CN103140313B - 铝粉末金属合金化方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种锆掺杂的铝粉末金属及其制备方法。所述制备方法包括形成铝‑锆熔体，其中所述铝‑锆熔体中的锆含量小于2.0重量%。然后使所述铝‑锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属。可以通过例如空气雾化来实现所述粉末化。

Description

铝粉末金属合金化方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年10月4日提交的题为“铝粉末金属合金化方法”的美国临时专利申请第61/389,512号的优先权。该申请全部内容通过引用结合入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

无。

技术背景

本发明涉及粉末冶金法。具体地，本发明涉及用于粉末冶金法的粉末金属配方。

粉末冶金法是传统金属成形技术例如浇铸法的一种替代技术。使用粉末冶金法，可以制造具有复杂几何形貌的部件，该部件具有与最终部件中所需尺寸非常接近的尺寸。该尺寸精度可以节省大量用于机械加工或者再加工的费用，特别是对于那些大批量生产的部件更是如此。

由粉末冶金法制得的部件通常以如下方式形成。首先，在压力条件下将包含一种或多种粉末金属和润滑剂材料的配方在工具和模具组中压实，以形成PM压制品。然后加热此PM压制品以去除润滑剂材料，并通过基于扩散的质量传输将粉末金属的单独颗粒烧结到一起。通常通过将粉末金属材料加热至略低于或高于其固相线温度的温度来进行烧结。当保持在低于固相线时，在缺少液相的情况下发生烧结。这通常被称作固态烧结。当保持在高于固相线时，形成了受控部分的液相。这种方式的烧结称作液相烧结。无论采用何种烧结温度，烧结部分的形状与原始压制品非常相似。

在烧结过程中，部件尺寸通常会发生收缩。当发生扩散时，相邻颗粒会相互颈缩以形成永久的相互结合，并开始填充颗粒之间的任意空穴。相比于压制品，该致密化使得孔隙尺寸靠近和/或下降，并降低了烧结部件的总体尺寸。但是，即使是烧结时间较长，仍会在烧结部件中留下一些空穴。不幸的是，对于未达到完全致密的烧结部件，此类烧结部件的机械强度通常略小于锻造部件的机械强度。

此外，在许多烧结部件中，收缩可以是任意原因的，具有各种不同方向的收缩。此类各向异性收缩会改变刚烧结的最终部件的尺寸精度，在一些情况下，可能要求在烧结之后对部件进行再加工。

因此，存在改进粉末金属的需求。具体来说，对于这样的粉末金属存在持续的需求，该粉末金属在烧结后具有与其锻造对应物接近的机械强度并且不会发生各向异性收缩。

发明内容

本发明揭示了一种改进的铝粉末金属以及粉末金属的相关制造方法，该方法减少了由粉末金属制造的部件的烧结过程中的变形。通过在整个粉末金属中以较均匀的方式用锆掺杂铝粉末金属，至少部分减少了铝粉末金属的变形量。此外，本发明揭示了所述粉末金属组合物的配方，其包含一定量的锡，所述一定量的锡改进了杨氏模量，使其令人惊讶并且出乎意料地接近通过浇铸等方法制造的完全致密材料的杨氏模量。

本发明揭示了一种用于生产粉末金属部件的粉末金属的制造方法。该方法包括形成铝-锆熔体，其中所述铝-锆熔体中的锆含量小于熔体的2.0重量%。使所述铝-锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属。

在该方法的一个形式中，粉末化步骤可包括使铝-锆熔体空气雾化。在该方法的其他形式中，使铝-锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属可包括用除了空气之外的气体（例如氮气、氩气或者氦气）进行雾化、粉碎、研磨、化学反应和/或电解沉积。

可以由锆掺杂的铝粉末金属形成粉末金属部件。粉末金属部件中的锆含量可基本等于用于形成所述粉末金属部件的锆掺杂的铝粉末金属中锆含量，这表示没有通过元素粉末或作为部分母合金加入锆，或者通过元素粉末或作为部分母合金加入了极少量的锆。锆掺杂的铝粉末金属可在用于形成粉末金属部件的烧结过程中抑制粉末金属部件的变形。所述粉末金属部件可包含小于2.0重量%的锆。

