TWI692530B

TWI692530B - 鋁合金粉末及其製造方法、鋁合金製品及其製造方法

Info

Publication number: TWI692530B
Application number: TW108132314A
Authority: TW
Inventors: 傅聖峻; 黃揚升
Original assignee: 圓融金屬粉末股份有限公司
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2020-05-01
Also published as: TW202111136A

Abstract

一種鋁合金粉末或鋁合金製品，以其總重為100wt.%計算，該鋁合金粉末或鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fc)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

Description

鋁合金粉末及其製造方法、鋁合金製品及其製造方法

本發明是有關於一種合金粉末及其製造方法、合金製品及其製造方法，且特別是有關於一種鋁合金粉末及其製造方法、鋁合金製品及其製造方法。

中國專利申請公佈號CN109175350A公開一種用於增材製造的Al-Mg-Mn-Sc-Zr鋁合金粉末的製備方法，其包括以下步驟：向中頻爐內的坩堝中加入純鋁錠，並對鋁錠進行預熱；將熔煉室的溫度升高至700-850℃，純鋁熔化開始後向熔煉室通入氬氣，使熔煉室壓力為0.6-0.9MPa；使坩堝內熔體溫度達到1150~1300℃，加入純錳、純鋯，保溫15~25min；調高坩堝降溫至800~900℃，熔煉室壓力調節至0.3~0.7MPa，加入Al-Sc中間合金熔化後，保溫5~15min；使坩堝內熔體溫度降低至700~790℃，熔煉室壓力調節至0.05~0.15MPa，加入純鎂錠；待鎂錠完全熔化後，將坩堝保持在780-820℃；採用氣霧化制粉方式進行製粉。

依習知的鋁合金粉末以矽(Si)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鋅(Zn)或銅(Cu)作為主要合金元素，並將鎳(Ni)、鐵(Fe)等元素視為雜質元素。利用鋁合金粉末以積層製造方法製備之鋁合金製品的抗拉強度大部分皆低於500MPa，除了航太應用之鋁合金，如：7075、7050、2024等能高於500MPa，但這些高強度之鋁合金需經由繁雜之熱處理製程而得，且延展性及耐熱性不佳，延展性(斷裂伸長量)皆低於10%，無法於300℃以上使用。

因此，便有需要提供一種具有高延展性、高抗拉強度及較佳耐熱性之鋁合金材料，解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種鋁合金製品，其具有高延展性、高抗拉強度及較佳耐熱性。

依據上述之目的，本發明提供一種鋁合金粉末，以其總重為100wt.%計算，該鋁合金粉末包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

本發明更提供一種鋁合金粉末之製造方法，包括下列步驟：進行一熔煉製程，使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成一鋁合金熔湯；以及進行一製粉製程，使該鋁合金熔湯形成一鋁合金粉末；其中該鋁合金粉末包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

本發明另提供一種鋁合金製品，以其總重為100w%計算，該鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

本發明又提供一種鋁合金製品之製造方法，包括：將上述的鋁合金粉末進行3D列印製程或粉末冶金製程，使該鋁合金粉末形成一鋁合金製品。

本發明主要使用鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)作為主要合金元素，錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)作為次要合金元素，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質，而提供一種具有高延展性、高抗拉強度及較佳耐熱性之鋁合金材料，可用於積層製造 (3D列印、粉末冶金)、鑄造等方法製備，抗拉強度優於常見的鋁矽(Al-Si)、鋁鎂(Al-Mg)、鋁銅(Al-Cu)、鋁鎂矽(Al-Mg-Si)、鋁鋅鎂銅(Al-Zn-Mg-Cu)等合金。

10‧‧‧承載坩堝

11‧‧‧鋁合金熔湯

12‧‧‧下艙體

13‧‧‧集粉桶

G‧‧‧霧化氣體

P‧‧‧鋁合金粉末

S11‧‧‧熔煉製程

S12‧‧‧製粉製程

S21‧‧‧步驟

S22‧‧‧步驟

S23‧‧‧步驟

S31‧‧‧步驟

S32‧‧‧步驟

S33‧‧‧步驟

S41‧‧‧熔煉製程

S42‧‧‧澆鑄製程

圖1為本發明之一實施例之鋁合金粉末之製造方法流程圖。

圖2為本發明之一實施例之熔煉爐及氣體霧化設備之剖面示意圖。

圖3為本發明之第一實施例之鋁合金製品之製造方法流程圖。

圖4為本發明之第二實施例之鋁合金製品之製造方法流程圖。

圖5為本發明之第三實施例之鋁合金製品之製造方法流程圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

圖1為本發明之一實施例之鋁合金粉末之製造方法流程圖。該鋁合金粉末之製造方法包括下列步驟：(1)進行一熔煉製程S11：使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成一鋁合金熔湯；以及(2)進行一製粉製程S12：使該鋁合金熔湯形成一鋁合金粉末。

