TWI565808B - 鋁合金組成物及鋁合金物件的製造方法 - Google Patents

Description

鋁合金組成物及鋁合金物件的製造方法

本揭露內容是有關於一種鋁合金組成物及鋁合金物件的製造方法。

近年來，在石油價格飛漲、且能源與環境的議題逐漸受重視的情況下，飛機與汽、機車等運輸工具之零組件(例如：飛機引擎艙托架裝置、逃生門鉸鏈、排氣岐管等零組件)運用輕質的鋁合金材料已成為目前主要趨勢。目前飛機與汽、機車等運輸工具之鋁合金零組件大多以傳統鑄造方式所製成，此傳統製程對於產品外型與結構設計有所侷限，需要繁瑣的CNC後加工與熱處理製程(例如包括三階段製程：成形、CNC後加工、熱處理)，其整體過程費時、耗能、且耗材，並且對於形狀複雜之動力元件的加工難度則更高。由於傳統鑄造方式的加工程序複雜，且加工時程長，導致整體加工成本相當高，因而非常不適合用於複雜結構且需兼具多元需求的飛機與汽、機車等運輸工具之鋁合金零組件開發。

綜上所述，業者均致力於開發新的鋁合金成形方式，以解決習知技術的費時、耗能與耗材之問題。

本揭露內容係有關於一種鋁合金組成物及鋁合金物件的製造方法。

根據本揭露內容之一實施例，係提出一種鋁合金組成物。鋁合金組成物包括10~16%重量百分比的矽、0.9~2.2%重量百分比的鎂、0.8~1.2%重量百分比的銅、鎳和鈦之組合以及其餘部分為鋁。

根據本揭露內容之另一實施例，係提出一種鋁合金物件的製造方法。鋁合金物件的製造方法包括以下步驟。提供一鋁合金組成物，包括10~16%重量百分比的矽、0.9~2.2%重量百分比的鎂、0.8~1.2%重量百分比的銅、鎳和鈦之組合以及其餘部分為鋁；以一惰性氣體噴粉方法處理此鋁合金組成物以形成複數個鋁合金粉體；對此些鋁合金粉體進行一雷射積層製造以形成一鋁合金物件；以及對此鋁合金物件進行一熱處理步驟。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，作詳細說明如下：

本揭露內容之實施例中，鋁合金組成物的主要成份為鋁，並且具有相對高含量之10~16%重量百分比的矽和0.9~2.2%重量百分比的鎂，因此具有相當高的鋁合金機械強度；並且，此鋁合金組成物透過惰性氣體噴粉方式製作出鋁合金粉體，再藉由雷射積層製程後得到鋁合金燒熔成物件，接著進行時效熱處理後讓鋁合金物件析出強化提升機械強度，此鋁合金物件的機械強度可大幅提高至具有400MPa以上的常溫抗拉強度、250MPa以上的常溫降伏強度以及10%以上的常溫伸長率。以下係詳細敘述本揭露內容之實施例。實施例所提出的細部組成為舉例說明之用，並非對本揭露內容欲保護之範圍做限縮。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些組成加以修飾或變化。

根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種鋁合金組成物。根據本揭露內容之實施例，鋁合金組成物例如是鋁合金粉體組成物，鋁合金組成物可應用於製作鋁合金物件(aluminum alloy object)。更進一步而言，根據本揭露內容之實施例，鋁合金組成物可以應用於以惰性氣體噴粉、雷射積層燒熔和時效熱處理之製程製作鋁合金物件。

一實施例中，鋁合金組成物包括10~16%重量百分比的矽、0.9~2.2%重量百分比的鎂、0.8~1.2%重量百分比的銅、鎳和鈦之組合以及其餘部分為鋁。也就是說，實施例之鋁合金組成物中，除上述重量百分比的矽、鎂以及銅、鎳和鈦之組合之外，組成物的其餘部分實質上為鋁。

本揭露內容之實施例中，鋁合金組成物具有相對高 含量之矽。一些實施例中，矽的含量為10~16%重量百分比，則可以提高鑄造流動性，進而增加所製成的鋁合金物件之機械強度。當矽的含量過低則鑄造流動性偏低，且所製成的鋁合金成形件的硬度也會降低。

本揭露內容之實施例中，鋁合金組成物具有相對高含量之鎂。一些實施例中，鎂的含量為0.9~2.2%重量百分比，如此一來，可以有效增加鋁合金的機械性質及耐腐蝕性。更進一步，鋁合金組成物具有相對高含量之10~16%重量百分比的矽搭配相對高含量之0.9~2.2%重量百分比的鎂，則鋁合金中的鎂原子可以和矽原子形成矽化鎂(Mg₂Si)，此矽化鎂化合物是鋁合金中的析出強化相，可以明顯提高鋁合金的機械強度並增加鋁合金的耐磨性，而有效增加鋁合金的機械性質。

