JPH05504996A - 噴霧鋳造アルミニウム・リチウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 噴霧鋳造アルミニウム・リチウム合金 本発明はナトリウム及び水素両者の低い含量を有し、そして噴霧析出により製造 されるアルミニウム・リチウム合金に間する。

アルミニウム・リチウム基合金は、低重量で高剛性を必要とする応用、殊に航空 宇宙応用のために非常に興味がある。しかしＡｌ−Ｌｉ合金は、雑種断方向にお いて比較的低い延性、破壊靭性及び応力腐食亀裂生長抵抗性を有することが見出 されている。

コジマ等は唄！鋳造アルミニウム・リチウム８０９０合金の鋳放し状態及び熱間 壽圧圧縮後の両方の機械的性質を試験している（Ａ　Ｉ　−Ｌ　ｉ合金に関する 第５回ｗ’ｓ、ＡＩＭＥ、ｐ８５．１９８９＞、　彼等は、文献に報告さレタＤ Ｃｆｓ造８０９０合金についての数値と対比された唄ｇ鋳造合金の機械的性質の 見掛けの改善を報告しているけれども、直接比較はなされていない、改善された 機械的性質は噴霧鋳造合金において認められるより微細な結晶粒組織に起因する ものである。

ファガー（Ｆａｇｅｒ）等は、ＡＩ　−Ｌｉ合金における襞間亀裂を報告してい る（Ｓｃｒｉｐｔａ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ　Ｖｏｌ、２０．ｐＨ５９゜１ ９８６）、ナトリウムは、カリウム及びチタンと一緒に、可能性のある脆化側と して間接的に同定されている。

ミラー（Ｍｉｌｌｅｒ＞等は、ｉ開亀裂がＡｌ−Ｌｉ合金に限定されないことを 報告している（Ｓｃｒｉｐｔａ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ　Ｖｏｌ　２１゜ｐ ６６３．１９８７）、ＡＩ　・Ｌｆ金合金ナトリウム含量が約１０ｐｐｍ以下で あるならば、その合金は！！開亀裂を示さないことが観察された。Ｗ開は、結晶 粒界及び粒子マトリックス界面へ偏析しているナトリウムによるもと信じられた 。

ＡＩ・Ｌｉ合金の機械的性質に対する水素含量の作用は定量化されていないが、 しかつ機械加工後に予想外に良好な雑種断方向機械的性質を示すアルミニウム合 金が噴霧析出により製造されうろことを！外にも発見した。従って、−態様にお いて本発明は、揮発性不純物を含む溶融アルミニウム合金を鳴Ｗ鋳造するアルミ ニウム合金の揮発性物質含量低減法を提供する。

ここで使用される用語「揮発性物質Ｊは、気状または高蒸気圧の不純物、例えば 水素丈たはアルカリ金１７ＸＭを包含する。

好ましくは、溶融物は凝集性析出物を形成するように噴ｇ鋳造される。本方法は 、殊にＮａ及びＨ２不純物の除去に応用されうる。

本発明は、いずれのアルミニウム合金のナトリウム及び／または水素含量の低減 にも応用されうる。本方法は、アルミニウム合金のナトリウム含量と、その他の 合金成分の平衡を著しく変えることなく、低減しうるようにする。噴霧析出物は 、低ナトリウムアルミニウム原料を与えるために再溶融されてもよくあるいは形 成された噴霧析出物は、直接に使用されても、または使用前にさらに加工されて もよい。

本発明のアルミニウム・リチウム基合金に対して殊に応用することができ、本発 明のもう一つの態様によれば、２．５ｐｐｍまたはそれ以下のナトリウム及び１ ．０ｐｐｍまたはそれ以下の水素を含む噴霧鋳造のアルミニウム・リチウム基合 金が提供される。

