SI25352A - Izdelava visokotrdnostnih in temperaturnoobstojnih aluminijevih zlitin utrjenih z dvojnimi izločki - Google Patents

Abstract

Izum izdelava visokotrdnostnih in temperaturnoobstojnih aluminijevih zlitin utrjenih z dvojnimi izločki, se nanaša na visokotrdnostne in temperaturnoobstojne aluminijeve zlitine in postopek njihove izdelave. Zlitine vsebuje 2,0-5,0 mas.% Mn; 0,001-2,0 mas.% Cr; 2,0-5,0 mas.% Cr + Mn; 0,001-0,5 mas.% V; 2,0-4,5 mas.% Cu; 0,001-0,9 mas.% Be; 0,05-0,5 mas.% Sc; in ki vsebujejo vsaj še enega izmed elementov Zr, Y, Ti, Hf in Nb v deležu 0,001-0,4 mas.%; preostalo je aluminij in neizogibne nečistoče do največ 0,5 mas.%. Zlitine se ulijejo, pri čemer je hitrost ohlajevanja vsaj 100 K/s. Zlitine se lahko pred staranjem plastično deformirajo. Nato se starajo prvič pri prvi temperaturi staranja za prvi čas staranja. Zatem se starajo drugič pri drugi temperaturi staranja v trajanju drugega časa staranja, da dosežemo kombinacijo ikozaedričnih in L12-izločkov. Zlitine se lahko tretjič starajo pri tretji temperaturi in tretjem času staranja, pri čemer jih je treba pred tem hitro ohladiti z druge temperature staranja.

Description

OPIS IZUMA

Izdelava visokotrdnostnih in temperaturnoobstoinih aluminijevih zlitin, utrjenih z dvojnimi izločki

Področje izuma

Izum spada na področje metalurgije neželeznih kovin, bolj natančno na področji livarstva in toplotne obdelave aluminijevih zlitin.

Prikaz problema

Za aluminij in aluminijeve zlitine je značilno, da imajo majhno gostoto, veliko specifično trdnost (trdnost na enoto gostote) in konkurenčno korozijsko odpornost. Deli iz aluminija se lahko gospodarno izdelajo z raznovrstnimi izdelovalnimi postopki. Gnetne zlitine lahko dosežejo ob utrjevanju s standardnimi utrjevalnimi mehanizmi mejne vrednosti natezne trdnosti med 550 MPa in 600 MPa, vendar ob zmanjšani razteznosti (okoli 10 %). Zlitine Al-Si, ki so legirane z različnimi zlitinskimi elementi (npr. AISi12CuNiMg), lahko dosežejo natezne trdnosti do 400 MPa, medtem ko so razteznosti do 5 %.

Večina visokotrdnostnih aluminijevih zlitin se utrdi z izločevalnim utijanjem. Najbolj pogosta toplotna obdelava je označena s T6. Toplotna obdelava T6 je sestavljena iz topilnega žaljenja, ki poteka na temperaturo solvus zlitine. Pri topilnem žarjenju se poveča homogenost zlitine, zlitinski elementi, ki tvorijo izločke pa prehajajo iz različnih intermetalnih faz v trdno raztopino na osnovi aluminija. Zatem se zlitina hitro ohladi (gasi). Ohlajevalna hitrost mora biti dovolj velika, da ostanejo v trdni raztopini skoraj vsi raztopljeni zlitinski elementi. Med naravnim staranjem (na sobni temperaturi) ali umetnim staranjem (pri povišanih temperaturah, praviloma pod 200 °C) nastajajo v trdni raztopini izločki, ki utijujejo aluminijevo zlitino.

Toplotna obdelava T5 je alternativa za obdelavo T6. Pri tej toplotni obdelavi se zlitina neposredno segreje s sobne temperature na temperaturo umetnega staranja, ne da bi zlitino vmes topilno žarili in starali. Osnovni pogoj za to je, da se npr. pri litju, dosežejo dovolj velike ohlajevalne hitrosti, da zadosti velik delež zlitinskih elementov ostane v trdni raztopini. Izločki nastanejo med neposrednim umetnim staranjem.

Pri obeh toplotnih obdelavah, T5 in T6, izločki utrjujejo zlitino le pri nižjih temperaturah. Ko se temperatura približuje 200 °C, se začnejo postajati bolj grobi ter se raztapljati. To vodi k sunkovitemu zmanjšanju trdnostnih lastnosti.

