-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum
Bilden Dispersions-verfestigter Materialien. Mehr im Besonderen
bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Dispergieren
von Nanoteilchen innerhalb eines Flüssigphasen-Materials, wie eines
geschmolzenen Metalles, das bei der Erstarrung einen Körper mit
einer gleichmäßigen Dispersion
der Nanoteilchen ergibt.
-
Dispersions-verfestigte
Phasen, die in metallischen Systemen relativ stabil sind, sind für eine Vielfalt
struktureller Anwendungen von Interesse. Der potente Verfestigungseffekt
von AlN-Ausscheidungen in massiven β-NiAl-Legierungen und des Oxid-dispersions-Verfestigens
(ODS) in Superlegierungen wurde demonstriert. Beispiele der Letzteren schließen kommerziell
erhältliche
MA754- und MA6000-Legierungen
ein. Um ein genügendes
Niveau des Dispersions-verfestigens
zu liefern, müssen
feine Dispersoid-Teilchen (wie Oxide, Nitride usw.) in einer Volumenfraktion
und Verteilung derart vorhanden sein, dass die mittlere freie Weglänge zwischen
Teilchen genügend
gering ist, um die Versetzungsbewegungen zu verzögern. Das Einbringen einer
relativ gleichmäßigen feinen
Dispersion kleiner Dispersoid-Teilchen in ein Grundmetall ist jedoch schwierig,
insbesondere wenn die Größe der Teilchen
verringert ist. Im Besonderen neigen Teilchen von Nanogröße (die
eine Abmessung von weniger als ein μm aufweisen) aufgrund des Unterschiedes
in der Dichte zwischen den Nanoteilchen und dem geschmolzenen Material
zum Agglomerieren und sich nicht in einem geschmolzenen Metallbad
zu vermischen. Als ein Resultat ist es außerordent lich schwierig, dass
Nanoteilchen, die anfänglich
in einem geschmolzenen Metall dispergiert sind, während der
Erstarrung so eingefangen werden, dass sie in dem erstarrten Metall
gleichmäßig dispergiert
sind. Eine signifikant ungleichmäßige Verteilung
des Dispersoids ergibt keine optimale mechanische Leistungsfähigkeit.
-
Zwei
Verfahren zum Erzeugen von ODS-Nanoteilchen-Materialien haben kommerzielle
Anwendung gefunden, die beide eine Behandlung des Metalles in festem
Zustand einschließen.
Das häufiger benutzte
Verfahren ist ein mechanisches Legierungsverfahren, das eine kontrollierte
Oxidation von Metallpulver einschließt, dessen Oxid-Oberflächenschicht
durch Kugelmahlen zerbrochen und im übrigen Metallpulver verteilt
wird. Dieses Verfahren kann bei Umgebungs-, erhöhten oder kryogenen Temperaturen
ausgeführt
werden, was von der Art des eingesetzten Grundmaterials und der
Art des hergestellten Dispersions-verfestigten Materials abhängt. Ein Nachteil
des mechanischen Legierungsverfahrens sind die Kosten, die sich
aus den vielen Stunden des Mahlens mit hoher Energie ergeben, das
zum Dispergieren der Nanoteilchen erforderlich ist. Das zweite kommerzielle
Verfahren zum Erzeugen von ODS-Materialien schließt die interne
Oxidation und Ausfällung
von Oxidteilchen aus einer übersättigten Metallmatrix
ein. Dieses Verfahren ist jedoch effektiv auf die Anwendung bei
Metallsystemen beschränkt, die
gelöste
Elemente mit hoher thermodynamischer Stabilität von Oxiden und genügend Kombinationen von
Sauerstoff-Diffusionsvermögen
und Sektionsdicken aufweisen, um effektiv eine genügend gleichmäßige Dispersion
zu produzieren. Jede der obigen verfügbaren Techniken zum Herstellen
Dispersions-verfestigter Materialien hat auch signifikante Verfahrens-Beschränkungen,
die aus der Notwendigkeit resultieren, das Dispersoid eher im festen
als im flüssigen
Zustand zu produzieren.
-
In
Anbetracht des Obigen wäre
es erwünscht,
wenn alternative Verfahren verfügbar
wären,
mit denen Materialien, die mit Nanoteilchen-Materialien Dispersions-verfestigt
sind, aus dem geschmolzenen Zustand hergestellt werden könnten. Es
wäre besonders
erwünscht,
wenn ein solches Verfahren Gebrauch machen würde von einer weiten Vielfalt
von Kombinationen Dispersions-verfestigender Phasen und Matrix-Materialien und durch
Nanoteilchen Dispersions-verfestigte Materialien in verschiedenen
Formen produzieren würde,
einschließlich
fein zerteilter und massiver Formen.
