JP6920052B2

JP6920052B2 - 粉末冶金技術用スカンジウム含有アルミニウム合金

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Publication number: JP6920052B2
Application number: JP2016242205A
Authority: JP
Inventors: レンチャウスキー，ブランカ
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
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Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: CN106868353B; EP3181711A1; US11433489B2; US20170165795A1; US11724313B2; JP2017186646A; US20220297244A1; EP3181711B1; CN106868353A

Description

本発明は、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金、前記合金を含むワイヤー及び材料、並びに、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金、ワイヤー及び材料の製造方法に関し、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金に含まれるスカンジウムの割合を向上させる。

アルミニウム合金は、その密度の低さから、航空機産業にとって特に重要な材料である。従来、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金及びＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金が主に用いられてきたが、これらの合金は溶接ができなかった。そのため、近年では、例えば、ＵＳ６，２５８，３１８Ｂ１、ＵＳ６，６７６，８９９Ｂ２、及び、ＵＳ２００３／０１５６９６７Ａ１に開示されるように、航空機胴体構造の外板（板金）及びストリンガー（板金又は押出形材）に用いられる材料として、新しい溶接可能な合金が開発されている。

前記文献に開示された合金は、例えば、板金構造及び押出形材を製造するための鍛錬用合金として適している。さらに、粉末冶金の適用によって材料特性を改良するために、研究が行われている。

粉体工学、並びに、例えば噴霧法及びＡＬＭ（積層造形）法技術のように（部品の用途によって決まる）、一部粉体工学に基づく方法による利点から充分な効果を得るために、プロセスに最適化された合金を設計することが有益である。これにより、幾何学的に部品を設計すると同時に、部品特性を最適化する鍵となる、資源効率の良い効果的な材料革新を実現することができる。これらの要求は、従来、合金を改変する、結晶化条件を変える、及び、その後の熱処理のような製造条件を適応させることによって達成される。さらに、例えば、応力（内部応力）を緩和するため、又は、その後の熱処理によって凝固による材料の欠陥を最小限にするため、部分的な冷却／加熱等を行うことで、合金特有の部品の構造及び仕上げを維持することも有益である。

現在、実に多くの標準的材料が、主にＡＬＭ法及び噴霧法を用いて製造される。例えば、チタン合金の場合はＴｉ_６Ａｌ_４Ｖが主として用いられ、アルミニウム合金の場合はＡｌＳｉ_１０Ｍｇが用いられる。

この場合、ＡＬＭ法は、主として、精密鋳造技術において技術競争をもたらす。ＡＬＭ法は、主に、複合的で且つ合金によっては薄肉で、負荷を最適化した航空機産業及び医療技術用部品の製造に用いられる。精密鋳造方法では、薄肉構造用には通常、アルミニウム合金Ａ３５７（ＡｌＳｉ_７Ｍｇ_０．６）が用いられ、肉厚構造用のより強力な異形には通常、アルミニウム合金Ａ２０１／ＫＯ１（ＡｌＣｕ_５ＭｇＴｉＡｇ）が用いられる。

強度の高い部品の製造に用いられ、かつ、簡単な方法で加工できる、さらなる合金が必要とされている。

本発明の目的は、強度の高い材料を製造するため、製造の際、簡単に用いることができる合金を提供することである。

本発明によれば、前記目的は、請求項１の特徴を有するスカンジウム含有アルミニウム粉末合金、前記合金を含むワイヤー、前記合金を含む材料又は加工品、並びに、前記材料又は前記加工品、前記ワイヤー、前記スカンジウム含有アルミニウム粉末合金の製造方法によって達成される。

本発明は、新規で、強度が高く、溶接可能なスカンジウム含有アルミニウム粉末合金（特に、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｃ合金（５ｘｘｘ））に関し、必要に応じてワイヤーに形作られる。とりわけ、粉末冶金技術での適用にふさわしい。また、とりわけ、積層造形（ＡＬＭ）及び噴霧法にも適する。さらに、溶接充填材として、又は、半製品若しくは完成部品の製造にも適する。従来のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｃ系合金の異なるプロセス制御の結果、従来の押し出された半製品が、圧延構造における高い機械的特性を達成できなかった。そのため、粉末を用いた新たな組成の合金が、この問題を解決し得る。従来、４００ＭＰａをはるかに超える高い強度は、鍛錬用合金でのみ達成されていた。しかしながら、この合金は、通常の鋳造方法において、全く注湯できないか、注湯できたとしても非常に困難である。