Za napredne aplikacije je treba aluminijeve zlitine izdelati v različnih oblikah, morajo pa imeti tudi ustrezno kombinacijo majhne gostote, velike trdnosti pri sobni temperaturi, toplotne obstojnosti in konkurenčne cene. V znanstveni literaturi in patentih obstaja več rešitev za rešitev zgornjega problema, ki so že bile uporabljene v industrijski praksi ter so relevantne za ta primer.

Pri visokotrdnostnih in temperaturnoobstojnih izločevalnoutrjevalnih zlitinah brez Sc se temperaturna obstojnost konča že pri temperaturah tik nad 200 °C, ker se izločki ogrobijo ali celo raztopijo. Izločevalnoutrjevalne zlitine imajo boljšo temperaturno obstojnost, vendar so dražje, ker vsebujejo Sc. Delež skandija je sorazmerno velik, zato zaradi omejenih zalog Sc ni mogoče izdelovati zlitin v velikih količinah. Zlitine, utrjene samo s kvazikristali, se lahko izdelajo samo s hitrim strjevanjem, zato je njihova uporabnost omejena.

Podati« o stanju tehnike a) Visokotrdnostne in temperatumoobstoine izločevalnoutrjevalne zlitine brez Sc

Visokotrdnostne aluminijeve zlitine izvirajo iz izločevalnoutrjevalnih zlitin iz zlitinskih sistemov Al-Cu (serija AA2xxx), Al-Si-Mg (serija AA6xxx), Al-Li in Al-Zn-Mg (serija AA7xxx). Zlitine lahko izdelamo z različnimi postopki (litje, metalurgija prahov, preoblikovanje) in jih kasneje toplotno obdelamo pretežno s toplotnima obdelavama T6 in T5. Povečana toplotna obstojnost se doseže z dodatki elementov, kot so Mn, Cr, Zr, Nb, Hf ali V, ki lahko tvorijo različne vrste izločkov, ki so manj topni v aluminijevi osnovi kot običajni izločki, in lahko ostanejo v zlitini tudi pri povišanih temperaturah.

Patent WO 2002063059 A1 razkriva dvostopenjski proces staranja delov, ki so narejeni iz zlitine, ki vsebuje vsaj aluminij in baker. Patent WO 2008003503 A2 prestavlja metodo izdelave zlitin AA2xxx za gnetenje, ki imajo sorazmerno velike mere. V obeh zlitinah se med toplotno obdelavo tvorijo izločki Al-Cu, ki ne morejo vzdržati temperatur višjih od 200 °C.

Patent US 5759302 A opisuje sestave zlitine iz sistemov Al-Cu in Al-Zn-Mg, ki so legirani z Mn, Cr or Zr, in toplotno obdelani tako, da nastanejo disperzoidi iz sistemov Al-Mn, Al-Cr ali Al-Zr, ki prispevajo k povečani zlomni žilavosti, odpornosti proti utrujanju in preoblikovalnosti.

Patent US 20170051383 A1 opredeljuje sestavo zlitine in parametre tristopenjskega staranja, da bi dobili dvojne izločke v aluminijevi osnovi, ki bi zagotovili uporabo izumljenih zlitin pri visokotemperaturnih aplikacijah. Zlitina je legirana s Cu in Zr, ter prav tako z Nb, Hf ali V.

Patent US 5226983 A definira zlitine Al-Zr-Li-X, ki se izdelajo s hitrim strjevanjem. Po njem se zlitina po topilnem žarjenju večkrat umetno stara. Mikrostruktura je sestavljena iz aluminijeve osnove in izločkov AI3(Zr, Li).

Patent WO 2011122958 A1 optimira zlitino Al-Mg-Si-Cu za visokotemperaturno stabilnost. Definira kemijsko sestavo zlitine. Cilj je doseči L-fazo kot dominantno vrsto izločka v prestaranem stanju glede na številko gostoto izločkov.

Patent US 6074498 A definira zlitine Al-Cu-Li-Sc, ki jih izpostavimo dvojnemu staranju. Namen je doseči izločke T1 znotraj aluminijevih zrn, medtem ko je na kristalnih mejah območje brez izločkov T1. Po drugi strani nastanejo bolj grobi izločki θ' and č' tako znotraj kristalnih zrn kot tudi ob in na kristalnih mejah. b) Visokotrdnostne in temperaturnoobstojne aluminijeve zlitine, ki vsebuje Sc in izločke L12

Izločki L12 imajo urejeno kubično kristalno zgradbo s splošno formulo ΑΙ3Χ, kjer X predstavlja enega ali več elementov, med katerimi so najpomembnejši Sc, Zr in Y. Izločki I_12 so koherentni z aluminijem bogato osnovo. Nastajajo med toplotno obdelavo in so precej stabilni pri povišanih temperaturah. V tabeli 1 je spisek patentov za aluminijeve zlitine, ki vsebujejo izločke Li2. Patenti razkrivajo kemijsko sestavo zlitin, postopke njihove izdelave (npr. litje, hitro stijevanje, valjanje, varjenje, iztiskanje), kakor tudi njihovo toplotno obdelavo.