並且，根據本揭露內容之實施例，鋁合金組成物可應用於以雷射積層製造製作鋁合金物件。相較於以傳統的鑄造製程製作鋁合金，其鋁合金的冷卻速率較慢(大約為10℃/s)，而雷射積層製程之冷卻速率較快(大約為10^2~3℃/s)，因此採用雷射積層製造搭配本揭露內容之具有高含量之矽和鎂的鋁合金組成物，則可以提高強化元素(例如是矽和鎂)在鋁合金中的固溶率，不易發生偏析，如此一來，所形成的鋁合金物件之微觀結構可具有晶粒細小、微結構均勻...等之特性，因而可以有效提高鋁合金的物理特性和機械性質。

一實施例中，矽佔鋁合金組成物的重量百分比約為10~13%。

一實施例中，銅佔鋁合金組成物的重量百分比約為 0.25~0.4%。當銅的添加量過高，則會造成鋁合金溶液(用於惰性氣體噴粉製程)的流動性偏低，進而造成噴粉而成的鋁合金粉體之D50粒徑過大(例如大於40微米)，使得雷射積層製造之後所製成的成形件具有過高的表面粗糙度。根據本揭露內容之實施例，當銅的添加量為0.25~0.4%重量百分比，則可以保有適當的鋁合金溶液流動性，且同時可以增加鋁合金的機械強度、耐熱性以及耐腐蝕性。

一實施例中，鎳佔鋁合金組成物的重量百分比約為0.35~0.5%。

一實施例中，鈦佔鋁合金組成物的重量百分比約為0.2~0.3%。

根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種鋁合金物件的製造方法。於一些實施例中，鋁合金物件的製造方法包括以下步驟。

首先，提供如前所述的一鋁合金組成物。一些實施例中，鋁合金組成物包括10~16%重量百分比的矽、0.9~2.2%重量百分比的鎂、0.8~1.2%重量百分比的銅、鎳和鈦之組合以及其餘部分為鋁。

一實施例中，矽佔鋁合金組成物的重量百分比約為10~13%。一實施例中，銅佔鋁合金組成物的重量百分比約為0.25~0.4%。一實施例中，鎳佔鋁合金組成物的重量百分比約為0.35~0.5%。一實施例中，鈦佔鋁合金組成物的重量百分比約為0.2~0.3%。

接著，以一惰性氣體噴粉方法處理鋁合金組成物以 形成複數個鋁合金粉體。詳細來說，先依上述元素組成及重量比例配置鋁合金組成之材料，並以高溫熔解爐進行材料熔煉與精煉，而得到鋁合金塊材；接著，將熔煉後之鋁合金塊材高溫融熔為鋁合金溶液並進行惰性氣體噴粉而製做出鋁合金粉體，此些鋁合金粉體呈現高度球狀。

一些實施例中，惰性氣體噴粉方法包括一真空感應熔煉氣體噴霧化(VIGA)製程。一些實施例中，鋁合金粉體的粒徑大約為5~60微米(μm)。一些實施例中，鋁合金粉體的粒徑亦可以為大約15~35微米。

接著，對此些鋁合金粉體進行一雷射積層製造以形成一鋁合金物件。一些實施例中，雷射積層製造例如包括對鋁合金粉體進行一雷射燒熔步驟，雷射燒熔步驟之加熱溫度例如是660~2400℃。

接著，對鋁合金物件進行一熱處理步驟，此熱處理步驟例如是時效熱處理。一些實施例中，熱處理步驟之加熱溫度例如是150~175℃，加熱時間例如是6~8小時。

以下係就實施例作進一步說明。以下係列出數個實施例之鋁合金組成物的組成以及製作成鋁合金物件後之特性測試結果，以說明應用本揭露內容所製得之鋁合金組成物的特性。然而以下之實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本揭露內容實施之限制。各實施例和比較例之鋁合金組成物的組成以及製作成鋁合金物件後之特性測試結果如表1~2，其中各元素的比例係以佔整體鋁合金組成物的重量百分比(wt%)表示。

表1中，實施例和比較例的組成中，除表列和註1~2 的重量百分比的各個元素(例如矽、鎂、銅、鎳和鈦...等)之外，組成物的其餘部分實質上為鋁，以「bal.」表示，而「-」表示實質上為0wt%。需注意的是，本揭露內容之技術領域內具有通常知識者皆明白，基於各個元素之起始物的選用，所製成的組成物中除了預定的元素及其重量百分比之外，尚可能存有微量原本存在於起始物中的其他雜質元素。

