本申请要求享受2014年4月11日提交的名为《用于改善机械性质的具有硅添加物的铝合金粉末金属制剂》的美国临时专利申请号61/978461的优先权，通过引用将其全文纳入本文以用于所有目的。
联邦资助研究或开发的声明
无。
背景
本发明涉及粉末冶金法。具体而言，本发明涉及使用硅添加物大幅改善某些铝合金体系中的机械性质。
粉末冶金法非常适合用于生产高产制件，其中，这些制件具有相对复杂的特性。在粉末冶金法中，将初始的粉末金属在工具和模具组中压实以形成预制件。然后烧结该预制件以熔化粉末金属的颗粒以形成单个块体。烧结大体上是由固态扩散驱动的过程，其中，相邻颗粒相互以颈状结构连接；然而，取决于具体的粉末化学组成，也可形成少量的液相以辅助制件的烧结和密实化。无论如何，除了产生一些尺寸收缩以外，烧结制件大体保持了预制件压实后的形状。然后在烧结后对烧结制件进行烧结后处理，例如锻造、机械加工、热处理等等以提供具有所需形状、尺寸精度和微结构的最终部件。
尽管粉末冶金具有许多优势，但因为粉末金属制件由这些方法生产，在制件的机械品质与它们的对应的锻造制件之间常常存在妥协。例如，因为经过铸造的锻造制件是完全密实的，该锻造制件通常呈现出比具有相似化学组成的经过烧结的粉末金属制件更好的强度性质。这种差异可部分归因于形成部件所使用的方法、以及烧结后的制件常常未及完全密实的事实。
所以，尽管粉末冶金法提供了一种生产高产制件的经济的方法，但仍然需要改善所得到的烧结部件的机械性质。
发明概述
对基线铝合金粉末金属体系进行了各种化学改性。这些改性包括单独或组合地包含相对少量的硅(约0.2重量％且在0.1～0.3重量％的范围内)和经过预合金化的铜和/或铁。改性粉末的化学组成呈现出意料之外且令人吃惊的机械改善而未出现任何无法接受的副作用。
硅不会对烧结造成阻碍，使得每种合金体系都被烧结至接近完全的理论密度(＞99％)在每个例子中，一旦热处理至T6状态，硅大幅提升了屈服强度(20～30％)和UTS(10～20％)。数据还确认硅在高达260℃的温度下的延长的受热过程中能够保持其有益效果。最终，在利用经过预合金化的铁和镍(各自添加1重量％，在一种粉末成分中，它们与铝进行预合金化)并结合硅改性(将0.2重量％的硅作为Al-12Si母合金在粉末中提供，接近共晶组成以降低其熔点，从而在烧结过程中生成液相)中实现了Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn的大部分所理想的性质组合。该烧结合金的性能与锻造的2618-T6相当，且大大优于常规的商业粉末金属掺混物AC2014-T6。
根据一个方面，一种粉末金属组合物包含雾化的铝粉末金属，其中，铝粉末单独与铁、单独与镍、或者与铁和镍一起进行预合金化，且该粉末金属组合物还包括包含铝和铜的第一母合金粉末金属、包含铝和硅的第二母合金粉末金属、包含镁的第一元素粉末金属、和包含锡的第二元素粉末金属。
在一些形式中，包含铝和硅的第二母合金可为Al-12Si母合金。
在一些形式中，包含铝和铜的第一母合金粉末金属可为Al-50Cu母合金，包含铝和硅的第二母合金可为Al-12Si母合金，且第一和第二元素粉末金属可为高纯度的元素粉末金属。
在一种特定形式中，粉末金属组合物可包含2.3重量％的铜、1.6重量％的镁、0.2重量％的锡和0.2重量％的硅。在这种形式中，粉末金属组合物可能包含1.0重量％的铁、1.0重量％的镍、或1.0重量％的铁和1.0重量％的镍。
在一些形式中，粉末金属组合物可包含1.5重量％的经过混合的Licowax C粉末。
在粉末金属组合物的一些形式中，粉末金属组合物中硅的重量％可在0.1～0.3重量％的范围内，例如为0.2重量％。
根据另一个方面，进行了一种烧结部件的机械性质改善方法，所述烧结部件由Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物通过用硅添加物对所述Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物进行掺杂来制造。该方法包括将硅作为成分添加至Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物、压实所述Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物以形成预制件、以及烧结所述预制件以形成烧结部件。