Patent US 6248453 B1 razkriva aluminijeve zlitine, ki vsebujejo Sc, Er, Lu, Yb, Trn in U ter tudi vsaj enega izmed elementov iz Mg, Ag, Zn, Li in Cu. Zlitine se izdelajo s hitrim strjevanjem ter so sestavljene iz aluminijeve osnove z izločki AI3X, ki imajo kristalno zgradbo Ι_ι2.

Obstaja več patentov z naslovom »Visokotrdnostne aluminijev zlitine L12« (originalno “High strength L12 aluminium alloys”; glej Tabelo 1). Patenti razkrivajo več osnovnih sestav zlitin, ki so jim dodani elementi skandij, erbij, tulij, iterbij in lutecij, zraven pa še vsaj eden izmed elementov gadolinij, itrij, cirkonij, titan, hafnij ali niobij. Ena izmed možnih sestav je AI-(1-8)Cu-(0.2-4)Mg-(0.1-0.5)Sc-(0.05-1.0)Zr (US 7909947). V drugih patentih so različne sestave osnovnih zlitin [v US 8002912 B2 je osnovna zlitina AI-(4-25)Ni-(0,1-15)Tm (Trn je prehodna kovina), in v US 7871477 B2 je osnovna zlitina AI-(3-6)Mg-(0,5-3)Li]. V vseh primerih je mikrostruktura zlitine po toplotni obdelavi sestavljena iz aluminijeve osnove in izločkov L12.

Patent US 5620652 A definira aluminijev zlitine, ki vsebujejo Sc, ter imajo še dodan Zr. Uporabljajo se lahko za športne produkte, kopenski transport, strukture za pomorstvo, letalstvo in vesoljsko tehniko. Patent ne podaja podrobnosti toplotne obdelave. Predpostavljamo, da imajo zlitine aluminijevo osnovo in izločke ΑΙ3Χ s kristalno zgradbo Li2.

Patent US 20100143185 A1 predstavlja metodo izdelave visokotrdnostnih aluminijevih zlitin, ki vsebujejo izločke l_12. Prah zlitine se izdela z atomizacijo taline. Sestava zlitine, definirana z izumom, zagotovi, da v prahu zlitine nastanejo izločki L12, ki so enakomerno razporejeni v aluminijevi osnovi.

Belov in sodelavci [1] so razvili zlitino Al-Cu-Mn-Zr-Sc, ki ne potrebuje topilnega žaljenja in gašenja, da bi se dosegla visoka trdnost. Zlitina vsebuje po toplotni obdelavi izločke L12, vendar pa ne ikozaedričnih kvazikristalnih izločkov (IQC). Namesto izločkov IQC se tvorijo izločki AI20Mn3Cu2. Njihova slabost je v tem, da nastajajo v obliki palic in ne krogel. Poleg tega je številska gostota teh izločkov bistveno manjša kot izločkov IQC, ki imajo kroglasto obliko.

[1] N.A. Belov, A.N. Alabin, I.A. Matveeva, Optimization of phase composition of Al-Cu-Mn-Zr-Sc alloys for rolled products vvithout requirement for solution treatment and guenching, J. Alloy. Compd., 583 (2014) 206-213.

Tabela 1: Spisek patentov za aluminijeve zlitine, ki vsebujejo izločke L12

c) Aluminijeve zlitine utrjene s kvazikristali

Kvazikristali so kristali, ki imajo urejenost dolgega dosega, vendar niso periodični. To je glavna razlika s periodičnimi kristali. Aluminijeve zlitine utrjene s kvazikristali ima periodično aluminijevo osnovo, v kateri je dispergirana kvazikristalna faza. Kvazikristalna faza lahko nastane med hitrim strjevanjem in litjem, lahko pa jo dodamu aluminiju z metodami, ki so običajne pri izdelavi kompozitov. Pri izdelavi kompozitov se lahko kvazikristalni delci dodajo v aluminijevo talino; dele potem oblikujemo z litjem. Kvazikristalni prah se lahko primeša k aluminijevemu prahu, deli pa se izdelajo s postopki metalurgije prahov.

