本發(fā)明涉及用于形成包括鋁、鐵以及硅的高溫合金的方法。

背景技術：

該部分提供與本發(fā)明相關的背景信息，其并非一定是現(xiàn)有技術。

輕質(zhì)金屬部件已經(jīng)成為用于制造其中期望不斷提高性能以及燃料效率的車輛、尤其是汽車的重要焦點。用于汽車應用的其他輕質(zhì)金屬部件常常由鋁及/或鎂合金制成。這些輕質(zhì)金屬可形成負荷承受部件，其需要在具有良好的強度及延性(例如伸張度)的同時堅固且堅硬。對于如汽車等車輛中的安全要求及耐久性來說，高強度及延性特別重要。雖然常規(guī)的鋼及鈦合金提供高溫強度，但是這些合金分別或者較重或者較貴。

用于形成車輛中的結(jié)構(gòu)部件的示例性輕質(zhì)金屬合金是含鋁合金。常規(guī)地，可通過如鍛造工藝(諸如擠出、軋制、鍛造，沖壓)或鑄造技術(諸如壓模鑄造、砂模鑄造、熔模鑄造，永久模鑄造)等大批量形成工藝來形成含鋁合金。

當鑄造或鍛造輕質(zhì)合金時，在形成工藝期間的工業(yè)標準及限制通常決定了選擇哪些合金材料以及合金化組分。最終根據(jù)部件所需的微結(jié)構(gòu)性能以及可基于典型的形成工藝條件所能實現(xiàn)的來調(diào)整合金選擇。鑒于這些常規(guī)的鑄造及鍛造技術，可進一步改善強度及其他合金性能。輕質(zhì)金屬鑄造件(諸如鋁鑄造件)需要與高強度鍛造鋁及鋼沖壓件的強度水平相當?shù)妮^高強度水平。因此，不斷需要改進的形成工藝，以由具有適當強度及延性以及其他特性的合金形成改進的輕質(zhì)金屬部件。

技術實現(xiàn)要素：

該部分提供本發(fā)明的總體概要，而并非其整個范圍或其所有特征的全面公開內(nèi)容。

在某些方面，本發(fā)明提供制備適于暴露在升高溫度下的高強度輕質(zhì)合金部件的方法。方法可包括將高能流朝向局部區(qū)域中的前體材料引導以熔化局部區(qū)域中的前體材料的一部分。高能流可為激光或電子束。前體材料包括鋁、硅以及鐵。隨后，以大于或等于約1.0×10⁵k/秒的速度冷卻熔融前體材料以形成固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件。固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括穩(wěn)定alxfeysiz相，其中x在約4至約5或約7.2至約7.6的范圍內(nèi)，y為約1.5至約2.2，并且z為約1。

在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約50體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。

在其他變型中，穩(wěn)定alxfeysiz相具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化學式，其中成分包括大于或等于約64.5至小于或等于約66原子量％的鋁；約24.5原子量％的鐵；以及大于或等于約9.5至小于或等于約11原子量％的硅。

在另一些變型中，穩(wěn)定alxfeysiz相具有約0.7509nm的(a)晶格參數(shù)及約0.7594nm的(c)晶格參數(shù)以及p63/mmc的空間群。

在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。

在其他變型中，前體材料還包括小于或等于約0.5質(zhì)量％的選自由以下組成的組的合金化元素：錳、銅及其組合，其中穩(wěn)定alxfeysiz相是通過并入合金化元素以將具有由al7.4fe2si表示的化學式的中間相轉(zhuǎn)換成六方晶體結(jié)構(gòu)而形成。

在某些其他變型中，熔融前體材料的冷卻是以大于或等于約1.0×10⁷k/秒的速度進行。

在另一些變型中，高能流的引導是選自由以下組成的組的工藝：直接金屬激光燒結(jié)、電子束直接金屬熔化系統(tǒng)及其組合，其中局部區(qū)域內(nèi)的溫度升到大于或等于約997℃。

在一些變型中，前體材料是粉末材料。

在其他變型中，粉末材料是元素粉末的組合或預合金化粉末。

在某些其他變型中，局部區(qū)域具有小于或等于約100μm³的體積尺寸。

在其他方面，本發(fā)明提供一種固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件，其包括大于或等于約50體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。x在約4至約5或約7.2至約7.6的范圍內(nèi)，y在約1.5至約2.2的范圍內(nèi)，并且z為約1。在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件可包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。

在某些變型中，穩(wěn)定alxfeysiz相具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化學式，其中組成包括大于或等于約64.5至小于或等于約66原子量％的鋁；約24.5原子量％的鐵；以及大于或等于約9.5至小于或等于約11原子量％的硅。