本発明に基づく一の概念は、本発明に係る粉末合金中のスカンジウム割合を増加させることができ、その結果として粉末合金の強度を改善させることができるという事実に存する。このことは、前記合金から製造されたワイヤー及び材料についても同様である。

この目的のため、粉末冶金の適用によって材料特性を向上させるため、研究が行われている。スカンジウムの強度増加能力は、凝固中の冷却速度を高くすることによって、従来の鋳塊冶金（ＩＭ）による製造方法に比べて、より多くのスカンジウム（すなわち、例えば、混合結晶又は前記結晶を含む合金粉末に基づき０．３５％を超えるＳｃ、特に、０．５６％を超えるＳｃ）が混合結晶中に溶融された状態で発揮され得ることを見出した。また、前記割合で溶融したＳｃが、次の工程で使用され得ることを見出した。球状の金属間相を形成し、必要に応じて拡散もまた低減する合金成分を添加又は生成することによって、この種の熱的に安定した合金は、粉体工学に用いられ、多くの利点を与えることができる。例えば、アトマイズ又は噴霧の手段によって、適合された冷却速度を用いることにより、適した大きさ、形状及び微細構造を有する粉末を得ることができる。また、さらなる方法、例えば粉末冶金（焼結、熱間等方圧プレス、圧縮加工等）において、ＡＬＭ（粉体床等）又は噴霧法等のような粉体工学に基づくさらなる方法を用いることにより、例えば、ストリンガー及び／又は補強部材（例えばシートへの）に噴霧することで、粉末が半製品又は完成部品／部品に、及び／又は、機能層に加工され得る。本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金から、例えば溶接充填材のような材料もまた製造することができる。このような材料は、ビルドアップ溶接のようなさらなる機械加工で用いることができる。

スカンジウムを加えることにより、スカンジウムを含まない合金と比較して、まず材料の機械的性質、次に溶接性及び耐腐食性を改善することができる。この場合、スカンジウム割合を高めることは、プラスの効果をもたらす。

本発明の有利な実施形態及び改善点は、従属請求項で規定する。

請求項における構成及び開発技術は、望ましい方法によって無理のない範囲内で、互いに組み合わせてもよい。さらに可能性がある本発明の構成、開発技術及び実施は、実施形態に関して前に又は後に記載された本発明の特徴の明確に言及した組合せに限らない。特に、前記方法において、当業者は、改良又は追加として個々の態様を本発明の関連する基本形態に加えるだろう。

以下、本発明について、実施形態を参照しながらより詳細に説明する。

第一の態様によれば、本発明は、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金に関し、該スカンジウム含有アルミニウム粉末合金は、
合金の全組成に対して、重量％で、
Ｍｇ：０．５〜１０％、
Ｓｃ：０．１〜３０％、好ましくは０．４〜３％、より好ましくは０．６〜３％、
Ｚｒ：０．０５〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５％、
Ｚｎ：０〜２．０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％、
Ｃｅ：０．２５％以下、
Ｂｅ：０〜０．００４％、
Ｂ：０〜０．００８％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｆｅ：０．２５％以下、
Ｈｆ：０．５％以下、好ましくは０．１５〜０．２５％、並びに、
Ｃｅを除くランタングループ（Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕ）、Ｙ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｌｉ、Ｔｈ及びＡｇからなる群より選択される少なくとも１種の元素：０．５％以下を含み、
残部がＡｌ及び合計で０．５重量％以下の不純物である。

