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TWI613296B - 鋁合金粉體及鋁合金物件的製造方法 - Google Patents

鋁合金粉體及鋁合金物件的製造方法 Download PDF

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TWI613296B
TWI613296B TW105136650A TW105136650A TWI613296B TW I613296 B TWI613296 B TW I613296B TW 105136650 A TW105136650 A TW 105136650A TW 105136650 A TW105136650 A TW 105136650A TW I613296 B TWI613296 B TW I613296B
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楊智超
謝景長
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陳溪山
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

本揭露內容係提供一種鋁合金粉體及鋁合金物件的製造方法。鋁合金粉體的組成包括96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合以及其餘部分包括鎳和錳。並且，鋁合金粉體包括一合金芯體(alloy core)及一原生氧化層(native oxide)，原生氧化層包覆合金芯體。

Description

鋁合金粉體及鋁合金物件的製造方法
本揭露內容是有關於一種鋁合金粉體及鋁合金物件的製造方法。
基於西元2020年，世界主要工業國家提出汽車油耗達到20km/L以上之目標，因此車體輕量化為當中之重點發展項目。由於引擎所佔之重量比例僅次於車體，假若可使用鋁合金取代目前引擎鑄鐵材料，則每當減重10%，可提昇7%之燃油效率；因此國際汽機車大廠皆著手投入全鋁合金渦輪引擎輕量化之開發，渴望以鋁合金取代鋼鐵材料，成為下一世代引擎材料主流。
但由於引擎於長時間運轉，內部汽缸體之工作溫度將達到250℃以上，排氣歧管及渦輪本體之溫度更超出400℃，雖然引擎內部具冷卻水路系統，但對目前鋁合金而言仍是相當嚴苛之高溫環境，易發生材料破壞、變形或潛變；因此要推行全鋁合金輕量化引擎，勢必需提升鋁合金之高溫機械特性。
本揭露內容係有關於一種鋁合金粉體及鋁合金物件的製造方法。
根據本揭露內容之一實施例，係提出一種鋁合金粉體。鋁合金粉體的組成包括96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合以及其餘部分包括鎳和錳。並且，鋁合金粉體包括一合金芯體(alloy core)及一原生氧化層(native oxide)，原生氧化層包覆合金芯體。
根據本揭露內容之另一實施例，係提出一種鋁合金物件的製造方法。鋁合金物件的製造方法包括以下步驟：提供一鋁合金組成物，包括：96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合；及其餘部分包括鎳和錳；對此鋁合金組成物進行一氣體霧化製程，以形成複數個鋁合金粉體，各個鋁合金粉體包括一合金芯體及一原生氧化層，原生氧化層包覆合金芯體；對此些鋁合金粉體進行一熱處理；以及對此些鋁合金粉體進行一雷射積層製造製程以形成一鋁合金物件。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，作詳細說明如下：
第1圖繪示依照本揭露內容之一實施例之鋁合金粉體的示意圖。
第2~3圖繪示依照本揭露內容之一實施例之雷射積層製造 製程之示意圖。
第4A~4C圖分別繪示實施例1~3之組成經過氣體霧化製程後形成的鋁合金粉體的平均粒徑D50。
本揭露內容之實施例中，鋁合金粉體包括合金芯體及包覆合金芯體的原生氧化層，當原生氧化層受到雷射積層製造製程的高能雷射而破碎，其氧化物碎片均勻散佈於所形成的鋁合金物件之微觀結構中，而可以有效強化鋁合金物件的結構，進而能夠提高鋁合金物件的耐高溫強度。以下係詳細敘述本揭露內容之實施例。實施例所提出的細部組成為舉例說明之用，並非對本揭露內容欲保護之範圍做限縮。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些組成加以修飾或變化。