Patent US 5593515 A razkriva izdelavo zlitine, ki ima splošno formulo Ali,aiQaMtoXcTd. Pri tem Q predstavlja vsaj enegi izmed elementov Mn, Cr, V, Mo in W; M predstavlja vsaj enega izmed elementov Co, Ni, Cu in Fe; medtem ko X označuje Y ali Mm (Mischmetal; zlitina, ki vsebuje več elementov redkih zemelj); T označuje vsaj enega izmed elementov iz skupine Ti, Zr and Hf; indeksi a, b, c in d pa označujejo vsebnosti elementov v atomskih odstotkih: 1 ^a^7, 0>5, 0>c^ 5 in 0 > d i 2. Zlitina ima odlično trdoto in trdnost tako pri nizkih kot tudi pri povišanih temperaturah, ter odlično toplotno upornost in duktilnost. Produkti se lahko izdelajo s hitrim stijevanjem, toplotno obdelavo delov, izdelanih s hitrim strjevanjem, ali s konsolidacijo zlitine, izdelane s hitrim strjevanjem.

Patent US 5419789 A odkriva aluminijeve zlitine, ki vsebujejo Al in vsaj dva prehodna elementa v atomskih deležih med 0,1 % in 25 %, v katerih so kvazikristalni delci enakomerno razporejeni v aluminijevi osnovi. Produkti se lahko izdelajo s hitrim strjevanjem, toplotno obdelavo delov, izdelanih s hitrim strjevanjem, ali s konsolidacijo zlitine, izdelane s hitrim strjevanjem.

Schurack in sodelavci [2, 3] so želeli izboljšati lastnosti aluminijevih zlitin z utrjanjem s kvazikristali. Zlitine so izdelali s hitrim strjevanjem na vrtečem kolesu (ang. melt spinning), mehanskim legiranjem in litjem. Poročali so, mehansko legiranje stabilnih kvazikristalov AICuFe in aluminijevega prahu ni zagotovilo ustrezne kombinacije trdnosti in duktilnosti. Dodatek Ce zlitinam Al-Mn je povečal težnjo k nastanku kvazikristalov, verjetno s stabilizacijo kvazikristalne zgradbe v talini. To je omogočilo neposreden nastanek kvazikristalov pri ohlajanju taline. Mleti in iztisnjeni trakovi hitro stijene zlitine AI92Mn6Ce2 so dosegli trdnost okoli 800 MPa in razteznost ~25 %, medtem ko so konvencionalno lite palice imele natezno trdnost okoli 500 MPa in razteznost ~20 %.

Song in sodelavci [4] so ugotovili, da dodatek Be izrazito zmanjša kritično ohlajevalno hitrost za nastanek kvazikristalov pri strjevanju ter minimalni dodatek Mn. V njihovih zlitinah so kvazikristali nastali pri klasičnih postopkih litja (npr. pri tlačnem litju). Toda njihove zlitine so poleg kvazikristalov vsebovale še druge intermetalne faze, ki neugodno vplivajo na trdnostne lastnosti. Izboljša zlitine so pripravili Rozman in sodelavci [5].

[2] F. Schurack, J. Eckert, L. Schultz: Synthesis and mechanical properties of čast quasicrystal-reinforced Al-alloys, Acta materialia, 49 (2001) 1351-1361 [3] F. Schurack, J. Eckert, L. Schultz: Synthesis and mechanical properties of quasicrystalline Al-based composites, Quasicrystals, Structure and Physical Properties, Wiley-VCH GmbH & Co. KgaA, VVeinheim, 2003, 551-569 [4] G.S. Song, E. Fleury, S.H. Kirn, W.T. Kirn, D.H. Kirn: Enhancement of the quasicrystal-forming ability in Al-based alloys by Be-addition, Journal of Alloys and Compounds, 342 (2002) 251 -255 [5] N. Rozman, J. Medved, F. Zupanič, Microstructural evolution in Al-Mn-Cu-(Be) alloys, Philos. Mag., 91 (2011) 4230-4246. d) Kvazikristalni izločki v aluminijevih zlitinah

Kirn in sodelavci [6] so odkrili dekagonalne kvazikristalne izločke v hitrostrjeni in žarenji komercialni aluminijevi zlitini AISI 2024, ki je vsebovala 2 mas. % Li. Dekagonalni kvazikristalni izločki so nastajali iz trdne raztopine pri 400 °C. Zhang in sodelavci [7, 8] so s presevno elektronsko mikroskopijo raziskovali procese pri žarjenju prenasičenih trdnih raztopin v nekaterih hitrostrjenih zlitinah aluminija z elementi prehodnih kovin. Ugotovili so, da lahko kvazikristalni izločki nastanejo v aluminijevi osnovi v binarnih Al-Cr in Al-Fe, prav tako pa tudi v sistemih Al-V, Al-Cr in Al-Mo, če vsebujejo le manjše količine Fe.