本発明のアルミニウム・リチウム基合金は、典型的には０．５ないし７％のリチ ウム、好ましくは２ないし６％のリチウムを含む０本発明の合金を作り出すため の出発材料は、従来法でＤＣ鋳遺されたアルミニウム・リチウム合金、あるいは 別の方法で作られた合金、であってよい、そのようなりＣ鋳造合金のナトリウム 含量は、一般に１０ρｐ、ｍ付近、典型的には５ｐｐｍ付近であるが、３ｐｐｍ のように低くてもよい。好ましくは、出発合金のナトリウム含量は、１０ｐｐｍ またはそれ以下であろう。

Ａｌ−Ｌｉ合金のナトリウム含量は、望ましくは襞間型欠陥が観察される含量、 典型的には約ｔｏｐｐｍよりも低くあるべきであることが認識されるが、本発明 者等は、低減された水素含量と組合せて、ナトリウムのレベルをナトリウム偏析 が生じるレベルよりも著しく低減することにより、合金が、殊に複槽断方向にお いて、予想外に改善された性質を示すことを発見した。延性及び引張り強度は、 長横断及び雑種断の両方向において増大される。破壊靭性も複槽断方向において 改善される。応力腐食亀裂生長及び綬亀裂生長に対する抵抗は、実質的に増大さ れる。若干の領域、例えば長手方向における機械的性質はわずかに低減されるこ とがあるが、本発明の合金は、全体として改善された性質を示す。

本発明のアルミニウム・リチウム基合金は、２．５ｐｐｍまたはそれ以下のＮａ 及び好ましくはＩＰＰｍまたはそれ以下のＨ２を含む。

ＤＣ４ｉ造Ａｌ−Ｌｉ合金の水素含量は、典型的には、０．５〜０．８ｐｐｍの 範囲内にあるが、Ｑ、３ｐＰｍのような低いこともある。高リチウム合金におい ては、典型的には４％またはそれ以上のリチウム含量を有する合金においては、 水素含量が増加することが知られているけれども、この理由は解明されていない 。

３％またはそれ以下のＬｉ含量を有する合金については、Ｈ２含量は好ましくは ０．３ＰＰｍ以下であり、好ましくは約０．ｌｐｐｍまたはそれ以下であるが、 ３％よりも大きなリチウム含量の合金については、Ｈ２含量はｌｐｐｍまでであ りうるが、好ましくはｏ、８ｐｐｍまたはそれ以下である。

本発明による合金は、その他の元素（Ｎａ及びＨ２は除外）を、それらがＡ１− Ｌｉ合金において慣用的に存在する割合で含んでいてよい、好ましい合金は、８ ０９０．８０９１系会金を包含する６本発明は、噴霧鋳造状態の合金と、圧延、 押出、鍛造、熱間等圧圧縮または任意のその他の形態の加工によって得られた製 品と、の両方をその範囲とする。精製合金は、また、低不純物材料源として再溶 融されても、または再鋳造されてもよい。

噴霧析出法における多くの因子が、噴霧されたインゴットの最終のナトリウム及 び水素の含量に影響を与えうる。

最終のナトリウム及び水素の含量に影響を与える一因子は、溶融物を作るルツボ であろう、ルツボは好ましくは気体透過性であるべきでない、ルツボの透過性は 、外側雰囲気（空気）と溶融物との間の著しい相互作用を許容し、かくして増大 した水素レベルをもたらすことがありうる。好ましいルツボ材料は、樹脂結合炭 化けい素または結合グラファイトルツボのような不透過性または半透過性材料を 包含する。その他のルツボ材料は、アルミナ、融合シリカ、マグネシア及びサイ アロン（ｓｙａｌｏｎ）ならびに耐火物内張り鋼ルツボを包含する。あるタイプ のアルミナのような不純耐火物は、溶融物と反応してナトリウム及び水素のレベ ルを増加することがある。この問題を低減するために、ルツボは窒化はう素のよ うなコーティングで処理して、溶融物とルツボとの間の反応を抑制し、そしてジ ルコニアのようなコーティングで処理して透過性を低減しうる。その他の適当な コーティングは当業者に知られているところであろう。