根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種鋁合金粉體。根據本揭露內容之實施例，鋁合金粉體可應用於製作鋁合金物件(aluminum alloy object)。更進一步而言，根據本揭露內容之實施例，鋁合金粉體可以經由氣體霧化製程製成後，應用於雷射積層製造製程製作鋁合金物件。
第1圖繪示依照本揭露內容之一實施例之鋁合金粉體的示意圖。鋁合金粉體的組成包括96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合以及其餘部分包括鎳和錳。也就是說，實施例之鋁合金粉體中，除上述重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合之外，組成物的其餘部分實質上可包括鎳和錳以及選擇性的其他微量元素。
如第1圖所示，鋁合金粉體100包括一合金芯體(alloy core)110及一原生氧化層(native oxide)120，原生氧化層120包覆合金芯體110。原生氧化層120實際上是由鋁合金粉體100的合金組成直接氧化而形成於粉體的表面。也就是說，合金芯體110的組成與前述之鋁合金粉體的組成大致相同，而基於鋁合金粉體100的組成，原生氧化層120可包括前述組成之金屬的氧化物。一實施例中，原生氧化層120的主要成分為氧化鋁。
如第1圖所示，鋁合金粉體100更包括合金析出物130，合金析出物130主要分散於合金芯體110中，合金析出物130作為析出強化相可以提高鋁合金粉體100的機械性質。
如第1圖所示，一些實施例中，鋁合金粉體100的粒徑D1約為2~65微米，原生氧化層120的一厚度T1約為5~10奈米。一實施例中，原生氧化層120的厚度T1例如是5~7奈米。
本揭露內容之實施例中，鋁佔鋁合金粉體的重量百分比約為83~87%。也就是說，實施例之鋁合金粉體的組成中，除上述重量百分比的鋁、矽、銅、鎂、鎳和錳以及選擇性的其他微量元素之外，組成物的其餘部分實質上為鋁。
一實施例中，矽佔鋁合金粉體的重量百分比約為8~10%。
一實施例中，銅佔鋁合金粉體的重量百分比約為3~5%。
本揭露內容之實施例中，鋁合金粉體具有相對高含量之鎂。一些實施例中，鎂的含量為0.4~1.5%重量百分比，如 此一來，可以有效增加鋁合金的機械性質及耐腐蝕性。
更進一步，鋁合金粉體具有相對高含量之8~10%重量百分比的矽搭配相對高含量之0.4~1.5%重量百分比的鎂，則鋁合金中的鎂原子可以和矽原子形成矽化鎂(Mg2Si)，此矽化鎂化合物是鋁合金中的析出強化相(例如是合金析出物130)，可以明顯提高鋁合金的常溫機械強度並增加鋁合金的耐磨性，而有效增加鋁合金的機械性質。
更進一步，鋁合金粉體具有相對高含量之3~5%重量百分比的銅，則鋁合金中的銅原子可以和鋁原子形成銅化鋁(Al2Cu)，鋁合金中的銅原子和鎂原子可以和鋁原子形成銅鎂化鋁(Al2CuMg)，銅化鋁和銅鎂化鋁均是鋁合金中的析出強化相(例如是合金析出物130)，可以明顯提高鋁合金的常溫機械強度，而有效增加鋁合金的機械性質。
一實施例中，鎳佔鋁合金粉體的重量百分比約為大於0%至1%。一實施例中，錳佔鋁合金粉體的重量百分比為大於0%至1%。一實施例中，鎳和錳之總和佔鋁合金組成物的重量百分比為大於0%至1.5%。
根據本揭露內容之實施例，鋁合金中的鎳原子可以和鋁原子形成鎳化鋁(Al3Ni)，鋁合金中的鎳原子可以和銅原子及鋁原子形成銅鎳化鋁(Al3CuNi)，鎳化鋁和銅鎳化鋁均是鋁合金中的析出強化相(例如是合金析出物130)，可以明顯提高鋁合金的耐高溫機械強度，而有效增加鋁合金的耐高溫機械性質。
更進一步，鋁合金中的錳原子可以和鋁原子形成錳化鋁(Al6Mn)，鋁合金中的錳原子可以和鋁原子、矽原子及選擇性 的微量鐵原子形成矽鐵錳鋁(AlMnFeSi)，錳化鋁和矽鐵錳鋁均是鋁合金中的析出強化相(例如是合金析出物130)，可以明顯改善鋁合金的高溫延性，而有效增加鋁合金的耐高溫機械性質。
並且，根據本揭露內容之實施例，鋁合金粉體可應用於以雷射積層製造製程製作鋁合金物件。相較於以傳統的鑄造製程製作鋁合金，其鋁合金的冷卻速率較慢(大約為101~2℃/s)，而雷射積層製造製程之冷卻速率較快(大約為103~4℃/s)，因此採用雷射積層製造製程搭配本揭露內容之鋁合金粉體，則可以提高強化元素(例如是前述之合金析出強化相)在鋁合金中的固溶率，使得所形成的鋁合金物件之微觀結構可具有晶粒細小、微結構均勻...等之特性，因而可以有效提高鋁合金的物理特性和機械性質。
