快速固化高温铝铁硅合金的制作方法

本发明涉及用于形成包括铝、铁以及硅的高温合金的方法。

背景技术：

该部分提供与本发明相关的背景信息，其并非一定是现有技术。

轻质金属部件已经成为用于制造其中期望不断提高性能以及燃料效率的车辆、尤其是汽车的重要焦点。用于汽车应用的其他轻质金属部件常常由铝及/或镁合金制成。这些轻质金属可形成负荷承受部件，其需要在具有良好的强度及延性(例如伸张度)的同时坚固且坚硬。对于如汽车等车辆中的安全要求及耐久性来说，高强度及延性特别重要。虽然常规的钢及钛合金提供高温强度，但是这些合金分别或者较重或者较贵。

用于形成车辆中的结构部件的示例性轻质金属合金是含铝合金。常规地，可通过如锻造工艺(诸如挤出、轧制、锻造，冲压)或铸造技术(诸如压模铸造、砂模铸造、熔模铸造，永久模铸造)等大批量形成工艺来形成含铝合金。

当铸造或锻造轻质合金时，在形成工艺期间的工业标准及限制通常决定了选择哪些合金材料以及合金化组分。最终根据部件所需的微结构性能以及可基于典型的形成工艺条件所能实现的来调整合金选择。鉴于这些常规的铸造及锻造技术，可进一步改善强度及其他合金性能。轻质金属铸造件(诸如铝铸造件)需要与高强度锻造铝及钢冲压件的强度水平相当的较高强度水平。因此，不断需要改进的形成工艺，以由具有适当强度及延性以及其他特性的合金形成改进的轻质金属部件。

技术实现要素：

该部分提供本发明的总体概要，而并非其整个范围或其所有特征的全面公开内容。

在某些方面，本发明提供制备适于暴露在升高温度下的高强度轻质合金部件的方法。方法可包括将高能流朝向局部区域中的前体材料引导以熔化局部区域中的前体材料的一部分。高能流可为激光或电子束。前体材料包括铝、硅以及铁。随后，以大于或等于约1.0×10⁵k/秒的速度冷却熔融前体材料以形成固态高强度轻质合金部件。固态高强度轻质合金部件包括稳定alxfeysiz相，其中x在约4至约5或约7.2至约7.6的范围内，y为约1.5至约2.2，并且z为约1。

在某些变型中，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约50体积％的稳定alxfeysiz相。

在其他变型中，稳定alxfeysiz相具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化学式，其中成分包括大于或等于约64.5至小于或等于约66原子量％的铝；约24.5原子量％的铁；以及大于或等于约9.5至小于或等于约11原子量％的硅。

在另一些变型中，稳定alxfeysiz相具有约0.7509nm的(a)晶格参数及约0.7594nm的(c)晶格参数以及p63/mmc的空间群。

在某些变型中，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约80体积％的稳定alxfeysiz相。

在其他变型中，前体材料还包括小于或等于约0.5质量％的选自由以下组成的组的合金化元素：锰、铜及其组合，其中稳定alxfeysiz相是通过并入合金化元素以将具有由al7.4fe2si表示的化学式的中间相转换成六方晶体结构而形成。

在某些其他变型中，熔融前体材料的冷却是以大于或等于约1.0×10⁷k/秒的速度进行。

在另一些变型中，高能流的引导是选自由以下组成的组的工艺：直接金属激光烧结、电子束直接金属熔化系统及其组合，其中局部区域内的温度升到大于或等于约997℃。

在一些变型中，前体材料是粉末材料。

在其他变型中，粉末材料是元素粉末的组合或预合金化粉末。

在某些其他变型中，局部区域具有小于或等于约100μm³的体积尺寸。

在其他方面，本发明提供一种固态高强度轻质合金部件，其包括大于或等于约50体积％的稳定alxfeysiz相。x在约4至约5或约7.2至约7.6的范围内，y在约1.5至约2.2的范围内，并且z为约1。在某些变型中，固态高强度轻质合金部件可包括大于或等于约80体积％的稳定alxfeysiz相。

