010%, 약 0.015%, 약 0.02%, 약 0.025, 약 0.030%, 약 0.035%, 약 0.040%, 약 0.045%, 약 0.050%, 약 0.055%, 약 0.060%, 약 0.065%, 약 0.070%, 약 0.075%, 약 0.080%, 약 0.085%, 약 0.090%, 또는 약 0.10%, 약 0.15%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는, Sn, In, 또는 Sb를 포함한다. 어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되지 않으면서, 이러한 적은 양의 첨가가 전이 금속의 석출 반응속도를 가속한다는 것이 확인되었다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 규소(Si) 및 철(Fe) 불순물 중 하나 이상을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 규소 및/또는 철 불순물은, 개별적으로 또는 조합으로, 약 1 중량%, 약 0.9 중량%, 약 0.8 중량%, 약 0.7 중량%, 약 0.6 중량%, 약 0.5 중량%, 약 0.4 중량%, 약 0.3 중량%, 약 0.2 중량%, 또는 약 0.1 중량% 이하의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 이하를 포함하는 양으로 존재한다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 규소 및/또는 철 불순물은, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 양으로 존재한다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금 내의 규소 및/또는 철 불순물은, 약 0.3 중량%를 초과하지 않는 양으로 존재한다. 일부 실시예에서, 규소 및/또는 철 불순물은, 개시된 알루미늄 합금에서, 약 0.1 %를 초과하지 않는 양으로 존재한다. 어떠한 특정 이론에도 구속되지 않고, 고농도(즉, 약 0.5 중량%를 초과하는 농도)의 불순물 또는 불순물들(즉, 규소 및/또는 철)의 조합이, 본원에서 개시된 알루미늄 합금의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는, 유해한 금속간 상을 알루미늄 매트릭스 내에서 형성할 것임을 발견하였다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 4 내지 12 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 지르코늄, 및 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 7 내지 12 중량%의 아연, 2 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 지르코늄, 및 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 5 내지 7 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 지르코늄, 및 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 합금은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 지르코늄, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 망간, 크롬, 규소 및 철 불순물, 그리고 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 합금은 약 7 내지 약 12 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 지르코늄, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 망간, 크롬, 규소 및 철 불순물, 그리고 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 합금은 약 5 내지 약 7 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 지르코늄, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 망간, 크롬, 규소 및 철 불순물, 그리고 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬 또는 그 조합, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 망간, 크롬, 규소 및 철 불순물, 그리고 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 약 7 내지 약 12 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬 또는 그 조합, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 망간, 크롬, 규소 및 철 불순물, 그리고 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 약 5 내지 약 7 중량%의 아연, 1 내지 4 중량%의 마그네슘, 약 3 중량% 이하의 선택적인 구리, 0.3 내지 2 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬 또는 그 조합, 약 0.5 중량%를 초과하지 않는 망간, 크롬, 규소 및 철 불순물, 그리고 나머지 알루미늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는다. 따라서, 스칸듐의 양은 약 0.05% 미만 또는 약 0.02 중량% 미만이다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금은 하나 이상의 접종물을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 접종물은 Sn, In, 및 Sb로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 77 내지 약 82%, 예를 들어, 약 77.2%, 약 77.4%, 약 77.6%, 약 77.8%, 약 78%, 약 78.2%, 약 78.4%, 약 78.6%, 약 78.8%, 약 79%, 약 79.2%, 약 79.4%, 약 79.6%, 약 79.8%, 약 80%, 약 80.2%, 약 80.4%, 약 80.6%, 약 80.8%, 약 81%, 약 81.2%, 약 81.4%, 약 81.6%, 약 81.8%, 또는 약 82%의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 78 내지 약 82%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 79 내지 약 82%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 80 내지 약 82%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 80.5 내지 약 82%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 81 내지 약 82%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 80 내지 약 81%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 81.5 내지 약 82%의 알루미늄의 양이다. 일부 실시예에서, 나머지 알루미늄은 약 80.5 내지 약 81.0%의 알루미늄의 양이다.
개시된 7000-계열 알루미늄 합금은, 최종 구성요소에서 정제된 입자 크기를 생성하기 위해서 용융 상으로부터 프로세스될 때의 현장(in situ)에서의 상 반응의 발생에 의해서, 액화 균열 및 열간 파열과 같은, 용접 및 적층 제조의 난제를 극복하도록 설계되었고; 그러한 액체 상 프로세싱은, 에너지원으로서 전기 아크, 레이저 빔, 또는 전자 빔을 이용하는 대부분의 용접 및 적층 제조 프로세스에서 필연적이다. 이러한 알루미늄 합금은, 구성요소로 제조될 때, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금(예를 들어, AA7050)으로부터 전형적으로 얻어지는 것에 비해서, 10%, 그리고 일부 경우에 20% 초과만큼 구성요소의 강도를 개선하도록 열처리될 수 있다. 일부 실시예에서, 구성요소의 강도는, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금의 강도에 비해서, 약 10%, 약 12%, 약 14%, 약 16%, 약 18%, 또는 약 20%만큼 증가된다. 일부 실시예에서, 강도는, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금의 강도에 비해서 약 10% 내지 약 25% 증가된다. 또한, 이러한 미리-합금화된 금속 분말은, 제조 프로세스 중에 액체 상의 형성을 유발하지 않는, 열간 등압 프레싱, 분말 몰딩, 및 압출과 같은 분말 야금 프로세스에 의해서 프로세스될 수 있다. 그러한 방법에 의해서 프로세스될 때, 합금은, 통상적인 7000-계열 합금으로부터 예상되는 것을 초과하는 기계적 특성 및 열적 안정성을 갖는다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 봉재, 와이어, 리본, 칩, 분말, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태로 제조된다. 일부 실시예에서, 봉재, 와이어, 리본, 칩, 분말은, 잉곳 또는 용체화 처리된 잉곳 형태인, 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로부터 제조된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 리본, 칩, 또는 분말로 제조된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 칩으로 제조된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 봉재 또는 와이어로 제조된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 봉재로 제조된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 와이어로 제조된다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 와이어는 약 0.8 mm 내지 약 5.2 mm, 예를 들어, 약 0.8 mm, 약 1.2 mm, 약 1.6 mm, 약 2.0 mm, 약 2.4 mm, 약 2.8 mm, 약 3.2 mm, 약 3.6 mm, 약 4.0 mm, 약 4.4 mm, 약 4.8 mm, 또는 약 5.2 mm의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 리본으로 제조된다. 일부 실시예에서, 합금은 용융-스피닝된 리본으로서 제조될 수 있고, 열간 압축될 수 있고, 구조물로 압출될 수 있다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 분말로 제조된다. 일부 실시예에서, 분말은 가스-무화, 플라즈마-무화, 회전-전극 프로세싱, 또는 기계적 합금화로 이루어진 그룹으로부터 선택된 프로세스에 의해서 제조된다. 일부 실시예에서, 프로세스는 플라즈마 구형화(plasma spheridizing)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 분말은 구형 형상이다. 일부 실시예에서, 구형 입자가 바람직한데, 이는 그러한 입자가 분말 베드 방법을 위해서 양호하게 확전되고 분말 분무 방법을 위해서 양호하게 유동되기 때문이다. 가스 무화는 일반적으로, 넓은 직경 분포를 갖는 구형 입자들을 제공한다. 일부 실시예에서, 분말은 불규칙적인 형상이다. 공기 또는 물 무화와 같은 방법은 일반적으로 (비제한적으로 길다란(ligamental) 형상 및/또는 공모양을 포함하는) 불규칙적인 형상을 제공한다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 분말은 약 1 내지 약 500 ㎛ 범위, 예를 들어, 약 1 ㎛, 약 25 ㎛, 약 50 ㎛, 약 75 ㎛, 약 100 ㎛, 약 125 ㎛, 약 150 ㎛, 약 175 ㎛, 약 200 ㎛, 약 225 ㎛, 약 250 ㎛, 약 275 ㎛, 약 300 ㎛, 약 325 ㎛, 약 350 ㎛, 약 375 ㎛, 약 400 ㎛, 약 425 ㎛, 약 450 ㎛, 약 475 ㎛, 또는 약 500 ㎛의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 입자 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 분말은 약 15 내지 약 75 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 입자 크기가 약 15 내지 약 75 ㎛ 범위인 분말은 적층 제조 프로세스에서 유용하다. 일부 실시예에서, 분말은 약 100 ㎛ 미만의 평균 입자 크기(d50)를 갖는 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 분말은 약 5 내지 약 100 ㎛, 예를 들어, 약 5 ㎛, 약 10 ㎛, 약 15 ㎛, 약 20 ㎛, 약 25 ㎛, 약 30 ㎛, 약 35 ㎛, 약 40 ㎛, 약 45 ㎛, 약 50 ㎛, 약 55 ㎛, 약 60 ㎛, 약 65 ㎛, 약 70 ㎛, 약 75 ㎛, 약 80 ㎛, 약 85 ㎛, 약 90 ㎛, 약 95 ㎛, 또는 약 100 ㎛의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 입자 크기(d50)를 가지는 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 분말은 약 10 내지 약 70 ㎛의 평균 입자 크기(d50)를 갖는 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 분말형 알루미늄 합금은, 와이어, 칩, 리본 또는 기타를 제공하기 위해서 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법에 따라 더 프로세스된다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 구성요소로 제조되고, 그러한 구성요소는 580　MPa 초과의 항복 강도, 600　MPa 초과의 최대 인장 강도, 및 2% 초과의 파단 연신율을 갖는다. 일부 실시예에서, 구성요소의 항복 강도는 약 500 MPa 내지 약 750 MPa, 예를 들어, 약 500 MPa, 약 550 MPa, 약 600 MPa, 약 650 MPa, 약 700 MPa, 또는 약 750 MPa이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성요소의 최대 인장 강도는 약 500 MPa 내지 약 750 MPa, 예를 들어, 약 500 MPa, 약 550 MPa, 약 600 MPa, 약 650 MPa, 약 700 MPa, 또는 약 750 MPa이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성요소는 1% 초과, 2% 초과, 3% 초과, 4% 초과, 5% 초과, 6% 초과, 7% 초과, 8% 초과, 9% 초과, 또는 10% 초과의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 파단 연신율을 갖는다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 시트, 단조물, 또는 압출물로 형성된다. 일부 실시예에서, 시트, 단조물 또는 압출물이 용접되어 구성요소를 구성한다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 봉재 또는 와이어로 형성된다. 일부 실시예에서, 봉재 또는 와이어는, 통상적인 알루미늄 합금들을 접합하기 위한 또는 개시된 합금으로 제조된 구성요소들을 접합하기 위한 혼합 프로세스(melding process) 중에 필러 재료로 이용된다. 일부 실시예에서, 필러 재료의 조성은, 접합되는 알루미늄 합금 구성요소와 동일하다.