全体の溶融物の表面積対容積の比は、雰囲気との相互作用の程度を低減するため に可及的に低く（典型的には０．０１５、好ましくは０．０３８以下）維持すべ きである。雰囲気は可及的に乾燥状態に（典型的には＜１１０ＰＰ、好ましくは ＜６ｐｐｍの水分）そして水素レベルを可及的に低く（典型的にはｔｏｐｐｍ、 好ましくは＜ｉｐｐｍ）維持すべきであり、なんとなれば水蒸気は溶融物中の水 素レベルの主たる原因であると信じられるからである。好ましくはまた雰囲気は 酸化を低減するために不活性であるべきである。真空溶融は必要ではないことが 判明した。

揮発性または気状の不純物の除去は、小さな粒子（典型的には一８０μｍ、好ま しくはく２００μｍ）を生成させるように噴霧することにより促進されよう。

しかし、粒子寸法を減少させるにつれて飛行時間が短縮され、かくして除去が生 じるための短い時間がもたらされよう。これらの二つの因子は、析出物中に最低 のナトリウム及び水素のレベルを生じさせるように条件を最適化するように変動 されうる。

粒子が高密度の境となるように析出されないならば、低減した気体不純物レベル は固体状態において保持されえないであろう。

また脱気は、噴霧の際にインゴットの高温表面からも生じる。この固体または半 固体状態脱ガスは、より大きな熱質量をもつ析出物において増大されよう、なん となれば熱がより長時間にわたり保持されるからである。

以下の実施例において、−次ガス圧は１．２〜３バール、二次ガス圧は５５〜９ バール、そして移送ガス圧は３〜５バールであった。−次ガス流量は０．２５な いし０．４５ｍ’／分であった。二次ガス流量は６．０ないし９．２ｍ’７７分 であった。金属流量は５ないし１４　ｋ　ｇ／分であった。溶融温度は７００″ ないし８００℃であった０条件は、衝突時に液体または半液体状であり、そして ２００μｍよりも小さい直径を有する金属粒子を生成させるように、上記の範囲 内で調節した。上記の範囲は、ある機械と別の機械とでは若干程度変動させうる が、そのような粒子を製造するのに適当な範囲は容易に決定しうる。

上記範囲内に調節することにより、粒子寸法及び粒子の飛行時間は、揮発性不純 物！物の最大除去を達成するように最適化しうる。

実施鍔１ 噴霧鋳造設備はアルカン・インターナショナル・リミテッドによって設計指定さ れ、西ドイツノマンネゼマン・デマク（Ｍａｎｎｅｓｅｍａｎｎ　Ｄｅｍａｇ） 及びオスプレイ・メタルス（Ｏｓｐｒｅｙ　Ｍｅｔａｌｓ）、ニーズ（Ｎｅ　ａ 　ｔｈ）によって構築され、そしてアルカン・インターナショナル・リミテッド のバンバリイ・ラボラドリースにおいてさらに開発された。噴霧されるべき合金 は、モーガン（Ｍｏｒｇａｎ）ｒサラマンダー・エクセル（Ｓａｌａｍａｎｄｅ ｒＥｘｃ　ｅ　Ｉ　）　」ルツボ［レジン接合ＳｉＣ；４０％ＳｉＣ及び３０％ 炭素］　（ルツボはグラファイト／クレイ基の洗液で洗浄され、そして窒化ホウ 素で被覆〉中で誘導加熱により溶融された。この設備は、オーバー圧力を用いて 突出される金属流を通過させるための耐火物ノズルを含んでいる。そのノズルの 周囲を、溶融表面を囲みそして含むようにその金属流に平行にかつ金属流を取り 囲むように一次支持ガス流を指向させるような開口を有する一次ガスノズルが取 巻いている。