在某些变型中，稳定alxfeysiz相具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化学式，其中组成包括大于或等于约64.5至小于或等于约66原子量％的铝；约24.5原子量％的铁；以及大于或等于约9.5至小于或等于约11原子量％的硅。

在其他变型中，稳定alxfeysiz相具有约0.7509nm的(a)晶格参数及约0.7594nm的(c)晶格参数以及p63/mmc的空间群。

在另一些变型中，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约80体积％的稳定alxfeysiz相。

在某些变型中，前体材料还包括小于或等于约0.5重量％的选自由以下组成的组的合金化元素：锰、铜及其组合，其中x在约7.2至约7.6的范围内。

在另一些方面，本发明提供一种制备高强度轻质合金部件的方法。在这种方法中，将高能流朝向局部区域中的前体材料引导以熔化局部区域中的前体材料的一部分。高能流可为激光或电子束。前体材料包括铝、硅，以及铁或镍中的至少一者。接着，以大于或等于约1.0×10⁵k/秒的速度冷却熔融前体材料以形成固态高强度轻质合金部件，其包括具有高耐热性及高强度的稳定三元相。

在某些方面，这种固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约50体积％的稳定三元相并且该稳定三元相是alxfeysiz，其中x在约4至约5或约7.2至约7.6的范围内，y为约1.5至约2.2，并且z为约1。在某些变型中，固态高强度轻质合金部件可包括大于或等于约80体积％的稳定三元alxfeysiz相。

在其他方面，这种固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约50体积％的稳定三元相并且该稳定三元相是al6ni3si，其包括大于或等于约58.6至小于或等于约61原子量％的铝；约30原子量％的镍；以及大于或等于约9至小于或等于约11.4原子量％的硅。在某些变型中，固态高强度轻质合金部件可包括大于或等于约80体积％的稳定al6ni3si相。

在某些变型中，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约80体积％的稳定三元相并且该稳定三元相是alxfeysiz，其中x在约4至约5或约7.2至约7.6的范围内，y为约1.5至约2.2，并且z为约1。

在其他变型中，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约80体积％的稳定三元相并且该稳定三元相是al6ni3si，其包括大于或等于约58.6至小于或等于约61原子量％的铝；约30原子量％的镍；以及大于或等于约9至小于或等于约11.4原子量％的硅。

根据本文所提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。该发明内容中的描述及特定实例仅旨在用于例示，而并非旨在限定本发明的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅仅是为了例示选定的实施例而不是所有可行的实施方式，且并非旨在限定本发明的范围。

图1是比较四种金属成分(即al3fe、ti、tial以及al4fe1.7si)在室温下的抗张强度(mpa)及密度(g/cm³)的图表。

图2是用于包括铝、铁及硅的三元系的相图，其中相τ10(al4fe1.7si)被标明。

图3a–3c显示了根据本发明某些方面的包括铝、铁及硅的熔体旋淬带材的扫描电子显微照片(sem)。图3a显示了熔体旋淬带材，其中比例尺为875微米(μm)。图3b是图3a所示矩形区域的放大图，其中比例尺为22μm。图3c是比例尺为3μm的图3a所示矩形区域的进一步放大图，其显示了al2fesi相及al4fe1.7si相。相的成分是通过eds确定。

图4显示了用于图3a–3c所示的包括铝、铁及硅的熔体旋淬带材中的al2fesi相及al4fe1.7si相的x-射线衍射图(xrd)。

在所有的附图中，对应的附图标记表示对应的部件。

具体实施方式

现在将参照附图更充分地描述实例性实施例。

提供实例性实施例，使得本发明将是详尽的并向本领域的技术人员充分传达发明范围。阐述了许多特定细节，诸如特定成分、部件、装置以及方法的实例，以提供对本发明的实施例的全面理解。对本领域的技术人员显而易见的是，无需采用特定细节，可以多种不同的形式来实现实例性实施例，并且以上两点均不应被解释为限定本发明的范围。在某些实例性实施例中，将不再详细描述众所周知的工艺、众所周知的装置结构以及众所周知的技术。