본 개시 내용의 알루미늄 합금은 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금보다 우수한 수 많은 장점을 갖는다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 향상된 열적 안정성, 예를 들어 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금의 열적 안정성보다 우수한 열적 안정성을 갖는다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 고강도의 용접 가능한 알루미늄 합금이다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 갖는다. 일부 실시예에서, 강도 대 중량비는, 강도를 위한 ASTM-E8/E8M 테스트 및 밀도 결정 방법(예를 들어, ASTM B962)에 의해서 측정될 때, 약 190　MPa·cm3/g 내지 약 370　MPa·cm3/g, 예를 들어, 약 190　MPa·cm3/g, 약 200　MPa·cm3/g, 약 210　MPa·cm3/g, 약 220　MPa·cm3/g, 약 230　MPa·cm3/g, 약 240　MPa·cm3/g, 약 250　MPa·cm3/g, 약 260　MPa·cm3/g, 약 270　MPa·cm3/g, 약 280　MPa·cm3/g, 약 290　MPa·cm3/g, 약 300　MPa·cm3/g, 약 310　MPa·cm3/g, 약 320　MPa·cm3/g, 약 330　MPa·cm3/g, 약 340　MPa·cm3/g, 약 350　MPa·cm3/g, 약 360　MPa·cm3/g, 또는 약 370　MPa·cm3/g이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 전술한 특성은, 용접 가능한 또는 적층 제조에서 이용하기에 적합한 개시된 알루미늄 합금을 초래한다.
본 개시 내용의 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 100 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 95 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 90 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 85 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 80 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 75 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 70 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 65 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 60 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 55 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 50 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 45 ㎛ 미만이다. 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 40 ㎛ 미만이다. 본 개시 내용의 일부 실시예에서, 용체화 열처리 후의 평균 입자 크기는 약 40 내지 약 100 ㎛, 예를 들어, 약 40 ㎛, 약 45 ㎛, 약 50 ㎛, 약 55 ㎛, 약 60 ㎛, 약 65 ㎛, 약 70 ㎛, 약 75 ㎛, 약 80 ㎛, 약 85 ㎛, 약 90 ㎛, 약 95 ㎛, 또는 약 100 ㎛이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 이러한 방식으로 입자 크기를 정제하는 것은, 용접 또는 적층 제조 프로세스 중에 액화 균열 및 열간 파열이 없는 개시된 알루미늄 합금을 초래한다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 또는 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소는, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 인장 강도를 갖는다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금의 인장 강도는 약 50 내지 약 750 MPa의 범위이고, 예를 들어, 약 50 MPa, 약 100 MPa, 약 150 MPa, 약 200 MPa, 약 250 MPa, 약 300 MPa, 약 350 MPa, 약 400 MPa, 약 450 MPa, 약 500 MPa, 약 550 MPa, 약 600 MPa, 약 650 MPa, 약 700 MPa, 또는 약 750 MPa이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 350 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 450 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 500 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 550 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 600 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 650 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 700 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 인장 강도는 약 750 MPa 보다 크다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 또는 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소는, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 전단 강도를 갖는다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금의 전단 강도는 약 50 내지 약 400 MPa의 범위이고, 예를 들어 약 50 MPa, 약 75 MPa, 약 100 MPa, 약 125 MPa, 약 150 MPa, 약 175 MPa, 약 200 MPa, 약 225 MPa, 약 250 MPa, 약 275 MPa, 약 300 MPa, 약 325 MPa, 약 350 MPa, 약 375 MPa, 또는 약 400 MPa이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 전단 강도는 약 250 MPa이다. 일부 실시예에서, 전단 강도는 약 300 MPa이다. 일부 실시예에서, 전단 강도는 약 200 MPa 보다 크다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 또는 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소는, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 항복 강도를 갖는다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금의 항복 강도는 약 150 내지 약 600 MPa의 범위, 예를 들어, 약 150 MPa, 약 175 MPa, 약 200 MPa, 약 225 MPa, 약 250 MPa, 약 275 MPa, 약 300 MPa, 약 325 MPa, 약 350 MPa, 약 375 MPa, 약 400 MPa, 약 425 MPa, 약 450 MPa, 약 475 MPa, 약 500 MPa, 약 525 MPa, 약 550 MPa, 약 575 MPa, 또는 약 600 MPa이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 항복 강도는 약 450 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 항복 강도는 약 500 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 항복 강도는 약 550 MPa 보다 크다. 일부 실시예에서, 항복 강도는 약 580 MPa 보다 크다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 또는 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소는, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 탄성 계수를 갖는다. 일부 실시예에서, 개시된 알루미늄 합금의 탄성 계수는 약 50 내지 약 80 GPa의 범위, 예를 들어, 약 50 GPa, 약 52.5 GPa, 약 55 GPa, 약 57.5 GPa, 약 60 GPa, 약 62.5 GPa, 약 65 GPa, 약 67.5 GPa, 약 70 GPa, 약 72.5 GPa, 약 75 GPa, 약 77.5 GPa, 또는 약 80 GPa이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 탄성 계수는 약 65 GPa이다. 일부 실시예에서, 탄성 계수는 약 70 GPa이다. 일부 실시예에서, 탄성 계수는 약 75 GPa이다. 일부 실시예에서, 탄성 계수는 약 80 GPa이다. 일부 실시예에서, 탄성 계수는 약 75 GPa 보다 크다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 또는 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소는, 약 1 내지 약 15%의 파단 연신율을 갖는다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 또는 본 개시 내용의 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소는, 약 2 내지 약 10%의 파단 연신율을 갖는다. 파단 연신율은 약 2% 초과, 약 3% 초과, 약 4% 초과, 약 5% 초과, 약 6% 초과, 약 7% 초과, 약 8% 초과, 약 9% 초과, 또는 약 10% 초과이다. 일부 실시예에서, 파단 연신율은 약 2% 보다 크다. 일부 실시예에서, 파단 연신율은 약 3% 보다 크다. 일부 실시예에서, 파단 연신율은 약 4% 보다 크다. 일부 실시예에서, 파단 연신율은 약 5% 보다 크다.
일부 실시예에서, (예를 들어, 적층 제조 또는 분말 야금과 같은 프로세스에 의해서) 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 알루미늄 합금 구성요소(예를 들어, 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소)는 앞서 규정한 바와 같은 인장 강도, 전단 강도, 항복 강도, 및/또는 탄성 계수를 갖는다.
일부 실시예에서, 전술한 특성을 기초로, 합금으로 제조된 구조물은, 그 임의의 형태로, 매우 큰 강도 및 낮은 밀도가 요구되는 적용예에서, 예를 들어, 우주항공 구성요소, 위성 구성요소, 자동차 구성요소, 운송 적용예, 스포츠 상품 또는 레저 장비, 또는 소비자 제품에서 사용될 수 있다.
앞서 주목한 바와 같이, 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금은 분말의 형태이다. 일부 실시예에서, 본원에서 개시된 알루미늄 합금 분말은 적층 제조 프로세스에서 유용하다. 일부 실시예에서, 적층 제조 프로세스에서 유용한 알루미늄 합금 분말은 구형 금속 합금 분말이다. 일부 실시예에서, 구형 금속 분말은 가스-무화, 플라즈마-무화, 또는 플라즈마-구형화를 이용하여 형성된다.
일부 실시예에서, 본원에서 개시된 알루미늄 합금은, 비제한적으로 용접을 포함하는, 접합 기술에서 유용하다. 어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되지 않으면서, 개시된 알루미늄 합금의 유용성은, 전술한 프로세스를 거칠 때 열간-균열 또는 액화-균열을 일으키는 경향이 감소되거나 제거된 것의 결과이다.
