專利名稱：高溫用快速凝固含硅鋁基合金的制作方法
本申請是美國專利申請No782774(申請日1985.10.2)的延續(xù)，該申請的名稱為“高溫用快速凝固含硅鋁基合金”。
本發(fā)明涉及在室溫及高溫下具有高強度、高延性和高韌性的含硅鋁基合金以及由這種合金生產的粉末制品。更具體地說，本發(fā)明涉及Al-Fe-Si-V合金，該合金從熔體快速凝固并通過形變熱處理形成具有高強度、高延性和高斷裂韌性配合的結構零件。
yle等人在美國專利2963780中，Roberts等人專利2967351和3462248中曾描述了提高鋁基合金在 0℃下的抗拉強度的方法。Lyle和Roberts等人所教導的這種合金，是利用高速氣流將液態(tài)金屬霧化成細小的液滴而制成的。以大約104℃/秒的速度的對流冷卻來冷卻這些液滴。由于這種快速冷卻的結果，Lyle和Roberts等人所制造的合金，其過渡元素含量遠遠高于迄今所能得到的含量。
使用較高冷卻速度的對流冷卻，例如噴涂細片冷卻和熔體離心鑄造，已經用以產生大約105-106℃/秒的冷速。這種冷速使熔融鋁合金在凝固期間形成的金屬間沉淀物減至最少。上述金屬間沉淀物是造成過早拉伸失穩(wěn)的主要原因。Hildeman等人的美國專利4379719描述了含4-12重量%Fe和1-7重量%Ce或其他鑭系稀土金屬的快淬鋁合金粉末。Adam的美國專利4347076描述了含5-15重量%Fe和1-5重量%其他過渡元素的快淬鋁合金粉末。
Ray等人的美國專利4347076描述了在大約350℃下使用的高強度鋁合金，該合金是利用快速凝固技術制造的。但是，這些合金在室溫下具有低的工程延性和斷裂韌性，這就阻礙了這種合金在要求最低拉伸延伸率約3%的結構中應用。這種應用的例子之一是P.T.Millan，Jr.所描述的小型燃氣渦輪發(fā)動機(JournalofMetals，Volume35(3)，page76，1983)。
Ray等人所論述的鋁合金由過渡金屬元素和鋁的亞穩(wěn)定面心立方固熔體組成。其鑄造條帶在彎曲時是易碎的，很容易粉碎成粉末。這種粉末被壓制成在室溫下具有高達76千磅力/平方英寸抗拉強度的固結制品。Ray等人沒有詳細論述這些合金的拉伸延性或斷裂韌性。然而，由NASA報告(NASI-17578May1984)可知，Ray等人所提出的許多這類合金，在制成工程試棒時不具備足以供結構零件使用的室溫延性或斷裂韌性。
因而常規(guī)的鋁合金，例如Ray等人提出的這些鋁合金，缺乏足夠的工程延性，不適合用于結構部件。
本發(fā)明提供一種制造燃氣渦輪機、汽車發(fā)動機和導彈部件的鋁基合金，這種合金大體上由式Al余FeaSibVc組成，其中a的范圍為3.0-7.1原子%、b的范圍為1.0-3.0原子%、c的范圍為0.25-1.25原子%，其余是鋁加伴隨的雜質，但須ⅰ)Fe+V與Si之比范圍為2.33∶1-3.33∶1，以及ⅱ)Fe與V之比范圍為11.5∶1-5∶1。
發(fā)動機控制罩(enginecontrolhousing)和其他燃氣渦輪發(fā)動機的靜態(tài)結構對材料的要求包括在高達550°F(288℃)的溫度下、在環(huán)境大氣中或在工作流體中工作。工作流體的壓力范圍是6000-8000磅/平方英寸(表壓)。在這些結構設計中的一個越來越重要的設計準則是節(jié)約鈦的用量，鈦是目前最廣泛應用的材料。在發(fā)動機控制罩中使用高溫鋁合金代表一種應用，這種應用迄今為止要求使用鈦合金，其原因不是因為鈦合金的極高溫度性能，而是由于普通高溫鋁合金不能在特殊溫度/壓力狀態(tài)下使用。本發(fā)明的合金由于有極高的熱穩(wěn)定性，所以是發(fā)動機控制罩的極好的選用材料。適合于本發(fā)明合金的擠壓件和鍛件的其他應用包括，民用和軍用飛機，例如直升飛機、飛機骨架、導彈、燃氣渦輪發(fā)動機的結構部件以及汽車發(fā)動機部件，例如進氣閥、活塞、連桿、閥挺桿等等。