Zupanič in sodelavci [9] so odkrili ikozaedrične izločke v zlitinah Al-Mn-Be-Cu, ulitih v bakreno kokilo, ki so bile žarjene 24 uri pri 300 °C. Kinetiko in mehanizem izločanja pri 300 °C sta raziskala Bončina in Zupanič [10].

Obstaja tudi patent v zvezi s kvazikristalnim izločki (US 5632826). Toda izločki so v železovi zlitini, zato patent ni povezan s to invencijo.

[6] D.H. Kim, K. Chattopadhyay, B. Cantor, QUASI-CRYSTALLINE AND RELATED CRYSTALLINE PHASES IN A RAPIDLY SOLIDIFIED 2024-2LI ALUMINUM-ALLOY, Acta Metallurgica Et Materialia, 39 (1991) 859-875.

[7] X.D. Zhang, Y.J. Bi, M.H. Loretto, STRUCTURE AND STABILITY OF THE PRECIPITATES IN MELT SPUN TERNARY AL-TRANSITION-METAL ALLOYS, Acta Metallurgica Et Materialia, 41 (1993) 849-853.

[8] X .D. Zhang, M.H. Loretto, Stability and decomposition mechanisms of supersaturated solid Solutions in rapidly solidified aluminium transition metal alloys, Materials Science and Technology, 12 (1996) 19-24.

[9] ZUPANIČ, Franc, WANG, Di, GSPAN, Cristian, BONČINA, Tonica.

Precipitates in a quasicrystal-strengthened Al-Mn-Be-Cu alloy. Materials characterization, ISSN 1044-5803. [Print ed.j, Aug. 2015, vol. 106, str. 93-99. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580315001606, doi: 10.1016/j.matchar.2O15.05.013.

[10] BONČINA, Tonica, ZUPANIČ, Franc. In situ TEM study of precipitation in a quasicrystal-strengthened Al-alloy. Archives of metallurgy and materials, ISSN 1733-3490, 2017, vol. 62, iss. 1, str. 5-9. http://www.imim.pl/files/archiwum/Vol1_2017/01 .pdf, doi: 10.1515/amm-2017-0001

Opis nove rešitve

Izum Izdelava visokotrdnostnih in temperaturnoobstojnih aluminijevih zlitin, utrjenih z dvojnimi izločki je postopek izdelave visokotrdnostnih in temperaturnoobstojnih aluminijevih zlitin, ki so utrjene z dvojnimi kvazikristalnimi in Li2-izločki. Na način izdelane zlitine so primerne za uporabo v avtomobilski, vesoljski in letalski industriji, prav tako pa tudi v gradbeništvu in drugje.

Zahtevane lastnosti se lahko dosežejo z ustrezno kombinacijo kemijske sestave zlitine, strjevanja taline s katero koli metodo litja, pri kateri ohlajevalna hitrost v talini tik pred začetkom strjevanja preseže 100 K/s, ter dvo- ali tristopenjsko toplotno obdelavo (T5). Pred toplotno obdelavo se lahko ulitki še hladno ali toplo plastično deformirajo s katero koli preoblikovalno tehnologijo.

Toplotno-obdelovalna aluminijeva zlitina, ki ima veliko trdnost in toplotno obstojnost, vsebuje Mn: 2,0-5,0 mas. %;

Cr: 0,001-2,0 mas. %;

Cr + Mn: 2,0-5,0 mas. %; V: 0,001-0,5 mas. %;

Cu: 2,0-4,5 mas. %;

Be: 0,001-0,9 mas. %;

Sc: 0,05-0,5 mas. %; vsebuje še vsaj enega od naslednjih elementov Zr: 0,001-0,4 mas. %; Y: 0,001-0,4 mas. %;

Ti: 0,001-0,4 mas. %;

Hf: 0,001-0,4 mas. % in

Nb: 0,001-0,4 mas. %; preostalo je Al in neizogibne nečistoče, katerih skupna vrednost ne sme presegati 0,5 mas. %.