本文所使用的术语仅用于描述特定实例性实施例，而并非旨在为限定性的。如本文所用，单数形式“一”、“一个”以及“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文明确指出。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包括的并因此详述了所述特征、元件、成分、步骤、整体、操作及/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件及/或其组的存在或增加。尽管开放式术语“包括”应理解为用于描述并要求本文所述的各种实施例的非限制性术语，然而在某些方面，该术语可选地可相反被理解为更具限定性及限制性的术语，诸如“由…组成”或“基本上由…组成”。因此，对于描述成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作及/或工艺步骤的任何给定实施例，本发明还具体包括由或基本上由这些所描述的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作及/或工艺步骤组成的实施例。在“由…组成”的情形中，替代性实施例排除任何附加的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作及/或工艺步骤，而在“基本上由…组成”的情形中，本质上影响基本及新颖特性的任何附加的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作及/或工艺步骤均不包括在这种实施例中，但本质上不影响基本及新颖特性的任何成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作及/或工艺步骤均可包括在该实施例中。

本文所述的任何方法步骤、工艺以及操作不应被解释为必须需要以所论述或例示的特定顺序来执行，除非特别标明执行顺序。还应理解，可采用附加或替代性步骤，除非另外指出。

当部件、元件或层被提及“位于”另一元件或层“上”、“啮合至”、“连接至”或“联接至”另一元件或层时，其可直接位于另一部件、元件或层上、啮合、连接或联接至另一部件、元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当元件被提及“直接位于”另一元件或层“上”、“直接啮合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如“在…之间”与“直接在…之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“及/或”包括相关联的所列项目中的一者或多者的任意组合及所有组合。

尽管可在本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层及/或部分，然而这些步骤、元件、部件、区域、层及/或部分不应被这些术语限定，除非另外指出。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一步骤、元件、部件、区域、层或部分区别开。诸如“第一”、“第二”及其他数字术语之类的术语在本文使用时并不暗指顺序或次序，除非上下文明确指出。因此，在不背离实例性实施例的教导的情况下，可将下面所论述的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分称作第二步骤、元件、部件、区域、层或部分。

为便于说明，可在本文使用诸如“在…之前”、“在…之后”、“内部”、“外部”、“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上方”、“上部”等在空间上或在时间上相关的术语以描述如图所示的一个元件或特征相对于另一(其他)元件或特征的关系。除了图中所示的取向之外，在空间上或在时间上相关的术语还可旨在包括在使用或操作中的装置或系统的不同取向。

遍及本发明内容，数值表示近似度量或范围限度以包括给定值的细微偏差以及具有大约所述值的实施例及正好具有所述值的那些实施例。除了在具体实施方式最后所提供的锻造实例中，在本说明书(包括所附权利要求书)中的参数(例如量或条件)的所有数值均应理解为在所有情况下由术语“约”修饰，无论“约”是否实际上出现在数值之前。“约”表示所述数值允许某些微小的不精确(一定程度上接近数值中的精确度；近似地或合理地接近数值；差不多)。如果“约”所提供的不精确不在本领域中作此通常意义的另外理解，则如本文所用的“约”至少表示可由测量并使用这些参数的普通方法引起的变化。例如，“约”可包括如下的变化：小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％、任选地小于或等于0.5％，以及在某些方面，任选地小于或等于0.1％。