-
Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Bilden eines Dispersions-verfestigten
Materials, enthaltend Nanoteilchen (Teilchen von Nanogröße), die
in einer Matrixphase im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert sind. Das Verfahren
schließt das
Hinzugeben von Nanoteilchen zu einem Bad eines geschmolzenen Materials
innerhalb eines Behälters
ein, der rotiert, um eine Wirbelkonvektion in dem Bad zu erzeugen.
Der Konvektionswirbel genügt,
um das Einlagern der Nanoteilchen in dem geschmolzenen Material
zu verursachen, um ein geschmolzenes Verbundmaterial mit einer gleichmäßige Dispersion der
Nanoteilchen zu ergeben, und verursacht weiter, dass das geschmolzene
Verbundmaterial aus dem Behälter
ausgestoßen
wird. Das geschmolzene Verbundmaterial wird nach dem Ausstoßen aus
dem Behälter
rasch abgekühlt,
sodass der feste Verbundkörper
gebildet wird, der die Nanoteilchen gleichmäßig dispergiert in einer erstarrten
Matrxphase umfasst.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung erstarrt das geschmolzene Verbundmaterial unter
Bildung des festen Verbundkörpers
durch Kontaktieren einer Oberfläche
(z. B. einer Form) nach dem Ausstoßen aus dem Behälter. Auf
diese Weise wird das geschmolzene Verbundmaterial effektiv direkt
auf die Oberfläche
zentrifugal schleudergegossen. Ist die Ober fläche die einer geeignet konfigurierten
Form, dann kann der resultierende feste Verbundkörper ein Körper nahe der Endgestalt, eine
Vorform oder ein Walzprodukt (z. B. eine Bramme, Platte oder ein Ring)
sein. Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung erstarrt das geschmolzene Verbundmaterial
im Flug nach dem Ausstoßen
aus dem Behälter
derart, dass das geschmolzene Verbundmaterial in fein zerteilter
Form zentrifugal schleudergegossen ist, wie Pulverteilchen, Flocken,
Drähte
oder Bänder.
Irgendeine oder mehrere dieser fein zerteilten Formen kann durch
thermomechanische Techniken (z. B. Heißpressen, Sintern, Heiß isostatisches
Pressen, Extrusion, Schmieden usw.) zu massiven Komponenten nahe
der Endgestalt, Vorformen oder Walzproduktformen konsolidiert werden,
die gut dispergierte Nanoteilchen enthalten. Unabhängig davon, ob
es die Absicht ist, einen Dispersions-verfestigten festen Verbundkörper in
massiver oder fein zerteilter Form zu produzieren, dient das zentrifugale
Mischen der Nanoteilchen in das geschmolzene Material dem gleichmäßigen Dispergieren
der Nanoteilchen und die rasche Erstarrung des resultierenden geschmolzenen
Verbundmaterials, initiiert durch das zentrifugale Ausstoßen aus
dem Mischbehälter,
sichert, dass die Nanoteilchen während
der Erstarrung im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert bleiben, sodass
die Nanoteilchen auch in dem resultierenden festen Verbundkörper gleichmäßig dispergiert
sind.
-
In
Anbetracht des Obigen ist ersichtlich, dass es ein signifikanter
Vorteil dieser Erfindung ist, dass sie ein Verfahren bereitstellt,
mit dem mittels Nanoteilchen Dispersions-verfestigte Materialien
in einer fein zerteilten oder massiven Form zu geringeren, Kosten
als konventionelle mechanisch legierte ODS-Materialien hergestellt
werden können.
Wenn in massiver Form, können
die Dispersions-verfestigten Materialien
direkt als Komponenten nahe ihrer Endgestalt, Vorformen oder massive
Produkte produziert wer den, wodurch die Kosten der Konsolidierung,
maschinellen Bearbeitung und anderer Operationen vermieden oder
zumindest vermindert werden. Die Art der Dispersions-verfestigten
Phase ist nur durch die Verfügbarkeit
und Verträglichkeit
mit der Matrixphase beschränkt.