방법
일부 실시예에서, 용접 가능 7000-계열 알루미늄 합금을 생산하는 방법이 제공되고, 그러한 방법은: a) 성분들의 액체 혼합물을 형성하기 위해서 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃의 온도에서, 알루미늄-마스터 합금 또는 순수 원소를 첨가하면서, 재활용 알루미늄 또는 버진 알루미늄을 용융시키는 단계로서, 성분들의 액체 혼합물은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속 또는 희토류 금속, 그리고 나머지 알루미늄을 포함하고, 성분은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 단계; b) 주조된 잉곳을 형성하기 위해서, 용융된 성분을 주변 온도의 또는 냉각된 주조 몰드 내로 주조하는 단계; c) 주조된 잉곳을 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하여, L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg 고용체를 포함하는 용체화된 잉곳을 형성하는 단계; 및 d) 용체화된 잉곳을 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물, 또는 단조물로 열간-성형 및/또는 냉간-성형하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 용접 가능 7000-계열 알루미늄 합금을 생산하는 방법이 제공되고, 그러한 방법은: a) 성분들의 액체 혼합물을 형성하기 위해서 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃의 온도에서, 알루미늄-마스터 합금 또는 순수 원소를 첨가하면서, 재활용 알루미늄 또는 버진 알루미늄을 용융시키는 단계로서, 성분들의 액체 혼합물은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속, 그리고 나머지 알루미늄을 포함하고, 성분은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 단계; b) 주조된 잉곳을 형성하기 위해서, 용융된 성분을 주변 온도의 또는 냉각된 주조 몰드 내로 주조하는 단계; c) 주조된 잉곳을 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하여, L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg 고용체를 포함하는 용체화된 잉곳을 형성하는 단계; 및 d) 용체화된 잉곳을 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물, 또는 단조물로 열간-성형 및/또는 냉간-성형하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 전이 금속은 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 이트륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 전이 금속은 지르코늄이다.
일부 실시예에서, 희토류 금속은 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 가돌리늄, 디스프로슘, 에르븀, 이테르븀, 또는 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 아연의 양은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 예를 들어, 약 4%, 약 4.5%, 약 5%, 약 5.5%, 약 6%, 약 6.5%, 약 7%, 약 7.5%, 약 8%, 약 8.5%, 약 9%, 약 9.5%, 약 10%, 약 10.5%, 약 11%, 약 11.5%, 또는 약 12%이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 합금은 약 5 내지 약 12 중량%의 아연, 약 6 내지 약 12 중량%의 아연, 약 7 내지 약 12%, 약 8 내지 약 12%, 약 9 내지 약 12%, 약 10 내지 약 12%, 약 5 내지 약 11%, 약 6 내지 약 11%, 약 7 내지 약 11%, 약 8 내지 약 11%, 약 4 내지 약 10%, 약 5 내지 약 10%, 약 6 내지 약 10%, 약 7 내지 약 10%, 약 8 내지 약 10%, 약 4 내지 약 9%, 약 5 내지 약 9%, 약 6 내지 약 9%, 약 7 내지 약 9%, 약 4 내지 약 8%, 약 5 내지 약 8%, 약 6 내지 약 8%, 약 4 내지 약 7%, 약 5 내지 약 7%, 약 4 내지 약 6%, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 아연을 포함한다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 아연의 양은 약 10 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 아연의 양은 약 11 중량%의 아연이다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 아연의 양은 약 12 중량%의 아연이다.
일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 마그네슘의 양은 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 예를 들어, 약 1%, 약 1.25%, 약 1.5%, 약 1.75%, 약 2%, 약 2.25%, 약 2.5%, 약 2.75%, 약 3%, 약 3.25%, 약 3.5%, 약 3.75%, 또는 약 4%이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 마그네슘의 양은 약 1.5 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 마그네슘의 양은 약 2 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 마그네슘의 양은 약 2.5 중량%의 마그네슘이다. 일부 실시예에서, 성분들의 액체 혼합물 내의 마그네슘의 양은 약 3 중량%의 마그네슘이다.
일부 실시예에서, 단계 a)의 온도는 약 700 ℃, 약 725 ℃, 약 750 ℃, 약 775 ℃, 약 800 ℃, 약 825 ℃, 약 850 ℃, 약 875 ℃, 900 ℃, 약 925 ℃, 약 950 ℃, 약 975 ℃, 또는 약 1000 ℃이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 a)의 온도는 약 750 ℃ 내지 약 1000 ℃이다. 일부 실시예에서, 단계 a)의 온도는 약 800 ℃ 내지 약 1000 ℃이다. 일부 실시예에서, 단계 a)의 온도는 약 850 ℃ 내지 약 1000 ℃이다. 일부 실시예에서, 단계 a)의 온도는 약 900 ℃ 내지 약 1000 ℃이다.
일부 실시예에서, 단계 a)는, 본 개시 내용의 알루미늄 합금에 대해서 전술한 임의의 양 또는 범위의 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 및 지르코늄(Zr)의 성분을 포함한다.
일부 실시예에서, 단계 a)의 성분은 약 0.0 내지 약 4 중량%의 구리, 예를 들어, 약 0%, 약 0.25%, 약 0.50%, 약 0.75%, 약 1%, 약 1.25%, 약 1.50%, 약 1.75%, 약 2%, 약 2.25%, 약 2.50%, 약 2.75%, 약 3%, 약 3.25%, 약 3.50%, 약 3.75%, 또는 약 4 중량%, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 구리를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 구리의 양은 약 4 중량% 미만의 구리, 약 3 중량% 미만의 구리, 약 2 중량% 미만의 구리, 약 1 중량% 미만의 구리이다. 일부 실시예에서, 구리의 양은 약 3 중량% 이하이다. 일부 실시예에서, 구리가 존재할 때, 용체화된 잉곳은 L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg-Cu 고용체를 포함한다.
주목한 바와 같이, 단계 a)의 액체 혼합물의 성분은 의도적으로 첨가된 스칸듐을 포함하지 않는다. 따라서, 일부 실시예에서, 단계 a)에서 성분들의 액체 혼합물은 약 0.5% 미만의 스칸듐, 약 0.5% 미만의 스칸듐, 약 0.3% 미만의 스칸듐, 약 0.2% 미만의 스칸듐, 약 0.1% 미만의 스칸듐, 또는 약 0.05% 미만의 스칸듐을 포함하고, 이들 중 어느 것도 본 개시 내용의 알루미늄 합금에 의도적으로 첨가되지 않았다.
일부 실시예에서, 용접 가능 7000-계열 알루미늄 합금을 생산하는 방법의 단계 b)는, 주조된 잉곳을 형성하기 위해서, 용융된 성분을 주변 온도의 주조 몰드 내로 주조하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 용접 가능 7000-계열 알루미늄 합금을 생산하는 방법의 단계 b)는, 주조된 잉곳을 형성하기 위해서, 용융된 성분을 냉각된 주조 몰드 내로 주조하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 냉각된 주조 몰드는 약 20 ℃ 미만, 약 15 ℃ 미만, 약 10 ℃ 미만, 약 5 ℃ 미만, 또는 약 0 ℃ 미만의 온도이다. 일부 실시예에서, 냉각된 주조 몰드는 약 0 ℃ 내지 약 15 ℃, 예를 들어 약 0 ℃, 약 3 ℃, 약 6 ℃, 약 9 ℃, 약 12 ℃,또는 약 15 ℃이고, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 냉각된 주조 몰드는 약 5 ℃ 내지 약 10 ℃이다. 일부 실시예에서, 냉각된 주조 몰드는 약 0 ℃ 내지 약 10 ℃이다.
일부 실시예에서, 단계 c)의 주조된 잉곳의 열처리는 약 400 ℃, 약 410 ℃, 약 420 ℃, 약 430 ℃, 약 440 ℃, 약 450 ℃, 약 460 ℃, 약 470 ℃,또는 약 ℃의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 온도에서 발생된다. 일부 실시예에서, L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg 고용체를 포함하는 용체화된 잉곳을 형성하기 위해서, 단계 c)의 주조된 잉곳을 열처리하는 것이 약 0.25 h, 약 0.5 h, 약 0.75 h, 약 1 h, 약 1.25 h, 약 1.5 h, 약 1.75 h, 약 2 h, 약 2.25 h, 약 2.5 h, 약 2.75 h, 약 3 h, 약 3.25 h, 약 3.5 h, 약 3.75 h, 약 4 h, 약 4.25 h, 약 4.5 h, 약 4.75 h, 약 5 h, 약 5.25 h, 약 5.5 h, 약 5.75 h, 또는 약 6 시간의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 시간을 포함한다.
일부 실시예에서, 단계 d)의 용체화된 잉곳의 고온 성형 및/또는 저온 성형이 시트를 제공한다. 일부 실시예에서, 단계 d)의 용체화된 잉곳의 고온 성형 및/또는 저온 성형이 호일을 제공한다. 일부 실시예에서, 단계 d)의 용체화된 잉곳의 고온 성형 및/또는 저온 성형이 봉재를 제공한다. 일부 실시예에서, 단계 d)의 용체화된 잉곳의 고온 성형 및/또는 저온 성형이 와이어를 제공한다. 일부 실시예에서, 단계 d)의 용체화된 잉곳의 고온 성형 및/또는 저온 성형이 압출물을 제공한다. 일부 실시예에서, 단계 d)의 용체화된 잉곳의 고온 성형 및/또는 저온 성형이 단조물을 제공한다.
일부 실시예에서, 용접 가능한 7000-계열 알루미늄 합금을 생산하는 방법은, 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안, 형성된 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물 또는 단조물을 열-시효 처리하는 단계 e)를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 약 100 ℃, 약 105 ℃, 또는 약 180 ℃에서, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 온도에서 실행된다.
