由于密度低，铝合金对航空特别重要。在过去，主要使用铝-铜-镁和铝-锌-镁合金，但这些合金不能被焊接。因此，在前几年，开发了用于飞机机身结构外皮(金属板)和桁架(金属板或挤出型材)的新型可焊接合金，其公开在例如US6258318B1、US6676899B2和US2003/0156967A1中。
上述文献中公开的合金适合例如作为锻造合金用于生产金属板结构和挤出型材。另外，已进行了通过应用粉末冶金来改善材料性能的研究。
为了充分受益于取决于部件的应用的粉末技术和部分基于粉末技术的工艺(例如喷涂工艺和ALM(additive layer manufacturing，增层制造)工艺技术)的优势，设计工艺优化的合金是有利的。因此，在几何部件设计的同时，能够以资源高效和有效的材料创新作为优化部件性能的关键是可能的。这些要求通常可以通过改进合金、改变结晶条件和调节生产条件，例如随后的热处理，来实现。另外，有利的是保持合金特定结构和进行部件的精加工，例如通过局部冷却/加热以减轻应力(内部应力)或者通过利用随后的热处理使源自凝固的材料缺陷最小化。
目前，标准材料主要用于ALM工艺和喷涂工艺，例如在钛合金的情况下主要使用Ti6Al4V，在铝合金的情况下使用AlSi10Mg。
在这种情况下，ALM工艺主要为精密铸造技术提供技术竞争力，该工艺主要用于生产用于航空或医疗技术的复杂部件和取决于合金的壁薄、负载优化的部件。对于精密铸造工艺，铝合金A357(AlSi7Mg0.6)通常用于薄壁结构，A201/KO1(AlCu5MgTiAg)通常用作具有更大壁厚的部件的较强变型。
需要可以用于制备高强度部件并可以以简单的方式处理的另外的合金。
因此，本发明的目的是提供一种合金，该合金能在为了生产高强度材料的处理过程中简单地使用。
根据本发明，该目的是通过具有权利要求1的特征的含钪的铝粉末合金、含有该合金的线材和含有该合金的材料或相应工件，以及用于生产该材料或工件、该线材以及该含钪的铝粉末合金的方法实现的。
因此，本发明涉及一种新的可焊接的高强度含钪的铝粉末合金，特别是Al-Mg-Sc合金(5xxx)，其可任选地成型为线材，并且其特别适合用在粉末冶金技术中，也特别适合增层制造(ALM)工艺和喷涂工艺，或适合作为焊接填料或用于生产半成品或成品。作为常规的Al-Mg-Sc基合金的不同工艺控制的结果，常规地挤出的半成品没有实现轧制结构的高机械性能，因此使用粉末的新配方可以为此提供补救。通常，显著大于400MPa的高强度值也仅能使用锻造合金实现，而该合金在常规铸造工艺中不能被浇注或者仅能以存在很大困难的方式进行浇注。
本发明所基于的一个构思在于这样一个事实，即可以增加本发明的粉末合金中钪的比例，由此可以提高粉末合金的强度以及由该合金生产的线材和材料的强度。
出于该目的，已进行了通过应用粉末冶金来改善材料性能的研究。已经发现可以利用钪提高强度的潜力，因为通过提高在凝固过程中的冷却速度，与铸锭冶金(IM)中的常规生产方法相比，更多的钪(即，例如基于含有所述晶体的混晶或合金粉末计高于0.35重量％的Sc，特别是高于0.56重量％的Sc)溶解于混晶中，然后Sc的溶解部分可用在接下来的步骤中。通过添加或产生形成球形、金属间相并且可选地还降低扩散的合金元素，这种类型的热稳定合金可用于粉末技术并提供众多优势。通过适合的冷却速度，可以获得具有合适粉末粒度、粉末形式和微结构的粉末，例如通过雾化或喷涂，并且在其他工艺例如粉末冶金(烧结、热等静压压制、压缩等)中以及利用基于粉末技术的其他工艺(例如ALM(粉末床等)或喷涂工艺)，可将该粉末处理成半成品或成品部件/部件，例如通过在桁架和/或增强元件(例如在板上)上喷涂，和/或处理成功能层。由本发明的含钪的铝粉末合金也可生产例如焊接填料的材料，其可用于其他加工(例如堆焊)中。
与无钪合金相比，通过添加钪，首先可提高材料的机械性能，其次可提高焊接性和耐腐蚀性，在这种情况下比例的增加具有积极效果。
本发明有利的实施方式和改进在从属权利要求中给出。