為了提供所期望的延性、韌性和高溫強度水平(這些性能是工業(yè)用燃氣輪機和汽車發(fā)動機部件以及飛機結構零件所需要的)，對本發(fā)明合金進行改變其顯微組織的快速凝固處理。在所述快速凝固處理方法中，使合金處于熔融態(tài)，然后以至少大約105-107℃/秒的冷速冷卻，形成一種固態(tài)物質。該方法最好是以大于約106℃/秒冷速，即通過熔體離心鑄造，噴涂細片冷卻或平面流動澆注冷卻熔融金屬，從而形成一種固體條帶或薄板。這些合金具有鑄態(tài)顯微組織，該顯微組織取決于特定合金的化學組成，變動于顯微共晶體與顯微網狀組織結構之間。在本發(fā)明合金中這些組織的相對比例不是關鍵性的。
固結制品是通過壓制一種大體上由式Al余FeaSibVc組成的鋁基合金顆粒而制得的，其中a的范圍是3.00-7.1原子%，b的范圍是1.0-3.0原子%，C的范圍是0.25-1.25原子%，余量為鋁及伴隨的雜質，但須ⅰ)Fe+V與Si的比例范圍是2.33∶1-3.33∶1，以及ⅱ)Fe與V的比例范圍是11.5∶1～5∶1。在壓制工序中，顆粒在真空中被加熱至壓制溫度，其范圍大約是300～500℃，這使彌散金屬間相的粗化減至最低程度。作為一種供選擇的替代方法，將顆粒放進一個容器中抽成真空，加熱至300～500℃，然后密封。該密封容器在環(huán)境大氣中加熱至300～500℃并進行壓緊。這種壓制制品是利用通常采用的方法例如擠壓或鍛造而制成的，再由該固結制品加工成成品形狀。
本發(fā)明所制造的燃氣渦輪機、導彈和汽車發(fā)動機部件，由一種含有大體上均勻分布的彌散金屬間沉淀相〔其組成大致為Al12(Fe，V)3Si1〕的鋁固溶相構成。這種沉淀相是所有線性尺寸都小于100毫微米的細小金屬間化合物。含有這些細小彌散金屬間化合物的本發(fā)明合金，可以承受一般固結和成形工藝如鍛造、軋制和擠壓中所涉及的加熱溫度和壓力，而基本上沒有金屬間化合物長大或粗化，這樣的長大或粗化會使固結制品的強度和延性降低到不合格的水平。由于本發(fā)明合金中彌散顆粒的熱穩(wěn)定性，該合金可通過擠壓或鍛造用于制造細網狀制品，例如發(fā)動機控制罩、壓氣機葉輪、汽車發(fā)動機部件、飛機結構零件和導彈部件。該合金不但在室溫而且在大約350℃的高溫都有強度和良好的延性配合。
因而，本發(fā)明的制品更適合于在發(fā)動機控制罩、壓氣機葉輪、汽車發(fā)動機部件、導彈部件、飛機結構零件等中的高溫結構應用。
為了提供工業(yè)用燃氣渦輪發(fā)動機所需要的強度、延性和韌性水平，由熔體快速凝固對制造這些鋁基合金是特別有用的。本發(fā)明的合金主要由式Al余FeaSibVc組成，其中a的范圍是3.0～7.1原子%，b的范圍是1.0～3.0原子%，c的范圍是0.25～1.25原子%，余量是鋁及伴隨的雜質，但須ⅰ)Fe+V與Si之比范圍是約2.33∶1～3.33∶1，ⅱ)Fe與V之比范圍是11.5∶1～5∶1?？焖倌烫幚硪话悴捎脻茶T方法，使合金處于熔融狀態(tài)，然后以至少約105～107℃/秒的冷速在快速移動的澆注基底上進行冷卻，形成固體條帶或薄板。這種方法將提供保護熔潭免受由于與移動的澆注表面一道進行的空氣界面層而引起的燒損、過分氧化和物理損傷的條件。例如這種保護可由一個環(huán)繞噴咀的罩蓋裝置來提供，該罩蓋裝置內充有保護氣體例如空氣或CO2和SF6的混合物、還原氣體例如CO或一種惰性氣體。另外，蓋罩裝置排除了可能干擾熔潭的外來空氣流。
將成分為Al余FeaSibVc(但須上述的〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V比例)快速凝固合金加工成帶，然后用普通粉碎機例如粉磨機、切碎機、旋轉離心破碎機等制成顆粒。經過粉碎的粉末顆粒尺寸范圍最好大約是40～200目(美國標準篩眼孔徑)。