Zlitina, v okviru navedene sestave, je po ustreznem litju in toplotni obdelavi sestavljena iz aluminijeve osnove, v kateri so pretežno ikozaedrični kvazikristalni izločki (IQC-izločki) in izločki L12. Zlitinski elementi Mn, Cr in V so nujni, da nastane pri strjevanju kvazikristalna faza. Elementa Cr in V sta potrebna, da se pri toplotni obdelavi tvori okoli kvazikristalnih jeder bogatih z Mn lupina, ki je bogata s Cr in V. Majhna količina berilija zagotovi nastanek kvazikristalne faze pri litju, ko ohlajevalna hitrost preseže 100 K/s. Berilij prav tako pospešuje izločanje kvazikristalnih izločkov med toplotno obdelavo. Skandij in elementi iz skupine X (itrij, cirkonij, titan, hafnij in niobij) so bistveni, da se tvorijo izločki l_i2, ki imajo urejeno kristalno zgradbo. Kombinacija stroncija s katerim koli elementom iz skupine X omogoči nastanek t.i. lupinastih izločkov AbiSr, X). V teh izločkih se skandij nahaja predvsem v jedrih izločkov, medtem ko so elementi X v njihovih lupinah. Navzočnost bakra v zlitini omogoča nastanek izločkov bogatih z bakrom (Θ” ali Θ’) v aluminijevi osnovi med kvazikristalnimi in Li2-izločki pri tretji, nizkotemperaturni toplotni obdelavi, ter in-situ transformacijo kvazikristalne faze v T-fazo (AI2oMn3Cu2) pri višjih temperaturah uporabe.

Zlitina se lahko izdela v tekočem stanju s taljenjem v indukcijski ali kateri koli drugi peči. Priporočljivo je taljenje v vakuumu ali zaščitni atmosferi, da se prepreči izguba zlitinskih elementov, navodičenje in nastanek oksidov. Kot vložek lahko uporabimo tehnično čisti aluminij in predzlitine, ki so dostopne na trgu (npr. AICu50, ΑΙΥ10).

Za prehod v trdno stanje se lahko uporabi kateri koli postopek litja, pri katerem ohlajevalna hitrost presega 100 K/s. Ti postopki obsegajo, vendar niso omejeni z njimi, gravitacijsko litje v trajne kokile, visokotlačno litje, centrifugalno litje, kontinuirno litje, enovaljčno in dvovaljčno litje. Ustrezne hitrosti ohlajanja zagotovijo, (1) da kvazikristalna faza nastane predvsem na kristalnih mejah, kar med nadaljnjo toplotno obdelavo prepreči rast kristalnih zrn aluminija; in (2) da ostane ustrezna količina zlitinskih elementov raztopljena v aluminijevi osnovi, ki omogoči izločanje različnih vrsti izločkov med nadaljnjo toplotno obdelavo (modificirana toplotna obdelava T5).

Zlitina, ki je predmet tega izuma, ima ustrezno preoblikovalnost, zato se lahko pred toplotno obdelavo plastično deformira s katerim koli preoblikovalnim postopkom. Plastična deformacije poveča homogenost zlitine, razbije delce faz, ki so nastali pri strjevanju, prav tako pa lahko pospeši procese izločanja pri toplotni obdelavi. Postopek plastične deformacije je opcija.

Toplotna obdelava je sestavljena iz dveh ali treh stopenj umetnega staranja, ki predstavlja modificirano toplotno obdelavo T5.

Namen staranja pri prvi temperaturi staranja in pri prvem času staranja je doseči izjemno veliko gostoto ikozaedričnih kvazikristalov. Kvazikristal predstavlja stanje snovi, v katerih so atomi pravilno razporejeni v prostoru, vendar niso periodični. Ikozaedrični kvazikristali so kvaziperiodični v treh smereh - v prostoru. Ikozaedrični kvazikristali imajo zelo visoko stopnjo simetrije, zato pogosto rastejo v kroglasti obliki, kar je prednost v primerjavi z rastjo drugih faz v aluminijevih zlitinah, ki rastejo v obliki iglic ali ploščic. Kvaziperiodičnost omogoča odlično ujemanje ikozaedričnih kvazikristalov z aluminijevo osnovo, zato je površinska energija med fazama zelo majhna. Majhna površinska energija omogoča homogen nastanek IQC-izločkov, ki nastanejo v zelo velikem številu. Velikost IQC-izločkov je 10-15 nm, razdalja med delci pa je 30-40 nm. Mobilnost Μη-atomov določa velikost in razdaljo med delci. Zato je za staranje potrebna temperatura med 260 °C in 340 °C in čas 2-90 h. Kvazikristalni izločki vsebujejo v glavnem aluminij in mangan. Med prvim staranjem lahko nastanejo kockasti izločki AI3SC med IQC-izločki, ki so manjši kot 10 nm. Mikrostruktura po prvem staranju je sestavljena iz IQC- in AI3Sc-izločkov.