权利要求书中的构造和扩展在合理的情况下可以以任何期望的方式彼此组合。本发明进一步可能的构造、扩展和实施也不包括明确提及的前面或下文根据实施方案描述的本发明的特征的组合。特别地，在该工艺中，本领域技术人员也会增加各个方面作为对本发明的有关基础形式的改进或增加。
下面，将参照具体实施方式对本发明进行更详细的描述。
根据第一方面，本发明涉及一种含钪的铝粉末合金，基于该合金的总成分，按重量％计包含：
选自由除Ce之外的镧系元素(La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Y、Ga、Nb、Ta、W、V、Ni、Co、Mo、Li、Th、Ag组成的组中的至少一种元素，所述至少一种元素的比例最多为0.5，
以及余量的Al，还包含总量最多为0.5重量％的杂质。
在本发明的含钪的铝粉末合金中，通过钪，可以使强度得到提高、焊接性得到改善。优选地，基于合金的总成分计，合金中Sc的比例为0.4-3.0重量％，更优选为0.6-3重量％。通过根据本发明的生产该含钪的铝粉末合金的方法，在这种情况下，粉末中Sc的比例可达到超过600℃下Sc在合金中的溶解度，基于该合金计，该溶解度可能为例如0.56重量％。基于总成分计，本发明的含钪的铝粉末合金可含有0.1-30重量％的钪，合金中钪的比例可能取决于粉末生产过程中的冷却速度以及粉末中粒子生产得到的粒径。通常，降低的粉末尺寸和较高的冷却速度导致较高的钪含量。在本发明中，根据具体实施方式，粒子内最大截面长度(即粒子内粒子的两个外表面或表面点之间的最大直线长度)可认为是本发明的含钪的铝粉末合金中粒子的粒径。
根据具体实施方式，含钪的铝粉末合金中Zr的比例最多为钪的比例(重量％)的一半(即50重量％)，优选最多为1/3。在这种情况下，归功于部分Zr，可以实现高温强度的提高和稳定性的改善。在形成的一次粒子中，Sc可部分被Zr替代，因此可形成具有通式Al3(Sc1-xZrx)(x＜1)的一次粒子，例如DE10352932A1中所述。
通过添加锌，可实现长期暴露于高温后的优异的耐腐蚀性，即使合金为粉末或线材的形式。因此，该粉末或线材特别适合用于粉末冶金技术，也特别适合增层制造(ALM)工艺和喷涂工艺，或适合作为焊接填料或也适合用于生产半成品或成品。根据具体实施方式，本发明的含钪的铝粉末合金中的Zn的比例基于总成分计为0.05-2.0重量％，优选为0.1-1.5重量％，更优选为0.2-1.0重量％。
本发明的合金中Hf的比例基于该合金计为0-0.5重量％，根据具体实施方式为0.15-0.25重量％。合金中过高的Hf比例可降低Sc在合金中的溶解度。
在本发明的合金中，镧系包括镧(La)以及镧系的后续元素Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，其中的一种或多种元素可存在于本发明的含钪的铝粉末合金中，与选自Y、Ga、Nb、Ta、W、V、Ni、Co、Mo、Li、Th、Ag中的一种或多种元素同时存在或代替该选自Y、Ga、Nb、Ta、W、V、Ni、Co、Mo、Li、Th、Ag中的一种或多种元素。然而，本发明的含钪的铝粉末合金中除Ce之外的所有这些元素的比例基于该粉末合金的总成分计不超过0.5重量％。然而，由于本发明的含钪的铝粉末合金中存在这些元素中的至少一种，因此这组的比例大于0重量％。
除了上面提及的元素，本发明的含钪的铝粉末合金还可含有作为不可避免的杂质的其他元素，其可能例如通过处理和/或由于所使用的起始原料而被引入合金中。
根据具体实施方式，本发明的含钪的铝粉末合金中Zr+Ti的总比例小于Sc比例(重量％)的1/3。在这种情况下，锆和钛具有与Sc类似的效果，导致强度和热稳定性提高，但是当它们的比例过高时，它们可导致Sc比例降低。
根据具体实施方式，含钪的铝粉末合金的粉末粒子的粒径为1-250μm，优选为5-150μm。在本发明中，根据具体实施方式，通过筛分分析进行相应粉末粒径的确定，在这种情况下可以使用具有相应网目尺寸的筛子(即，例如使用网目尺寸为1、5、20、60、90、150和250μm的筛子)进行筛分分析。该筛分分析在本发明中没有特别的限制，例如可使用来自于Retsch公司的筛分机或者也可使用其他筛分机进行。具有所需粒度(例如用于相应的进一步处理或根据进一步工艺和/或应用)的粒子可由本发明的含钪的铝粉末合金获得，例如通过筛出相应的部分。