在其他變型中，穩(wěn)定alxfeysiz相具有約0.7509nm的(a)晶格參數(shù)及約0.7594nm的(c)晶格參數(shù)以及p63/mmc的空間群。

在另一些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。

在某些變型中，前體材料還包括小于或等于約0.5重量％的選自由以下組成的組的合金化元素：錳、銅及其組合，其中x在約7.2至約7.6的范圍內(nèi)。

在另一些方面，本發(fā)明提供一種制備高強度輕質(zhì)合金部件的方法。在這種方法中，將高能流朝向局部區(qū)域中的前體材料引導以熔化局部區(qū)域中的前體材料的一部分。高能流可為激光或電子束。前體材料包括鋁、硅，以及鐵或鎳中的至少一者。接著，以大于或等于約1.0×10⁵k/秒的速度冷卻熔融前體材料以形成固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件，其包括具有高耐熱性及高強度的穩(wěn)定三元相。

在某些方面，這種固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約50體積％的穩(wěn)定三元相并且該穩(wěn)定三元相是alxfeysiz，其中x在約4至約5或約7.2至約7.6的范圍內(nèi)，y為約1.5至約2.2，并且z為約1。在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件可包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定三元alxfeysiz相。

在其他方面，這種固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約50體積％的穩(wěn)定三元相并且該穩(wěn)定三元相是al6ni3si，其包括大于或等于約58.6至小于或等于約61原子量％的鋁；約30原子量％的鎳；以及大于或等于約9至小于或等于約11.4原子量％的硅。在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件可包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定al6ni3si相。

在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定三元相并且該穩(wěn)定三元相是alxfeysiz，其中x在約4至約5或約7.2至約7.6的范圍內(nèi)，y為約1.5至約2.2，并且z為約1。

在其他變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定三元相并且該穩(wěn)定三元相是al6ni3si，其包括大于或等于約58.6至小于或等于約61原子量％的鋁；約30原子量％的鎳；以及大于或等于約9至小于或等于約11.4原子量％的硅。

根據(jù)本文所提供的描述，其他應用領域?qū)⒆兊蔑@而易見。該發(fā)明內(nèi)容中的描述及特定實例僅旨在用于例示，而并非旨在限定本發(fā)明的范圍。

附圖說明

本文所描述的附圖僅僅是為了例示選定的實施例而不是所有可行的實施方式，且并非旨在限定本發(fā)明的范圍。

圖1是比較四種金屬成分(即al3fe、ti、tial以及al4fe1.7si)在室溫下的抗張強度(mpa)及密度(g/cm³)的圖表。

圖2是用于包括鋁、鐵及硅的三元系的相圖，其中相τ10(al4fe1.7si)被標明。

圖3a–3c顯示了根據(jù)本發(fā)明某些方面的包括鋁、鐵及硅的熔體旋淬帶材的掃描電子顯微照片(sem)。圖3a顯示了熔體旋淬帶材，其中比例尺為875微米(μm)。圖3b是圖3a所示矩形區(qū)域的放大圖，其中比例尺為22μm。圖3c是比例尺為3μm的圖3a所示矩形區(qū)域的進一步放大圖，其顯示了al2fesi相及al4fe1.7si相。相的成分是通過eds確定。

圖4顯示了用于圖3a–3c所示的包括鋁、鐵及硅的熔體旋淬帶材中的al2fesi相及al4fe1.7si相的x-射線衍射圖(xrd)。

在所有的附圖中，對應的附圖標記表示對應的部件。

具體實施方式

現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述實例性實施例。

提供實例性實施例，使得本發(fā)明將是詳盡的并向本領域的技術人員充分傳達發(fā)明范圍。闡述了許多特定細節(jié)，諸如特定成分、部件、裝置以及方法的實例，以提供對本發(fā)明的實施例的全面理解。對本領域的技術人員顯而易見的是，無需采用特定細節(jié)，可以多種不同的形式來實現(xiàn)實例性實施例，并且以上兩點均不應被解釋為限定本發(fā)明的范圍。在某些實例性實施例中，將不再詳細描述眾所周知的工藝、眾所周知的裝置結(jié)構(gòu)以及眾所周知的技術。

