[发明专利]铝-铬-锆合金

说明书

一些变体提供了一种铝(Al)合金，其含有至少0.1at％锆(Zr)和/或至少0.1at％铬(Cr)，其中该铝合金呈增材制造的物体的形式。其他变体提供了一种含铝粉末，其包含Al颗粒、Cr颗粒以及Zr颗粒，其中该Cr颗粒中的至少一些以及该Zr颗粒中的至少一些物理地和/或化学地组装在该Al颗粒的表面上，并且其中该含铝粉末含有至少0.1at％Zr和至少0.1at％Cr。在本发明中，表面功能化和增材制造的组合从根本上创造了有价值的铝合金的新的组成空间。所披露的Al合金坚固、热稳定且耐腐蚀。

优先权数据

本国际专利申请要求于2020年1月31日提交的美国临时专利申请号62/968,238以及于2020年12月14日提交的美国专利申请号17/121,601的优先权，这些专利申请中的每一个特此通过引用并入本文。

发明领域

本发明总体上涉及铝-铬-锆合金、用于铝-铬-锆合金的原料、以及制造和使用铝-铬-锆合金的方法。

背景

铝及其合金的特征在于相对低的密度、高的导电性和导热性、以及在一些常见环境(包括环境大气)中的耐腐蚀性。最近已经注意到铝合金作为用于运输的工程材料以由于高比强度而降低燃料消耗。铝的低密度(和因此零件重量)对于对重量苛求的部件是有利的。

商业上需要由在高温诸如300℃下展现出高强度的铝合金所形成的结构。此类结构包括例如暴露于高温的商用和军用飞机的推进和排气系统中的铝合金结构；由于气动热加热而暴露于高温的高速车辆的铝合金结构；以及暴露于高温的机动车辆动力系统铝合金零件，诸如活塞、连杆、气缸盖、以及制动卡钳。

通过冷加工和合金化可以增强铝的机械强度。常见的合金元素包括铜、镁、硅、锌、以及锰。通常，铝合金分类为铸造的或锻造的。一些常见的铸造的、可热处理铝合金包括Al295.0和Al 356.0(小数点指示铸造的合金)。锻造的合金包括可热处理的合金(例如，Al2104、Al 6061和Al 7075)和不可热处理的合金(例如，Al 1100、Al 3003和Al 5052)。与其他类型的Al合金相比，可热处理的铝合金通常具有优异的机械强度。

基于金属的增材制造或三维(3D)打印在许多工业(包括航空航天工业和汽车工业)中具有应用。逐层构建金属部件增加了设计自由度和制造灵活性，从而实现了复杂的几何形状，同时消除了传统的规模经济约束。然而，可打印合金的局限性，尤其是关于比强度、疲劳寿命、以及断裂韧性，阻碍了基于金属的增材制造。参见Martin等人“3D printing ofhigh-strength aluminium alloys[高强度铝合金的3D打印]，”Nature[自然]第549卷，第365i369页。

关于铝合金具体地说，基于二元Al-Si体系的可打印的铝合金倾向于集中于大约200MPa的屈服强度周围，具有4％的低延展性。用于汽车、航空航天、以及消费型应用的大多数铝合金是2000、5000、6000或7000系列的锻造的合金，该锻造的合金可以展现出超过400MPa的强度和超过10％的延展性，但是尚未在商业上增材制造。这些体系具有低成本合金元素(Cu、Mg、Zn、以及Si)以在后续的老化期间产生复合的强化相。这些相同的元素促进大的凝固范围，导致凝固期间的热撕裂(开裂)。

需要增材制造的铝合金，其在高温下具有良好的机械特性，用于前述的商业应用和其他应用。先前对高温铝合金的尝试依赖于引入高成本元素(例如，Sc)或使用快速凝固(例如，产生Al-Si-Fe-V)以形成亚稳高温强化相。