根据另一方面，本发明涉及一种用于生产本发明的含钪的铝粉末合金的方法，熔化、喷涂或雾化如下混合物，并以超过10K/s，优选超过102K/s，更优选超过103K/s的冷却速度冷却，所述混合物基于该混合物的总成分按重量％计包含：
选自由除Ce之外的镧系元素(La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Y、Ga、Nb、Ta、W、V、Ni、Co、Mo、Li、Th、Ag组成的组中的至少一种元素，所述至少一种元素的比例最多为0.5，
以及余量的Al，还包含总量最多为0.5重量％的杂质。
在本发明的生产含钪的铝粉末合金的方法中，合金可利用混合物(例如母合金)生产，该混合物也可含有超过30重量％的钪，但是出于成本原因，优选适当地调节Sc的比例，从而相应地使Sc的损失最小。
在本发明中，混合物的熔化没有特别的限制，可以以合适的方式进行，例如也可以在保护性气氛中进行。在这种情况下，熔化可以在700℃以上，优选750℃以上，更优选800℃以上的温度下进行。根据具体实施方式，在熔化后，熔化的物质可保持在一个特定温度下，该温度和在该温度下的时间可能取决于另外的各元素及其量。
根据具体实施方式，雾化或喷涂可紧跟熔化，也就是说，无需输送步骤，这些可替换步骤没有特别的限制，可通过合适的喷涂工具、喷嘴等进行。根据具体实施方式，熔化的物质也可输送以便雾化或喷涂，例如通过管道等。喷涂例如可以以气流进行，例如在气体喷涂或气体雾化的情况下，例如通过包含Mg/Sc/Zr和其他元素的过饱和混晶进行。
根据具体实施方式，在本发明的方法中，为了生产含钪的铝粉末合金，在喷涂或雾化期间和/或之后，使用惰性气体例如He、Ne、Ar、N或其混合物进行熔化的混合物的冷却。在这种情况下，可相对于喷涂或雾化的混合物的量适当地调节气流或引入气体的量，以实现相应的冷却速度。另外，例如喷涂或雾化气体时的几何形状以及输入气体的位置和方向也能对冷却速度和/或生产得到的粉末的粒度产生影响，因此，本领域技术人员具有相应的、简单的机会来调节合适的冷却速度和/或生产得到的粉末的粒度和/或颗粒形状。利用惰性气体，由此可以沉积本发明的粉末合金的粒子。
根据具体实施方式，以超过10K/s，优选超过102K/s，更优选超过103K/s的冷却速度冷却。在本发明中，也可以超过105K/s、106K/s或107K/s的冷却速度冷却，例如以5×107K/s或更高的冷却速度冷却，例如使用He作为冷却气体。根据具体实施方式，在本发明中，在保护气氛中进行进一步的处理，该保护气氛包括惰性气体，例如Ar、N、He、Ne或其混合物。在本发明中，优选以受控的方式进行冷却，例如使用惰性气体。
利用本发明的方法，获得了特别是含有混晶的含钪的铝粉末合金，也就是说，除了初生相和次生相之外，并不是含钪的铝粉末合金中的所有粒子都必须具有该结构。然而，优选存在很少或没有初生相。在本发明中，初生相和次生相的存在以及其材料可以被确定，例如通过显微镜，例如通过光学显微镜、TEM(透射电子显微镜)、SEM(扫描电子显微镜)等，任选地与分析方法例如XPS(X射线光电子能谱)、IR等结合来确定，也可以例如通过湿法化学分析确定合金成分。尤其是在本发明中，根据具体实施方式，初生相可以包括Al3(Sc，Zr)相(位于Al3Sc晶格中的部分Sc被Zr替代)，混晶中的Sc得到富集。
为了合适的冷却速度、粉末尺寸和形式，在本发明中，气体合金组分与质量流量(mass flow)的比特别重要，该比可能取决于精确的化学成分以及因此的熔化温度-因此取决于熔化的物质的粘度-因此例如气体速度较高导致粉末冷却速度较高并由此导致含有Sc的混晶的过饱和度较高。这样，钪之后在“处理工艺”中能够充分发挥其“能力”，有利的是维持初生相形式的“起始材料”中结合钪与溶解于混晶中的钪之间的特定比率，从而使得可以析出足够比例的次生相，因此重要的析出硬化可在将来某个时间发生。由于如下事实，情况尤其如此，根据起始材料或起始混合物/混合物，在本发明中，冷却速度超过10K/s、优选超过102K/s，更优选超过103K/s，并且对于更高的钪含量，冷却速度高达5×107K/s或更高。