再者，根據本揭露內容之實施例，鋁合金粉體100具有原生氧化層120，採用雷射積層製造製程搭配本揭露內容之鋁合金粉體100時，原生氧化層120受到高能雷射而破碎，原生氧化層120的氧化物碎片均勻分散在鋁合金粉體100融熔後形成的熔池中，當鋁合金熔池快速凝固後，雷射積層製造製程之快速凝固的特點可控制生成的耐高溫強化相(原生氧化層120的氧化物碎片以及前述之合金析出強化相)的粒度介於微米與次微米級之間，原生氧化層120的氧化物碎片則可以均勻散佈於所形成的鋁合金物件之微觀結構中，此些均勻分散的氧化物碎片可以有效強化鋁合金物件的結構，進而可以提高鋁合金物件的耐高溫強度。
根據本揭露內容之實施例，以下係提出一種鋁合金物件的製造方法。於一些實施例中，鋁合金物件的製造方法包括 以下步驟。
首先，提供一鋁合金組成物。鋁合金組成物與前述之鋁合金粉體的組成基本上相同。一些實施例中，鋁合金組成物包括96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合以及其餘部分包括鎳和錳。
一實施例中，鋁佔鋁合金組成物的重量百分比約為83~87%。一實施例中，矽佔鋁合金組成物的重量百分比約為8~10%。一實施例中，銅佔鋁合金組成物的重量百分比約為3~5%。一實施例中，鎂佔鋁合金組成物的重量百分比約為0.4~1.5%。一實施例中，鎳佔鋁合金組成物的重量百分比約為大於0%至1%。一實施例中，錳佔鋁合金組成物的重量百分比約為大於0%至1%。一實施例中，鎳和錳之總和佔鋁合金組成物的重量百分比約為大於0%至1.5%。
接著，對前述鋁合金組成物進行一氣體霧化製程，以形成複數個鋁合金粉體100，形成的各個鋁合金粉體100包括如前所述的合金芯體110及原生氧化層120，原生氧化層120包覆合金芯體110。鋁合金粉體100更可包括合金析出物130。
詳細來說，先依上述元素組成及重量比例配置鋁合金組成之材料，並以高溫熔解爐進行材料熔煉與精煉，而得到鋁合金塊材；接著，將熔煉後之鋁合金塊材高溫融熔為鋁合金溶液並進行氣體霧化製程而製做出鋁合金粉體100。
一些實施例中，氣體霧化製程包括一真空感應熔煉氣體噴霧化(VIGA)製程。一些實施例中，鋁合金粉體100的粒徑分佈大約介於2~65微米。舉例而言，鋁合金粉體的平均粒徑D50 例如是大約25~35微米。
一些實施例中，氣體霧化製程的霧化氣體壓力例如是25~45巴(bar)，氣體霧化製程的氣體流量例如是8.5~11.0立方公尺/分鐘(m3/min)。
接著，對此些鋁合金粉體100進行一熱處理。熱處理使得鋁合金粉體100更進一步被氧化，而使得原生氧化層120之厚度增加。舉例而言，氣體霧化製程所形成的鋁合金粉體100之原生氧化層120的厚度例如是3~4奈米，而熱處理之後，原生氧化層120的厚度增加至至少5奈米以上。
一些實施例中，熱處理之加熱溫度例如約為200~400℃，熱處理之加熱時間例如約為2~4小時。
接著，對此些鋁合金粉體進行一雷射積層製造製程以形成一鋁合金物件。實施例中，鋁合金粉體100的熱處理在雷射積層製造製程之前進行。一些實施例中，雷射積層製造製程例如包括對鋁合金粉體100進行一雷射燒熔步驟，雷射燒熔步驟之加熱溫度例如是660~2400℃。
第2~3圖繪示依照本揭露內容之一實施例之雷射積層製造製程之示意圖。如第2圖所示，當雷射200施加於鋁合金粉體100時，如放大圖所示，鋁合金粉體100因加熱而融熔形成熔池，由於熔池的攪動(如第2圖所示的液體流F1)而使得其中的原生氧化層120的氧化物碎片140隨著液體流F1而均勻分散於熔池中。
接著如第3圖所示，熔池冷卻之後形成鋁合金物件300。雷射積層製造製程之快速凝固的特點可以使得鋁合金物件 300的組織微細化，由於氧化物碎片140均勻分散，而可以進一步強化鋁合金物件300的微細組織，而可以提升鋁合金物件300的耐高溫機械性質。詳細來說，如第3圖的放大圖所示，鋁合金物件300的微結構中，合金析出物130和氧化物碎片140均勻分散在晶界310之間以及晶界310上，均勻地提升鋁合金物件300的整體耐高溫機械性質。
接著，可選擇性地對鋁合金物件進行一時效熱處理步驟。一些實施例中，時效熱處理步驟之加熱溫度例如是150~175℃，加熱時間例如是6~8小時。