本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金では、Ｓｃにより強度を増加させ、溶接性を向上させることができる。好ましくは、合金中のＳｃの割合が、合金の全組成に対して、０．４〜３．０重量％であり、より好ましくは０．６〜３重量％である。この場合、本発明に係るスカンジウム含有粉末合金の製造方法によって、６００℃での合金中のＳｃの溶融度を超える、粉末中のＳｃの割合を達成することができる。粉末中のＳｃの割合は、例えば、合金に対して０．５６重量％となり得る。本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金は、合金の全組成に対して、０．１〜３０重量％のＳｃを含有することができる。合金中のＳｃの割合は、おそらく、粉末製造中の冷却速度、及び、粉末中の粒子に生じる粒子径に依存する。一般的に、粉末の大きさが減少し、冷却速度が高くなると、Ｓｃの割合が大きくなる。この場合、特定の実施形態によれば、粒子内部の最大断面長さ、すなわち、粒子の２つの外表面間又は２つの表面の点間における粒子内部での直線の最大長さは、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金における粒子径とみなすことができる。

特定の実施形態によれば、Ｚｒの割合は、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金中のＳｃの割合（重量％）の半分（すなわち、５０重量％）以下であり、好ましくは１／３以下である。この場合、前記Ｚｒの割合によって、高温強度の増加及び安定性の向上を達成することができる。形成される一次粒子では、Ｓｃが前記割合のＺｒで置き換えられることにより、例えば、ＤＥ１０３５２９３２Ａ１で開示されるように、化学式Ａｌ_３（Ｓｃ_１−ｘＺｒ_ｘ）（なお、ｘ＜１）を有する一次粒子が形成され得る。

たとえ合金が粉末又はワイヤーの形状であっても、Ｚｎを加えることにより、長期間高温にさらされた後で、優れた耐腐食性を達成することもできる。結果として、前記粉末又はワイヤーは、とりわけ粉末冶金技術を用いた用途、とりわけ積層造形（ＡＬＭ）法及び噴霧法にもまた適している。また、前記粉末又はワイヤーは、溶接充填材として、又は、半製品若しくは完成部品の製造にもまた適している。特定の実施形態によれば、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金中のＺｎの割合は、全組成に対して、０．０５〜２．０重量％であり、好ましくは０．１〜１．５重量％であり、より好ましくは０．２〜１．０重量％である。

本発明に係る合金中のＨｆの割合は、合金に対して、０〜０．５重量％であり、特定の実施形態によれば０．１５〜０．２５重量％である。合金中のＨｆの割合が過度に大きいと、合金におけるＳｃの溶融性が減少する。

本発明に係る合金では、Ｙ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｌｉ、Ｔｈ及びＡｇからなる群より選択される少なくとも１種の元素に加えて、又は、これらの元素の代わりに、ランタン（Ｌａ）とそれに続くランタノイド元素（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ及びこれらのうち１つ以上の元素）とを含むランタングループが、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金中に存在し得る。しかしながら、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金では、Ｃｅを除くこれらすべての元素の割合が、前記粉末合金の全組成に対して、０．５重量％以下である。しかしながら、これらの元素のうち少なくとも一つが本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金中に存在する結果、このグループの割合は０重量％より大きい。

上述の元素に加えて、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金は、例えば、加工を通して、及び／又は、使用される出発物質によって合金中に導入される可能性がある不可避的不純物として、さらなる元素を含むことができる。

特定の実施形態によれば、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金中のＺｒ及びＴｉの合計割合は、Ｓｃの割合（重量％）の１／３未満である。この場合、ジルコニウム及びチタンは、Ｓｃと類似した効果を有し、強度及び熱的安定性を向上させる。しかしながら、これらの割合が大きすぎると、Ｓｃの割合の減少につながり得る。

特定の実施形態によれば、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金の粉末粒子は、１〜２５０μｍ、好ましくは５〜１５０μｍの粒子径を有する。前記粉末の粒子径の対応する測定は、この場合、特定の実施形態によれば、ふるい分析によって行う。ふるい分析は、この場合、対応する目の大きさを有するふるいを用いて、すなわち、例えば、１、５、２０、６０、９０、１５０及び２５０μｍの目の大きさを有するふるいを用いて行うことができる。この場合、ふるい分析については特に限定されず、例えば、レッチェ社のふるい分け機やその他のふるい分け機を用いて行うことができる。例えば、対応するさらなる加工に所望の、又は、さらなる方法及び／若しくは用途に所望の粒子の大きさを有する粒子は、例えば、対応する分級物をふるい分けることによって、本発明に従いスカンジウム含有アルミニウム粉末合金から得ることができる。