根据具体实施方式，以这样的方式喷涂/雾化熔化的物质，即，使粉末粒子为球形且具有尽可能少的卫星(satellite)，特别是粒径为1-250μm，优选为5-150μm。对于本发明的含钪的铝粉末合金的各种应用，在本发明中优选粒径例如对于ALM为20-60μm，而对于另外的喷涂工艺为5-90μm，例如为5-60μm或者也可以为其他范围。优选地，初生相的Al3(Sc，Zr)相的一次粒子不大于20μm，更优选小于15μm，最优选小于2μm。优选地，没有初生相。
根据另一方面，本发明涉及一种含有本发明的含钪的铝粉末合金的线材。根据具体实施方式，该线材由本发明的含钪的铝粉末合金构成。另外，该线材没有进一步的限制，可以具有任何所需的长度和厚度以及任何所需的形状。例如，在横向方向上，该线材具有圆横截面，但也可以具有角横截面等。然而，对于该线材的进一步处理，根据具体实施方式，优选该线材具有小厚度，以使在熔化后该线材可以以例如超过10K/s，优选超过102K/s，更优选超过103K/s的高冷却速度冷却。出于该目的，在横向方向上，该线材的直径(在圆横截面的情况下)或横向方向上的最大截面长度(例如从角到角或边到边)为例如0.6-5mm，优选为0.8-1.6mm。
由本发明的方法进行的生产没有特别的限制，可包括常规处理，例如压制成棒或锭，随后拉拔成线材，或在壳体中压紧，随后拉线。根据具体实施方式，线材的生产通过压制和拉拔成线材进行，例如压制过程中的压力、拉线过程中的拉拔速度等工艺参数没有特别的限制，可以适当地调整。
根据另一方面，本发明涉及一种材料或工件，其含有本发明的含钪的铝粉末合金或由该合金生产的本发明的线材。在本发明中，该材料或工件没有特别的限制。例如，该材料可以为焊接填料，除了本发明的粉末合金之外，也可含有另外的组分。工件的例子包括例如使用本发明的含钪的铝粉末合金或本发明的线材生产的部件或半成品。该部件或半成品中另外含有的部件没有特别的限制，可以为例如来自汽车、航空或航天工业或来自医疗技术的部件。
根据具体实施方式，含钪的铝粉末合金存在于工件或材料中，例如，在例如部件或半成品的工件中、在功能层中。这种层可例如通过粉末技术沉积，例如通过使用激光和冷却气体的ALM沉积。
用于由本发明的粉末合金生产相应工件或材料的方法根据本发明没有特别的限制，可以包括常规工艺，例如压紧、熔化、烧结等。
然而，根据另一方面，本发明包括一种生产本发明的材料或工件的方法，加热本发明的含钪的铝粉末合金或本发明的线材，随后以超过10K/s，优选超过102K/s，更优选超过103K/s的冷却速度冷却。在本发明中，也可以以超过105K/s、106K/s或107K/s的冷却速度冷却，例如以5×107K/s或更高的冷却速度冷却，例如使用He作为冷却气体。根据具体实施方式，在本发明中，在保护气氛中进行进一步的处理，该保护气氛包括惰性气体，例如Ar、N、He、Ne或其混合物。在本发明中，优选以受控的方式进行冷却，例如使用惰性气体。
在本发明中，加热没有特别的限制，例如可利用对流、激光等进行，例如加热至700℃以上，优选750℃以上，更优选800℃以上的温度。
由于冷却速度快，可以确保可以在本发明的粉末合金中，特别是初生相以外的次生相中的高比例的Sc也能被保持在本发明的材料或工件中，并且在生产过程中Sc不被排出。
由于在材料或工件的生产过程中，或者在通过粉末冶金(例如，烧结；各种ALM工艺，或者例如焊接的连接工艺)生产或互连部件的情况下，或者在连接至另一材料或者其他半成品或部件(例如板材，型材等)的情况下对本发明的粉末合金或本发明的线材进行进一步处理的过程中的热影响，热量输入或部分熔化或完全熔化导致本发明的粉末合金或本发明的线材中的固溶体分解而形成二次分散粒子，或者导致所述固溶体凝固。当Sc含量增加时，分离更快并且开始地更早。在从混晶等类似物中分离出来的过程中二次粒子的凝固速度同样随混晶中Sc含量的增加而增加，因此在本发明中优选较快的冷却速度。