本文所使用的術語僅用于描述特定實例性實施例，而并非旨在為限定性的。如本文所用，單數(shù)形式“一”、“一個”以及“該”也可旨在包括復數(shù)形式，除非上下文明確指出。術語“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包括的并因此詳述了所述特征、元件、成分、步驟、整體、操作及/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組的存在或增加。盡管開放式術語“包括”應理解為用于描述并要求本文所述的各種實施例的非限制性術語，然而在某些方面，該術語可選地可相反被理解為更具限定性及限制性的術語，諸如“由…組成”或“基本上由…組成”。因此，對于描述成分、材料、部件、元件、特征、整體、操作及/或工藝步驟的任何給定實施例，本發(fā)明還具體包括由或基本上由這些所描述的成分、材料、部件、元件、特征、整體、操作及/或工藝步驟組成的實施例。在“由…組成”的情形中，替代性實施例排除任何附加的成分、材料、部件、元件、特征、整體、操作及/或工藝步驟，而在“基本上由…組成”的情形中，本質(zhì)上影響基本及新穎特性的任何附加的成分、材料、部件、元件、特征、整體、操作及/或工藝步驟均不包括在這種實施例中，但本質(zhì)上不影響基本及新穎特性的任何成分、材料、部件、元件、特征、整體、操作及/或工藝步驟均可包括在該實施例中。

本文所述的任何方法步驟、工藝以及操作不應被解釋為必須需要以所論述或例示的特定順序來執(zhí)行，除非特別標明執(zhí)行順序。還應理解，可采用附加或替代性步驟，除非另外指出。

當部件、元件或?qū)颖惶峒啊拔挥凇绷硪辉驅(qū)印吧稀?、“嚙合至”、“連接至”或“聯(lián)接至”另一元件或?qū)訒r，其可直接位于另一部件、元件或?qū)由?、嚙合、連接或聯(lián)接至另一部件、元件或?qū)?，或者可存在中間元件或?qū)印Ｏ喾?，當元件被提及“直接位于”另一元件或?qū)印吧稀薄ⅰ爸苯訃Ш现痢?、“直接連接至”或“直接聯(lián)接至”另一元件或?qū)訒r，可能不存在中間元件或?qū)?。應以類似的方式來解釋用于描述元件之間的關系的其他詞語(例如“在…之間”與“直接在…之間”、“相鄰”與“直接相鄰”等)。如本文所用，術語“及/或”包括相關聯(lián)的所列項目中的一者或多者的任意組合及所有組合。

盡管可在本文使用術語第一、第二、第三等來描述各種步驟、元件、部件、區(qū)域、層及/或部分，然而這些步驟、元件、部件、區(qū)域、層及/或部分不應被這些術語限定，除非另外指出。這些術語可僅用于將一個步驟、元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一步驟、元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。諸如“第一”、“第二”及其他數(shù)字術語之類的術語在本文使用時并不暗指順序或次序，除非上下文明確指出。因此，在不背離實例性實施例的教導的情況下，可將下面所論述的第一步驟、元件、部件、區(qū)域、層或部分稱作第二步驟、元件、部件、區(qū)域、層或部分。

為便于說明，可在本文使用諸如“在…之前”、“在…之后”、“內(nèi)部”、“外部”、“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上方”、“上部”等在空間上或在時間上相關的術語以描述如圖所示的一個元件或特征相對于另一(其他)元件或特征的關系。除了圖中所示的取向之外，在空間上或在時間上相關的術語還可旨在包括在使用或操作中的裝置或系統(tǒng)的不同取向。

遍及本發(fā)明內(nèi)容，數(shù)值表示近似度量或范圍限度以包括給定值的細微偏差以及具有大約所述值的實施例及正好具有所述值的那些實施例。除了在具體實施方式最后所提供的鍛造實例中，在本說明書(包括所附權利要求書)中的參數(shù)(例如量或條件)的所有數(shù)值均應理解為在所有情況下由術語“約”修飾，無論“約”是否實際上出現(xiàn)在數(shù)值之前?！凹s”表示所述數(shù)值允許某些微小的不精確(一定程度上接近數(shù)值中的精確度；近似地或合理地接近數(shù)值；差不多)。如果“約”所提供的不精確不在本領域中作此通常意義的另外理解，則如本文所用的“約”至少表示可由測量并使用這些參數(shù)的普通方法引起的變化。例如，“約”可包括如下的變化：小于或等于5％、任選地小于或等于4％、任選地小于或等于3％、任選地小于或等于2％、任選地小于或等于1％、任選地小于或等于0.5％，以及在某些方面，任選地小于或等于0.1％。