以下係就實施例作進一步說明。以下係列出數個實施例之鋁合金粉體的組成以及製作成鋁合金物件後之特性測試結果，以說明應用本揭露內容所製得之鋁合金粉體的特性。然而以下之實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本揭露內容實施之限制。
實施例1~3之鋁合金粉體的製作流程如下：
將依照表1之元素組成與重量百分比所配製好的鋁合金材料以高溫熔解爐進行材料熔煉與精煉，並將其鑄造成錠。接著，精煉鋁合金投料6000~6500克，將其置於氣體霧化設備之感應熔煉石墨坩堝內。艙體密合後進行真空抽氣作業，真空目標值為3.0~5.0*10-4torr，並將霧化熔液保溫坩堝升溫至650~800℃。接著，開啟感應熔煉進行高週波感應重熔，待鋁合金熔液溫度達650~800℃時，即可進行氣體霧化製程，生產合金粉體，霧化惰性氣體壓力為25~45bar，氣體流量為8.5~11.0m3/min。粉體冷卻及收集後，進行粉體篩分。接著，對粉體進行 熱處理，熱處理條件為200~400℃之加熱溫度及2~4小時之加熱時間，並且使用大氣氣氛加熱爐。
將篩分及熱處理完之氣體霧化粉體進行顯微影像觀察；其後利用雷射粒徑分析儀進行粒徑分析，平均粒徑D50=25~30微米，可做為雷射積層製造用粉。
最後，將完成雷射積層製造之燒熔成形件進行電子顯微鏡觀察，並對成形試片進行拉伸性質測試。
各實施例和比較例之鋁合金粉體的組成以及製作成鋁合金物件後之特性測試結果如表1~2，其中各元素的比例係以佔整體鋁合金粉體的重量百分比(wt%)表示。
表1中，實施例和比較例的組成中，除表列的重量百分比的各個元素(例如矽、銅、鎂、鎳和錳...等)之外，組成物的其餘部分實質上為鋁，以「bal.」表示。需注意的是，本揭露內容之技術領域內具有通常知識者皆明白，基於各個元素之起始物的選用，所製成的組成物中除了預定的元素及其重量百分比之外，尚可能存有微量原本存在於起始物中的其他雜質元素。
Figure TWI613296BD00001
根據表1之元素組成及重量百分比所製成的鋁合金粉體100之外觀呈現球形，且表面圓潤光滑。經過進一步的熱處 理之後，原生氧化層120的厚度大致上由約4奈米增厚至約6奈米。
表2中，實施例1-2和1-4、實施例2-2和2-4和實施例3-2和3-4是分別採用表1之實施例1、實施例2和實施例3之鋁合金粉體的組成、並依序經過惰性氣體噴粉、熱處理和雷射積層燒熔而製得的鋁合金物件。再者，表2中，實施例1-1和1-3、實施例2-1和2-3和實施例3-1和3-3是分別採用表1之實施例1、實施例2和實施例3之鋁合金粉體的組成、並以傳統的鑄造製程所製得的鋁合金物件。
實施例1~3之組成經過氣體霧化製程後形成的鋁合金粉體的平均粒徑D50分別如第4A~4C圖所示。
表2中，「常溫降伏強度(YS)」、「常溫抗拉強度(UTS)」和「常溫伸長率(Elongation)」均為鋁合金粉體之材料經過惰性氣體噴粉、熱處理和雷射積層燒熔之後所測量而得。上述各個機械性質係以儀器Gleeble 3500測得。表2中，實施例1-1~1-2、實施例2-1~2-2和實施例3-1~3-2之數據均為常溫(25℃)下所測得，實施例1-3~1-4、實施例2-3~2-4和實施例3-3~3-4之數據均為250℃下所測得。
Figure TWI613296BD00002
Figure TWI613296BD00003
如表2所示，在實施例1-1~3-4之樣品中，相較於以傳統鑄造製程所製作的鋁合金物件，以本揭露內容之實施例的鋁合金粉體搭配雷射積層製造製程所製作的鋁合金物件，不僅在常溫測量時具有較佳的機械性質，在高溫測量亦具有較佳的機械性質。
綜上所述，根據本揭露內容之實施例，鋁合金粉體包括合金芯體及包覆合金芯體的原生氧化層，當原生氧化層受到雷射積層製造製程的高能雷射而破碎，其氧化物碎片均勻散佈於所形成的鋁合金物件之微觀結構中，而可以有效強化鋁合金物件的結構，進而能夠提高鋁合金物件的耐高溫強度。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧鋁合金粉體
110‧‧‧合金芯體
120‧‧‧原生氧化層
130‧‧‧合金析出物
D1‧‧‧粒徑
T1‧‧‧厚度

Claims (20)