锆掺杂的铝粉末金属可与其他粉末金属混合以提供至少一种其他合金化元素。通过混合锆掺杂的铝粉末金属和另一种粉末金属，形成了混合的粉末金属，所述混合的粉末金属之后可用于形成粉末金属部件。

在一个形式中，其他粉末金属可包含锡作为合金化元素。所述锡可作为元素粉末加入到锆掺杂的铝粉末金属中或者预合金化作为母合金的一部分。锡可以占混合粉末金属的约0.2重量%。显示由锡占约0.2重量%的混合粉末金属制得的粉末金属部件的的杨氏模量高于70GPa，并且接近80Gpa。该杨氏模量值类似于通过传统金属成形方法例如浇铸制得的完全致密部件的杨氏模量。

本发明还揭示了通过上述方法制得的粉末金属。所述粉末金属是锆掺杂的铝粉末金属，其中锆均匀分布在整个锆掺杂的铝粉末金属中，并且，所述锆掺杂的铝粉末金属含有小于2.0重量%的锆。

在一些形式的粉末金属中，粉末金属可含有作为元素粉末或者预合金化的约0.2重量%的锡。

此外，可通过空气雾化或者本文所述的其他形式的粉末化来形成锆掺杂的铝粉末金属。

在一些形式中，粉末金属可包含一定百分比的细粒，其能有效地进一步增强由所述粉末金属制得的部件的尺寸稳定性。在一个实施方式中，细粒的重量%可大于粉末的10重量%。

通过以下详述和附图能够清楚地了解本发明的上述以及其他优点。以下仅描述了本发明的一些优选的实施方式。为了评定本发明的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非权利要求书范围内的仅有的实施方式。附图简要说明

图1显示了不同压制压力下由Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn合金的不同粉末配方制得的各种烧结样品的尺寸变化范围；

图2比较了在200MPa压制压力下，由(1)掺混了铝粉末的Al-Zr(50/50)母合金粉末以及由(2)锆掺杂的铝粉末金属制造的Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn样品在烧结过程中的尺寸和质量变化；

图3与图2类似，但是样品是在400MPa的压制压力下进行压制的；

图4-7比较了由具有各种锡组成的含纯铝和掺杂了0.2重量%锆的铝的Al-2.3Cu-1.6Mg粉末金属制得的部件的极限拉伸强度（UTS）、伸长率以及杨氏模量。

图8是Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn的光学显微镜图，使用无预合金化的锆的纯铝作为基础粉末产生所述Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn；

图9是Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn-0.2Zr的光学显微镜图，使用预合金化了0.2重量%的锆的铝粉末产生所述Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn-0.2Zr；

图10是Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn-0.2Zr的光学显微镜图，使用引入了锆的铝-锆（50-50）母合金粉末产生所述Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn-0.2Zr；

图11-14显示对于纯铝、掺杂了0.05重量%的锆的铝、掺杂了0.2重量%的锆的铝以及掺杂了0.5重量%的锆的铝而言，粉末金属中的百分比细粒对于尺寸变化百分比的作用；以及

图15显示图11-14中所述各种粉末金属组合物在不同百分比的细粒条件下的尺寸变化百分比范围。

具体实施方式

出于比较目的，生产了具有不同化学性质的多种粉末金属样品。使用标为A36的掺混物作为基线系统进行比较。A36掺混物的配方见下表I。

表I

粉末	重量百分数
		Al	84.8
Al-Cu(50-50)母合金	5.9
		雾化的Mg	1.5
Sn	0.6
		AlN	5.8
Licowax C	1.5

Licowax C是润滑剂材料，在加热过程中蒸发掉。因此，由于Licowax C组分的额外质量，所以1kg批料粉末的总质量实际上超过1kg。

还生产了A36粉末配方的改进形式，在本申请中称作E36-Zr。E36-Zr粉末配方与A36掺混物相同，不同之处在于用空气雾化的锆掺杂的铝粉末金属代替了铝粉末，所述空气雾化的锆掺杂的铝粉末金属含有0.2重量%的锆。E36-Zr掺混物的配方见下表II。