另外，范圍的公開包括在全部范圍內(nèi)的所有值以及進一步劃分的范圍(包括針對這些范圍給出的端點以及子范圍)的公開。

如本文所提及，詞語“基本上”當應用于本發(fā)明的成分或方法的特性時表示在該特性中可以存在變化而不對該成分或方法的化學或物理屬性具有顯著影響。

在各個方面，本發(fā)明涉及通過使用高能處理以穩(wěn)定化低成本鐵鋁硅材料系統(tǒng)中的高溫期望相而形成高強度輕質(zhì)合金部件的方法。本發(fā)明還涉及包括這些期望相、尤其是穩(wěn)定alxfeysiz相的高強度輕質(zhì)合金部件，如將在本文中進一步論述。

鋁、鐵以及硅是相對豐富的材料。理論上，鐵鋁化物(例如準平衡立方alxfeysiz三元相)在接近鈦的密度下具有極端性能，但成本比鈦要小一個數(shù)量級。例如，除了由于大量鋁的存在而具有高的抗氧化性能以外，立方alxfeysiz相具有優(yōu)越的硬度以及高溫強度。立方系有利地呈現(xiàn)出至少5個滑移系以實現(xiàn)良好的延性。然而，在鐵鋁硅材料系統(tǒng)中這種穩(wěn)定立方alxfeysiz相的形成可能富有挑戰(zhàn)性，因為這種穩(wěn)定立方相僅出現(xiàn)在窄處理范圍內(nèi)。鐵鋁硅材料系統(tǒng)具有至少11個三元相；然而，僅選擇立方的且在高溫下穩(wěn)定的三元相。

當前處理方法無法將這種期望的立方alxfeysiz相穩(wěn)定化到其可用作材料中的初晶相的程度。在常規(guī)制造工藝中，這種alxfeysiz相先前僅已被形成為以相當少的量分布在另一(其他)相的矩陣內(nèi)的金屬間相，或被形成為沉淀物。在常規(guī)大批量形成工藝中，將大量的前體材料加熱為例如被鑄造的熔融材料，或被鍛造或以其他方式大批量處理以形成部件的材料。由于在用于鋁合金的常規(guī)制造工藝中大批量處理的合金及大量材料的熱容量，已不可能形成具有這種期望alxfeysiz相中的一者或多者的突出或主要相的部件，這是由于相對慢的冷卻速度妨礙了所需微結(jié)構(gòu)相的形成及保存。

在各個方面，本發(fā)明設想了制備主要包括穩(wěn)定alxfeysiz相的固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件的方法。在某些方面，x可在約4至約5或可選地在約7.2至約7.6的范圍內(nèi)。y可在約1.5至約2.2的范圍內(nèi)。z可為約1。在某些其他方面，主要包括穩(wěn)定alxfeysiz相的部件具有大于或等于約45體積％的包括穩(wěn)定立方alxfeysiz相的微結(jié)構(gòu)。在另一些方面，主要包括穩(wěn)定alxfeysiz相的部件任選地可以大于或等于約50體積％的微結(jié)構(gòu)而具有較大量的穩(wěn)定alxfeysiz相。

在某些優(yōu)選方面，主要包括穩(wěn)定alxfeysiz相的部件具有大于或等于約50體積％的穩(wěn)定相、任選地大于或等于約60體積％、任選地大于或等于約75體積％、任選地大于或等于約80體積％、任選地大于或等于約85體積％、任選地大于或等于約90體積％、任選地大于或等于約95體積％、任選地大于或等于約97體積％、任選地大于或等于約98體積％，以及在其他方面，任選地大于或等于約99體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。在某些方面，部件的微結(jié)構(gòu)包括大于或等于約80體積％至小于或等于約100體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。如將在下面更詳細地論述，本發(fā)明在某些方面提供由fe-al-si系統(tǒng)形成穩(wěn)定化高對稱性輕質(zhì)(變形面心立方(fcc))al4fe1.7si三元相的能力。

圖1顯示比較不同材料在室溫下的抗張強度(標記為100，單位為mpa)及密度(標記為110，單位為g/cm³)的圖表，這些材料包括標記為120的al3fe、標記為122的ti、標記為124的tial以及標記為126的al4fe1.7si。al4fe1.7si的抗張強度是根據(jù)在以下著作中發(fā)現(xiàn)的al-fe-si三元沉淀物硬度而估算：s.w.kim等人，overseasfoundry(海外鑄造)10,3,(2013)，其相關部分以引用的方式并入本文。al4fe1.7si126類似于al3fe120、ti122以及tial124而具有小于5g/cm³的密度，然而呈現(xiàn)出超過任一其他對比材料的高于約1,600mpa的估算抗張強度。ti122以低于約900mpa而具有最接近的抗張強度。