另外，范围的公开包括在全部范围内的所有值以及进一步划分的范围(包括针对这些范围给出的端点以及子范围)的公开。

如本文所提及，词语“基本上”当应用于本发明的成分或方法的特性时表示在该特性中可以存在变化而不对该成分或方法的化学或物理属性具有显著影响。

在各个方面，本发明涉及通过使用高能处理以稳定化低成本铁铝硅材料系统中的高温期望相而形成高强度轻质合金部件的方法。本发明还涉及包括这些期望相、尤其是稳定alxfeysiz相的高强度轻质合金部件，如将在本文中进一步论述。

铝、铁以及硅是相对丰富的材料。理论上，铁铝化物(例如准平衡立方alxfeysiz三元相)在接近钛的密度下具有极端性能，但成本比钛要小一个数量级。例如，除了由于大量铝的存在而具有高的抗氧化性能以外，立方alxfeysiz相具有优越的硬度以及高温强度。立方系有利地呈现出至少5个滑移系以实现良好的延性。然而，在铁铝硅材料系统中这种稳定立方alxfeysiz相的形成可能富有挑战性，因为这种稳定立方相仅出现在窄处理范围内。铁铝硅材料系统具有至少11个三元相；然而，仅选择立方的且在高温下稳定的三元相。

当前处理方法无法将这种期望的立方alxfeysiz相稳定化到其可用作材料中的初晶相的程度。在常规制造工艺中，这种alxfeysiz相先前仅已被形成为以相当少的量分布在另一(其他)相的矩阵内的金属间相，或被形成为沉淀物。在常规大批量形成工艺中，将大量的前体材料加热为例如被铸造的熔融材料，或被锻造或以其他方式大批量处理以形成部件的材料。由于在用于铝合金的常规制造工艺中大批量处理的合金及大量材料的热容量，已不可能形成具有这种期望alxfeysiz相中的一者或多者的突出或主要相的部件，这是由于相对慢的冷却速度妨碍了所需微结构相的形成及保存。

在各个方面，本发明设想了制备主要包括稳定alxfeysiz相的固态高强度轻质合金部件的方法。在某些方面，x可在约4至约5或可选地在约7.2至约7.6的范围内。y可在约1.5至约2.2的范围内。z可为约1。在某些其他方面，主要包括稳定alxfeysiz相的部件具有大于或等于约45体积％的包括稳定立方alxfeysiz相的微结构。在另一些方面，主要包括稳定alxfeysiz相的部件任选地可以大于或等于约50体积％的微结构而具有较大量的稳定alxfeysiz相。

在某些优选方面，主要包括稳定alxfeysiz相的部件具有大于或等于约50体积％的稳定相、任选地大于或等于约60体积％、任选地大于或等于约75体积％、任选地大于或等于约80体积％、任选地大于或等于约85体积％、任选地大于或等于约90体积％、任选地大于或等于约95体积％、任选地大于或等于约97体积％、任选地大于或等于约98体积％，以及在其他方面，任选地大于或等于约99体积％的稳定alxfeysiz相。在某些方面，部件的微结构包括大于或等于约80体积％至小于或等于约100体积％的稳定alxfeysiz相。如将在下面更详细地论述，本发明在某些方面提供由fe-al-si系统形成稳定化高对称性轻质(变形面心立方(fcc))al4fe1.7si三元相的能力。

图1显示比较不同材料在室温下的抗张强度(标记为100，单位为mpa)及密度(标记为110，单位为g/cm³)的图表，这些材料包括标记为120的al3fe、标记为122的ti、标记为124的tial以及标记为126的al4fe1.7si。al4fe1.7si的抗张强度是根据在以下著作中发现的al-fe-si三元沉淀物硬度而估算：s.w.kim等人，overseasfoundry(海外铸造)10,3,(2013)，其相关部分以引用的方式并入本文。al4fe1.7si126类似于al3fe120、ti122以及tial124而具有小于5g/cm³的密度，然而呈现出超过任一其他对比材料的高于约1,600mpa的估算抗张强度。ti122以低于约900mpa而具有最接近的抗张强度。