根据具体实施方式，在冷却后，将材料或工件加热至100-400℃，优选225-350℃的温度，也就是说，在以高冷却速度冷却后，进行另外的加热。在这种情况下，该加热也可以根据基体或材料或工件中的另外的材料进行适当调整。因此，特别是在ALM技术的情况下或者在使用本发明的线材时，可发生自次生相的确定沉积。在温度超过400℃的情况下，会发生凝固，这是不优选的。
为了尽可能久地保持含钪的铝粉末合金或线材的良好性能，根据具体实施方式，在使用熔化或部分熔化工艺(例如ALM、喷涂、焊接)生产材料或工件的过程中，生产具有可能最薄的壁的结构，壁厚为大于0至100mm，优选为大于0至50mm，更优选为大于0至10mm，工件尺寸没有特别的限制，在至少一个维度上可高达10m。在本发明的用于生产工件或材料的方法中，高冷却速度有助于能够获得一次粒子以及在仍然受热影响的不利影响的相邻未熔化区域中的二次粒子的最佳析出分布，在随后的热处理过程中，可使“熔化区域”以及材料的其它区域中的二次沉淀都可析出。结果，该材料展现出低的热断裂敏感性，因此适合于这种类型的ALM工艺。
在加热之后，材料或工件反过来被冷却至环境温度(例如20-25℃，例如20℃)，在这种情况下冷却没有特别的限制。
代替另外加热或优选继该加热之后，可以接着进行另外的处理步骤，例如烧结、热等静压压制、压缩等，以获得最佳的材料性能。
根据具体实施方式，在生产工件或材料的方法中，本发明的含钪的铝粉末合金通过粉末冶金沉积。在这种情况下，沉积可以例如通过ALM或相关技术进行，从而使得可以生产例如含有本发明的含钪的铝粉末合金或由其构成的功能层。
在工件或材料的生产过程中，通过使用本发明的含钪的铝粉末合金以及加热和快速冷却，可以形成粒度为1-50nm、优选为2-20nm的共格、细微分布的次生相，其可通过TEM或SEM观察到。
还可使用多种材料或工件，或例如各种喷嘴，以生产多功能部件。
本发明的用于生产工件或材料的方法特别适合于生产航空工业、汽车工程、工具制造、医疗技术等中的部件，特别适合于要求良好的机械稳定性且还受到热应力的结构部件的航空航天应用。单独的工件(例如部件或半成品)可使用各种焊接工艺焊接到一起，也可使用本发明的焊接填料焊接到一起，以形成由相同类型或不同类型的材料构成的更大部件。本发明的铝粉末合金或本发明的线材、材料或工件也可被焊接，或者在铝粉末合金的情况下，可雾化/喷涂到其他材料/部件/板材/型材等上。利用本发明的铝粉末合金和由其生产的线材、材料或工件，可以改善生产的材料或工件的静态和动态性能。
虽然基于优选的实施方式描述了本发明，但本发明并不限于所述实施方式，而是可以以各种方式进行改变。
通过本发明，提供了一种含钪的铝粉末合金，其可以用在诸如增层制造的粉末技术工艺中。通过使用利用ALM或其他粉末技术工艺生产的部件，当进行这些部件的适当构建时，与不同的构建技术(例如变形、机械加工、连接结构的各个部分)相比，可节省高达50％的制备成本。此外，由本发明的含钪的铝粉末合金生产的工件或材料特别是还能通过在薄壁结构中的可能应用提供重量上的优势。通过改进多个部件的搅拌摩擦焊(FSW)设计来进行FSW的可能性同样导致产生更大、更复杂部件，这些部件通过FSW连接。另外，可以提高部件的再现性和盈利能力。
利用本发明的生产材料或工件的方法，尤其可实现部件的定制制造，例如通过ALM。定制制造具有接近最终轮廓的部件可实现材料节省高达90％，避免了浪费，例如对于飞机构造中的部件。另外，该方法提供一种应用于所有技术领域例如汽车工程等中的快速原型设计。在这种情况下，生成过程支持材料的最大利用，同时根据制造工艺形成高度的部件复杂度。在ALM技术的情况下，在该情况下存在不同的生产方法，例如粉末床或粉末喷嘴工艺或基于线材的工艺。
这种类型的工艺技术为重型建筑/部件提供了负载优化的部件构造，该构造具有多功能的、单独的配置选项，并且可选地具有由不同或“合金相关”的材料制成的集成和一体的材料构造。因此，可以以有针对性的方式产生成分或结构上具有类似较少变化的结构的性能。