別の態様によれば、本発明は、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金の製造方法に関し、該製造方法では、
合金の全組成に対して、重量％で、
Ｍｇ：０．５〜１０％、
Ｓｃ：０．１〜４０％、好ましくは０．１〜３０％、より好ましくは０．４〜３％、さらに好ましくは０．６〜３％、
Ｚｒ：０．０５〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５％、
Ｚｎ：０〜２．０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％、
Ｃｅ：０．２５％以下、
Ｂｅ：０〜０．００４％、
Ｂ：０〜０．００８％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｆｅ：０．２５％以下、
Ｈｆ：０．５％以下、並びに、
Ｃｅを除くランタングループ（Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕ）、Ｙ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｌｉ、Ｔｈ及びＡｇからなる群より選択される少なくとも１種の元素：０．５％以下を含み、
残部がＡｌ及び合計で０．５重量％以下の不純物である混合物を溶融、噴霧又はアトマイズし、１０Ｋ／ｓを超える、好ましくは１０^２Ｋ／ｓを超える、より好ましくは１０^３Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却する。

本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金の製造方法では、例えば母合金のような前記合金を、混合物を用いて製造することができる。前記混合物は、３０重量％を超えるＳｃもまた含有することができる。しかし、コストの理由から、Ｓｃの損失を結果的に最小限に抑えるため、Ｓｃの割合を適切に調整することが好ましい。

この場合、混合物の溶融については特に限定されず、適切な方法、例えば保護ガス雰囲気下で行うことができる。この場合、前記溶融は、７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、より好ましくは８００℃以上の温度で行うことができる。特定の実施形態によれば、溶融した集合体を、溶融後に特定の温度で保持することができる。温度及び該温度における時間は、個々の追加元素及びその割合に依存してもよい。

特定の実施形態によれば、前記アトマイズ又は噴霧は、溶融直後に続けて行うことができる。すなわち、輸送工程なしで行うことができる。これらの代替工程は特に限定されず、適切な噴霧手段、ノズル等によって行うことができる。特定の実施形態によれば、溶融した集合体を、アトマイズ又は噴霧のために、例えばパイプ等を用いて、輸送することもできる。噴霧は、例えばガス噴霧又はガスアトマイズの場合に、例えばＭｇ／Ｓｃ／Ｚｒ及び他の元素を含む過飽和混合結晶を用いて、ガスの流れの中で行うことができる。

特定の実施形態によれば、本発明に係る製造方法では、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金を製造するため、溶融した混合物の冷却は、噴霧又はアトマイズの際、及び／又は、噴霧又はアトマイズの後に、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ及びこれらの混合ガス等の不活性ガスを用いて行うことができる。この場合、対応する冷却速度を達成するため、ガスの流れ又は導入ガスの量を、噴霧又はアトマイズした混合物の量に応じて適切に調整することができる。さらに、例えば、ガスを噴霧又はアトマイズする際の幾何学的形状、並びに、ガス導入の位置及び方向は、冷却速度及び／又は製造される粉末粒子の大きさにも影響を及ぼし得る。したがって、当業者は、適切な冷却速度並びに／又は製造される粉末における粒子の大きさ及び／若しくは粒子の形状に調整するための、対応する簡便な機会を有する。不活性ガスによって、本発明に係る粉末合金の粒子を結果的に堆積させることができる。

特定の実施形態によれば、前記冷却は、１０Ｋ／ｓを超え、好ましくは１０^２Ｋ／ｓを超え、より好ましくは１０^３Ｋ／ｓを超える冷却速度で行う。この場合、冷却は、例えば冷却ガスとしてＨｅを用いて、１０^５Ｋ／ｓ、１０^６Ｋ／ｓ又は１０^７Ｋ／ｓを超える冷却速度、例えば５×１０^７Ｋ／ｓ以上の冷却速度で行うことができる。特定の実施形態によれば、この場合、さらなる加工は、例えばＡｒ、Ｎ、Ｈｅ、Ｎｅ及びこれらの混合ガス等の不活性ガスを含む保護ガス雰囲気下で行う。この場合、前記冷却は、好ましく制御された方法で、例えば不活性ガスを用いて行う。