Matrixmaterialien, die bei dem Verfahren dieser Erfindung eingesetzt
werden können,
schließen
Phasen-Zusammensetzungen ein, die von einer konventionelleren gegossenen
oder gegossen und gekneteten Art sind, ebenso wie signifikant höher legierte
Matrix-Zusammensetzungen,
die nur durch rasche Erstarrungstechniken effektiv produziert werden
können.
Rasche Erstarrungsraten, die mit dem Verfahren dieser Erfindung
möglich
sind, ermöglichen
auch das Dispersions-Verfestigen einer Vielfalt hochfester Matrixmaterialien.
Zusätzlich
können
geeignete Abscheidungs-Bedingungen angewendet werden, sodass die
Matrixphase bei einer genügend raschen
Rate erstarrt, um eine ultrafeine Korngröße oder Phasen mit ultrafeinen
Korngrößen zu haben, einschließlich amorpher
Mikrostrukturen und solcher von Nanogröße. Die vorliegende Erfindung
bietet auch die Option zum Produzieren massiver Produktformen mit
einem abgestuften Dispersoid-Abstand und einer abgestuften Volumenfraktion
in irgendeiner gegebenen Richtung durch Variieren der Rate, in der die
Nanoteilchen zu dem geschmolzenen Material hinzugegeben werden.
-
Die
Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben, in der:
-
1 schematisch
eine erste zentrifugale Schleuderguss-Operation dieser Erfindung
repräsentiert,
mit der fein zerteilte feste Verbundkörper hergestellt werden, die
jeweils eine gleichmäßige Dispersion
von Nanoteilchen enthalten,
-
2 schematisch
eine zweite zentrifugale Schleuderguss-Operation dieser Erfindung
repräsentiert,
mit der ein massiv abgeschiedener fester Verbundkörper produziert
wird, der eine gleichmäßige Dispersion
von Nanoteilchen enthält.
-
1 und 2 repräsentieren
schematisch zwei Techniken dieser Erfindung, mit der Dispersions-verfestigte
Materialien produziert werden, wobei das Dispersionsverstärkungs-Material
Dispersoid-Teilchen (Nanoteilchen) von Nanogröße einschließt oder
vollständig
daraus gebildet ist. In der in 1 repräsentierten
Ausführungsform
werden Nanoteilchen 12 und ein geschmolzenes Material 14 in separaten
Strömen
zur Bildung eines Bades 16 aus geschmolzenem Verbundmaterial 18 zugeführt, das in
einem Tiegel 10 enthalten ist. Während die Nanoteilchen 12 und
das geschmolzene Material 14 zu dem Bad 16 hinzugefügt werden,
wird der Tiegel 10 durch Rotieren um seine vertikale Achse,
wie durch Montieren des Tiegels auf einem (nicht gezeigten) Schleuderpodest,
geschleudert. Wie der Fachmann weiß, hängen Tiegelmaterialien, Tiegelkonstruktionen
und für
diesen Zweck geeignete Ausrüstung
von Art und Menge der eingesetzten Materialien ab.
-
Der
Tiegel 10 wird mit einer genügenden Rate geschleudert, sodass
die durch das mit Nanoteilchen gefüllte geschmolzene Verbundmaterial 18 auf
die Wand des Tiegels 10 ausgeübte Zentrifugalkraft einen
Konvektionswirbel 20 innerhalb des Bades 16 verursacht,
was das Eintauchen und Mischen der Nanoteilchen 12 in das
geschmolzene Material 14 verursacht und danach die Nanoteilchen 12 als eine
gleichmäßige Dispersion
innerhalb des geschmolzenen Materials 14 hält. Die
Wand des Tiegels 10 ist mit ein oder mehreren Öffnungen
(Düsen) 22 ausgerüstet, sodass
die durch das Bad 16 ausgeübte Zentrifugalkraft auch das
Ausstoßen
des ge schmolzenen Verbundmaterials 18 aus dem Tiegel 10 durch
eine oder mehrere der Öffnungen 22 verursacht.