Cilj drugega staranja je narediti mikrostrukturo bolj stabilno, ko je zlitina izpostavljena povišanim temperaturam med uporabo. Temperatura drugega staranja mora biti višja kot temperatura prvega staranja. Drugo staranje se izvede v temperaturnem območju med 350 °C in 490 °C, trajanje pa je od 15 minut do 10 ur. Med drugim staranjem rastejo kvazikristalni izločki, ki so nastali med prvim staranjem, prav tako pa se ogrobijo. Med ogrobitvijo se njihovo število zmanjša. V zlitinah, ki vsebujejo Cr in V, nastane okoli jedra ikozaedričnega kristala, ki je bogat z Mn, lupina, ki je bogata s Cr in V. Ker je difuzivnost Cr in V manjša kot Mn, lupina oteži ogrobitev izločkov ob izpostavljenosti zlitine povišanim temperaturam. I_i2-izločki, bogati s skandijem (AI3Sc), rastejo naprej. V tej stopnji bodo elementi X (Zr, Y, Ti, Hf, Nb) tvorili lupino okoli s skandijem bogatega jedra L12-izločkov.

Elementi X imajo manjšo difuzivnost kot skandij. Tako bo lupina, bogate z elementi X, močno otežila ogrobitev Li2-izločkov. Mikrostruktura po drugem staranju bo vsebovala lupinaste IQC-izločke, ki so veliki 20-50 nm, in lupinaste izločke L12, ki so veliki 10-20 nm in so enakomerno razporejeni v prostoru med IQC-izločki. Takšna mikrostruktura je zelo stabilna do temperatur, ki so blizu temperaturam drugega staranja (največ 450 °C).

Tretje staranje je opcija. Njegov namen je, da se iz trdne raztopine, v prostorih med IQC- in I_i2-izločki, izločijo še z bakrom bogati izločki. Zahteva se, da se zlitina gasi v vodi s temperature drugega staranja in potem segreje na temperaturo tretjega staranja, ki je med 120 °C in 190 °C. Trajanje tretjega staranja je 2-16 ur. Vsebnost bakra v IQC- in Li2-izločkih je zelo majhna, zato ostane Cu pri temperaturi drugega staranja skoraj v celoti v trdni raztopini. Z gašenjem s temperature drugega staranja se zadrži v trdni raztopini. Pri segretju na temperaturo tretjega staranja se izloči v obliki z bakrom bogatih izločkov: Θ’ in Θ”. S tem se zlitini poveča trdnost pri nizkih temperaturah. Temperaturna obstojnost pa se ne spremeni, ker se ti izločki pri temperaturah nad 200 °C ponovno raztopijo v osnovi.

Pomembna prednost te metode je, da lahko dosežemo s postopki litja, ki so uveljavljeni v livarnah aluminija, ustrezne oblike ulitkov in želeno začetno mikrostruktura, ki omogoča uspešno toplotno obdelavo. Vsebnosti zlitinskih elementov so sorazmerno majhne. Tako lahko tudi ulitke po potrebi plastično deformiramo, ker imajo ustrezno duktilnost. Količine zlitinskih elementov, predvsem tistih z visoko ceno (npr. skandija), so majhne. Tako je strošek na enoto lastnosti tudi majhen. To je pomembno v povezavi z aluminijevimi zlitinami, ki so legirane s skandijem (npr. patent EP 2598664 B1). Ikozeadrični in IQC-izločki so koherentni z aluminijevo osnovo, zato lahko nastanejo v mnogo večjih številskih gostotah kot disperzoidi. Tako izumljene zlitine dajejo dosti več možnosti za doseganje lastnosti kot s toplotno obdelavo in plastično deformacijo.

Primer izuma “Izdelava visokotrdnostnih in temperaturnoobstoinih aluminijevih zlitin, utrjenih z dvojnimi izločki«

Kemijska sestava zlitine je bila:

Zlitina je bila izdelana s taljenjem tehnično čistega aluminija (AI99.5) in predzlitin AIMnIO, AIBe5,5, AICu50, AIZrlO, AISc2 in ΑΙΥ10 v električni uporovni peči. Taline zlitine je bila homogenizirana pri 750 °C in ulita v bakreno kokilo, ki je imela valjaste dele s premeri 2,5, 4, 6 in 10 mm (trdota v litem stanju je bila 100-120 HV1.

Zatem so bili nekateri vzorci plastično deformirani pri sobni temperaturi s stopnjo deformacije 50 %. Trdota deformiranih vzorcev seje povečala na 140-150 HV 1.

Vzorci so bili toplotno obdelani na zraku v električni uporovni peči. Prva temperatura staranja je bila 300 °C, prvi čas staranja pa je bil 30 ur. Po prvem staranju je bila trdota ulitih in staranih vzorcev 120-130 HV 1, medtem ko je bila trdota ulitih, deformiranih in staranih vzorcev 130-140 HV 1.