本発明に係る方法によって、特に、混合結晶を含む、言い換えれば、初晶及び二次相に加えて混合結晶を含む、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金が得られる。スカンジウム含有アルミニウム粉末合金中のすべての粒子が、混合結晶を含む構造を有している必要はない。しかしながら、初晶はほとんど又は全く存在しないことが好ましい。初晶及び二次相、並びに、これらの材料の存在は、この場合、例えば顕微鏡によって、例えば光学顕微鏡、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等を用いて、必要によりＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）、ＩＲ等の分析的な方法と併せて特定される。例えば湿式化学分析によって、合金の組成を特定することも可能である。特に、この場合、特定の実施形態によれば、初晶はＡｌ_３（Ｓｃ，Ｚｒ）相（Ａｌ_３Ｓｃ格子中の一部のＳｃがＺｒに置換される）を含み、混合結晶中のＳｃが濃縮される。

適した冷却速度、並びに、粒子の大きさ及び形状のために、この場合、質量流量比に対するガス合金組成は特に重要である。前記比は、詳細な化学組成、そして溶融温度、それに応じて溶融した集合体の粘度に依存する可能性がある。したがって、例えば、ガスの流れる速度がより高くなると、粉末の冷却速度がより高くなり、その結果Ｓｃとの混合結晶がより過飽和になる。スカンジウムが後の「加工工程」でその「能力」を充分に発揮できるようにするため、初晶の形で「出発物質」に含まれる結合したスカンジウムと、混合結晶中に溶融したスカンジウムとの間の特定の比を維持することが有益である。それによって、充分な割合の二次相を析出させ、しばらく経って重要な沈殿物硬化が生じ得る。このことは、特に、出発物質又は出発混合物／混合物に応じて、この場合、冷却速度が１０Ｋ／ｓを超え、好ましくは１０^２Ｋ／ｓを超え、より好ましくは１０^３Ｋ／ｓを超え、Ｓｃの割合が高い場合には最大で５×１０^７Ｋ／ｓ以上である場合に有益である。

特定の実施形態によれば、粉末粒子が球状で、できるだけ少ないサテライトを有し、特に、１〜２５０μｍ、好ましくは５〜１５０μｍの粒子径を有するように、溶融した集合体が噴霧又はアトマイズされる。この場合、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金の様々な適用に好ましい粒子径が形成される。例えば、ＡＬＭ法では２０〜６０μｍ、さらなる噴霧法では５〜９０μｍ、例えば５〜６０μｍ、又はその他の範囲である。好ましくは、初晶におけるＡｌ_３（Ｓｃ，Ｚｒ）相の一次粒子は、２０μｍを超えず、より好ましくは１５μｍ未満であり、さらに好ましくは２μｍ未満である。好ましくは、初晶が存在しない。

別の態様によれば、本発明は、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を含むワイヤーに関する。特定の実施形態によれば、ワイヤーは、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を含む。その上、ワイヤーはそれ以上限定されず、あらゆる望ましい長さ及び厚さ、並びに、あらゆる望ましい形状を有することができる。例えば、横断面方向において、ワイヤーは円形断面を有するが、角断面等もまた有することができる。しかしながら、ワイヤーのさらなる加工のためには、特定の実施形態によれば、ワイヤーの厚みが小さいことが好ましいため、溶融後、前記ワイヤーが、例えば、１０Ｋ／ｓを超え、好ましくは１０^２Ｋ／ｓを超え、より好ましくは１０^３Ｋ／ｓを超える高い冷却速度で冷却され得る。この目的のため、横断面方向において、ワイヤーは、例えば、０．６〜５ｍｍ、好ましくは０．８〜１．６ｍｍの直径（円形断面の場合）又は横断面方向における最大断面長さ（例えば、角から角、又は、端から端）を有し得る。

本発明に係る方法に基づく製造は特に限定されず、例えば、バー又はインゴットに加圧し、その後に伸線する、又は、ケーシング内で圧縮され、その後に伸線する等の従来の工程を含むことができる。特定の実施形態によれば、ワイヤーの製造は、ワイヤーに加圧及び伸線することによって行う。加圧時の圧力、伸線速度等のプロセスパラメーターは特に限定されず、適切に調整することができる。