圖2顯示鋁、鐵及硅系統(tǒng)的三元相圖。與化學式alxfeysiz相關的穩(wěn)定化高對稱性輕質(zhì)(變形面心立方(fcc))相是τ10，其在圖2中的相圖中被圈出。τ10相可由通?？苫Q的化學式al4fe1.7si或al5fe2si表示，以反映相的成分范圍。因此，根據(jù)本發(fā)明某些方面的穩(wěn)定alxfeysiz相具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化學式，并且可具有包括以下元素的成分：大于或等于約64.5至小于或等于約66原子量％的鋁；約24.5原子量％的鐵；以及大于或等于約9.5至小于或等于約11原子量％的硅。al4fe1.7si的熔點是997℃。

alxfeysiz三元相可因此由在本文中可互換使用的al4fe1.7si或al5fe2si表示。晶體學數(shù)據(jù)具有a＝0.7509nm以及c＝0.7594nm的晶格參數(shù)。穩(wěn)定alxfeysiz相的空間群為p63/mmc，并且皮爾森(pearson)符號為hp28。穩(wěn)定alxfeysiz相的結(jié)構(gòu)類型為co2al5類型或變形fcc。

在另一變型中，穩(wěn)定alxfeysiz相是通過將合金化組分包括在前體材料中以將中間相轉(zhuǎn)換成所需穩(wěn)定立方相而形成?？赏ㄟ^將微量或少量合金化金屬熔化到六方結(jié)構(gòu)中而將具有al7.4fe2si成分的六方晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成立方晶體結(jié)構(gòu)。合金化金屬組分可選自錳、銅及其組合。所產(chǎn)生的新立方晶體結(jié)構(gòu)可提供良好的機械性能。例如，這種立方結(jié)構(gòu)具有至多12個滑移系，其滿足有利地具有至少5個滑移系以實現(xiàn)良好延性的標準。

中間相的晶體學數(shù)據(jù)為具有晶格參數(shù)a＝1.2404nm以及c＝2.6234nm的al7.4fe2si(六方)。在引入上述合金化組分之后，新的穩(wěn)定al7.4fe2si(立方)相被形成為具有約1.250nm至1.270nm的“a”晶格參數(shù)。

同樣地，本發(fā)明使用快速固化速度以及相關聯(lián)的非平衡處理來穩(wěn)定化高對稱性輕質(zhì)相，諸如fe-al-si系統(tǒng)中的(變形fcc)al4fe1.7si三元相。以利用常規(guī)處理獲得的冷卻速度不可能形成這種穩(wěn)定相，該常規(guī)處理已限制了由這種低成本系統(tǒng)產(chǎn)生的材料的性能。這種技術還可用于形成對于其他材料系統(tǒng)已經(jīng)難以分離的期望相。

例如，在鋁、鎳及硅系統(tǒng)中，存在五個三元相。一個相al6ni3si是立方的并具有所需密度及機械性能。因此，在某些變型中，所形成的部件包括alxniysiz相，其中x在約5.8至約6.2的范圍內(nèi)，y在約2.8至約3.2的范圍內(nèi)，并且z為約1。該相具有由al6ni3si表示的化學式，并且可具有包括以下元素的成分：大于或等于約58.6至小于或等于約61原子量％的鋁；約30原子量％的鎳；以及大于或等于約9至小于或等于約11.4原子量％的硅。該三元相的熔點為約778℃。al6ni3si相具有a＝0.8316至0.8305nm的晶格參數(shù)。穩(wěn)定al6ni3si相的空間群為im-3m，并且皮爾森符號為ci40。穩(wěn)定al6ni3si立方相的結(jié)構(gòu)類型為ge7ir3。

在某些方面，方法因此包括將高能流朝向局部區(qū)域中的前體材料引導。高能流在前體中沉積足夠的能量以局部加熱該材料。高能流的引導使局部區(qū)域中的前體材料的一部分熔化。例如，al4fe1.7si相的熔點為997℃；因此，高能流將該材料局部加熱到高于997℃熔點的溫度。在某些方面，高能流將該材料局部加熱到高于前體材料的熔點的溫度，例如，加熱到大于或等于約1250℃，其為包括al、fe及si的化學計量成分的前體材料錠的熔點。如本領域的技術人員所理解的，這些熔點溫度可基于前體材料及合金系統(tǒng)而變化。在某些方面，在預定時間段內(nèi)高能流被沉積到其中的局部區(qū)域的容積可為小于或等于約100μm³、任選地小于或等于75μm³，以及在某些變型中，任選地小于或等于約50μm³。如本領域的技術人員所理解的，高能流可連續(xù)地轉(zhuǎn)移并繼續(xù)處理鄰近材料，因此預定時間段可為1秒或更小。這種高能流可由激光或電子束產(chǎn)生。