Vzorci so bili drugič toplotno obdelani na zraku v električni uporovni peči. Druga temperatura staranja je bila 400 °C, drugi čas staranja pa je bil 1 uro. Po drugem staranju je bila trdota ulitih in dvakrat staranih vzorcev 100-110 HV 1, medtem ko je bila trdota ulitih, deformiranih in dvakrat staranih vzorcev 110-120 HV 1.

Vzorci so bili hitro ohlajeni v vodi s temperature drugega staranja. Potem so bili tretjič starani na zraku v električni uporovni peči. Tretja temperatura staranja je bila 170 °C, tretji čas staranja pa 5 ur. Po tretjem staranju je bila trdota litih in trikrat staranih vzorcev 120-130 HV 1, medtem ko je bila trdota litih, deformiranih in trikrat staranih vzorcev 130-140 HV 1.

Opisani izum je nov in prenosljiv v industrijsko prakso. Izveden je bil že v polindustrijskem okolju, vsebuje pa postopke, kot so litje, preoblikovanje in toplotna obdelava, ki se normalno izvajajo pri proizvajalcih aluminijevih zlitin.

Claims (4)

1. ZAHTEVKI Zahtevek 1 Izdelava visokotrdnostnih in temperaturnoobstojnih aluminijevih zlitin, utrjenih z dvojnimi izločki, ki so značilne po tem, da vsebujejo Mn: 2,0-5,0 mas.%; Cr: 0,001-2,0 mas.%; Cr + Mn: 2,0-5,0 mas.%; V: 0,001-0,5 mas.%; Cu: 2,0-4,5 mas.%; Be: 0,001-0,9 mas.%; Sc: 0,05-0,5 mas.%; in ki vsebuje vsaj še enega od elementov Zr: 0,001-0,4 mas.%; Y: 0,001-0,4 mas.%; Ti: 0,001-0,4 mas.%; Hf: 0,001-0,4 mas.% in Nb: 0,001-0,4 mas.%; preostalo je Al in neizogibne nečistoče do največ 0,5 mas.%. Zahtevek
2. 2 Visokotrdnostne in temperaturnoobstojne aluminijeve zlitine utrjene z dvojnimi izločki skladne z zahtevkom 1 značilne po tem, da so izdelane s postopkom litja, s katerim je dosežena hitrost ohlajanja v talini tik pred začetkom strjevanja vsaj 100 K/s; pri čemer postopek litja vključuje gravitacijsko litje v trajne kokile,visokotlačno litje, centrifugalno litje, enovaljčno litje, dvovaljčno in kontinuirno litje, vendar ni omejen s temi postopki; pri čemer se lahko ulitek preoblikuje s plastično deformacijo, pri čemer lahko preoblikovalni postopek vključuje valjanje, stiskanje, kovanje, iztiskanje, upogibanje, raztezanje, vlečenje in globoko vlečenje, vendar ni omejen z naštetimi postopki. Zahtevek
3. 3 Visokotrdnostne in temperaturnoobstojne aluminijeve zlitine utrjene z dvojnimi izločki iz zahtevka 1 izdelane z metodo skladno z zahtevkom 2 značilne po tem, da so toplotno obdelane z dvostopenjskim staranjem, pri čemer poteka prva stopnja staranja pri prvi temperaturi staranja, ki je med 260 °C in 340 °C, medtem ko znaša čas prvega staranja od 2 uri do 90 ur, pri čemer je mikrostruktura po prvem staranju sestavljena iz kvazikristalnih in l_i2-izločkov v aluminijevi trdni raztopini; pri čemer temperatura drugega staranja leži med 350 °C in 490 °C, drugi čas staranja pa znaša med 15 minut in 10 ur; mikrostruktura po drugem staranju je sestavljena iz stabiliziranih, nekoliko bolj grobih ikozaedričnih izločkov in lupinastih izločkov Li2. Zahtevek
4. 4 Visokotrdnostne in temperaturnoobstojne aluminijeve zlitine, utrjene z dvojnimi izločki po zahtevku 1 izdelane skladno z zahtevkom 2 in toplotno obdelane skladno po zahtevku 3 značilne po tem, da so hitro ohlajene s temperature drugega staranja v vodi ali podobnem hladilnem sredstvu, ki ima sobno temperaturo; nato segrete na tretjo temperaturo staranja in pri tej zadrževane tretji čas staranja, pri čemer je tretja temperatura staranja med 120 °C in 195 °C, tretji čas staranja pa znaša od 2 uri do 16 ur; pri čemer nastanejo v aluminijevi osnovi izločki bogati z bakrom, ki povečajo veliko trdnost zlitine pri sobni temperaturi.