  1. 一種鋁合金粉體，該鋁合金粉體的組成包括：96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合；以及其餘部分包括鎳和錳；其中該鋁合金粉體包括一合金芯體(alloy core)及一原生氧化層(native oxide)，該原生氧化層包覆該合金芯體，其中該鋁合金粉體的平均粒徑係為25~35微米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中該原生氧化層的一厚度係為5~10奈米。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之鋁合金粉體，其中該原生氧化層的該厚度係為5~7奈米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中鋁佔該鋁合金粉體的重量百分比為83~87%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中矽佔該鋁合金粉體的重量百分比為8~10%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中銅佔該鋁合金粉體的重量百分比為3~5%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中鎂佔該 鋁合金粉體的重量百分比為0.4~1.5%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中鎳佔該鋁合金粉體的重量百分比為大於0%至1%。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金粉體，其中錳佔該鋁合金粉體的重量百分比為大於0%至1%。
  10. 一種鋁合金物件的製造方法，包括：提供一鋁合金組成物，包括：96.5~99%重量百分比的鋁、矽、銅和鎂之組合；及其餘部分包括鎳和錳；對該鋁合金組成物進行一氣體霧化製程，以形成複數個鋁合金粉體，各個該些鋁合金粉體包括一合金芯體及一原生氧化層，該原生氧化層包覆該合金芯體；對該些鋁合金粉體進行一熱處理；以及對該些鋁合金粉體進行一雷射積層製造製程以形成一鋁合金物件，其中該些鋁合金粉體的平均粒徑係為25~35微米。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中該氣體霧化製程包括一真空感應熔煉氣體噴霧化(VIGA)製程。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方 法，其中該氣體霧化製程之一霧化氣體壓力係為25~45巴(bar)，該氣體霧化製程之一氣體流量係為8.5~11.0立方公尺/分鐘(m3/min)。
  13. 如申請專利範圍10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中該熱處理之加熱溫度係為200~400℃，該熱處理之加熱時間係為2~4小時。
  14. 如申請專利範圍10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中該熱處理在該雷射積層製造製程之前進行。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中該雷射積層製造製程包括：對該些鋁合金粉體進行一雷射燒熔步驟，該雷射燒熔步驟之加熱溫度係為660~2400℃。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中各個該原生氧化層的一厚度係為5~10奈米。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中矽佔該鋁合金組成物的重量百分比為8~10%。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中銅佔該鋁合金組成物的重量百分比為3~5%。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中鎂佔該鋁合金組成物的重量百分比為0.4~1.5%。
  20. 如申請專利範圍第10項所述之鋁合金物件的製造方法，其中鎳和錳之總和佔該鋁合金組成物的重量百分比為大於0%至1.5%。
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