일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 1 h, 약 2 h, 약 3 h, 약 4 h, 약 5 h, 약 6 h, 약 7 h, 약 8 h, 약 9 h, 약 10 h, 약 11 h, 약 12 h, 약 13 h, 약 14 h, 약 15 h, 약 16 h, 약 17 h, 약 18 h, 약 19 h, 약 20 h, 약 21 h, 약 22 h, 약 23 h, 약 24 h, 약 25 h, 약 26 h, 약 27 h, 약 28 h, 약 29 h, 약 30 h, 약 31 h, 약 32 h, 약 33 h, 약 34 h, 약 35 h, 약 36 h, 약 37 h, 약 38 h, 약 39 h, 약 40 h, 약 41 h, 약 42 h, 약 43 h, 약 44 h, 약 45 h, 약 46 h, 약 47 h, 또는 약 48 h의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 1 h 내지 약 10 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 1 h 내지 약 5 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 1 h 내지 약 3 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 5 h 내지 약 20 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 5 h 내지 약 15 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 단계 e)의 열-시효 처리는 약 5 h 내지 약 10 h의 시간 동안 이루어진다.
일부 실시예에서, 본원에서 개시된 알루미늄 합금은, 개시 내용의 전체가 본원에서 참조로 포함되는, [E.J. Lavernia et al. Journal of Material Science 2010, 45, 287-325]에서 설명된 것과 같은, 급속 응고 프로세스에 의해서 생산된다. 일부 실시예에서, 급속 응고 프로세스는 용융 스피닝, 용융 압출, 빔 글레이징, 분무 침착, 가스 무화, 플라즈마 무화, 및 플라즈마 구형화로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 급속 응고 프로세스는 약 102 내지 약 107 Ks-1, 예를 들어, 약 102 Ks-1, 약 103 Ks-1, 약 104 Ks-1, 약 105 Ks-1, 약 106 Ks-1, 또는 약 107 Ks-1의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 냉각 속도에 의해서 정의된다.
용융 스피닝은 산업적인 규모로 금속 리본을 제조하기 위한 편리하고 경제적인 방법이다. 용융 스피닝의 일부 적용예에서, 물질(예를 들어, 알루미늄 합금)이 방적 돌기(spinneret)를 통한 압출을 위해서 용융되고, 이어서 냉각에 의해서 직접적으로 응고된다. 일부 실시예에서, 용융 스피닝은, 비결정질 상, 준-결정질 상, 및 과포화된 고용체와 같은 비-평형 상을 더 생성한다. 일부 실시예에서, 용융 스피닝으로 생산된 알루미늄 합금은 리본(즉, 얇은 스트립)의 형태이다. 일부 실시예에서, 용융 스피닝은, 비정질 알루미늄 합금 및/또는 유리질(glassy) 알루미늄 합금을 포함하는 리본을 생산한다.
분무 주조, 분무 형성 및 현장 압축으로도 알려져 있는, 분무 침착은, 반-고체의 분무된 액적을 성형된 기판 상으로 침착시키는 것을 통해서 균질한 미세조직을 갖는 거의 최종 형상의 금속 구성요소를 주조하는 방법이다. 일부 실시예에서, 분무 침착 방법은 냉간 가스 분무, 플라즈마 분무(진공, 대기, 및 기타), 고속 산소-연료 분무(HVOF), 가스-보조 분무 성형, 또는 연소 불꽃 분무로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 분무 침착은 용융된 금속의 무화를 포함하나, 분말로서 응고되지 않고, 분무가 기판 상에서 수집되어 후속 단조를 위한 빌릿을 형성한다. 일부 실시예에서, 분무 침착은 7000-계열 알루미늄 합금의 관, 스트립, 시트, 또는 거의-최종 형상의 예비-성형체를 형성하기 위해서 이용된다.
플라즈마 구형화에서, 비-구형 분말이 플라즈마 빔 내에서 용융되어 구형 입자를 형성한다. 일부 실시예에서, 가스(예를 들어, N2, Ar)를 이용하여 분말을 운송한다. 일부 실시예에서, 이러한 방법은, 고융점을 갖는 본 개시 내용의 알루미늄 합금의 생산에서 유용하다. 일부 실시예에서, 플라즈마 구형화를 이용하여, 불규칙적인 형상의 7000-계열 알루미늄 합금 입자를 7000-계열 알루미늄 합금의 구형 분말로 변환시킨다. 일부 실시예에서, 그렇게 형성된 구형 분말은 균일한 조성을 갖는다.
플라즈마 무화는 또한 7000-계열 알루미늄 합금의 구형 분말을 제조하는데 있어서 유용하다. 일부 실시예에서, 플라즈마 무화를 이용하여, 공급원료 7000-계열 알루미늄 합금을 7000-계열 알루미늄 합금의 구형 분말로 변환시킨다. 일부 실시예에서, 그렇게 형성된 구형 분말은 균일한 조성을 갖는다. 일부 실시예에서, 7000-계열 알루미늄 합금 와이어 공급원료는 플라즈마 토치 내로 공급되고, 그러한 플라즈마 토치는, 가스의 도움으로, 와이어를 구형 금속 분말로 무화한다. 일부 실시예에서, 분말 입자의 크기는 약 1 내지 약 200 ㎛의 범위이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다.
다른 금속 분말 생산 방법은 가스 무화이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 공급원료는 공기 또는 불활성 가스 블랭킷 하에서, 또는 진공 하에서 용융된다. 이어서, 챔버는 가스로 다시 충진되어, 용융 합금을 노즐을 통해서 강제하고, 그러한 노즐에서 고속 공기, 질소, 헬륨, 또는 아르곤 가스가 유동 용융물 상으로 충돌하고 이를 파괴한다. 결과적인 분말이 대부분 구형이다. 일부 실시예에서, 적은 양의 비대칭적인 입자 및 위성체(satellite)(즉, 큰 입자에 부착된 작은 입자)가 존재한다.
일부 실시예에서, 급속 응고 프로세스는, 직경이 약 10 ㎛ 이하인 일차 결정의 형성을 초래한다. 일부 실시예에서, 일차 결정은 약 10 ㎛ 미만, 약 9 ㎛ 미만, 약 8 ㎛ 미만, 약 7 ㎛ 미만, 약 6 ㎛ 미만, 약 5 ㎛ 미만, 약 4 ㎛ 미만, 약 3 ㎛ 미만, 약 2 ㎛ 미만, 또는 약 1 ㎛ 미만이고, 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함한다. 일부 실시예에서, 급속 응고 프로세스는 확장된 범위의 고용체를 초래한다.
일반적으로, 무화 프로세스 중의 금속 합금의 급속 응고로 인해서, 분말은 합금 원소의 고용체로 주로 구성될 수 있으나, 또한 금속간 상(예를 들어, Al3Zr)을 포함할 수 있다. 금속 합금 분말이, 용융 합금을 고체로 ??칭하는 것을 포함하지 않는 고체-상태 프로세스인, 기계적 합금화 프로세스에 의해서 합성되는 경우에, 기계적 에너지 입력은, 금속 합금 분말이 여전히 합금 원소의 고용체로 주로 구성되도록, 그러나 또한 이차 금속간 상을 포함할 수 있도록, 충분하다. 이차 금속간 상의 존재는, 합금 내에서 액체 상을 형성하는 적층 제조 프로세스에서 이용되는 경우에, 금속 합금 분말의 유해하지도 않고 유리하지도 않은 속성으로 간주되고; 그러한 금속간 상은, 액체 상을 형성하지 않는 분말 야금 프로세스에서 이용되는 경우에, 금속 합금 분말을 위해서 유리한 것으로 간주될 수 있고, 분말 제조 방법은, 금속 합금 분말 내의 이차 금속간 상의 형성을 촉진하는 방식으로, 조정될 수 있다.
본원에서 개시된 방법은, 개시된 합금이 기본 재료로서 또는 필러 재료로서 이용되는 용접을 이용하는 제조 기술을 이용하여, 구성요소를 제조하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 7000-계열 알루미늄 합금 봉재 및 와이어는 용접 프로세스에서 2개의 알루미늄 합금 구성요소를 접합하기 위한 필러 재료로서 이용된다. 따라서, 용접된 금속 조립체의 제조 방법이 제공되고, 그러한 방법은 용접 프로세스에서 필러 재료로 2개의 알루미늄 합금 구성요소를 접합하는 단계를 포함하고, 구성요소들을 접합하는 필러 재료는 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 와이어 또는 봉재이고, 2개의 알루미늄 합금 구성요소는 Al-Zn-Mg 합금, Al-Zn-Mg-Cu 합금, Al-Zn-Mg-Zr 합금, 및 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 합금으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 각각 선택된다. 일부 실시예에서, 필러 재료는 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 봉재이다. 일부 실시예에서, 필러 재료는 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 와이어이다. 일부 실시예에서, 필러 재료는 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 시트이다.
일부 실시예에서, 용접 프로세스는 아크-용접, 토치-용접, 레이저-빔-용접, 및 전자-빔-용접으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 용접 프로세스는 용접된 금속 조립체의 액화 균열 및/또는 열간 파열을 초래하지 않는다. 따라서, 일부 실시예에서, 용접된 금속 조립체는 액화 균열 및 열간 균열을 가지지 않는다.
일부 실시예에서, 필러 재료 및 2개의 알루미늄 합금 구성요소가 동일한 조성을 갖는다. 따라서, 일부 실시예에서, Al-Zn-Mg 합금, Al-Zn-Mg-Cu 합금, Al-Zn-Mg-Zr 합금, 및 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 합금으로 이루어진 그룹으로부터 각각 독립적으로 선택된 필러 재료 및 2개의 알루미늄 합금 구성요소는 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2%의 지르코늄(존재할 때), 그리고 약 3% 이하의 구리(존재할 때)를 포함한다. 앞서 주목한 바와 같이, 필러 재료도 그리고 알루미늄 합금 구성요소도 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐을 가지지 않는다.