在该方法的一些形式中，烧结步骤可在高纯度氮气的气氛中进行。
在该方法的一些形式中，硅可以具有约577℃的共晶温度的Al-12Si母合金粉末金属的形式提供，所述Al-12Si母合金粉末金属在所述共晶温度下熔化形成液相，且烧结可在高于所述共晶温度的烧结温度下进行。在烧结步骤开始的时候，液相可由Al-12Si母合金粉末金属形成、并且通过毛细作用力在Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物的未烧结颗粒之间迁移。由Al-12Si母合金粉末金属形成的液相中的所述硅可从液相扩散入Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物中的其它固体铝颗粒中。
在该方法的一些形式中，Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物可包含雾化的铝粉末金属，其中，铝粉末单独与铁、单独与镍、或者与铁和镍一起进行预合金化，且该合金粉末金属混合物还包括包含铝和铜的第一母合金粉末金属、包含铝和硅的第二母合金粉末金属、包含镁的第一元素粉末金属、和包含锡的第二元素粉末金属。在一些形式中，包含铝和硅的第二母合金可为Al-12Si母合金。在另一些形式中，包含铝和铜的第一母合金粉末金属可为Al-50Cu母合金，包含铝和硅的第二母合金可为Al-12Si母合金，且第一和第二元素粉末金属可为高纯度的元素粉末金属。在另一些形式中，Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物可包含2.3重量％的铜、1.6重量％的镁、0.2重量％的锡和0.2重量％的硅。在这些形式中，预期Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物可包含1.0重量％的铁、1.0重量％的镍、或1.0重量％的铁和1.0重量％的镍。在一些例子中，Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物可包含1.5重量％的经过混合的Licowax C粉末。在一些形式中，可使Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物中硅的重量％在0.1～0.3重量％的范围内(例如为0.2重量％)，以改善烧结部件的机械性质的热稳定性。
在一些形式中，可使Al-Cu-Mg-Sn合金粉末金属混合物中硅的重量％在0.1～0.3重量％的范围内以改善烧结部件的机械性质的热稳定性。在这些形式中，预期可将硅作为铝-硅母合金的一部分添加。
根据另一个方面，一种烧结部件利用本文所述的方法制造。
可通过以下详细描述和附图了解本发明的这些和其它优势。下述内容只是关于本发明的一些优选实施方式的描述。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指的是权利要求书范围内的仅有的实施方式。
附图的简要说明
图1图示了(260℃的温度下的)受热对锻造的2618和所选择的PM合金的硬度的影响。所有材料都被热处理至T6回火状态。
优选实施方式详述
对于以下所收集的比较数据，对Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn的标称体相化学组成(nominal bulk chemistry)以及该基线粉末金属合金体系的化学组成的改变样品进行了评价。Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn这一名称表示该铝合金粉末包含2.3重量％的铜、1.6重量％的镁和0.2重量％的锡，余量或剩余的百分数基本上包含铝(不包括少量的杂质)。为了改变Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn基线组合物的冶金属性，在一些制备的试样中具有量约为0.2重量％的硅的痕量添加物。除了测量添加少量的硅对该Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn基线体系的影响以外，还利用经过预合金化的铁、利用经过预合金化的镍、以及利用经过预合金化的铁和经过预合金化的镍制备了基线体系(以及具有硅添加物的该基线体系)的一些变化形式。