In 1 wird der Tiegel 10 gedreht, sodass das
geschmolzene Verbundmaterial 18 als fein zerteilte Tröpfchen ausgestoßen wird,
die rasch unter Bildung fester Verbundkörper 24 (schematisch
in 1 dargestellt) erstarren, die jeweils eine im
Wesentlichen gleichmäßige Dispersion
von Nanoteilchen 12 enthalten. Für diesen Zweck können die Öffnungen
eine geeignete Größe und Gestalt
für das
jeweilige geschmolzene Verbundmaterial 18, das behandelt
wird, haben, sodass die festen Verbundkörper 24 von einer
erwünschten
Größe und Form
sind. So kann, z. B., die geringste Abmessung eines Körpers 24 in
der Größenordnung
von etwa 0,02 mm bis etwa 2 mm liegen und er kann in Form von Pulverteilchen,
Flocken, Drähten,
Bändern
usw. vorliegen. Feste Verbundkörper 24 in
irgendeiner oder mehreren dieser Formen können danach durch Konsolidierung
unter Anwendung im Stande der Technik bekannter Verfahren, wie thermomechanischen
Prozessen, die die Körper 24 unter
Druck und bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der festen Matrixphase
(oder Phasen), die durch das geschmolzene Material 14 gebildet
werden, schmelzen (sintern) in massive Form gebracht werden.
-
Bei
der Herstellung fein zerteilter Teilchen, Flocken, Drähte, Bänder und
anderer ähnlicher
Materialien werden Behandlungs-Bedingungen derart genutzt, dass
das geschmolzene Verbundmaterial 18 nach dem Ausstoßen aus
den Öffnungen 22 (im
Fluge) rasch erstarrt, um die Nanoteilchen 12 in einer rasch
erstarrten Matrixphase einzufangen. Im Gegensatz dazu repräsentiert 2 eine
Ausführungsform
bei der ein Teil oder das gesamte geschmolzene Verbundmaterial 18,
das aus dem Tiegel 10 ausgestoßen wird, auf eine Form 28 gerichtet
wird, um direkt ein erstarrtes massives Verbundmaterial 30 auf einer
Oberfläche
der Form 28 abzuscheiden. Das ge schmolzene Verbundmaterial 18 ist
in 2 als ein aus einer der Öffnungen 22 ausgestoßener Strom 26 gezeigt,
obwohl das massive Verbundmaterial 30 aus Tröpfchen 34 abgeschieden
werden könnte,
die in 2 als aus einer zweiten Öffnung 22 ausgestoßen gezeigt
sind. Der Strom 26 oder die Tröpfchen 34 des Verbundmaterials 18 können vollständig flüssig oder, bevorzugter,
in einer halbfesten Form in dem Moment vorliegen, in dem sie sich
auf der Form 28 abscheiden, woraufhin das Material 18 aufgrund
der thermischen Leitung zur Form 28 rasch erstarrt. Während eine
Form 28 schematisch in 2 dargestellt
ist, könnten
der Strom 26 oder Tröpfchen 34 auf
irgendeiner Oberfläche
abgeschieden werden, die für die
speziellen Umstände
als geeignet angesehen wird.
-
In
Abhängigkeit
von der benutzten Art der Form 28 (oder anderen Oberfläche), kann
das massive Material 30 zur Bildung einer Komponente nahe der
Endgestalt, einer Vorform, die danach unter Bildung einer Komponente
bearbeitet werden kann, oder eines Walzproduktes, wie einer Bramme,
Platte oder eines Ringes, die danach weiter bearbeitet werden können (z.
B. geschmiedet, maschinell bearbeitet, überzogen, Wärmebehandlung usw.) abgeschieden
werden, um eine erwünschte
Komponente zu erzeugen. Weiter kann die Form 28 (oder andere
Oberfläche)
die Gestalt eines Zylinders oder einer Platte haben, die vertikal
oder horizontal aufgestellt bzw. montiert werden und die gedreht
oder einer Translationsbewegung unterworfen werden kann, um die Größe des abgeschiedenen
Bereiches zu vergrößern. Wie
in 2 impliziert, kann der Behälter 10 vertikal betätigt werden,
um das Verbundmaterial 18 über eine vertikale Länge der
Form 28 abzuscheiden. Die Dicke des massiven Materials 30 an
einer gegebenen Stelle auf der Form 28 kann durch geeignetes Kontrollieren
der Zeitdauer, während
der das Verbundmaterial 18 an dieser Stelle abgeschieden
wird, eingestellt werden. Darüber
hinaus kann das massive Material 30 derart abgeschieden
werden, dass es eine abgestufte Dispersoid-Volumenfraktion und einen Abstand in
einer Dickenrichtung davon aufweist, indem man die relativen Raten ändert, bei
denen die Nanoteilchen 12 und geschmolzenes Material 14 zu dem
Bad 16 hinzugegeben werden.