その−次ガスノズルの周囲を、溶融金属流に向けて二次噴霧用ガス流を指向させ る噴口を備えた二次ガスノズルが取巻いている。二次ガス流は、ノズルの下流側 からのある距離のところで溶融金ｇ流に接触し、そしてそれと噴霧して、金属粒 子のスプレーとする。

二次噴霧用ガス流動は、金Ｊｉ流からのジェットの距離に等しい高さ及び半径の 円錐形を規定している。

溶融金属は回転式アルミニウム合金捕集器上に噴霧された。使用された噴霧用ガ ス及び移送ガスは窒素であった。溶融物温度は７１０”Ｃであり、溶融及び保持 合計時間は３時ｍ５０分であった。流量は１０．９ｋｇ／分であり、８分１１秒 の噴霧時間は７６．３ｋｇの重さの噴霧析出物を生じさせた。

噴霧された合金は、ＤＣ鋳造出発原料からのモノリス８０９０アルミニウム・リ チウム基合金であった。噴霧された事前成形物（プレフォーム）から作られた押 出物の性質は、ＤＣ鋼造出発ビレットから作られた押出物の性質と比較された。

その事前成形物は、５５０℃で２４時間にわたりＤＣ鋳造対照体と共に均質化さ れた。噴霧された事前成形物及びＤＣ釧造ビレットを機械加工して２１０ｍｍの 直径とし、そして下記のパラメーターを用いて押し出し２．５インチ×１インチ の矩形断面棒とした。

ビレ／ト温度　出口速度　Ｊ江１１コニ上−色〕−レセＪ」７分し　フロント　 ベヱｌ噴霧　４３５／４４０　０．７６　４０５　３９０ＤＣ鋳造　４３５／４ ４０　０．８４　４１５　３８５押出比は両方のインゴットについて２０１であ った。評価のために各押出物のフロント（前端側）及びバック（後端側）から適 当な長さ部分を採取した。これらの押出物についての化学分析値は下記の通りで あった。

Ｌｉ　Ｃｕ　Ｈｇ　Ｚｒ　Ｓｉ　Ｆｅ　Ｔｉ　Ｈａ　Ｈ２−−−−−一−−−− −〜−−−−−（ｗＨ）−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−ｐ Ｈ１ｌ−ＤＣｆｓ造　２，３９　１，２０　０，８３　０，１３　０，０４　０ ．０４　０．０３１　＋２　１．２０噴Ｗｉ　２．３０　１．１０　０．８０　 ０，１３　０，０３　０．０４　０．０４９　（１０，１９次いで押出物のフロ ント（前端（！＠）部分片を５４０℃で１７２時間時間比処理し、冷水急冷し、 そして２％引張りした。

長平方向、長横断方向及び層積断方向の引張り、ならびに５Ｔ−Ｌ靭性試験片を 次いで１７０℃で４８時間時効然埋した。噴霧加工及びＤＣ鋳造８０９０につい ての三つの配向すべてにおける引張り特性は下記の方に与えられている。

以Ｑ猪４　噴ヨ 長手方向−０，２！　ＰＳ　（ＭＰａ）　５３７　５１２ＴＳ（ＭＰａ＞　５７ ２　５５０ 伸率（％）　４．７　５．１ 長横断方向−０，２Ｚ　ＰＳ　（ＭＰａ）　４０９　３９０ＴＳ　（ＭＰａ＞　 ４４３　４８７ 伸率（％’）　０．７　８．５ 短横断方向−０，２Ｚ　ＰＳ　（ＭＰａ　）　３４４　３５０ＴＳ　（ＭＰａ＞ 　３５６　４８５ 伸率（％）　０．４　８．４ 噴霧加工８０９０からの長手方向部分から採った結晶粒寸法は１５５ミフロン× ２５ミクロンのオーダーであり、ＤＣ鋳造８０９０は３００ミフロン×１〜ｍｍ であった１等方性唱霧加工状君結晶粒寸法は７０ミクロンであった。下記の表は 、１０ｍｍ厚コンパクト張力５Ｔ−Ｌ試験片からのＤＣｇ造及び噴言加工８゜９ ０の破壊靭性を与えている。