將顆粒放進至少10-4托(1.33×10-2pa)，最好低于10-5托(1.33×10-3pa)的真空中，然后利用一般粉末冶金技術進行壓制。此外，在大約300～550℃，最好在325～450℃加熱顆粒，使其中的金屬間相的長大或粗化減至最小程度。粉末顆粒的加熱最好在壓制階段進行。適用的粉末冶金技術包括，將粉末放進一個抽成真空并在真空下密封的金屬容器中進行直接粉末擠壓、真空熱壓、在擠壓機或鍛壓機上的封閉模壓、直接或間接擠壓、普通鍛造和沖鍛、沖擠以及這些工藝的組合。本發(fā)明的壓制固結制品基本上由在鋁固溶體基本上均勻彌散分布有十分細小的金屬間沉淀相所構成。通過適當?shù)男巫儫崽幚?，這些金屬間沉淀物可以獲得最佳尺寸組合，例如直徑和粒子間距的配合。這些特性提供所期望的高強度和高延性的配合。上述沉淀物是細小的，通常是球形的，其所有線性尺寸都小于100毫微米。這些細小金屬間沉淀相的體積份數(shù)范圍大約是16～45%，而最好是20～37%，以提供改善的性能。粗大金屬間沉淀相(即沉淀物按其最大尺寸大于約100毫微米)的體積份數(shù)不大于約1%。
本發(fā)明的固結制品中的細小金屬間沉淀物的組成大致為Al12(Fe，V)3Si1。對于本發(fā)明合金來說，這種金屬間化合物大約是固結制品中細小彌散的金屬間沉淀物的95～100%，而最好是100%。當合金成分被描述為式Al余FeaSibVc(但須附帶〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V的比例)時，向Al-Fe-Si合金中添加V，使這種亞穩(wěn)定的四元金屬間沉淀物穩(wěn)定化，形成大致為Al12(Fe、V)3Si的總成分。有關〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V比例的附加條件限定了約95～100%(最好100%)的細小彌散金屬間沉淀相具有上述總成分的成分界限。
所推薦的穩(wěn)定金屬間沉淀相具有體心立方結構，晶格參數(shù)約為1.25～1.28毫微米。
本發(fā)明的含有這種細小彌散金屬間沉淀相的合金，可以承受常規(guī)粉末冶金工藝的加熱溫度和壓力而不致使金屬間化合物過分長大或粗化，否則這種長大或粗化將使固結制品的強度和延性降至不合格水平。另外，本發(fā)明合金在加工期間能經受住異常高的加工溫度并能經受長時間曝露于高溫之下。例如，上述溫度和時間在利用鍛造生產細網狀制品和利用軋制生產薄板或中厚板時會遇到。因此，本發(fā)明的合金特別適于高強度固結鋁合金制品的成形。因為該合金能在很寬的固結溫度范圍內進行壓制并且還能在壓制產品中提供所需要的強度和延性配合，所以該合金是特別有利的。
此外，通過使大約95～100%、最好100%的細小彌散金屬間沉淀相具有Al12(Fe、V)3Si1的總成分及使用〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V的比例附加條件，能提高抗裂紋擴展和斷裂韌性等工程應用性能。
下面介紹實施例，以供更充分了解本發(fā)明。本發(fā)明的專門工藝、條件、材料和比例是示范性的，不應解釋為對本發(fā)明范圍的限制。
實施例1至24根據(jù)本發(fā)明的成分式和方法澆注本發(fā)明的合金并將它們列于表1中。
表11.Al93.55Fe4.24V0.44Si1.772.Al93.56Fe4.13V0.44Si1.863.Al93.52Fe4.03V0.58Si1.864.Al92.93Fe4.77V0.48Si1.865.Al92.92Fe4.67V0.59Si1.866.Al92.93Fe4.49V0.75Si1.867.Al92.39Fe5.12V0.51Si1.998.Al92.41Fe4.99V0.62Si1.999.Al92.36Fe4.84V0.81Si1.9910.Al93.52Fe4.06V0.75Si1.6711.Al93.57Fe4.29V0.47Si1.6712.Al94.12Fe3.92V0.50Si1.46