본원에서 개시된 7000-계열 알루미늄 합금은 다양한 적층 제조 프로세스에서 이용하기에 적합한데, 이는, 비제한적으로, 용접성 및 높은 강도 대 중량비를 포함하는, 그 유리한 특성 때문이다. 적층 제조 프로세스의 예가, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 미국 특허 제10,124,408호에서 개시되어 있다. 도 7은 알루미늄 합금에 적용될 수 있는 일부 적층 제조 프로세스의 비제한적인 개요를 제공한다.
일부 실시예에서, 본 개시 내용은 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하는 방법을 제공하고, 그러한 방법은, 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하기 위해서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금을 적층 제조 프로세스(예를 들어, 적층 층상화 제조 프로세스)에 적용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 봉재, 와이어, 리본, 분말, 또는 칩이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 와이어이다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금은 분말이다. 일부 실시예에서, 분말은 구형 알루미늄 합금 분말이다. 방법은 적층 제조(또는 분말 야금) 프로세스를 이용하여 구조물을 제조하기 위해서 미리-합금화된 금속 분말을 이용하는 단계를 포함할 수 있고, 그러한 방법은 액체 상의 형성을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 적층 제조 프로세스는 분말 베드 융합 또는 선택적 레이저 용융이다. 일부 실시예에서, 적층 제조 프로세스는 분말 베드 융합이다. 일부 실시예에서, 적층 제조 프로세스는 선택적 레이저 용융이다. 분말 베드 융합 또는 선택적 레이저 용융 프로세스의 일부 실시예에서, 레이저를 이용하여 분말을 용융시키고 이들을 함께 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소로 융합한다.
일부 실시예에서, 적층 제조 프로세스는 분말 지향형 에너지 침착이다. 분말 지향형 에너지 침착 프로세스의 일부 실시예에서, 레이저를 이용하여, 송풍된 분말(blown powder)을 용융시키고 이들을 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소로 융합한다.
일부 실시예에서, 적층 제조 프로세스는 알루미늄 합금을 집중 에너지원에 적용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 집중된 에너지원은 레이저 빔 및 전자 빔으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 집중된 에너지원은 레이저 빔이다. 일부 실시예에서, 레이저 빔은 펄스형 에너지 레이저 빔이다. 일부 실시예에서, 집중된 에너지원은 전자 빔이다.
적층 제조 프로세스의 일부 실시예에서, 융합된 에너지원을 이용하여 알루미늄 합금을 완전히 용융시킨다. 일부 실시예에서, 완전히 용융된 알루미늄 합금이 층으로서 기존 기판에 또는 알루미늄 합금의 이전에 침착된 층에 침착된다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금의 침착된 층이 급속 응고되어, 재료를 기존 기판 또는 알루미늄 합금의 이전에 침착된 층에 융합시킨다. 일부 실시예에서, 급속 응고는 약 102 내지 약 108 Ks-1, 예를 들어, 약 102 Ks-1, 약 103 Ks-1, 약 104 Ks-1, 약 105 Ks-1, 약 106 Ks-1, 약 107 Ks-1, 또는 약 108 Ks-1의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 냉각 속도로 이루어진다. 일부 실시예에서, 급속 응고는 적어도 약 107 Ks-1의 냉각 속도로 발생된다. 일부 실시예에서, 급속 응고는 적어도 약 107 Ks-1 초과의 냉각 속도로 발생된다. 본원에서 설명된 바와 같이, 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금을 이용하여 제조된 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소는, 개시된 알루미늄 합금 재료의 유리한 특성의 결과로서, 액화 균열 및 열간 균열을 가지지 않는다.
일부 실시예에서, 본원에서 개시된 적층 제조 프로세스는 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 일차 석출물, 및 Al-X 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하는 단계, 및 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.1 내지 약 10 ㎛ 범위, 예를 들어, 약 0.1 ㎛, 약 0.5 ㎛, 약 1 ㎛, 약 1.5 ㎛, 약 2 ㎛, 약 2.5 ㎛, 약 3 ㎛, 약 3.5 ㎛, 약 4 ㎛, 약 4.5 ㎛, 약 5 ㎛, 약 5.5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 6.5 ㎛, 약 7 ㎛, 약 7.5 ㎛, 약 8 ㎛, 약 8.5 ㎛, 약 9 ㎛, 약 9.5 ㎛, 또는 약 10 ㎛의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.5 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.1 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 Al-X 일차 석출물이다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, X는 Zr이다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 Al3Zr 일차 석출물이다. 일부 실시예에서, Al-X 나노-스케일 석출물은, 약 1 내지 약 100 nm 범위, 예를 들어, 약 1 nm, 약 2 nm, 약 4 nm, 약 6 nm, 약 8 nm, 약 10 nm, 약 12 nm, 약 14 nm, 약 16 nm, 약 18 nm, 약 20 nm, 약 22 nm, 약 24 nm, 약 26 nm, 약 28 nm, 약 30 nm, 약 32 nm, 약 34 nm, 약 36 nm, 약 38 nm, 약 40 nm, 약 42 nm, 약 44 nm, 약 46 nm, 약 48 nm, 약 50 nm, 약 52 nm, 약 54 nm, 약 56 nm, 약 58 nm, 약 60 nm, 약 62 nm, 약 64 nm, 약 66 nm, 약 68 nm, 약 70 nm, 약 72 nm, 약 74 nm, 약 76 nm, 약 78 nm, 약 80 nm, 약 82 nm, 약 84 nm, 약 86 nm, 약 88 nm, 약 90 nm, 약 92 nm, 약 94 nm, 약 96 nm, 약 98 nm, 또는 약 100 nm,의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, Al-X 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 50 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, Al3Zr 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 20 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, Al-X 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 10 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, 나노-스케일 석출물은 Al3Zr 나노-스케일 석출물이다.
일부 실시예에서, 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소의 열-시효 처리는 약 100 ℃, 약 110 ℃, 약 120 ℃, 약 130 ℃, 약 140 ℃, 약 150 ℃, 약 160 ℃, 약 170 ℃, 또는 약 180 ℃의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 온도에서 실행된다.
일부 실시예에서, 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 열-시효 처리하는 것은 약 1 h, 약 2 h, 약 3 h, 약 4 h, 약 5 h, 약 6 h, 약 7 h, 약 8 h, 약 9 h, 약 10 h, 약 11 h, 약 12 h, 약 13 h, 약 14 h, 약 15 h, 약 16 h, 약 17 h, 약 18 h, 약 19 h, 약 20 h, 약 21 h, 약 22 h, 약 23 h, 약 24 h, 약 25 h, 약 26 h, 약 27 h, 약 28 h, 약 29 h, 약 30 h, 약 31 h, 약 32 h, 약 33 h, 약 34 h, 약 35 h, 약 36 h, 약 37 h, 약 38 h, 약 39 h, 약 40 h, 약 41 h, 약 42 h, 약 43 h, 약 44 h, 약 45 h, 약 46 h, 약 47 h, 또는 약 48 h의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 1 h 내지 약 10 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 1 h 내지 약 5 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 1 h 내지 약 3 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 5 h 내지 약 20 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 5 h 내지 약 15 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 5 h 내지 약 10 h의 시간 동안 이루어진다.
적층 제조 프로세스의 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계에 앞서서, 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소는 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열 처리된다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리를 위한 온도는 약 400 ℃, 약 410 ℃, 약 420 ℃, 약 430 ℃, 약 440 ℃, 약 450 ℃, 약 460 ℃, 약 470 ℃, 또는 약 480 ℃, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 온도에서 발생된다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리는 약 0.25 h, 약 0.5 h, 약 0.75 h, 약 1 h, 약 1.25 h, 약 1.5 h, 약 1.75 h, 약 2 h, 약 2.25 h, 약 2.5 h, 약 2.75 h, 약 3 h, 약 3.25 h, 약 3.5 h, 약 3.75 h, 약 4 h, 약 4.25 h, 약 4.5 h, 약 4.75 h, 약 5 h, 약 5.25 h, 약 5.5 h, 약 5.75 h, 또는 약 6 시간 동안, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 시간 동안 이루어진다.
일부 실시예에서, 알루미늄 합금 구성요소를 제조하는 방법은, 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하기 위해서, 본원에서 개시된 방법에 의해서 생산된 와이어를 적층 제조 프로세스에서 이용하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은, 와이어 이용 단계 후에 그리고 열-시효 처리 단계 전에, 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열 처리하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 그러한 방법은, 열처리 단계 후에, 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 평균 직경이 약 0.1 내지 약 10 ㎛인 일차 석출물, 및 평균 직경이 약 1 내지 약 100 nm인 Al-X 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하는 단계, 및 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, X는 Zr이다.
본 개시 내용은 또한 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 제조하는 방법을 제공하고, 그러한 방법은 본원에서 개시된 7000-계열 알루미늄 합금으로부터 제조된 리본, 칩, 또는 분말을 분말 야금 프로세스에 적용하여 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 제조하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 야금 프로세스는 열간 프레싱, 열간 등압 프레싱, 냉간 등압 프레싱, 분말 몰딩, 열간 압출, 또는 압출을 포함한다.