在某些變型中，通過加成制造工藝來實現(xiàn)高能流以及部件的形成。加成制造是逐層構(gòu)造固態(tài)三維結(jié)構(gòu)所采用的工藝，通常其中能量或熱量被選擇性地施加到粉末起始材料以固化、熔融或燒結(jié)并產(chǎn)生固態(tài)材料層。加成制造通常與三維印刷同義。金屬前體可用于通過加成制造產(chǎn)生固態(tài)部件結(jié)構(gòu)。加成制造工藝的非限定性實例包括粉末層熔融工藝(諸如激光燒結(jié)或激光熔化(包括直接金屬激光燒結(jié)及選擇性激光燒結(jié))、電子束熔化(包括電子束直接金屬熔化系統(tǒng)))、直接金屬沉積、熔融沉積成型、吹制粉末工藝(諸如定向能量沉積、線材饋送(wire-fed)定向能量沉積(諸如線材擠出工藝))，以及支持使用金屬(諸如鋁合金、鈦合金以及鋼合金)的“magnetjet”技術的液態(tài)金屬3d印刷系統(tǒng)?？墒褂脭?shù)字三維成型系統(tǒng)來產(chǎn)生要形成的部件的數(shù)字模型。然后，可通過加成制造系統(tǒng)由數(shù)字模型形成物理部件，該加成制造系統(tǒng)在逐層構(gòu)造工藝中產(chǎn)生固態(tài)熔融結(jié)構(gòu)。

在某些方面，用于將高能流施加到前體材料的優(yōu)選工藝是直接金屬激光燒結(jié)(dmls)工藝，其使用快速高能傳送方法來直接熔化各層中的金屬粉末。在施加激光能量并局部熔化前體材料之后，該工藝接著進行快速冷卻，因為束會繼續(xù)處理鄰近前體材料。dmls提供局部快速高能沉積。進一步，dmls每次(例如，以預定時間范圍，諸如幾毫秒(例如小于約3–5ms)的處理)僅加熱幾毫克的前體材料。dmls向下面的層提供快速冷卻，并且通常是非平衡工藝。dmls制造有利地產(chǎn)生大的定向熱梯度以及大的局部應變。最后，可通過dmls制造形成復合結(jié)構(gòu)，使得可將微通道、中空芯、內(nèi)部加強件等并入到部件設計中。還可使用直接金屬沉積工藝，諸如自旋熔化、吹制粉末工藝或線材擠出工藝。

還可使用以選擇性且局部化的方式施加熱量并提供高的冷卻速度的其他制造技術，諸如熔體旋淬工藝。

因此，本發(fā)明的方法以大于或等于約1.0×10⁵k/秒的速度冷卻熔融前體材料以形成包括穩(wěn)定相的固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件。冷卻速度可大于或等于約1.0×10⁶k/秒、任選地大于或等于約1.0×10⁷k/秒、任選地大于或等于約1.0×10⁸k/秒、任選地大于或等于約1.0×10⁹k/秒、任選地大于或等于約1.0×10¹⁰k/秒，以及在某些變型中，任選地大于或等于約1.0×10¹¹k/秒。舉例來說，dmls冷卻速度可通常在約10³–10¹¹k/秒的范圍內(nèi)；然而，優(yōu)選的dmls工藝是冷卻速度為約10⁵–10¹¹k/秒的那些dmls工藝。

因此，本發(fā)明利用快速固化速度以及相關聯(lián)的非平衡處理來穩(wěn)定化高對稱性輕質(zhì)相，諸如fe-al-si系統(tǒng)中的(變形fcc)al4fe1.7si三元相。以利用常規(guī)常規(guī)輕質(zhì)金屬處理獲得的冷卻速度不可能形成這種相，該常規(guī)常規(guī)輕質(zhì)金屬處理已限制了由鋁硅鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的材料的性能。

在某些方面，本發(fā)明設想了一種制備高強度輕質(zhì)合金部件的方法，其包括將高能流朝向局部區(qū)域中的前體材料引導以熔化局部區(qū)域中的前體材料的一部分。前體材料包括鋁、硅，以及鐵或鎳中的至少一者。該方法包括以大于或等于約1.0×10⁵k/秒的速度冷卻熔融前體材料以形成固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件，其包括具有高耐熱性及高強度的穩(wěn)定三元相。