別の態様によれば、本発明は、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金、又は、それから製造される本発明に係るワイヤーを含む材料又は加工品に関する。この場合、材料又は加工品は特に限定されない。例えば、材料は、本発明に係る粉末合金に加えて、さらなる要素を含み得る溶接充填材となり得る。加工品の例は、例えば、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金又は本発明に係るワイヤーを用いて製造された部品又は半製品を含む。前記部品又は半製品にさらに含まれる要素は特に限定されず、例えば、自動車、航空若しくは航空宇宙産業からの要素、又は、医療技術からの要素であることができる。

特定の実施形態によれば、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金は、加工品又は材料（例えば部品若しくは半製品等の加工品）における機能層中に存在する。このような層は、例えば粉体工学によって（例えば、レーザー及び冷却ガスを用いたＡＬＭによって）、堆積させることができる。

本発明に係る粉末合金から対応する加工品又は材料を製造する方法は、本発明によれば特に限定されず、圧縮、溶融、焼結等の従来の工程を含むことができる。

しかしながら、別の態様によれば、本発明は、本発明に係る材料又は加工品、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金、又は、本発明に係るワイヤーを製造する方法を含む。本発明に係る材料又は加工品、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金、又は、本発明に係るワイヤーは、加熱され、その後１０Ｋ／ｓを超え、好ましくは１０^２Ｋ／ｓを超え、より好ましくは１０^３Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却される。この場合、冷却は、１０^５Ｋ／ｓ、１０^６Ｋ／ｓ又は１０^７Ｋ／ｓを超える冷却速度、例えば５×１０^７Ｋ／ｓ以上の冷却速度で、例えば冷却ガスとしてＨｅを用いて行うこともできる。特定の実施形態によれば、この場合、さらなる加工は、例えばＡｒ、Ｎ、Ｈｅ、Ｎｅ又はこれらの混合物等の不活性ガスを含む保護ガス雰囲気下で行う。この場合、前記冷却は、好ましくは制御された方法で、例えば不活性ガスを用いて行う。

この場合、前記加熱は特に限定されず、例えば、７００℃以上、好ましくは７５０℃以上、より好ましくは８００℃以上の温度で、対流、レーザー等の手段によって行うことができる。

高い冷却速度のために、本発明に係る粉末合金中に存在することができる高い割合のＳｃは、特に初晶の外側にある二次相において、材料又は加工品中でも維持され得る。そして、Ｓｃは製造中に放出されない。

材料若しくは加工品の製造中における、本発明に係る粉末合金若しくは本発明に係るワイヤーのさらなる加工時の熱的影響の結果として、又は、粉末冶金（例えば焼結；様々なＡＬＭ法又は溶接のような接続方法）を用いて製造若しくは相互に接続される部品の場合、又は、別の材料又は他の半製品若しくは部品と接続する場合、入熱、部分溶融又は完全溶融は、本発明に係る粉末合金若しくは本発明に係るワイヤーにおいて、二次分散粒子の形成とともに、固溶体が分解され、又は、前記固溶体が凝固する。Ｓｃ含有量が増加するにつれて、分離がより速くなり、かつ、より早く開始する。混合結晶からの分離中における二次粒子の凝固速度も、混合結晶中のＳｃ含有量が増えるにつれて、同様に増加する。したがって、この場合、より高い冷却速度が好ましい。

特定の実施形態によれば、冷却後、材料又は加工品は、１００〜４００℃、好ましくは２２５〜３５０℃に加熱される。すなわち、高い冷却速度で冷却された後、さらに加熱を行う。この場合、前記加熱は、材質又は加工品中の基材又は追加の材料に対して、適切に適合させることもできる。その結果、特に、ＡＬＭ技術の場合又は本発明に係るワイヤーを使用する際、二次相から明確な堆積が生じ得る。４００℃を超える温度では、凝固が起こる可能性があり、好ましくない。