13.Al93.22Fe4.33V0.73Si1.7214.Al90.82Fe6.06V0.65Si2.4715.Al93.46Fe4.37V0.47Si1.7016.Al93.45Fe4.27V0.58Si1.7017.Al93.44Fe4.11V0.75Si1.7018.Al91.92Fe5.40V0.59Si2.1019.Al91.88Fe5.29V0.73Si2.1020.Al91.89Fe5.09V0.93Si2.0921.Al91.44Fe5.73V0.62Si2.2222.Al91.45Fe5.57V0.76Si2.2123.Al91.42Fe5.36V0.99Si2.2224.Al89.29Fe7.07V0.77Si2.86實施例25至33下面表2示出在應變速率近似為5×10-4/秒和不同高溫下以單軸拉伸測量的具體合金的機械性能。每種所選定的合金粉末在350℃真空熱壓一小時，形成95～100%密度的預成形金屬棒。這些金屬棒在385～400℃保持一小時后在該溫度下以18∶1的擠壓比擠壓成矩形棒。
表2極限抗拉強度(UTS)MPa和斷裂伸長(ef)%實施例合金試驗溫度2015020426031525 Al93.44Fe4.11V0.75Si1.70UTS 478 397 367 322 262ef13.0 7.0 7.2 8.5 12.0
26 Al93.44Fe4.37V0.47Si1.70UTS 469 381 355 311 259ef13.1 6.9 8.4 9.8 12.027 Al91.89Fe5.09V0.93Si2.09UTS 571 462 435 373 294ef9.4 5.2 6.0 8.1 10.828 Al91.92Fe5.40V0.59Si2.10UTS 596 466 424 368 296ef10.0 5.2 4.8 6.7 11.229 Al91.42Fe5.36V0.99Si2.22UTS 592 440 457 384 317ef10.7 4.4 5.0 6.9 10.030 Al91.44Fe5.73V0.62Si2.22UTS 592 491 455 382 304ef10.0 5.2 5.8 8.3 10.031 Al93.57Fe4.29V0.47Si1.67UTS 462 380 351 306 244ef13.0 7.8 9.0 10.5 12.432 Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67UTS 437 372 341 308 261ef10.0 7.0 8.0 9.0 9.033 Al90.82Fe6.06V0.65Si2.47UTS 578 474 441 383 321ef6.2 3.8 4.3 5.8 6.8實施例34至35本發(fā)明合金能制造在室溫下具有高斷裂韌性的固結制品。下面表3示出本發(fā)明的部分固結制品的斷裂韌性。每種粉末制品都在350℃利用真空熱壓壓實，隨后在385℃以18∶1的擠壓比擠壓。按ASTME399標準用本發(fā)明固結制品的緊湊拉伸(CT)試樣測定斷裂韌性。
表3實施例合金斷裂韌性(MPa
)34 Al93.52Fe4.06V0.75Si1.6730.435 Al93.44Fe4.11V0.75Si1.7032.3實施例36本發(fā)明合金能制造與本發(fā)明之外的合金相比具有改善的抗裂紋擴展性能的固結制品。下面表4示出基本上具有與本發(fā)明之外的固結制品相同斷裂體積和顯微組織特征的本發(fā)明固結制品的這種改善的抗裂紋生長性能。每種粉末制品都在350℃進行真空熱壓制，隨后在385℃以18∶1的擠壓比進行擠壓。按ASTME-647標準，用緊湊拉伸(CT)試樣測定裂紋擴展速率。
表4合金在K＝6MPa
