[发明专利]具有晶粒细化剂的铝合金、及其制备和使用方法

说明书

我们开发了一种将细化晶粒的纳米粒子直接掺入到常规的易受热撕裂影响的铝合金粉末中的可扩展方法。可以通过掺入纳米粒子成核剂以控制增材制造过程中的凝固而将这些铝合金粉末增材制造成具有细等轴微观结构的高强度、无裂纹铝合金。一些变型提供了一种增材制造的铝合金，所述增材制造的铝合金包含铝、一种或多种强化元素和至少一种细化晶粒的元素，其中所述增材制造的铝合金具有有着等轴晶粒的微观结构。具有晶粒细化剂的铝合金可用于增材制造之外的许多工艺中。一些变型提供了一种铝合金，所述铝合金包含铝、铜、镁，锌或硅中的至少一者，以及选自锆、钽、铌或钛的细化晶粒的纳米粒子，其中所述铝合金具有基本上无裂纹、有着等轴晶粒的微观结构。

优先权数据

本国际专利申请要求于2017年2月1日提交的美国临时专利申请号62/452,989和于2018年1月25日提交的美国专利申请号15/880,466的优先权，所述专利中的每一个特此通过援引并入本文。

技术领域

本发明整体上涉及具有晶粒细化剂的金属合金、及其制备和使用方法。

背景技术

铝及其合金的特征在于相对低的密度、高的导电性和导热性、以及在一些常见环境(包括环境大气)中的耐腐蚀性。最近已经注意到铝合金作为用于运输的工程材料以由于高比强度而降低燃料消耗。通过冷加工和合金化可以增强铝的机械强度。主要的合金化元素包括铜、镁、硅、锌和锰。

通常，铝合金分类为铸造用的或变形的。一些常见的铸造用、可热处理铝合金包括Al 295.0和Al 356.0(小数点指示铸造用合金)。变形合金包括可热处理的合金(例如，Al2104、Al 6061和Al 7075)和不可热处理的合金(例如，Al 1100、Al 3003和Al 5052)。与其他类型的Al合金相比，变形的、可热处理的铝合金通常具有优异的机械强度。

基于金属的增材制造或三维(3D)打印在许多行业(包括航空航天工业和汽车工业)中具有应用。逐层构建金属组件增加了设计自由度和制造灵活性，从而实现了复杂的几何形状，同时消除了传统的规模经济约束。然而，目前只有少数合金(最相关的是AlSi10Mg、TiAl6V4、CoCr和Inconel 718)可以可靠地打印。现今使用的超过5,500种合金中的绝大多数都不能进行增材制造，这是因为打印工艺过程中的熔化和凝固动力学导致难以忍受的具有大的柱状晶粒和裂纹的微观结构。3D可打印金属合金仅限于已知易于焊接的金属合金。目前可打印合金的局限性，特别是关于比强度、疲劳寿命和断裂韧性，阻碍了基于金属的增材制造。参见Martin等人“3D printing of high-strength aluminium alloys[高强度铝合金的3D打印],”Nature[自然]第549卷,第365-369页。

关于铝合金具体地说，唯一可打印的铝合金是基于二元Al-Si体系并且往往集中于大约200MPa的屈服强度周围，具有4％的低延展性。唯一的例外是Scalmalloy，它依赖于稀有的高成本金属钪的合金化添加物。相比之下，用于汽车、航空航天和消费型应用的大多数铝合金是2000、5000、6000或7000系列的变形合金，所述变形合金可以展现出超过400MPa的强度和超过10％的延展性，但是目前不能进行增材制造。这些体系具有经仔细选择以在后续的老化过程中产生复合的强化相的低成本合金化元素(Cu、Mg、Zn和Si)。这些相同的元素促进了大的凝固范围，导致凝固过程中的热撕裂(开裂)—这是自第一种可时效硬化的合金杜拉铝开发超过100年以来难以克服的问题。

具体地，在这些合金凝固过程中，初生平衡相首先以不同的组成从本体液体凝固。该机理导致凝固界面附近的液体中的溶质富集，局部改变平衡液相线温度并产生不稳定的过冷条件。因此，存在对固-液界面的破坏，导致胞晶或枝晶晶粒生长，其中在凝固区之间截留了枝晶间液体的长通道。随着温度降低和液体体积分数减小，这些通道的体积凝固收缩和热紧缩产生空腔和热撕裂裂纹，所述热撕裂裂纹可以跨越柱状晶粒的整个长度并且可以传播通过另外的晶粒间区。需注意，铝合金Al 7075和Al 6061由于缺乏产生细等轴晶粒的加工路径而非常容易形成此类裂纹。