特定の実施形態に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金又はワイヤーの良好な特性を、例えばＡＬＭ、噴霧、溶接等の溶融又は部分溶融工程を用いる材料又は加工品の製造中にできる限り維持するため、壁の厚さが０ｍｍを超えて１００ｍｍ以下であり、好ましくは５０ｍｍ以下であり、より好ましくは１０ｍｍ以下である、できる限り最薄の壁を有する構造が製造される。加工品の大きさは特に限定されず、少なくとも一方向の寸法を１０ｍ以下とすることも可能である。加工品又は材料を製造する本発明に係る方法において、高い冷却速度は、一次粒子、及び、隣接した非溶融領域（ただし、熱の影響によって悪影響を受ける）における二次粒子の最適な沈殿物分布を得ることができることに寄与する。そして、その後の熱処理の間に、「溶融帯」及び材料の残りの部分の両方で二次沈殿物が生じる可能性がある。その結果、材料は、低い熱割れ感受性を示し、よって、このタイプのＡＬＭ法にも適合を示す。

加熱後、材料又は加工品は、次に周囲の温度に冷却され得る（例えば２０〜２５℃、具体的には２０℃）。この場合、冷却は特に限定されない。

さらなる加熱の代わりに、又は、好ましくはそれに続いて、最適な材料特性を達成するために、例えば焼結、熱間等方圧プレス成形、圧縮加工等のさらなる工程を続けることができる。

特定の実施形態によれば、加工品又は材料の製造方法において、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金は、粉末冶金によって堆積させる。この場合、堆積は、例えばＡＬＭ又は関連する技術によって行うことができるので、例えば本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を含む、又は、前記合金のみからなる機能層が形成され得る。

加工品又は材料の製造中に、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金の使用並びに加熱及び急冷によって、１〜５０ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍの大きさを有する、密着して細かく分布した二次相が形成され得る。これは、例えばＴＥＭ又はＳＥＭによって観察され得る。

多機能部品を製造するために、多数の材料若しくは加工品、又は、例えば様々なノズルを使用することもできる。

加工品又は材料の製造するための本発明に係る方法は、特に、航空産業、自動車工学、工具製造、医療技術等における部品、特に、良好な機械的安定性が要求され、熱的に応力を加えられ得る構造部品の航空宇宙用途に適している。個々の加工品、例えば部品又は半製品は、同じタイプ又は異なるタイプの材料で作られたより大きな部品を形成するため、様々な溶接方法を用いて、また本発明に係る溶接充填材も用いて、互いに溶接され得る。本発明に係るアルミニウム粉末合金、又は、本発明に係るワイヤー、材料若しくは加工品もまた、溶接され得る。また、前記アルミニウム粉末合金の場合には、他の材料／部品／シート／形材等に対してアトマイズ／噴霧させることもできる。本発明に係るアルミニウム粉末合金、該合金から製造されるワイヤー、材料又は加工品を用いて、製造された材料又は加工品の静的及び動的特性を改善することができる。

本発明は好ましい実施形態に基づいて説明されているが、本発明は前記実施形態に限定されず、様々な変形が可能である。

本発明によって、ＡＬＭのような粉体工学プロセスに用いることが可能なスカンジウム含有アルミニウム粉末合金が提供される。ＡＬＭ、又は、さらにその他の粉体工学プロセスも用いることによって製造された部品を使用することにより、部品の適切な構築を行う際、異なる構築技術（例えば変形、機械加工、構造物の個々の部分の接続）と比較して、最大５０％の製造コストを節約することができる。これと同時に、本発明に係るスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を用いて製造される加工品又は材料は、とりわけ、壁が薄い構造における適用可能性によって、重量の点でも利点を提供することができる。摩擦かくはん溶接（ＦＳＷ）の可能性は、複数部分における適合したＦＳＷ設計によって、同様に、ＦＳＷによって結合された、より大きく、より複雑な部品の製造につながり得る。加えて、部品の再現性及び収益性を高めることができる。