表2中，實施例A1~A6是分別採用表1之實施例A1~A6之組成、並依序經過惰性氣體噴粉、雷射積層燒熔和時效熱處理(165℃，6小時)而製得的鋁合金物件。再者，表2中，比較例A357、比較例AC4B-1和比較例AlSi₁₀Mg-1是分別採用表1之比較例A357、比較例AC4B和比較例AlSi₁₀Mg之組成、並以傳統的成形、CNC後加工和熱處理之三階段鑄造製程所製得的鋁合金物件；比較例AC4B-2和比較例AlSi₁₀Mg-2是分別採用表1之比較例AC4B和比較例AlSi₁₀Mg之組成、並依序經過惰性氣體噴粉、雷射積層燒結和時效熱處理(165℃，8小時)而製得的鋁合金物件。

實施例A1~A6之組成經過惰性氣體噴粉後形成的粉體的平均粒徑D50大約為26.3~28.7微米(μm)，流動性(Carr index)大約為15.3%~17.9%，且堆積密度大約為70.6~72.2%。舉例而言，實施例A2之組成經過惰性氣體噴粉後形成的粉體的平均粒徑D50大約為26.4微米，流動性(Carr index)大約為15.3%，且堆積密度大約為72.2%。

表2中，「雷射積層燒熔體硬度(HRB)」表示鋁合金組成物之材料經過惰性氣體噴粉和雷射積層燒熔之後、而尚未經過時效熱處理之燒熔體的硬度，「時效後硬度(HRB)」則表示雷射積層燒結所形成的燒熔體經過時效熱處理之後的硬度。「常溫抗拉強度(UTS)」、「常溫降伏強度(YS)」和「常溫伸長率(Elongation)」均為燒熔體經過時效熱處理之後所測量而得。上述各個機械性質係以儀器Gleeble 3500測得。

表2

如表2所示，在實施例A1~A6之樣品中，隨著矽和鎂的含量增加，鋁合金材料的時效後硬度隨之明顯增加，其中以 實施例A6之燒熔體經過時效熱處理後其硬度增加最多。

再者，如表2所示，在實施例A1~A6之樣品中，考量材料強度與延展性須兼顧情況下，其中以實施例A2之燒熔體經過時效熱處理後具有最佳的常溫機械強度(常溫抗拉強度和常溫降伏強度)以及常溫伸長率。

綜上所述，本揭露內容提供一種鋁合金組成物、應用其製成之鋁合金物件及其製造方法，此鋁合金組成物(鋁合金物件)的主要成份為鋁，並且具有相對高含量的矽和鎂，因此具有相當高的鋁合金機械強度。並且，鋁合金組成物經過熔煉後透過惰性氣體噴粉方式製作出成份均勻且呈現固溶狀態之球狀粉體，可藉由雷射積層製造後得到同樣處於固溶狀態的燒熔體之成形件，僅需再施以時效熱處理，此鋁合金物件的機械強度可大幅提高至具有400MPa以上的常溫抗拉強度、250MPa以上的常溫降伏強度以及10%以上的常溫伸長率。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (12)

1. 一種鋁合金組成物，包括：10~16%重量百分比的矽；0.9~2.2%重量百分比的鎂；0.8~1.2%重量百分比的銅、鎳和鈦之組合，其中銅佔該鋁合金組成物的重量百分比為0.25~0.4%；以及其餘部分為鋁。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金組成物，其中矽佔該鋁合金組成物的重量百分比為10~13%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金組成物，其中鎳佔該鋁合金組成物的重量百分比為0.35~0.5%。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金組成物，其中鈦佔該鋁合金組成物的重量百分比為0.2~0.3%。
5. 一種鋁合金物件的製造方法，包括：提供一鋁合金組成物，包括：10~16%重量百分比的矽；0.9~2.2%重量百分比的鎂；0.8~1.2%重量百分比的銅、鎳和鈦之組合，其中銅佔該鋁合金組成物的重量百分比為0.25~0.4%；及其餘部分為鋁； 以一惰性氣體噴粉方法處理該鋁合金組成物以形成複數個鋁合金粉體；對該些鋁合金粉體進行一雷射積層製造以形成一鋁合金物件；以及對該鋁合金物件進行一熱處理步驟。
6. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該惰性氣體噴粉方法包括一真空感應熔煉氣體噴霧化(VIGA)製程。
7. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該些鋁合金粉體的粒徑係為5~60微米(μm)。
8. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該雷射積層製程包括：對該些鋁合金粉體進行一雷射燒結步驟，該雷射燒結步驟之加熱溫度係為660~2400℃。
9. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中該熱處理步驟之加熱溫度係為150~175℃。
10. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中矽佔該鋁合金組成物的重量百分比為10~13%。
11. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中鎳佔該鋁 合金組成物的重量百分比為0.35~0.5%。
12. 如申請專利範圍第5項所述之製造方法，其中鈦佔該鋁合金組成物的重量百分比為0.2~0.3%。