图2显示铝、铁及硅系统的三元相图。与化学式alxfeysiz相关的稳定化高对称性轻质(变形面心立方(fcc))相是τ10，其在图2中的相图中被圈出。τ10相可由通常可互换的化学式al4fe1.7si或al5fe2si表示，以反映相的成分范围。因此，根据本发明某些方面的稳定alxfeysiz相具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化学式，并且可具有包括以下元素的成分：大于或等于约64.5至小于或等于约66原子量％的铝；约24.5原子量％的铁；以及大于或等于约9.5至小于或等于约11原子量％的硅。al4fe1.7si的熔点是997℃。

alxfeysiz三元相可因此由在本文中可互换使用的al4fe1.7si或al5fe2si表示。晶体学数据具有a＝0.7509nm以及c＝0.7594nm的晶格参数。稳定alxfeysiz相的空间群为p63/mmc，并且皮尔森(pearson)符号为hp28。稳定alxfeysiz相的结构类型为co2al5类型或变形fcc。

在另一变型中，稳定alxfeysiz相是通过将合金化组分包括在前体材料中以将中间相转换成所需稳定立方相而形成。可通过将微量或少量合金化金属熔化到六方结构中而将具有al7.4fe2si成分的六方晶体结构转换成立方晶体结构。合金化金属组分可选自锰、铜及其组合。所产生的新立方晶体结构可提供良好的机械性能。例如，这种立方结构具有至多12个滑移系，其满足有利地具有至少5个滑移系以实现良好延性的标准。

中间相的晶体学数据为具有晶格参数a＝1.2404nm以及c＝2.6234nm的al7.4fe2si(六方)。在引入上述合金化组分之后，新的稳定al7.4fe2si(立方)相被形成为具有约1.250nm至1.270nm的“a”晶格参数。

同样地，本发明使用快速固化速度以及相关联的非平衡处理来稳定化高对称性轻质相，诸如fe-al-si系统中的(变形fcc)al4fe1.7si三元相。以利用常规处理获得的冷却速度不可能形成这种稳定相，该常规处理已限制了由这种低成本系统产生的材料的性能。这种技术还可用于形成对于其他材料系统已经难以分离的期望相。

例如，在铝、镍及硅系统中，存在五个三元相。一个相al6ni3si是立方的并具有所需密度及机械性能。因此，在某些变型中，所形成的部件包括alxniysiz相，其中x在约5.8至约6.2的范围内，y在约2.8至约3.2的范围内，并且z为约1。该相具有由al6ni3si表示的化学式，并且可具有包括以下元素的成分：大于或等于约58.6至小于或等于约61原子量％的铝；约30原子量％的镍；以及大于或等于约9至小于或等于约11.4原子量％的硅。该三元相的熔点为约778℃。al6ni3si相具有a＝0.8316至0.8305nm的晶格参数。稳定al6ni3si相的空间群为im-3m，并且皮尔森符号为ci40。稳定al6ni3si立方相的结构类型为ge7ir3。

在某些方面，方法因此包括将高能流朝向局部区域中的前体材料引导。高能流在前体中沉积足够的能量以局部加热该材料。高能流的引导使局部区域中的前体材料的一部分熔化。例如，al4fe1.7si相的熔点为997℃；因此，高能流将该材料局部加热到高于997℃熔点的温度。在某些方面，高能流将该材料局部加热到高于前体材料的熔点的温度，例如，加热到大于或等于约1250℃，其为包括al、fe及si的化学计量成分的前体材料锭的熔点。如本领域的技术人员所理解的，这些熔点温度可基于前体材料及合金系统而变化。在某些方面，在预定时间段内高能流被沉积到其中的局部区域的容积可为小于或等于约100μm³、任选地小于或等于75μm³，以及在某些变型中，任选地小于或等于约50μm³。如本领域的技术人员所理解的，高能流可连续地转移并继续处理邻近材料，因此预定时间段可为1秒或更小。这种高能流可由激光或电子束产生。