材料又は加工品を製造するための本発明に係る方法によって、特に、例えばＡＬＭを用いて、部品のカスタマイズされた製造を行うことができる。近端形状を有する部品のカスタマイズされた製造は、例えば航空機構造における部品において、製造過程で廃棄物として生じる材料の最大９０％を節約することができる。さらに、この方法は、すべての分野の技術、例えば自動車エンジン等において適用するため、ある種のラピッドプロトタイピングを可能にする。この場合、生産性のある工程は、製造工程に応じて部品の複雑さが高レベルであるとともに、材料を最大限利用することを支援する。ＡＬＭ技術において、この場合、例えば、粉体床若しくはパウダーノズル方式又は有線方式等の異なる製造方法がある。

このタイプのプロセス技術は、極めて丈夫な構造／部品に対して負荷が最適化された部品構造を提供する。前記部品構造は、多用途で、個々の形状オプションを有し、必要に応じて、異なる又は「合金関連」材料で作られた、統合された一体材料構造を有する。同様に組成又は構造の変化が少ない構造の特性は、目標通りに生じさせることができる。

Claims

合金の全組成に対して、重量％で、
Ｍｇ：０．５〜１０％、
Ｓｃ：０．４〜３０％、
Ｚｒ：０．０５〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５％、
Ｚｎ：０〜２．０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％、
Ｃｅ：０．２５％以下、
Ｂｅ：０〜０．００４％、
Ｂ：０〜０．００８％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｆｅ：０．２５％以下、
Ｈｆ：０．５％以下、並びに、
Ｃｅを除くランタングループ、Ｙ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｌｉ、Ｔｈ及びＡｇからなる群より選択される少なくとも１種の元素：０．５％以下を含み、
残部がＡｌ及び合計で０．５重量％以下の不純物であり、
重量％に基づくＺｒ及びＴｉの合計割合が、Ｓｃの割合の１／３未満である、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金。
前記粉末の粒子径が、１〜２５０μｍである、請求項１に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金。
請求項１又は２に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金により構成される、ワイヤー。
請求項１又は２に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金、又は、請求項３に記載のワイヤーを含む、材料又は加工品。
前記材料又は加工品が、部品、半製品又は溶接充填材である、請求項４に記載の材料又は加工品。
前記スカンジウム含有アルミニウム粉末合金が、前記スカンジウム含有アルミニウム粉末合金により製造された機能層に存在する、請求項４又は５に記載の材料又は加工品。
請求項１又は２に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を７００℃以上の温度に加熱した後、１０Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却する、請求項４〜６のいずれか一つに記載の材料又は加工品の製造方法。
冷却後、前記材料又は前記加工品を１００〜４００℃に加熱する、請求項７に記載の方法。
請求項１又は２に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を粉末冶金によって堆積させる、請求項７又は８に記載の方法。
前記粉末冶金による堆積は、不活性ガスを用いて行われる、請求項９に記載の方法。
請求項３に記載のワイヤーを７００℃以上の温度に加熱した後、１０Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却する、請求項４〜６のいずれか一つに記載の材料又は加工品の製造方法。
冷却後、前記材料又は前記加工品を１００〜４００℃に加熱する、請求項１１に記載の方法。
請求項１又は２に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金を製造する方法であって、
合金の全組成に対して、重量％で、
Ｍｇ：０．５〜１０％、
Ｓｃ：０．４〜４０％、
Ｚｒ：０．０５〜１．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５％、
Ｚｎ：０〜２．０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．２％、
Ｃｅ：０．２５％以下、
Ｂｅ：０〜０．００４％、
Ｂ：０〜０．００８％、
Ｓｉ：０．２５％以下、
Ｆｅ：０．２５％以下、
Ｈｆ：０．５％以下、並びに、
Ｃｅを除くランタングループ、Ｙ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｌｉ、Ｔｈ及びＡｇからなる群より選択される少なくとも１種の元素：０．５％以下を含み、
残部がＡｌ及び合計で０．５重量％以下の不純物であり、
重量％に基づくＺｒ及びＴｉの合計割合が、Ｓｃの割合の１／３未満である混合物を、溶融、噴霧又はアトマイズし、１０Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却する、スカンジウム含有アルミニウム粉末合金の製造方法。
請求項３に記載のワイヤーを製造する方法であって、
請求項１又は２に記載のスカンジウム含有アルミニウム粉末合金をプレスし、ワイヤーに延伸する、ワイヤーの製造方法。