도 8은 일반적인 분말 야금 프로세스에서의 단계의 일부의 개요를 제공한다. 일부 실시예에서, 분말 야금은, 입자 크기 및 조성이 균일하게 분포된 균질한 매스(mass)를 형성하기 위해서 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 분말을 혼합하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 야금 프로세스는 본 개시 내용의 7000-계열 알루미늄 합금으로 제조된 분말(예를 들어, 분말 입자)을 다이 내에서 프레싱 또는 압축하는 단계 및 입자들을 함께 융합(또는 결합)시키기 위해서 분말을 소결하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 프레싱은 고압에서 실행된다. 일부 실시예에서, 소결은 약 300 ℃ 내지 약 650 ℃, 예를 들어, 약 300 ℃, 약 325 ℃, 약 350 ℃, 약 375 ℃, 약 400 ℃, 약 425 ℃, 약 450 ℃, 약 475 ℃, 약 500 ℃, 약 525 ℃, 약 550 ℃, 약 575 ℃, 약 600 ℃, 약 625 ℃, 또는 약 650 ℃의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 온도에서 실행된다. 일부 실시예에서, 소결 온도는 알루미늄 합금 내의 주 성분의 용융 온도 미만이다. 일부 실시예에서, 용융 미만이라는 것은, 소결 프로세스를 금속의 융점의 약 70 내지 90%의 온도에서 실행하는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 소결은, 아르곤 또는 질소와 같은, 불활성 대기 조건 하에서 실행된다. 냉각 및 선택적인 이차적 프로세싱 후에, 마감된 제품이 얻어진다.
일부 실시예에서, 분말 야금 프로세스에서 이용하기 위한 본 개시 내용의 알루미늄 합금 분말은 급속 응고 프로세스에 의해서 제조된다. 일부 실시예에서, 그러한 프로세스는 합금 원소(Mg, Zn, Zr 등)의 고용체를 포함하는 분말의 형성을 초래한다. 일부 실시예에서, 분말은 하나 이상의 이차 금속간 상을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 개시된 분말 야금 프로세스는 금속간 상의 형성을 촉진하기 위한 임의의 적합한 방법에 의해서 변경된다.
일부 실시예에서, 본원에서 개시된 분말 야금 프로세스는 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의(예를 들어, 약 400 ℃, 약 410 ℃, 약 420 ℃, 약 430 ℃, 약 440 ℃, 약 450 ℃, 약 460 ℃, 약 470 ℃, 또는 약 480 ℃의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는) 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간의(예를 들어, 0.25 h, 약 0.5 h, 약 0.75 h, 약 1 h, 약 1.25 h, 약 1.5 h, 약 1.75 h, 약 2 h, 약 2.25 h, 약 2.5 h, 약 2.75 h, 약 3 h, 약 3.25 h, 약 3.5 h, 약 3.75 h, 약 4 h, 약 4.25 h, 약 4.5 h, 약 4.75 h, 약 5 h, 약 5.25 h, 약 5.5 h, 약 5.75 h, 또는 약 6 시간의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는) 시간 동안 열처리하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 본원에서 개시된 분말 야금 프로세스는 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 일차 석출물, 및 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하는 단계, 및 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.1 내지 약 10 ㎛ 범위, 예를 들어, 약 0.1 ㎛, 약 0.5 ㎛, 약 1 ㎛, 약 1.5 ㎛, 약 2 ㎛, 약 2.5 ㎛, 약 3 ㎛, 약 3.5 ㎛, 약 4 ㎛, 약 4.5 ㎛, 약 5 ㎛, 약 5.5 ㎛, 약 6 ㎛, 약 6.5 ㎛, 약 7 ㎛, 약 7.5 ㎛, 약 8 ㎛, 약 8.5 ㎛, 약 9 ㎛, 약 9.5 ㎛, 또는 약 10 ㎛의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.5 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 약 0.1 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 Al-X 일차 석출물이다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, X는 Zr이다. 일부 실시예에서, 일차 석출물은 Al3Zr 일차 석출물이다. 일부 실시예에서, Al-X 나노-스케일 석출물은, 약 1 내지 약 100 nm 범위, 예를 들어, 약 1 nm, 약 2 nm, 약 4 nm, 약 6 nm, 약 8 nm, 약 10 nm, 약 12 nm, 약 14 nm, 약 16 nm, 약 18 nm, 약 20 nm, 약 22 nm, 약 24 nm, 약 26 nm, 약 28 nm, 약 30 nm, 약 32 nm, 약 34 nm, 약 36 nm, 약 38 nm, 약 40 nm, 약 42 nm, 약 44 nm, 약 46 nm, 약 48 nm, 약 50 nm, 약 52 nm, 약 54 nm, 약 56 nm, 약 58 nm, 약 60 nm, 약 62 nm, 약 64 nm, 약 66 nm, 약 68 nm, 약 70 nm, 약 72 nm, 약 74 nm, 약 76 nm, 약 78 nm, 약 80 nm, 약 82 nm, 약 84 nm, 약 86 nm, 약 88 nm, 약 90 nm, 약 92 nm, 약 94 nm, 약 96 nm, 약 98 nm, 또는 약 100 nm,의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값을 포함하는 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, Al-X 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 50 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, Al3Zr 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 20 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, Al-X 나노-스케일 석출물은 약 3 내지 약 10 nm 범위의 평균 직경을 갖는다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, 나노-스케일 석출물은 Al3Zr 나노-스케일 석출물이다.
일부 실시예에서, 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 열-시효 처리하는 것은 약 1 h, 약 2 h, 약 3 h, 약 4 h, 약 5 h, 약 6 h, 약 7 h, 약 8 h, 약 9 h, 약 10 h, 약 11 h, 약 12 h, 약 13 h, 약 14 h, 약 15 h, 약 16 h, 약 17 h, 약 18 h, 약 19 h, 약 20 h, 약 21 h, 약 22 h, 약 23 h, 약 24 h, 약 25 h, 약 26 h, 약 27 h, 약 28 h, 약 29 h, 약 30 h, 약 31 h, 약 32 h, 약 33 h, 약 34 h, 약 35 h, 약 36 h, 약 37 h, 약 38 h, 약 39 h, 약 40 h, 약 41 h, 약 42 h, 약 43 h, 약 44 h, 약 45 h, 약 46 h, 약 47 h, 또는 약 48 h의, 그리고 이들 사이의 모든 범위 및 값의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 1 h 내지 약 10 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 1 h 내지 약 5 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 1 h 내지 약 3 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 5 h 내지 약 20 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 5 h 내지 약 15 h의 시간 동안 이루어진다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계는 약 5 h 내지 약 10 h의 시간 동안 이루어진다.
일부 실시예에서, 알루미늄 합금 구성요소는 급속 응고 프로세스를 이용하여 7000-계열 알루미늄 합금 중 임의의 합금으로부터 리본, 칩, 또는 분말을 제조하는 것; 그리고 이어서 분말 야금 프로세스에서 리본, 칩, 또는 분말을 이용하여 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 제조하는 것에 의해서 제조된다. 일부 실시예에서, 그러한 방법은 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하는 단계; 그리고 그러한 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 평균 직경이 약 0.1 내지 약 10 ㎛인 일차 석출물, 및 평균 직경이 약 1 내지 약 100 nm인 Al-X 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하는, 그리고 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, X는 Zr이다.
일부 실시예에서, 알루미늄 합금 구성요소는 급속 응고 프로세스를 이용하여 7000-계열 알루미늄 합금 중 임의의 합금으로부터 분말을 제조하는 것; 그리고 이어서 적층 제조 프로세스에서 분말을 이용하여 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하는 것에 의해서 제조된다. 일부 실시예에서, 그러한 방법은 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하는 단계; 그리고 이어서 그러한 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 평균 직경이 약 0.1 내지 약 10 ㎛인 일차 석출물, 및 평균 직경이 약 1 내지 약 100 nm인 Al-X 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하는, 그리고 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, X는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 또는 Lu이다. 일부 실시예에서, X는 Zr이다.
일부 실시예에서, 알루미늄 또는 마그네슘 합금으로 제조된 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성하기 위한 방법이 제공되고, 그러한 방법은 본원에서 개시된 바와 같은 알루미늄 합금 분말을 냉간 분무 프로세스, 열 분무 프로세스, 레이저-보조 냉간 분무 프로세스, 또는 레이저 크래딩 프로세스에 적용하는 단계; 및 프로세스된 분말을 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소의 표면 상에 침착시키는 단계를 포함하고; 그에 의해서 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성한다.
일부 실시예에서, 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성하기 위한 방법이 제공되고, 그러한 방법은 본원에서 개시된 바와 같은 알루미늄 합금 분말을 냉간 분무 프로세스, 열 분무 프로세스, 레이저-보조 냉간 분무 프로세스, 또는 레이저 크래딩 프로세스를 적용하는 단계; 및 프로세스된 분말을 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소의 표면 상에 침착시키는 단계를 포함하고; 그에 의해서 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성한다.
일부 실시예에서, 보호 코팅을 수리 또는 형성하기 위한 방법은, 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 열-시효 처리 단계에 앞서서, 본 개시 내용의 알루미늄 합금 구성요소로 제조된 구성요소는 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열 처리된다.
전술한 내용으로부터, 본 개시 내용의 신규 개념의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도 많은 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도시되고 설명된 특정 실시예에 대한 제한이 의도되지 않았다는 것 또는 추정되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다.