請參考圖2，舉例，本發明之熔煉製程包括下列步驟：將純鋁錠置入熔煉爐(例如真空感應熔煉爐)之承載坩堝10中，並對該純鋁錠進行預熱；該純鋁錠熔化後，依序投入純銅錠(或鋁銅中間合金或銅劑)、純鎳錠(或鋁鎳中間合金或鎳劑)、純鐵錠(或鋁鐵中間合金或鐵劑)、純錳錠(或鋁錳中間合金或錳劑)、純鋯錠(或鋁鋯中間合金)、純鉻錠(或鋁鉻中間合金或鉻劑)及純矽錠(或鋁矽中間合金)；以及加大熔煉功率，升溫至850~950℃，持續攪拌約15~20分鐘，使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成該鋁合金熔湯11。該鋁合金熔湯包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

本發明之製粉製程包括下列步驟：攪拌完成後，將該鋁合金熔湯11除渣精煉，並調整下艙體12壓力控制於0.07~0.10MPa，承載坩堝溫度控制於850~880℃，開啟霧化氣體G(例如氬氣或氮氣)，進行氣霧化製粉，使該鋁合金熔湯11形成該鋁合金粉末P，並收集在集粉桶13內。例如以高速冷卻氣體將該鋁合金熔湯11沖擊霧化後而快速凝固成鋁合金粉末P。該鋁合金粉末P包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

圖3為本發明之第一實施例之鋁合金製品之製造方法流程圖。該鋁合金製品之製造方法包括：將本發明之鋁合金粉末進行3D列印製程，使該鋁合金粉末形成一鋁合金製品。該3D列印製程包括下列步驟：在步驟S21中，將該鋁合金粉末經由氣旋分選及震動分選進行粉末篩分，將粉末粒徑篩選至20~63μm後，加熱至70~90℃約0.5~1.0小時，去除濕氣，並將該鋁合金粉末抽真空保存；在步驟S22中，以雷射選區熔化(Selective laser melting；SLM)技術進行3D列印而得該鋁合金製品(雷射選區熔化技術是以原型製造技術為基本原理發展起來的一種先進的雷射增材製造技術，通過專用軟體對零件三維數模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數據後，利用高能量雷射束根據輪廓數據逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，製造三維實體零件。例如，以德國SLM Solutions 280雷射選區熔化設備進行鋁合金3D列印)；以及，在步驟S23中，待3D列印完成後，將該鋁合金製品取下，並施以表面處理，其中該鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

請參考表一，本發明之實施例1~3之鋁合金製品的配方成分及其比例。請參考表二，實施例1~3之鋁合金製品的抗拉強度可大於500Mpa，其斷裂伸長量大於10%及適用於300℃以上的環境。

機械性能測試根據ISO 6892-1：2009(B)annex D拉伸試棒：直徑5mm圓棒，標距長度25mm

本發明之鋁合金製品添加大量的鎳、銅、鐵及少量的錳、鋯及鉻至鋁合金中，藉由Cu、Mn、Si及Cr元素在Al中溶解度，產生部分固溶強化，及其元素間形成之散佈強化相(CrFe)Al₇、(CrMn)Al₁₂、(FeMn)Al₆、(Fe₂Si)Al₈、FeSiAl₅、Al₃Zr提升鋁合金之強度及耐熱性。熱處理後，使時效硬化相Al₃Ni及Al₂Cu析出，進一步提升抗拉強度及延展性。

本發明之鋁合金製品具備高延展性的原因在於Al₃Ni及Al₃Fe之散佈強化相，此類析出相為桿狀結構，在裂痕擴展時，此結構與裂痕平行，不易造成應力集中，另外添加Cr及Mn元素可調整Fe在鋁合金中的微結構，形成(CrFe)Al₇、(CrMn)Al₁₂及(FeMn)Al₆，可同時提升延展性及抗拉強度。

另外，本發明之鋁合金製品的矽(Si)含量只介於0.05~4.0wt.%，若Si在此鋁合金含量過高會造成Al₅FeSi(alpha phase,script-like phase)增加，容易形成裂縫，降低延展性。在熱處理上Si含量過高也容易形成Si聚集，可能會有粗大的矽顆粒(Si particle)或是片狀矽(Si sheet)產生，降低鋁合金的抗拉強度。

圖4為本發明之第二實施例之鋁合金製品之製造方法流程圖。該鋁合金製品之製造方法包括：將本發明之鋁合金粉末進行粉末冶金製程，使該鋁合金粉末形成一鋁合金製品。該粉末冶金製程包括下列步驟：在步驟S31中，將體積百分比65~90%的鋁合金粉末與黏結劑10~35%混合；在步驟S32中，以粉漿澆注、帶材澆注及靜壓方式製成一鋁合金生胚；以及，在步驟S33中，將生胚經由高溫燒結或鍛造而得該鋁合金製品，其中該鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

圖5為本發明之第三實施例之鋁合金製品之製造方法流程圖。該鋁合金製品製造方法包括下列步驟：(1)進行一熔煉製程S41：使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成一鋁合金熔湯；以及(2)進行一澆鑄製程S42：使該鋁合金熔湯形成一鋁合金製品。