下的裂紋擴展速率(×10-8m/循環(huán))Al93.52Fe4.06V0.75Si1.673.47Al93.67Fe3.98V0.82Si1.537.90(非本發(fā)明)實施例37下面表5示出本發(fā)明的一種特有合金的室溫機械性能，這種合金已經利用鍛造固結用于壓縮機葉輪。該合金粉末在350℃下真空熱壓制一小時，得到95～100%密度的預制坯。隨后這些予制坯在大約450～500℃保持一小時后在該溫度下進行鍛造。
表5合金拉伸性能極限抗拉強度(UTS)MPa和斷裂伸長(ef)%試驗溫度(℃)20150204260315Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67UTS 462 372 338 290 248ef12.0 6.0 6.0 8.0 9.0實施例38由3.25×3.25英寸、成分基本上由Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67組成的合金擠壓件制成發(fā)動機控制罩。該擠壓件是通過真空包殼固結該合金的快速凝固粉末顆粒、在350℃下壓成坯料隨后在385℃以大約9∶1的擠壓比進行擠壓而制成的。擠壓件的性能示于下表6表6拉伸性能合金極限抗拉強度(UTS)MPa和斷裂伸長(ef)%試驗溫度(℃)20150204260315Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67UTS 437 372 341 308 261ef10 7.0 8.0 9.0 9.0在如此詳盡地描述了本發(fā)明之后，很顯然，不應將這些詳述理解為必須嚴格遵守的，只要不超出如所附的權利要求所規(guī)定的本發(fā)明范圍，所屬技術領域的技術人員可以提出自己的改動和改進。
權利要求
1.一種基本上由式Al余FeaSibVc組成的快速凝固鋁基合金固結的擠壓件，其中a的范圍是3.0～7.1原子%，b的范圍是1.0～3.0原子%，c的范圍是0.25-1.25原子%，剩余部分是鋁及伴隨的雜質，但須i)[Fe+V]∶Si之比范圍大約是2.33∶1～3.33∶1，ii)Fe∶V之比范圍是11.5∶11～5∶1。
2.權利要求1所述擠壓件，上述擠壓件包括結構部件。
3.權利要求2所述的擠壓件，其中所述的結構部件包括直升飛機和導彈零件，飛機骨架，燃氣渦輪機部件或汽車發(fā)動機部件。
4.權利要求1所述的擠壓件，所述擠壓件包括發(fā)動機控制罩。
5.權利要求3所述的擠壓件，其中所述汽車發(fā)動機部件包括進氣閥。
6.一種基本上由式Al余FeaSibVc組成的鋁基合金顆粒固結的鍛件，其中a的范圍是3.0～7.1原子%，b的范圍是1.0～3.0原子%，c的范圍是0.25～1.25原子%，剩余部分是鋁及伴隨的雜質，但須ⅰ)Fe+V與Si的比例范圍是2.33∶1～3.33∶1，ⅱ)Fe與V的比例范圍是11.5∶1～5∶1，上述固結制品由一種鋁固溶體構成，該固溶體中含有基本上均勻分布的彌散金屬間沉淀相，上述每一沉淀相的所有尺寸都小于約100毫微米。
7.權利要求6所述的鍛件，上述鍛件包括結構部件。
8.權利要求7所述的鍛件，其中所述結構部件包括直升飛機和導彈零件，飛機骨架，燃氣輪機部件或汽車發(fā)動機部件。
9.權利要求7所述的鍛件，所述鍛件包括發(fā)動機控制罩。
10.權利要求7所述的鍛件，其中所述汽車發(fā)動機部件包括進氣閥、活塞或連桿零件。
11.權利要求8所述的鍛件，其中所述燃氣輪機部件是壓氣機葉輪。
全文摘要
一種基本上含有式Al余Fe
文檔編號C22C1/04GK1030447SQ88104319
公開日1989年1月18日 申請日期1988年6月4日 優(yōu)先權日1987年6月5日
發(fā)明者科林·麥克萊恩·阿當, 里查德·利斯特·拜, 桑托殊·庫馬·達斯, 戴維·約翰·斯金納 申請人:聯(lián)合訊號有限公司