在其中前體包括鋁、鐵以及硅的某些變型中，在冷卻之后所形成的穩(wěn)定相是alxfeysiz相，其中x在約4至約5的范圍內(nèi)，y在約1.5至約2.2的范圍內(nèi)，并且z為約1。在其中前體包括鋁、鐵及硅以及選自由錳、銅及其組合組成的組的至少一種合金化組分的某些變型中，在冷卻之后所形成的穩(wěn)定立方相是alxfeysiz相，其中x在約7.2至約7.6的范圍內(nèi)，y為約1.5至約2.2，并且z為約1。

在其他變型中，前體材料可包括鋁、鎳以及硅，其中在冷卻之后所形成的穩(wěn)定相是alxniysiz相，其中x在約5.8至約6.2的范圍內(nèi)，y在約2.8至約3.2的范圍內(nèi)，并且z為約1。

前體材料可為粉末。粉末可為元素粉末的混合物或預合金化粉末。因此，前體材料可包括鋁、硅以及鐵，其可為預合金化的或不同元素起始材料粉末的組合。在某些方面，優(yōu)選的是，前體材料是預合金化的。在其他變型中，前體材料可包括鋁、硅、鐵，以及任選地包括選自錳、銅或其組合的合金化組分。在其他變型中，前體材料可包括鋁、鎳以及硅。

因此，當制備部件或部件時，本發(fā)明在某些方面提供高能激光處理的使用以穩(wěn)定化低成本鋁系統(tǒng)中的高溫期望相?？赏ㄟ^與快速冷卻速度相結(jié)合的高能激光處理在部件內(nèi)大量形成精選的三元相。輕質(zhì)產(chǎn)物或部件被產(chǎn)生為具有期望的微結(jié)構(gòu)，而無需進一步處理及加工以產(chǎn)生所需微結(jié)構(gòu)或所需性能。進一步，本發(fā)明的方法可通過在制備部件時操縱處理條件(以及微結(jié)構(gòu))而產(chǎn)生性能梯度。因此，通過這種方法形成的部件主要具有所需穩(wěn)定相，其提供優(yōu)越的高溫性能以及由于大量鋁而提供高的抗氧化性能。準平衡alxfeysiz三元相具有優(yōu)越的硬度以及高溫強度，其可使得它們適合于較輕的發(fā)動機閥以及渦輪增壓器應用，尤其是當它們與加成制造工藝(例如，三維dmls)的設計適應性相結(jié)合以產(chǎn)生復合結(jié)構(gòu)(例如，無法通過其他方法形成的具有內(nèi)部晶格加固幾何結(jié)構(gòu)的中空結(jié)構(gòu))時。

高強度輕質(zhì)合金部件特別適合用于汽車或其他車輛(例如摩托車，船)的部件中，但也可用于各種其他工業(yè)及應用，包括(非限定性地舉例來說)航空航天部件、工業(yè)設備及機械、農(nóng)用設備，重型機械。當不限定時，本方法及材料特別適合于形成用于車輛的在高溫下穩(wěn)定的低成本輕質(zhì)部件，包括(非限定性地舉例來說)內(nèi)燃機、輕質(zhì)閥、渦輪增壓器葉輪，輕質(zhì)活塞的旋轉(zhuǎn)及往復運動部件。

本發(fā)明在某些方面進一步提供一種固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件，其包括鋁、硅，以及具有穩(wěn)定三元立方相的鐵及/或鎳中的至少一者。所謂高強度，其是指部件呈現(xiàn)出如下的抗張強度：大于或等于約450mpa、任選地大于或等于約500mpa、任選地大于或等于約600mpa、任選地大于或等于約700mpa、任選地大于或等于約800mpa、任選地大于或等于約900mpa、任選地大于或等于約1,000mpa、任選地大于或等于約1,100mpa、任選地大于或等于約1,300mpa、任選地大于或等于約1,400mpa、任選地大于或等于約1,500mpa，以及在某些方面，任選地大于或等于約1,600mpa。所謂輕質(zhì)，其是指形成部件的材料具有小于或等于約5g/cm³的密度，在某些變型中任選地小于或等于約4g/cm³的密度。

在某些方面，高強度輕質(zhì)合金部件進一步呈現(xiàn)出在高溫或升高溫度下的高硬度以及良好的穩(wěn)定性及強度。高溫或升高溫度可被視為大于或等于約800℃的那些溫度。因此，在升高溫度(例如大于或等于約800℃)下的高強度可被視為大于或等于約400mpa、任選地大于或等于約500mpa、任選地大于或等于約600mpa、任選地大于或等于約700mpa、任選地大于或等于約800mpa，以及在某些變型中，任選地大于或等于約900mpa。在升高溫度(例如大于或等于約800℃)下的高硬度可被視為如下的楊氏模量：大于或等于約110gpa、任選地大于或等于約120gpa、任選地大于或等于約130gpa、任選地大于或等于約140gpa、任選地大于或等于約150gpa，以及在某些變型中，任選地大于或等于約160gpa。