表II

粉末	重量百分数
		Al-0.2Zr	84.8
Al-Cu(50-50)母合金	5.9
		雾化的Mg	1.5
Sn	0.6
		AlN	5.8
Licowax C	1.5

应注意，E36-Zr粉末掺混物包含锆掺杂的铝粉末，所述锆掺杂的铝粉末含有0.2重量%的锆。通常来说，当向粉末掺混物中加入合金元素例如锆时，这些合金元素是作为元素粉末（即仅含有合金元素的纯粉末）的一部分或者作为同时含有大量基础材料（在此情况下为铝）与合金元素的母合金加入的。当使用母合金时，为了之后在最终部件中得到所需量的合金元素，用基础材料的元素粉末“切割”母合金。使用该切割技术，是为了例如分别在使用Al-Cu(50-50)母合金以及元素铝粉末的A36粉末中得到所需量的铜。

相反，通过对含所需最终组成的锆的铝锆熔体进行空气雾化或者气体雾化来得到锆掺杂的铝粉末金属。在较高锆浓度时对粉末进行空气雾化是一个问题，所以可能无法对含高重量%的锆的锆掺杂粉末进行雾化（相信此时超过了2重量%，但是该值最高可以是5重量%的锆）。

加入锆导致形成了金属互化物，例如Al₃Zr，其使得合金强化并在一定温度范围内保持稳定。如果锆是作为元素粉末或者作为母合金的一部分加入的，则优选沿着颗粒边界形成金属间相，并且所述金属间相的尺寸是粗糙的，因为较慢的扩散动力学阻碍了锆在烧结微结构中的均匀分布。在这些条件下，金属间相对于最终部件的性质仅提供了有限的改进。

通过在铝粉末中掺杂锆，而不是以元素粉末或者母合金的一部分的形式加入锆，锆更一致并均匀地分布在整个粉末金属中，如图9（Zr预合金化的）和图10（母合金中的Zr）对比所示。因此，锆掺杂部件的最终形貌如下：锆分布在整个铝中，并且金属互化物并未被驱逐到或者限制在主要沿着颗粒边界的位置，在该位置处它们仅有有限的作用。

将A36和E36-Zr粉末制成测试条。分别以不同的压制压力（200MPa或者400MPa）将粉末压制成测试条样品，烧结，然后进行T6回火热处理。在热处理之后，测试各种机械性质并进行相互比较。各测试结果的总结见下表III。

表III

如上表III所示，0.2重量%的锆掺杂提升了测试样品的平均屈服强度、平均极限拉伸强度、平均伸长率以及平均杨氏模量。应注意，锆掺杂的铝样品中观察到的伸长率明显较高，并且类似于常见T1回火热处理样品中观察到的对照展延性。此外，额外的锆掺杂还明显提升了屈服强度和极限拉伸强度。

还测量了刚压制的样品和刚经过热处理的样品之间的各种物理特性的变化。下表IV列出了质量的平均变化、平均烧结密度、各样品尺寸的平均变化以及平均T6硬度。

表IV

表IV显示E36-Zr样品具有比Ampal A36对照样品更各向同性的收缩。这表示使用锆掺杂的铝制备的样品的收缩小于未使用任何锆制备的样品。

现参考图1，测定了各种压制压力下各种粉末样品的尺寸范围变化。“Al”测量指的是由纯铝粉末制得的样品（即A36配方）；“Al-Zr”测量指的是由0.2重量%锆掺杂的铝样品制得的样品（即E36-Zr配方）；以及“Al-Zr(S)”样品指的是使用锆掺杂的铝制造的样品，但是其中对所述锆掺杂的铝进行筛选使其仅包含大于45微米（约为325目）的颗粒。图1显示在200MPa、400MPa以及600MPa的任意压制压力下，由未经筛选的锆掺杂的铝粉末制造的样品具有最一致的三种样品粉末的尺寸变化。