各种制备的试样的标称化学组成(以重量％表示)列于以下的表I。
表I
可以看到，第1组的四个试样是在无硅添加物的条件下制备的，包括“Al”(在命名约定中，其为Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn组合物的简称)、Al-1Fe(具有附加的1重量％的铁的Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn)、Al-1Ni(具有附加的1重量％的镍的Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn)、和Al-1Fe-1Ni(具有附加的1重量％的铁和1重量％的镍的Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn)。第2组的四个试样具有与第1组的四个试样相似的组成，但还包含0.2重量％的硅。为了提供一些背景，将这八个试样与商品级的AC2014粉末样品和锻造的2618合金(其经过铸造但并非粉末金属)进行比较。
粉末金属的组成和这些各种测试样品的配方对于最终产品的形态会是重要的。雾化的铝是所有试验制剂的基线材料。在一些例子中，雾化的铝是纯铝，而在另一些例子中，雾化的铝是与标称化学组成中所表明的过渡金属(铁、镍、或铁和镍)的全部含量进行预合金化的铝。所有其它合金化成分都来源于离散的经过混合的粉末。铜和硅来源于母合金形式(分别为Al-50Cu和Al-12Si)，而镁和锡则作为高纯度元素粉末添加。各个掺混物还包含1.5％的经过混合的Licowax C粉末以对工具进行润滑。
然后，在连续网带式炉中在流通高纯度氮气的气氛中对这些试样进行工业化烧结。烧结时所测得的含氧量和露点分别低于5ppm和低于－60℃。烧结循环的目标加热参数包括在400℃下保持15时间以进行去润滑，然后在610℃下烧结20分钟。
应当注意的是，Al-12Si的母合金粉末中的硅的存在允许形成液相。Al-12Si是一种会在高于577℃的共晶温度的温度完全熔化的共晶制剂。随着该Al-12Si母合金粉末在压实体(确定在高于610℃，但可以在600℃～630℃)的整体烧结开始之前、或在动力学上通过固态扩散而发生烧结的程度最轻的温度下熔化，该液相能够因存在于压实粉末内的充足的毛细位点而通过基本上未烧结的压实物质快速传播。然后，硅从液相扩散入粉末金属混合物中的固体铝颗粒中，以最终在烧结产物中生成均匀的硅组分含量。
应当使硅保持在低水平(优选为铝合金粉末金属总量的约0.1重量％～约0.3重量％，尽管预期硅含量在0.05～0.8重量％的范围内时可能是有效的)以从添加物中建立任何直接的益处。在较高的硅浓度、例如高于合金的0.3重量％时，硅添加物对于热稳定性的改善是无效的，并且实际上还会导致软化速率的上升。
还应当注意的是，过去所进行的实验室研究已证明，经过预合金化的铁和镍的添加物可被成功地引入该合金体系中，而不必考虑硅添加物。参见，例如R.W.Cooke、R.L.Hexemer、I.W.Donaldson和D.P.Bishop所著《使用过渡金属添加物对Al-Cu-Mg PM合金的弥散体强化(Dispersoid Strengthening of an Al-Cu-Mg PM Alloy Using Transition Metal Additions)》，粉末金属，55，第3辑，2012，第191页～199页。可引入预合金化的铁和/或镍而不会对压实或烧结造成任何不利影响。确定的是，过渡金属添加物发挥了使金属互化物弥散体在烧结的微结构内形成均匀分布的作用。这些相在铝、过渡金属和铜中富集，并且发挥了对T1状态下的合金进行强化的作用。
现在回到关于硅添加物的考虑，初始的未经改性的基线Al体系(Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn)已经对工业烧结具有高度响应，并且能够获得接近完全的理论密度和优异的烧结品质。这些特性在所有没有因铁、镍和硅而造成烧结行为下降的化学变体中都得以保留。
单独添加铁或镍促进了被认为是Al13Fe4和Al3Ni的铝金属互化物的形成。尽管预期这些相的存在会产生机械的益处，实际上作为消除铜的结果，观察到拉伸性质的适度降低。同时添加铁和镍减弱了这种效果，因为所得到的金属互化物是溶解铜的倾向更弱的三元制剂(最可能为Al9FeNi)。