예
예 1
예의 합금 1(Zr-없음) 및 Zr을 포함하는 새로운 합금의 화학적 조성 및 물리적 특성을 표 2에서 비교하였다. 2개의 합금 모두는, 용융 스피닝하는 것, 그리고 이어서 열간 프레싱에 의해서 빌릿으로 압밀하는 것, 그리고 이어서 프로파일로 압출하는 것에 의해서 제조되었다. 비록 양 조성물이 용융 스피닝 후에 유사한 경도를 가지지만, 합금은 열처리 중에 시효-경화 응답을 나타내는 반면, 예의 합금은 그렇지 않다(도 5). 어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되지 않으면서, 이러한 것은, 이러한 열적 프로세스 중의 Al-X 석출물 형성의 효과로 생각된다. 양 합금은 제2 열적 시효에 응답하고, 여기에서 통상적인 Zn2Mg 석출물이 형성되고, 합금은 예의 합금과 동일한 점증적인 경도 증가를 유지한다.
Zr의 첨가는, 도 3(예의 합금 1), 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 합금이 더 큰 최대 강도에 도달할 수 있게 하고, 고온 열처리 중에 미세 입자를 유지하는 것에 의해서 그 열적 안정성을 개선한다.
예의 합금 1의 용융-스피닝된 리본의 주사전자현미경 사진은 전술한 발견 사항을 지지하고, 그러한 입자가 크다는 것을 보여준다(도 1). 대조적으로, 표 2로부터의 합금의 주사전자현미경 사진은, 입자들이 매우 정제되었고, 다수의 입자들이 리본에 포함된다는 것(도 2)을 보여준다. 따라서, 통상적인 합금이 억제되지 않은 입자 성장을 나타내고, 그러한 입자 성장은, 재료가 용접되거나 적층 제조에 적용될 때, 액화 균열 및 열간 균열을 최종적으로 초래하는 반면, 알루미늄 합금은 그러한 특성을 가지지 않는다. 결과적으로, 합금은 더 강하고 열적으로 더 안정적이다.
Figure pct00002
예 2
적층 제조 프로세스, 즉 선택적 레이저 용융(SLM)에 의해서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 제조하는 것을 시도하였다. 열간 균열 문제로 인해서, 이러한 시도는 대부분 성공적이지 않았다(예의 합금 1)[HRL, Sistiaga 공보물 참조] 이러한 목적을 위해서, 일부 연구자들은 AM 프로세스를 위해서 구성된 맞춤형 7000-계열 합금을 개발하려고 노력하였다. 하나의 예로서, Sc를 다량 첨가한 Al-Zn-Mg 합금(예의 합금 3)[Zhou]이 있다.
다른 해결책은 알루미늄 합금 분말을, 응고 중에 미세 입자의 핵생성을 위한 접종물로서의 역할을 하는 제2 분말과 혼합하는 것이다(예의 합금 2)[HRL]. 기술적으로는 실현 가능하지만, 이러한 접근 방식은 복잡성 및 비용을 부가한다.
합금은, 스칸듐과 같은 고가의 원소를 이용하지 않고도, 프린팅 중의 열간 균열 문제를 해결하는 한편, 동시에, 3D 프린팅된 7000-계열 알루미늄의 다른 예에 비해서 강도를 개선하였다.
표 3은 가스-무화된 분말의 선택적 레이저 용융에 의해서 제조된 7000-계열 알루미늄 합금의 특성을 나열한다. 모든 경우에, 3D 프린팅된 재료에 대해서, 약 450 내지 480 ℃에서의 용체화 단계 및 그 후의 약 120 ℃에서의 인공 시효 처리 단계를 포함하는, T6 열처리를 실시하였다.
Figure pct00003
* Zr은 ZrH2의 형태로 분말에 첨가되었고, 합금화되지 않았다.
[HRL] Martin, John H., Brennan D. Yahata, Jacob M. Hundley, Justin A. Mayer, Tobias A. Schaedler, and Tresa M. Pollock. "3D printing of high-strength aluminium alloys." Nature 549, no. 7672 (2017): 365.
[Sistiaga] Montero-Sistiaga, Maria L., Raya Mertens, Bey Vrancken, Xiebin Wang, Brecht Van Hooreweder, Jean-Pierre Kruth, and Jan Van Humbeeck. "Changing the alloy composition of Al7075 for better processability by selective laser melting."　Journal of Materials Processing Technology　238 (2016): 437-445.
[Zhou] Zhou, Le, Hao Pan, Holden Hyer, Sharon Park, Yuanli Bai, Brandon McWilliams, Kyu Cho, and Yongho Sohn. "Microstructure and tensile property of a novel AlZnMgScZr alloy additively manufactured by gas atomization and laser powder bed fusion." Scripta Materialia 158 (2019): 24-28.
예 3:
7000-계열 합금은 급속 응고 프로세스에 의해서 제조될 수 있고 통상적인 분말 프로세스에 의해서 압밀될 수 있다. 하나의 그러한 합금은 상업적으로 생산되는 AA7034이고, 여기에서 용융 스피닝된 리본이 칩으로 절단되고, 열간 프레싱에 의해서 빌릿으로 압밀되고, 프로파일로 압출된다. 이러한 예에서, Cu가 없는 7000-계열 합금이 가스 무화(급속 응고 프로세스)에 의해서 분말로 생산되고, 열간 프레싱에 의해서 빌릿으로 압밀되고, 프로파일로 압출된다(프로세스 1). 또한, 이러한 예는, 가스 무화에 의해서 분말로 생산되고 중간 압밀 단계가 없이 프로파일로 직접 압출된, Cu가 없는 7000-계열 합금이다(프로세스 2).
비록 기계적 특성이, 상업적으로 생산되는 합금과 유사하지만, 합금의 화학적 조성에서 구리를 제거하여, 용접성 및 내식성을 개선하는 것이 유리하다. 용접성 및 열적 안정성을 개선하는데 있어서, 지르코늄의 첨가가 또한 유리하다.
급속 응고 및 압출된 7000-계열 합금의 기계적 특성이 표 4에서 제공되었다. 모든 경우에, 압출된 재료에 대해서, 약 450 내지 480 ℃에서의 용체화 단계 및 그 후의 약 120 ℃에서의 인공 시효 처리 단계를 포함하는, T6 열처리를 실시하였다.
Figure pct00004
[RSP] http://www.rsp-technology.com/site-media/user-uploads/rsp_alloys_highstrenght_2018lr.pdf

Claims (67)

  1. 알루미늄 합금이며:
    약 4 내지 약 12 중량%의 아연;
    약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘;
    약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속 또는 희토류 금속; 및
    나머지 알루미늄을 포함하고;
    합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 가지고; 그리고
    합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 알루미늄 합금.
  2. 알루미늄 합금이며:
    약 4 내지 약 12 중량%의 아연;
    약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘;
    약 0.3 내지 약 2 중량%의 전이 금속; 및
    나머지 알루미늄을 포함하고;
    합금은, 적어도 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금만큼 큰, 상온에서의 강도 대 중량비를 가지고; 그리고
    합금은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 알루미늄 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    존재하는 아연의 양이 약 7 내지 약 12 중량%의 아연인, 알루미늄 합금.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    존재하는 아연의 양이 약 5 내지 약 7 중량%의 아연인, 알루미늄 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    희토류 금속은 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀 및 루테튬, 또는 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 알루미늄 합금.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전이 금속은 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 및 이트륨, 또는 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 알루미늄 합금.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전이 금속이 지르코늄인, 알루미늄 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    합금은, 용접 프로세스에서 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금을 이용할 때 초래될 수 있는 액화-균열 및 열간-파열을 실질적으로 초래하지 않으면서, 용접 프로세스에서 이용될 수 있는, 알루미늄 합금.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 3 중량% 이하의 구리를 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  10. 제7항에 있어서,
    약 0.1 내지 약 1 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 또는 루테튬, 또는 그 조합을 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    합금은 Zn2Mg 석출물, Al3Zr 일차 석출물, 및 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 갖는 알루미늄 매트릭스를 포함하는, 알루미늄 합금.
  12. 제11항에 있어서,
    Al3Zr 일차 석출물은 약 0.05 내지 약 1.5 ㎛ 범위의 평균 직경을 가지고, Al3Zr 나노-스케일 석출물은 L12 결정 조직 및 약 1 내지 약 100 nm 범위의 평균 직경을 가지는, 알루미늄 합금.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    스칸듐이 약 0.05 중량% 미만의 스칸듐으로 존재하는, 알루미늄 합금.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 0.5 중량%를 초과하지 않는 규소 및 철 불순물을 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    용체화 열처리 후의 평균 입자 크기가 100 ㎛ 미만인, 알루미늄 합금.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    봉재, 와이어, 리본, 분말, 또는 칩으로 제조되는, 알루미늄 합금.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    리본, 칩, 또는 분말로 제조되는, 알루미늄 합금.
  18. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    분말로 제조되는, 알루미늄 합금.
  19. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    리본으로 제조되는, 알루미늄 합금.
  20. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    칩으로 제조되는, 알루미늄 합금.
  21. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    와이어 또는 봉재로 제조되는, 알루미늄 합금.
  22. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    와이어로 제조되는, 알루미늄 합금.
  23. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    봉재로 제조되는, 알루미늄 합금.
  24. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    구성요소로 제조되고, 구성요소는 580　MPa 초과의 항복 강도, 600　MPa 초과의 최대 인장 강도, 및 2% 초과의 파단 연신율을 가지는, 알루미늄 합금.
  25. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    분말이 가스-무화, 플라즈마-무화, 회전-전극 프로세싱, 또는 기계적 합금화로 이루어진 그룹으로부터 선택된 프로세스에 의해서 제조되는, 알루미늄 합금.