在某些变型中，通过加成制造工艺来实现高能流以及部件的形成。加成制造是逐层构造固态三维结构所采用的工艺，通常其中能量或热量被选择性地施加到粉末起始材料以固化、熔融或烧结并产生固态材料层。加成制造通常与三维印刷同义。金属前体可用于通过加成制造产生固态部件结构。加成制造工艺的非限定性实例包括粉末层熔融工艺(诸如激光烧结或激光熔化(包括直接金属激光烧结及选择性激光烧结)、电子束熔化(包括电子束直接金属熔化系统))、直接金属沉积、熔融沉积成型、吹制粉末工艺(诸如定向能量沉积、线材馈送(wire-fed)定向能量沉积(诸如线材挤出工艺))，以及支持使用金属(诸如铝合金、钛合金以及钢合金)的“magnetjet”技术的液态金属3d印刷系统。可使用数字三维成型系统来产生要形成的部件的数字模型。然后，可通过加成制造系统由数字模型形成物理部件，该加成制造系统在逐层构造工艺中产生固态熔融结构。

在某些方面，用于将高能流施加到前体材料的优选工艺是直接金属激光烧结(dmls)工艺，其使用快速高能传送方法来直接熔化各层中的金属粉末。在施加激光能量并局部熔化前体材料之后，该工艺接着进行快速冷却，因为束会继续处理邻近前体材料。dmls提供局部快速高能沉积。进一步，dmls每次(例如，以预定时间范围，诸如几毫秒(例如小于约3–5ms)的处理)仅加热几毫克的前体材料。dmls向下面的层提供快速冷却，并且通常是非平衡工艺。dmls制造有利地产生大的定向热梯度以及大的局部应变。最后，可通过dmls制造形成复合结构，使得可将微通道、中空芯、内部加强件等并入到部件设计中。还可使用直接金属沉积工艺，诸如自旋熔化、吹制粉末工艺或线材挤出工艺。

还可使用以选择性且局部化的方式施加热量并提供高的冷却速度的其他制造技术，诸如熔体旋淬工艺。

因此，本发明的方法以大于或等于约1.0×10⁵k/秒的速度冷却熔融前体材料以形成包括稳定相的固态高强度轻质合金部件。冷却速度可大于或等于约1.0×10⁶k/秒、任选地大于或等于约1.0×10⁷k/秒、任选地大于或等于约1.0×10⁸k/秒、任选地大于或等于约1.0×10⁹k/秒、任选地大于或等于约1.0×10¹⁰k/秒，以及在某些变型中，任选地大于或等于约1.0×10¹¹k/秒。举例来说，dmls冷却速度可通常在约10³–10¹¹k/秒的范围内；然而，优选的dmls工艺是冷却速度为约10⁵–10¹¹k/秒的那些dmls工艺。

因此，本发明利用快速固化速度以及相关联的非平衡处理来稳定化高对称性轻质相，诸如fe-al-si系统中的(变形fcc)al4fe1.7si三元相。以利用常规常规轻质金属处理获得的冷却速度不可能形成这种相，该常规常规轻质金属处理已限制了由铝硅铁系统产生的材料的性能。

在某些方面，本发明设想了一种制备高强度轻质合金部件的方法，其包括将高能流朝向局部区域中的前体材料引导以熔化局部区域中的前体材料的一部分。前体材料包括铝、硅，以及铁或镍中的至少一者。该方法包括以大于或等于约1.0×10⁵k/秒的速度冷却熔融前体材料以形成固态高强度轻质合金部件，其包括具有高耐热性及高强度的稳定三元相。

在其中前体包括铝、铁以及硅的某些变型中，在冷却之后所形成的稳定相是alxfeysiz相，其中x在约4至约5的范围内，y在约1.5至约2.2的范围内，并且z为约1。在其中前体包括铝、铁及硅以及选自由锰、铜及其组合组成的组的至少一种合金化组分的某些变型中，在冷却之后所形成的稳定立方相是alxfeysiz相，其中x在约7.2至约7.6的范围内，y为约1.5至约2.2，并且z为约1。