在某些變型中，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約45體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約50體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約60體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約75體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約80體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約85體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約90體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約95體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約97體積％的穩(wěn)定三元相、任選地大于或等于約98體積％的穩(wěn)定三元相，以及在其他方面任選地大于或等于約99體積％的穩(wěn)定三元相。

因此，本發(fā)明在某些方面設想了一種固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件，其包括大于或等于約50體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相，其中x在約4至約5或約7.2至約7.6的范圍內(nèi)，y在約1.5至約2.2的范圍內(nèi)，并且z為約1。穩(wěn)定alxfeysiz相任選地具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化學式，其中成分包括大于或等于約64.5至小于或等于約66原子量％的鋁；約24.5原子量％的鐵；以及大于或等于約9.5至小于或等于約11原子量％的硅。穩(wěn)定alxfeysiz相具有約0.7509nm的(a)晶格參數(shù)及約0.7594nm的(c)晶格參數(shù)以及p63/mmc的空間群。在其他方面，前體材料還包括小于或等于約0.5質(zhì)量％的選自由以下組成的組的合金化元素：錳、銅及其組合。這種穩(wěn)定相alxfeysiz可具有在約7.2至約7.6范圍內(nèi)的x，例如al7.4fe2si。在某些方面，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約75體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相。在其他方面，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定alxfeysiz相，任選地大于或等于約90體積％。

在另一些方面，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約50體積％的穩(wěn)定al6ni3si相，其包括大于或等于約58.6至小于或等于約61原子量％的鋁；約30原子量％的鎳；以及大于或等于約9至小于或等于約11.4原子量％的硅。在其他方面，固態(tài)高強度輕質(zhì)合金部件包括大于或等于約80體積％的穩(wěn)定al6ni3si相。

可通過本文所包含的特定實例來進一步理解本發(fā)明技術的各種實施例。提供特定實例是為了例示如何制備并使用根據(jù)本發(fā)明教導的成分、裝置及方法，并且除非另外明確說明，否則這些特定實例并非旨在表示本發(fā)明的給定實施例已經(jīng)或未曾制備或測試。

實例

通過熔體旋淬工藝形成具有穩(wěn)定立方alxfeysiz相的部件。為執(zhí)行熔體旋淬，首先通過在氬氣氛中以化學計量al4fe1.7si對高純度元素al、fe及si進行感應熔化而制備錠。然后使制備好的錠再熔化，并將熔體滴到內(nèi)部冷卻的輪表面上以實現(xiàn)快速固化。冷卻速度取決于輪轉(zhuǎn)速；其在該試驗中為約10⁵k/秒。熔體旋淬可具有在10⁴–10⁷k/秒范圍內(nèi)的冷卻速度。

通過圖3a–3c所示的掃描電子顯微鏡檢查法(sem)(形態(tài)學)、如圖4所示的xrd(晶體結(jié)構(gòu))以及eds(成分)來檢驗熔體旋淬帶材。圖4顯示了強度(a.u.)200與2θ(°)210的x-射線衍射圖(xrd)。根據(jù)sem、eds以及xrd，確定兩個相：al4fe1.7si(圖3a–3c的sem圖像中的連續(xù)主相)以及al2fesi(圖3a–3c中的枝狀相)。可通過xrd圖的rietveld精化來半量化這兩個相的體積比率。al4fe1.7si以約45％體積分數(shù)存在，而al2fesi以55％體積分數(shù)存在。

據(jù)信具有較高冷卻速度的工藝使得能形成較高量的所需穩(wěn)定立方al4fe1.7si相，例如接近100％。例如，如上述激光及電子束工藝之類的高能工藝提供局部熔化前體材料并接著快速冷卻(因為束會繼續(xù)處理鄰近前體材料)以產(chǎn)生大的定向熱梯度及大的局部應變的能力，其穩(wěn)定化一個或多個所需相。當前體材料是粉末時，其可由高能激光或電子束來處理以提供冷卻條件來穩(wěn)定化期望相，同時還制備具有所需形狀的部件。

出于例示及描述的目的，已提供各實施例的前述描述。其并非旨在為窮舉的或限定本發(fā)明。特定實施例的各個元件或特征通常并不局限于該特定實施例，而是如果合適的話，是可互換的并可用于選定的實施例中，即使并未具體示出或描述。其也可以許多種方式變化。這些變化不應被視為脫離了本發(fā)明，并且所有這些修改旨在包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。