现参考图2和3，提供的这两个附图对比地表明分别在铝中含有0.2重量%的锆的两种不同Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn粉末的尺寸和质量变化。这些粉末中的一种粉末是由掺混了纯铝基础粉末以到达所需锆含量的母合金粉末制备的，而另一种粉末是由通过铝-锆熔体的空气雾化制得的锆掺杂的铝粉末制备的。图2比较了这些粉末在200MPa压制压力下的变化，而图3比较了粉末在400MPa压制压力下的变化。在图2和3中都可以看到，虽然质量变化相同，但是锆掺杂的铝粉末在各个尺度上（即总长、宽度和长度）都具有更一致的收缩。这表明由锆掺杂的铝粉末制得的部件所展现出的变形小于由包含铝-锆母合金的粉末制得的部件所展现出的变形。

此外，图2和3的相互比较表明压制压力越大，则样品中的尺寸变化越小。这是符合逻辑的，因为具有更高压制压力的部件会具有更大的生坯密度，且烧结之后的收缩更小。

现参考图4和5，测定各种元素锡添加量的条件下，由纯铝粉末和锆掺杂的铝粉末制得的Al-2.3Cu-1.6Mg粉末的极限拉伸强度和伸长率。回顾这些附图，可以发现当加入了0.2重量%的锡时获得了最大极限拉伸强度。在0.2重量%的锡时，拉伸测试显示锆掺杂的铝材料具有约260MPa的峰值极限拉伸强度，以及在破裂之前的略低于8%的伸长率。加入较少或较多锡时，极限拉伸强度和材料的展延性从这些峰值下降。

参见图6和7，比较了加入各种元素锡时Al-2.3Cu-1.6Mg粉末的伸长率和杨氏模量。向由纯铝粉末、0.2重量%的锆掺杂的铝粉末（未经筛选）以及0.2重量%的锆掺杂的铝粉末（筛选至+325目）制得的Al-2.3Cu-1.6Mg粉末配方中加入作为元素粉末的锡。

最引人注意的发现是，当0.2重量%的锆掺杂的铝粉末（筛选至+325目）中加入0.2重量%的锆时，观察到几乎为80Gpa的杨氏模量。70-80GPa范围内的杨氏模量类似于相同组分的锻造合金的杨氏模量。对于大多数的烧结铝合金，杨氏模量通常落在50-65GPa的范围内。因此，发现具有该量级的杨氏模量的粉末组合物是出人意料且令人惊讶的。

虽然上文描述了一些配方，但是显然也可以将锆掺杂的铝粉末与另外的合金元素混合。下表V-VII分别提供了431D-AlN-Zr粉末、7068-AlN-Zr粉末以及431D-SiC-Zr粉末的配方。

表V

粉末	重量百分数
		Al-0.2Zr	22.5
Al-Zn-Mg-Cu-Sn母合金	70.3
		AlN	5.7
Licowax C	1.5

表VI

粉末	重量百分数
		Al-0.2Zr	43.9
Al-Zn-Mg-Cu-Sn母合金	43.9
		Zn	3.6
雾化的Mg	0.8
		Cu	0.7
Sn	0.1
		AlN	5.6
Licowax C	1.5

表VII

粉末	重量百分数
		Al-0.2Zr	22.5
Al-Zn-Mg-Cu-Sn母合金	70.4
		SiC	5.6
Licowax C	1.5

所述Al-Zn-Mg-Cu-Sn母合金是85.9重量%的Al、2.64重量%的Cu、3.48重量%的Mg、7.74重量%的Zn以及0.24重量%的Sn。

在这些配方中，锆掺杂的铝粉末与包括母合金、元素粉末、陶瓷强化剂在内的其他粉末掺混，以进一步获得具体的机械性质。但是，在上述各种掺混物中，应注意锆的主要来源是锆掺杂的铝合金。

现参考图11-15，显示了细粒对于粉末金属的尺度变化的作用。百分比细粒指的是比给定筛网更细小的团聚材料的百分数，所述给定筛网在此情况下是开口为44微米的-325目。为了进行测试，用纯铝以及用0.05重量%、0.2重量%和0.5重量%的锆掺杂的铝制造0%细粒、5%细粒、10%细粒、12.5%细粒、15%细粒、20%细粒以及30%细粒的粉末，在200MPa的压制压力下压制成测试样品，然后在类似的热条件下进行烧结。测量经过压制的部件和经过烧结的部件的总体长度（OAL）、宽度以及长度的尺度变化。

