[发明专利]来自高强度耐腐蚀铝合金的带材和粉末

说明书

铝合金，其通过快速凝固工艺制造，具有高强度、高延展性、高耐腐蚀性、高耐蠕变性、和良好的可焊性。

本申请要求2016年7月5日提交的美国序列号62/358,400和2017年3月28日提交的美国序列号62/477,838的申请日的权益。本发明是在由DOD/美国陆军通过PTENortheastern University授予的PTE联邦决定号W911NF-15-2-0026，子决定号504062-78050的政府支持下完成的。政府在本发明中拥有一些权利。

领域

这一申请涉及具有高强度和延展性、优异耐腐蚀性和可焊接的一系列铝合金。所公开的合金尤其有益于改进航空航天、汽车和最近研发的增材制造或所谓的“3D打印”部件的性能并且有益于形成对镁或铝部件的保护性涂层。

背景

铝合金在航空航天、汽车、海洋、线缆、电子、核能、和消费品工业中的轻质结构中具有广泛的应用。通常，通过传统的铸造工艺制备铝合金，在该传统的铸造工艺中将铝合金熔化然后倾倒至模具中。铸造件可为接近成品形状(near net-shape)或为板坯或方坯形式，随后将其轧制以形成片材和板材产品或将其挤压以制备型材。因此最终产品的性质取决于铝合金的化学组成、铸造凝固速率和随后的热-机械加工。在传统的铸造工艺过程中铝合金的凝固速率相对低(<50℃/s)。因此，仅可通过传统的铸造工艺获得铝合金中的某些铸造显微组织。

在过去的几十年中研发的快速凝固工艺(RSP)可实现细化的晶粒尺寸和扩大的合金化元素固溶度，并形成非平衡亚稳定相。与通过传统的铸造方法制造的合金相比，这些增强了合金的性质。RSP需要凝固速率高于1000℃/s。在熔融的铝和淬火介质之间的接触时间被限制为千分之几秒。淬火介质例如铜、水、或液氮在短时间内使熔融铝的温度显著地降低至小于其固相线温度，因此通过非常快的冷却速率实现了快速凝固。参见美国专利号4,347,076。

已经研发了许多不同的RSP，包括气体雾化、喷雾沉积、熔体纺丝、熔体提取和波束上釉(beam glazing)。所制造的产品可为带材、纤维、薄片、层片、颗粒和粉末的形式。通常加工(冷等静压压缩、热压和挤压)这些小的单独的碎片以制造最终产品。由RSP制造的铝合金的应用是在赛车、汽车、航空航天、运动、医疗部件、电子、和光学工业中。

已经做出在现有技术中最近的努力来通过RSP制备铝-镁-钪合金。这些合金通常含有高浓度的镁(3至5重量％)和钪(0.7-1.4重量％)。通过Al₃Sc Ll₂-结构的纳米析出物和含有镁的铝基体固溶体的组合来强化合金。在凝固和随后的在从250至350℃温度范围内时效过程中形成Al₃Sc纳米析出物。纳米析出物还有助于良好的可焊性。参见美国专利号5,624,632。

然而，通过RSP制备的Al-Mg-Sc合金存在几个缺陷。钪是非常昂贵的(是银的十倍贵)。因此，Al-Mg-Sc合金的成本非常高，其严重地限制该合金的商业应用。这种合金还具有有限的热加工窗口(<375℃)。超过这一温度，永久地失去Al₃Sc纳米析出物的有益强化，因为Al₃Sc纳米析出物迅速地粗化并变得不起作用。这将挤压温度限制为小于375℃，其是获得完全致密的挤压部件所不期望的。

因此，期望改进由RSP制备的Al-Mg-Sc合金的缺陷，同时维持其他性质的相同组合。这些包括在室温和升高的温度下的高强度、高耐蠕变性、良好的可焊性和高耐腐蚀性。

概述