舉例，該熔煉製程S41包括：將一純鋁錠置入一熔煉爐中，並對該純鋁錠材料進行預熱；該純鋁錠熔化後，依序投入純銅錠(或鋁銅中間合金或銅劑)、純鎳錠(或鋁鎳中間合金或鎳劑)、純鐵錠(或鋁鐵中間合金或鐵劑)、純錳錠(或鋁錳中間合金或錳劑)、純鋯錠(或鋁鋯中間合金)、純鉻錠(或鋁鉻中間合金或鉻劑)及純矽錠(或鋁矽中間合金)；以及，加大熔煉功率，升溫至850~950℃，持續攪拌約15~20分鐘，使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成該鋁合金熔湯。

該澆鑄製程S42包括：攪拌完成後，將該鋁合金熔湯表面熔渣除扒除，調整該鋁合金熔湯之溫度於850~870度，澆鑄至一模具中，使該鋁合金熔湯形成該鋁合金製品，其中該鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。

本發明主要使用鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)作為主要合金元素，錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)作為次要合金元素，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質，而提供一種具有高延展性、高抗拉強度及較佳耐熱性之鋁合金材料，可用於積層製造(3D列印、粉末冶金)、鑄造等方法製備，抗拉強度優於常見的鋁矽(Al-Si)、鋁鎂(Al-Mg)、鋁銅(Al-Cu)、鋁鎂矽(Al-Mg-Si)、鋁鋅鎂銅(Al-Zn-Mg-Cu)等合金。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S11‧‧‧熔煉製程

S12‧‧‧製粉製程

Claims

一種鋁合金粉末，以其總重為100wt.%計算，該鋁合金粉末包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。
一種鋁合金粉末，以其總重為100wt.%計算，該鋁合金粉末只由下列元素所構成：鎳(Ni)：3.0~5.wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。
一種鋁合金粉末之製造方法，包括下列步驟：進行一熔煉製程，使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成一鋁合金熔湯；以及進行一製粉製程，使該鋁合金熔湯形成一鋁合金粉末；其中該鋁合金粉末包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第3項所述之鋁合金粉末製造方法，其中：該熔煉製程包括下列步驟：將一純鋁錠置入一熔煉爐中，並對該純鋁錠進行預熱；該純鋁錠熔化後，依序投入純銅錠(或鋁銅中間合金或銅劑)、純鎳錠(或鋁鎳中間合金或鎳劑)、純鐵錠(或鋁鐵中間合金或鐵劑)、純錳錠(或鋁錳中間合金或錳劑)、純鋯錠(或鋁鋯中間合金)、純鉻錠(或鋁鉻中間合金或鉻劑)及純矽錠(或鋁矽中間合金)；以及加大熔煉功率，升溫至850~950℃，持續攪拌約15~20分鐘，使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成該鋁合金熔湯；以及該製粉製程包括下列步驟：開啟霧化氣體，進行氣霧化製粉，使該鋁合金熔湯形成該鋁合金粉末。
一種鋁合金製品，以其總重為100wt.%計算，該鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。
如申請專利範圍第5項所述之鋁合金製品，其中該鋁合金製品之抗拉強度大於500Mpa，且延展性大於10%。
一種鋁合金製品之製造方法，包括：將如請求項1或2所述的鋁合金粉末進行3D列印製程或粉末冶金製程，使該鋁合金粉末形成一鋁合金製品。
如申請專利範圍第7項所述之鋁合金製品之製造方法，其中該3D列印製程包括下列步驟：將該鋁合金粉末經由氣旋分選及震動分選進行粉末篩分，將粉末粒徑篩選至20~63μm後，加熱至70~90℃約0.5~1.0小時，去除濕氣，並將該鋁合金粉末抽真空保存；以及以激光選區熔化設備進行3D列印而得該鋁合金製品；以及待3D列印完成後，將該鋁合金製品取下，並施以表面處理。
如申請專利範圍第7項所述之鋁合金製品之製造方法，其中該粉末冶金製程包括下列步驟：將體積百分比65~90%的鋁合金粉末與黏結劑10-35%混合；以粉漿澆注、帶材澆注及靜壓方式製成一鋁合金生胚；以及將該鋁合金生胚經由高溫燒結或鍛造而得該鋁合金製品。
一種鋁合金製品之製造方法，包括：進行一熔煉製程：使含有鋁(Al)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋯(Zr)、鉻(Cr)及矽(Si)的各個材料熔化成一鋁合金熔湯；以及進行一澆鑄製程：使該鋁合金熔湯形成一鋁合金製品，其中該鋁合金製品包括下列元素：鎳(Ni)：3.0~5.0wt.%，銅(Cu)：2.0~3.0wt.%，鐵(Fe)：1.0~2.0wt.%，錳(Mn)：0.5-1.0wt.%，鋯(Zr)：0.4-1.0wt.%，鉻(Cr)：0.40-1.0wt.%，矽(Si)：0.05~4.0wt.%，其餘部分為鋁(Al)及不可避免之雜質。