在其他变型中，前体材料可包括铝、镍以及硅，其中在冷却之后所形成的稳定相是alxniysiz相，其中x在约5.8至约6.2的范围内，y在约2.8至约3.2的范围内，并且z为约1。

前体材料可为粉末。粉末可为元素粉末的混合物或预合金化粉末。因此，前体材料可包括铝、硅以及铁，其可为预合金化的或不同元素起始材料粉末的组合。在某些方面，优选的是，前体材料是预合金化的。在其他变型中，前体材料可包括铝、硅、铁，以及任选地包括选自锰、铜或其组合的合金化组分。在其他变型中，前体材料可包括铝、镍以及硅。

因此，当制备部件或部件时，本发明在某些方面提供高能激光处理的使用以稳定化低成本铝系统中的高温期望相。可通过与快速冷却速度相结合的高能激光处理在部件内大量形成精选的三元相。轻质产物或部件被产生为具有期望的微结构，而无需进一步处理及加工以产生所需微结构或所需性能。进一步，本发明的方法可通过在制备部件时操纵处理条件(以及微结构)而产生性能梯度。因此，通过这种方法形成的部件主要具有所需稳定相，其提供优越的高温性能以及由于大量铝而提供高的抗氧化性能。准平衡alxfeysiz三元相具有优越的硬度以及高温强度，其可使得它们适合于较轻的发动机阀以及涡轮增压器应用，尤其是当它们与加成制造工艺(例如，三维dmls)的设计适应性相结合以产生复合结构(例如，无法通过其他方法形成的具有内部晶格加固几何结构的中空结构)时。

高强度轻质合金部件特别适合用于汽车或其他车辆(例如摩托车，船)的部件中，但也可用于各种其他工业及应用，包括(非限定性地举例来说)航空航天部件、工业设备及机械、农用设备，重型机械。当不限定时，本方法及材料特别适合于形成用于车辆的在高温下稳定的低成本轻质部件，包括(非限定性地举例来说)内燃机、轻质阀、涡轮增压器叶轮，轻质活塞的旋转及往复运动部件。

本发明在某些方面进一步提供一种固态高强度轻质合金部件，其包括铝、硅，以及具有稳定三元立方相的铁及/或镍中的至少一者。所谓高强度，其是指部件呈现出如下的抗张强度：大于或等于约450mpa、任选地大于或等于约500mpa、任选地大于或等于约600mpa、任选地大于或等于约700mpa、任选地大于或等于约800mpa、任选地大于或等于约900mpa、任选地大于或等于约1,000mpa、任选地大于或等于约1,100mpa、任选地大于或等于约1,300mpa、任选地大于或等于约1,400mpa、任选地大于或等于约1,500mpa，以及在某些方面，任选地大于或等于约1,600mpa。所谓轻质，其是指形成部件的材料具有小于或等于约5g/cm³的密度，在某些变型中任选地小于或等于约4g/cm³的密度。

在某些方面，高强度轻质合金部件进一步呈现出在高温或升高温度下的高硬度以及良好的稳定性及强度。高温或升高温度可被视为大于或等于约800℃的那些温度。因此，在升高温度(例如大于或等于约800℃)下的高强度可被视为大于或等于约400mpa、任选地大于或等于约500mpa、任选地大于或等于约600mpa、任选地大于或等于约700mpa、任选地大于或等于约800mpa，以及在某些变型中，任选地大于或等于约900mpa。在升高温度(例如大于或等于约800℃)下的高硬度可被视为如下的杨氏模量：大于或等于约110gpa、任选地大于或等于约120gpa、任选地大于或等于约130gpa、任选地大于或等于约140gpa、任选地大于或等于约150gpa，以及在某些变型中，任选地大于或等于约160gpa。