１、Ｄ　条件　Ｋ１ｃ Ｐａ　ｍ ＤＣ鋳造　２４／１７０℃　１４２１ ＤＣ鋳造　４８／１７０℃　１４．３８噴Ｈ２４／１７０℃　２５．２５塞 ＯＪｉ！霧　４８／１７０℃　１７．１８＊　不充分な厚さのために無効な試験 ：従ってｋｇ値を引用しである。

応力腐食亀裂生長速度及び綬亀裂生長速度は第１及び２図にそれぞれ示されてい る。

この改善された組合せｌ！械的性質は、ＤＣ鋳造製品と比較してのｌＩＩ霧鋳造 製品の低減されたＮａ及びＨ２の含有がら全体的ないし主としてもたらされる。

大施３ユ ｆｉ械的性質に対するナトリウム及び水素含量の作用を屓るために、種々のナト リウム及び水素含量の８０９０合金事前成形物（プレフォーム）を作った。装置 は前記のものと実質的に同じであった。ルツボは半透過性アルミナ／シリカ繊維 タイプのものであり、これはジルコニア及び窒化ホウ素で被覆された。溶融物温 度は７１ｆ）℃であっｆＳ。

ナトリウム含量は、出発インゴット中のナトリウム含量を変えることにより変動 された。水素含量は、噴霧用ガスと水蒸気でドーピングすることにより変動され た。

実施例１に記載の装置を用いてもう一つの事前成形物（プレフォーム）を作った 。溶融温度は、９．３ｋｇ、／分の流量でもって７１０”Ｃであった。

事前成形物（プレフォーム）とａ！！械加工して２８ｍｍ厚の圧延用ブロックと なし、５４０℃で２４時間均質化処理した。試料を厚さ２５ｍｍに圧延し、その 際に各パスの間で再加熱した。５３０℃で溶体化処理し、１７０’Ｃで２４時間 時効処理し、そして層積断方向で試験した。圧延板の化学組成を、雑種断方向伸 率及び破壊靭性の値と共に次表に示す。

Ｌｉ　Ｈａ　Ｈ２ 一＝ｗｔｌ−−−−−ｐｐａ＋−−−−伸率？６　破壊靭性ｋｇ（ＭＰａ、ｓｌ ／２） 試料 １　２．３１　５　０．５７　０．６２　１９．６２　２．３４　２２　０．３ ３　１．００　１７．８３　２．５＋　１３　０．４４　０．８７　１７．４４ 　２．３１　６　０．４１　１．８２　２３．０５　２．２４　１　０．２８　 ６．１４　２７．２伸率及び靭性は、比較試料１〜４と比較して、本発明により 作られた試料５において著しく増大している。

夾施円ユ 実施例に実質的に記載されｆＳｉＸＩき条件下で８０９０合金の事前成形物（プ しフオーム）を唄Ｗｓ造した。唄Ｗ前の合金及び噴霧加工した事前成形物（プレ フォーム）の化学組成を下に示す。

Ｓｉ　Ｆｅ　Ｃｕ　Ｍｇ　Ｂ　Ｚｒ　Ｈａ　Ｌｉ鳴霧前　−ｐｐｓ− １０，０６０，０５１，３７０，９４３０，１２６０２，６５Ｚ　Ｏ，０６０， ０４１，３３０，８７３０，１２１００２，４８噴霧後 １　０．０６　０．０５　１．２４　０．８８　３　０．１２　１３　２．５１ ２　０．０７　０．０４　１．３２　０．８３　３　０．１２　２２　２．３４ すべての値はＮａ−ｐｐｍを除きｗｔ％で与えられている。