添加少量的硅对所有被考虑的粉末金属合金的硬度和拉伸性质具有普遍的积极影响。这种影响不会使烧结行为或可观察到的微结构特征发生任何变化，从而暗示下方的沉淀物结构已经受到改良。
如图1所示，通过掺杂硅而形成的益处在受热研究的条件下得以保留。图1比较了各种试样组合物以及AC2014和锻造的2618在使这些样品在260℃的温度下停留各种时间长度之后的硬度。在进行受热测试之前，将所有被比较的材料热处理至T6回火。从图1中的数据可以看出，Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn试样比AC2014比较性样品更好地保持了硬度。而AC2014样品在260℃下保持约1400分钟之后具有小于10HRB的硬度，所有的Al-2.3Cu-1.6Mg-0.2Sn试样在该受热时间下都仍然具有超过35HRB的硬度。然而，最明显的是，Al-1Fe-1Ni-(Si)试样表现地几乎与锻造的2618比较性样品一样好，Al-1Fe-1Ni-(Si)试样与锻造的2618在不同受热时间下的数据点只有少许差异。
还收集了样品的各种比较性的机械性质。以下的表II比较了由各种粉末金属铝合金制成的添加了硅以及未添加硅的部件的机械性质。所有样品都被热处理至T6状态。
表II
从表II可以看出，添加少量的硅(0.2重量％)普遍增加了屈服强度、最终拉伸强度和硬度。对于屈服强度和最终拉伸强度的益处是明显的，表明屈服强度提高了约45MPa至88MPa，而最终拉伸强度提高了30MPa至80MPa。同样，还呈现出对于硬度的改善，硅的添加导致了HRB尺度上多达20点的改善。可以看出伸长率略微变差；但对于许多应用而言，伸长率的这种下降是可以接受的或者不会导致问题。
以下的表III比较了使用机械拉伸杆对所研究的合金测得的T6拉伸性质。
表III
在2618-Sn体系(匹配于上述包含锡的Al-1Fe-1Ni组合物的化学组成)中，Al9FeNi弥散体在化学良性硬化特征上与陶瓷颗粒基本上非常接近(MMC)。明显的差别在于陶瓷要硬得多且更加耐用。然而，相比于引入陶瓷颗粒，Al9FeNi弥散体的一个益处在于Al9FeNi因进行预合金化而分布得更加均匀。
最终，PM合金Al-1Fe-1Ni-(Si)成为这些试样中最理想的体系。这种合金的硬度的大小和稳定性与高性能的锻造的2618-T6的相当，并且远远优于广泛销售的PM合金AC2014-T6。
虽然上文中提供了一种特定铝合金体系的实验数据，但硅添加物可用于改善具有修改的组成或合金化的添加物的其它合金体系的机械性质。
例如，虽然在上述实验数据中只各提供了最高达1重量％的铁和镍，但预期铁和镍的总含量可高达粉末金属材料总量的4重量％。上文所提供的具有1重量％的铁和1重量％的镍的组成只是用于与锻造的铝合金中所发现的组成进行比较。在锻造体系中，1重量％的铁和1重量％的镍可能代表能够添加的铁和镍的最大量，这是因为铁和镍的量与铸造和成形工艺的共同作用会使得无瑕疵产品的生产非常困难。当在粉末金属中用铁和镍进行预合金化时，可使它们的百分比高于它们在锻造的铸造件中的百分比，从而粉末金属可被压实并烧结成良好的产品。这些更高的镍和铁的浓度可以是有益的，它们使得镍和铁的含量相对平衡。平衡元素避免了合金中的强度损失，因为其使倾向于消耗与沉淀硬度有关的元素(铜、镁、硅)的次要金属互化物的形成尽可能减少。
另外，可改变铝合金中铜和镁的含量并且仍然获得硅添加物的益处。预期铜可在1～5重量％的范围内变化，而镁可在0.5～2％的范围内变化。可行的体系的组成包括例如Al-2.5Cu-1.5Mg和Al-1.5Cu-0.75Mg。认为利用S-相(Al2CuMg)强化的合金及其亚稳定性的变体通常具有对硅添加物的最好的响应。
也可将除了上述以外的其它合金化元素添加至铝合金粉末混合物中。预期可添加总计不超过2重量％的例如钛和锰的其它过渡元素。可添加不超过1重量％的例如锆的其它元素，虽然任何约0.2重量％的锆的添加可能更加优选。
另外，预期这种材料可作为金属基质复合材料(MMC)的基底发挥作用，可向其中添加不超过20％的陶瓷。
应当理解的是，可在本发明的精神和范围内对这些优选的实施方式进行各种其他修改和变动。所以，本发明不应局限于所述的实施方式。为了确定本发明全部范围，应当参考所附的权利要求。