在某些变型中，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约45体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约50体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约60体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约75体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约80体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约85体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约90体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约95体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约97体积％的稳定三元相、任选地大于或等于约98体积％的稳定三元相，以及在其他方面任选地大于或等于约99体积％的稳定三元相。

因此，本发明在某些方面设想了一种固态高强度轻质合金部件，其包括大于或等于约50体积％的稳定alxfeysiz相，其中x在约4至约5或约7.2至约7.6的范围内，y在约1.5至约2.2的范围内，并且z为约1。稳定alxfeysiz相任选地具有由al4fe1.7si或al5fe2si表示的化学式，其中成分包括大于或等于约64.5至小于或等于约66原子量％的铝；约24.5原子量％的铁；以及大于或等于约9.5至小于或等于约11原子量％的硅。稳定alxfeysiz相具有约0.7509nm的(a)晶格参数及约0.7594nm的(c)晶格参数以及p63/mmc的空间群。在其他方面，前体材料还包括小于或等于约0.5质量％的选自由以下组成的组的合金化元素：锰、铜及其组合。这种稳定相alxfeysiz可具有在约7.2至约7.6范围内的x，例如al7.4fe2si。在某些方面，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约75体积％的稳定alxfeysiz相。在其他方面，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约80体积％的稳定alxfeysiz相，任选地大于或等于约90体积％。

在另一些方面，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约50体积％的稳定al6ni3si相，其包括大于或等于约58.6至小于或等于约61原子量％的铝；约30原子量％的镍；以及大于或等于约9至小于或等于约11.4原子量％的硅。在其他方面，固态高强度轻质合金部件包括大于或等于约80体积％的稳定al6ni3si相。

可通过本文所包含的特定实例来进一步理解本发明技术的各种实施例。提供特定实例是为了例示如何制备并使用根据本发明教导的成分、装置及方法，并且除非另外明确说明，否则这些特定实例并非旨在表示本发明的给定实施例已经或未曾制备或测试。

实例

通过熔体旋淬工艺形成具有稳定立方alxfeysiz相的部件。为执行熔体旋淬，首先通过在氩气氛中以化学计量al4fe1.7si对高纯度元素al、fe及si进行感应熔化而制备锭。然后使制备好的锭再熔化，并将熔体滴到内部冷却的轮表面上以实现快速固化。冷却速度取决于轮转速；其在该试验中为约10⁵k/秒。熔体旋淬可具有在10⁴–10⁷k/秒范围内的冷却速度。

通过图3a–3c所示的扫描电子显微镜检查法(sem)(形态学)、如图4所示的xrd(晶体结构)以及eds(成分)来检验熔体旋淬带材。图4显示了强度(a.u.)200与2θ(°)210的x-射线衍射图(xrd)。根据sem、eds以及xrd，确定两个相：al4fe1.7si(图3a–3c的sem图像中的连续主相)以及al2fesi(图3a–3c中的枝状相)。可通过xrd图的rietveld精化来半量化这两个相的体积比率。al4fe1.7si以约45％体积分数存在，而al2fesi以55％体积分数存在。

据信具有较高冷却速度的工艺使得能形成较高量的所需稳定立方al4fe1.7si相，例如接近100％。例如，如上述激光及电子束工艺之类的高能工艺提供局部熔化前体材料并接着快速冷却(因为束会继续处理邻近前体材料)以产生大的定向热梯度及大的局部应变的能力，其稳定化一个或多个所需相。当前体材料是粉末时，其可由高能激光或电子束来处理以提供冷却条件来稳定化期望相，同时还制备具有所需形状的部件。

出于例示及描述的目的，已提供各实施例的前述描述。其并非旨在为穷举的或限定本发明。特定实施例的各个元件或特征通常并不局限于该特定实施例，而是如果合适的话，是可互换的并可用于选定的实施例中，即使并未具体示出或描述。其也可以许多种方式变化。这些变化不应被视为脱离了本发明，并且所有这些修改旨在包括在本发明的范围内。