  26. 제25항에 있어서,
    프로세스가 플라즈마 구형화를 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  27. 용접 가능 7000-계열 알루미늄 합금의 생산 방법이며:
    a) 성분들의 액체 혼합물을 형성하기 위해서 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃의 온도에서, 알루미늄-마스터 합금 또는 순수 원소를 첨가하면서, 재활용 알루미늄 또는 버진 알루미늄을 용융시키는 단계로서, 성분들의 액체 혼합물은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 지르코늄, 선택적인 약 3 중량% 이하의 구리, 그리고 나머지 알루미늄을 포함하고, 성분들의 액체 혼합물은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 단계;
    b) 주조된 잉곳을 형성하기 위해서, 용융된 성분을 주변 온도의 또는 냉각된 주조 몰드 내로 주조하는 단계;
    c) 주조된 잉곳을 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하여, L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg 고용체를 포함하는 용체화된 잉곳을 형성하는 단계;
    d) 용체화된 잉곳을 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물, 또는 단조물로 열간-성형 및/또는 냉간-성형하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 용접 가능 7000-계열 알루미늄 합금의 생산 방법이며:
    a) 성분들의 액체 혼합물을 형성하기 위해서 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃의 온도에서, 알루미늄-마스터 합금 또는 순수 원소를 첨가하면서, 재활용 알루미늄 또는 버진 알루미늄을 용융시키는 단계로서, 성분들의 액체 혼합물은 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2 중량%의 티타늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 이트륨, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 가돌리늄, 디스프로슘, 에르븀, 또는 이테르븀, 또는 그 조합, 선택적인 약 3 중량% 이하의 구리, 그리고 나머지 알루미늄을 포함하고, 성분은 어떠한 의도적으로 첨가된 스칸듐도 포함하지 않는, 단계;
    b) 주조된 잉곳을 형성하기 위해서, 용융된 성분을 주변 온도의 또는 냉각된 주조 몰드 내로 주조하는 단계;
    c) 주조된 잉곳을 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하여, L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg 고용체를 포함하는 용체화된 잉곳을 형성하는 단계;
    d) 용체화된 잉곳을 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물, 또는 단조물로 열간-성형 및/또는 냉간-성형하는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    용체화된 잉곳이 L12 조직의 Al3Zr 나노-스케일 석출물의 분산체를 갖는 Al-Zn-Mg-Cu 고용체를 포함하는, 방법.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    방법이: e) 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안, 형성된 시트, 호일, 봉재, 와이어, 압출물 또는 단조물을 열-시효 처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  31. 용접된 금속 조립체를 제조하는 방법이며, 방법은 용접 프로세스에서 2개의 알루미늄 합금 구성요소를 필러 재료로 접합하는 단계를 포함하고,
    구성요소들을 접합하는 필러 재료가 제16항의 와이어 또는 봉재이고; 그리고
    2개의 알루미늄 합금 구성요소는 각각 Al-Zn-Mg 합금, Al-Zn-Mg-Cu 합금, Al-Zn-Mg-Zr 합금, 및 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 합금으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되는, 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    필러 재료 및 2개의 알루미늄 합금 구성요소가 동일한 조성을 가지는, 방법.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서,
    Al-Zn-Mg 합금, Al-Zn-Mg-Cu 합금, Al-Zn-Mg-Zr 합금, 및 Al-Zn-Mg-Cu-Zr 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 필러 재료 및 2개의 알루미늄 합금 구성요소는 약 4 내지 약 12 중량%의 아연, 약 1 내지 약 4 중량%의 마그네슘, 약 0.3 내지 약 2%의 지르코늄(존재할 때), 그리고 약 3% 이하의 구리(존재할 때)를 포함하는, 방법.
  34. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    용접된 금속 조립체는 액화 균열 및 열간 균열을 가지지 않는, 방법.
  35. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    용접 프로세스는 아크-용접, 토치-용접, 레이저-빔-용접, 및 전자-빔-용접으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  36. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 알루미늄 합금을 제조하는 방법이며,
    알루미늄 합금을 용융 스피닝, 용융 압출, 빔 글레이징, 분무 침착, 가스 무화, 플라즈마 무화, 및 플라즈마 구형화로 이루어진 그룹으로부터 선택된 급속 응고 프로세스에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  37. 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하는 방법이며:
    제1항 내지 제26항 중 어느 한 항의 알루미늄 합금을 적층 제조 프로세스에 적용하여 최종-형상의 구성요소 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제조하는 단계를 포함하는, 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    알루미늄 합금이 봉재, 와이어, 리본, 분말, 또는 칩인, 방법.
  39. 제37항에 있어서,
    알루미늄 합금이 와이어인, 방법.
  40. 제37항에 있어서,
    알루미늄 합금이 분말인, 방법.
  41. 제37항에 있어서,
    분말이 구형 알루미늄 합금 분말인, 방법.
  42. 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 제조 프로세스가 분말 베드 융합, 선택적 레이저 용융, 또는 분말-지향형 에너지 침착인, 방법.
  43. 제42항에 있어서,
    분말 베드 융합, 선택적 레이저 용융, 또는 분말-지향형 에너지 침착 프로세스가 알루미늄 합금을 집중된 에너지원에 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    집중된 에너지원은 레이저 빔 및 전자 빔으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  45. 제43항 또는 제44항에 있어서,
    집중된 에너지원은 알루미늄 합금을 완전히 용융시키기 위해서 이용되는, 방법.
  46. 제45항에 있어서,
    완전히 용융된 알루미늄 합금이 층으로서 기존 기판에 또는 알루미늄 합금의 이전에 침착된 층에 융합되는, 방법.
  47. 제46항에 있어서,
    융합된 층이 급속 응고 프로세스를 거쳐, 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 제공하는, 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    급속 응고가 약 102 내지 약 107 Ks-1의 냉각 속도로 발생되는, 방법.
  49. 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 제조 프로세스가 분말 베드 융합 또는 선택적 레이저 용융이고, 레이저를 이용하여 분말을 용융시키고 이들을 함께 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소로 융합시키는, 방법.
  50. 제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층 제조 프로세스가 분말 지향형 에너지 침착이고, 레이저를 이용하여, 송풍된 분말을 용융시키고 이들을 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소로 융합시키는, 방법.
  51. 제37항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소를 열처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    열처리 단계 후에, 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소가 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리되어, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 일차 석출물, 및 Al-X 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하고, 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 최종-형상의 또는 거의-최종-형상의 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는, 방법.
  53. 제52항에 있어서,
    일차 석출물은 약 0.1 내지 약 10 ㎛ 범위의 평균 직경을 가지는, 방법.
  54. 제52항에 있어서,
    Al-X 나노-스케일 석출물은 약 1 내지 약 100 nm 범위의 평균 직경을 가지는, 방법.
  55. 제52항 또는 제54항에 있어서,
    X가 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  56. 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 제조하는 방법이며:
    제17항의 리본, 칩, 또는 분말을 분말 야금 프로세스에 적용하여, 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 제조하는 단계를 포함하는, 방법.
  57. 제56항에 있어서,
    분말 야금 프로세스가 열간 프레싱, 열간 등압 프레싱, 분말 몰딩, 또는 압출인, 방법.
  58. 제56항 또는 제57항에 있어서,
    리본, 칩, 또는 분말이 급속 응고 프로세스에 의해서 제조되고, 합금 원소들의 고용체를 포함하는, 방법.
  59. 제58항에 있어서,
    리본, 칩, 또는 분말이 하나 이상의 이차 금속간 상을 더 포함하는, 방법.
  60. 제56항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 최종-형상의 구성요소, 거의-최종-형상의 구성요소, 또는 빌릿으로부터 압출된 구성요소를 열처리하는 단계; 및
    구성요소를 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리하여, 미세-스케일 Zn2Mg 석출물, 일차 석출물, 및 Al-X 나노-스케일 석출물의 동시적인 분산체를 달성하고, 결과적으로, 적어도, 통상적인 7000-계열 알루미늄 합금으로 통상적으로 제조되는 구성요소만큼 큰 강도를 가지는 구성요소를 초래하는, 단계를 더 포함하는, 방법.
  61. 제60항에 있어서,
    일차 석출물이 약 0.10 내지 약 10 ㎛ 범위의 평균 직경을 가지는, 방법.
  62. 제60항에 있어서,
    Al-X 나노-스케일 석출물이 약 1 내지 약 100 nm 범위의 평균 직경을 가지는, 방법.
  63. 제60항 또는 제62항에 있어서,
    X가 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  64. 제52항, 제53항, 제60항 또는 제61항에 있어서,
    일차 석출물이 Al3Zn 일차 석출물인, 방법.
  65. 알루미늄 또는 마그네슘 합금으로 제조된 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성하는 방법이며:
    제18항의 분말을 냉간 분무 프로세스, 열 분무 프로세스, 레이저-보조 냉간 분무 프로세스, 또는 레이저 크래딩 프로세스에 적용하는 단계; 및
    프로세스된 분말을 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소의 표면 상에 침착시키는 단계를 포함하고;
    그에 의해서 구성요소 상에서 보호 코팅을 수리 또는 형성하는, 방법.
  66. 제65항에 있어서,
    알루미늄 합금으로 제조된 구성요소를 약 400 ℃ 내지 약 480 ℃의 온도에서 약 0.25 시간 내지 약 6 시간 동안 열처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  67. 제66항에 있어서,
    열처리 단계 후에, 알루미늄 합금으로 제조된 구성요소가 약 100 ℃ 내지 약 180 ℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 48 시간 동안 열-시효 처리되는, 방법.
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