！施円Ａ 溶融及び保持時間＝　２時間５０分 流量　：　８．８５ｋｇ／分 実施時間　：　２２分４２秒 鳴霧成形物重量　：　１５２．７ｋｇ ８５ｍｍ厚のブロックを噴霧成形物を水平に横断して切り出し、５５０’Ｃで２ ４時間均質化させた。これを切断して１３０ｍｍ長Ｘ９０ｍｍ巾Ｘ８５ｍｍ厚の 圧延用ブロックとしな、材料を８５ｍｍから２８ｍｍ厚まで５４０”Ｃにおいて ５回バスでロール圧下した。

星威 出発原料−８０９１合金 口　立　皐　聾　裏　Δ　■　践亡引ト■畦２．７０　１．９０　０，８５　０ ．１０　０．０４　０．０６　０．４１　２２　０．９５圧延された状態の板の 中心部がら材料を切り出し、そしてＳＴ引張りのためのブランクを５４５℃で１ 時間Ｓ、Ｈ，Ｔ処理し、油急冷した。これらを次いで、未引張状態で１７０℃で ４８時間時効処理した。

引張特性は以下の通りであった。

実施例５ ７０００系アルミニウム会金における水製低減を示す結果。

合金は非標準品であったが、５．０〜７０％の亜鉛及び２，０〜２．５％のマグ ネシウムを有した。三つの噴霧実験を実施した。

実験１−出発金属は０．２９％のＨ２を有し、そして噴霧後これが０．０９°５ に降下した。

実＄２−８２レベルは０．４６％から０．２０％へ降下した。

実＄３−８２レベルは０．３２％から０．１７％へ降下した。

すべての場合に噴霧条件は、アルミニウム・リチウム合金実施例についてのもの と実質的に同一であった。

亀裂生長速度（ｒｒ＋／ｓ） 亀裂長さ　（ｍｍ） 要約書 不純物、殊に水素及びナトリウムの低レベルを有し、そして改善された機械的性 質を示すアルミニウム　リチウム合金。

国際調査報告 申＾瞳ｒ＋ｌｌｌ９ｅ−−１＾ｏ−１−ｃｌ−’、ＰＣフ：／ＧＩジ９１１００ ３８１国際調査報告 ＧＢ　９１００３８１ ＳＡ　４５３２５

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．２．５ｐｐｍまたはそれ以下のナトリウム及び１．０ｐｐｍまたはそれ以下 の水素を含む噴霧鋳造アルミニウム・リチウム合金。
2. ２．リチウム含量が０．５ないし７％である請求の範囲１の噴霧鋳造アルミニウ ム・リチウム合金。
3. ３．リチウム含量が２ないし４％である請求の範囲２の噴霧鋳造アルミニウム・ リチウム合金。
4. ４．水素が０．３ｐｐｍまたはそれ以下である請求の範囲１ないし３のいずれか 一つの噴霧鋳造アルミニウム・リチウム合金。
5. ５．合金が８０９０または８０９１系合金である請求の範囲１ないし４のいずれ か一つの噴霧鋳造アルミニウム・リチウム合金。
6. ６．低含量の揮発性不純物を有するアルミニウム合金を噴霧鋳造する方法であっ て、揮発性不純物を含むアルミニウム合金を、２００μｍより小さい直径を有し かつ衝撃のときに液体または半液体状である粒子を生じさせるような条件下で噴 霧鋳造することを特徴とする方法ツ。
7. ７．一次ガス圧が１．２ないし３バールであり、二次ガス圧が５．５ないし９バ ールであり、そして移送ガス圧が３ないし５バールである請求の範囲６の方法。
8. ８．一次ガス流量が０．２５ないし０．４５ｍ３／分であり、二次ガス流量が６ ないし９．２ｍ３／分であり、そして金属流量が５ないし１４ｋｇ／分である請 求の範囲６の方法。
9. ９．揮発性物質が水素である請求の範囲８の方法。
10. １０．揮発性物質がアルカリ金属である請求の範囲６ないし８の方法。
11. １１．アルカリ金属がナトリウムである請求の範囲１０の方法。