图11-14显示由具有较高百分比细粒的粉末金属制得的测试样品的尺度变化百分比在各个测量尺度（即OAL、宽度和长度）上会聚到一个相似的值。纯铝样品和锆掺杂的样品都是如此，但是锆掺杂的样品在各测量样品尺度上展现出减小的尺度变化范围。对于锆掺杂的样品，随着百分比细粒增加，各个尺度变化百分比会聚到约-2.5%。虽然纯铝样品的尺度变化也倾向于相互靠近，但是即使是在30重量%细粒时，相对于锆掺杂的粉末金属，纯铝样品的尺度变化在各个测量尺度上仍存在相对大的尺度变化范围（约0.5%）。

图15提供了对于不同细粒百分数时，各种粉末金属的测量尺度的范围的总结。该图显示，用锆掺杂铝提升了尺度稳定性，并且增加细粒量可以进一步增强该稳定性。

应理解在本文的精神和范围内可做出优选实施方式的各种其他改进和变型。因此，本发明不应限于所述实施方式。应该参照所附权利要求书来判断本发明的全部范围。

Claims (19)

1.一种制造粉末金属部件的方法，该方法包括：

形成铝-锆熔体，其中所述铝-锆熔体中的锆含量小于2.0重量％；

使所述铝-锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属；以及

对粉末金属进行压制和烧结，以形成粉末金属部件，其中所述压制和烧结步骤是依次且分开进行的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末化步骤包括对铝-锆熔体进行空气雾化。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述铝-锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属包括以下方法中的至少一种：用氮气、氩气或者氦气进行雾化以及粉碎、研磨、化学反应和电解沉积。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，粉末金属部件中的锆含量基本等于用于形成所述粉末金属部件的锆掺杂的铝粉末金属中的锆含量。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锆掺杂的铝粉末金属在用于形成粉末金属部件的烧结过程中抑制了粉末金属部件的变形。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述粉末金属部件含有含量小于2重量％的锆。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锆掺杂的铝粉末金属与至少一种其他粉末金属混合，以提供至少一种其他合金化元素，从而形成了用于形成粉末金属部件的混合粉末金属。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一种其他合金化元素包含锡。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，锡是以元素粉末加入到锆掺杂的铝粉末金属中。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，锡是以母合金中的预合金加入的。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述锡占混合粉末金属的0.2重量％。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，由所述混合粉末金属制得的粉末金属部件的杨氏模量大于70GPa。

13.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述锆掺杂的铝粉末金属包含超过10重量％的细粒，其中，该百分比细粒指的是比给定筛网更细小的团聚材料的百分数，所述给定筛网在此情况下是开口为44微米的-325目。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加入最高至15体积％的至少一种陶瓷添加剂，所述至少一种陶瓷添加剂包括SiC或者AlN。

15.一种经压制和烧结的粉末金属部件，其采用如权利要求1所述的方法制备。

16.一种经压制和烧结的粉末金属部件，其包含：

由Al-Zr熔体制备的锆掺杂的铝粉末金属；

其中锆均匀分布在整个锆掺杂的铝粉末金属中，并且所述锆掺杂的铝粉末金属含有小于2.0重量％的锆，所述压制和烧结是依次且分开进行的。

17.如权利要求16所述的粉末金属部件，其特征在于，所述粉末金属部件含有0.2重量％的作为元素粉末的锡。

18.如权利要求16所述的粉末金属部件，其特征在于，所述锆掺杂的铝粉末金属是空气雾化的。

19.如权利要求16所述的粉末金属部件，其特征在于，所述锆掺杂的铝粉末金属包含超过10重量％的细粒，其中，该百分比细粒指的是比给定筛网更细小的团聚材料的百分数，所述给定筛网在此情况下是开口为44微米的-325目。