-
Mit
jeder der in 1 und 2 abgebildeten
Ausführungsformen
kann der Tiegel 10 mit einer Druckeinheit 32 ausgerüstet sein,
um das Ausstoßen des
geschmolzenen Verbundmaterials 18 zu unterstützen, einschließlich eines
Regulierens der Rate, mit der das geschmolzene Verbundmaterial 18 aus einer Öffnung 22 einer
gegebenen Größe ausgestoßen wird.
Druck kann bei einem im Wesentlichen konstanten Niveau angewendet
werden, um das Ausstoßen
des Materials 18 in einem kontinuierlichen Strom (26 in 2)
oder impulsförmig
zu fördern,
um das Aufbrechen des Materials 18 zu Tröpfchen (24 und 34 in 1 und 2)
zu unterstützen. Das
Pulsieren kann auch benutzt werden, um zu verursachen, dass das
Verbundmaterial 18 intermittierend und selektiv in einer
speziellen Richtung aus dem Tiegel 10 ausgestoßen wird,
sodass das Material 18 selektiv auf der Form 28 (oder
einer oder mehreren zusätzlichen
Oberflächen)
abgeschieden wird. Mit geeignet großen Öffnungen 22, z. B.,
können Druckimpulse
innerhalb des Behälters 10 der 2 benutzt
werden, um selektiv den Strom 26 auf die Form 28 zu
dirigieren, wie auf der linken Seite der 2 dargestellt.
Alternativ können
andere Impulsbedingungen benutzt werden, um Tröpfchen 34 zu erzeugen,
wie auf der rechten Seite von 2 abgebildet.
-
Die
in dieser Erfindung eingesetzten Nanoteilchen 12 können eine
Vielfalt von Größen und
Zusammensetzungen haben. Der Konvektionswirbel 20, der
in dem Tiegel 10 aufrechterhalten wird, ist in der Lage,
Teilchen außerordent lich
geringer Größe zu dispergieren,
sodass Nanoteilchen, so klein wie etwa 10 nm, relativ gleichförmig dispergiert
werden können.
Teilchengrößen innerhalb
eines Bereiches von etwa 10 bis etwa 100 nm sind von besonderem Interesse
vom Standpunkt der Verarbeitbarkeit und des Verfestigens. Geeignete
Zusammensetzungen für
die Nanoteilchen schließen
Oxide, Carbide, Nitride, Oxycarbide, Oxynitride, Carbonitride, Boride, Phosphide,
intermetallische Verbindungen und komplexe Kombinationen solcher
Bestandteile ein, die während
der Zeit, in der die Nanoteilchen 12 in Kontakt mit dem
geschmolzenen Material 14 innerhalb des Bades 16 und
der erstarrten Matrixphase der erstarrten Körper 24 und des massiven
Materials 30 stehen, besonders stabil sind, sodass die
Nanoteilchen keiner beträchtlichen Änderung
in Quantität, Chemie
oder Größe unterliegen.
Weil sie nicht in situ gebildet werden, können die Nanoteilchen 12 Verbindungen
von Elementen sein, die sich von denen unterscheiden, die im geschmolzenen
Material 14 vorhanden ist, mit dem die Teilchen 12 kombiniert
werden.
-
Es
kann eine weite Vielfalt von Matrixmaterialien mit dieser Erfindung
eingesetzt werden, einschließlich
konventionell gegossener und gegossen-und-gekneteter Metalllegierungen,
Legierungen, die früher
nur durch Pulvermetallurgie-Techniken produziert wurden, und Legierungen,
die früher
nur unter Anwendung konventioneller rascher Erstarrungs(RS)-Techniken
produziert wurden. Solche Materialien schließen, ohne Beschränkung, Aluminium, Nickel,
Cobalt, Eisen, Magnesium, Titan, Kupfer und ihre Legierungen ein.
Mit dieser Erfindung erzielbare Kühlraten können größer sein als bei vielen konventionellen
Gießtechniken,
was die Produktion fester Körper 24 und
massiver Materialien 30 möglich macht, die feinere produzierte
Matrixkorngrößen (z. B.
Nanogröße) aufweisen,
als dies mit Techniken nach dem Stande der Technik zum Dispergieren
von Nanoteilchen in ei ner Matrixphase möglich war. Dieser Aspekt der
Erfindung kann auch die Verwendung eines höheren Gehaltes an Matrix-Legierungselement
gestatten, sodass ein zusätzliches
Ausscheidungs-Verfestigen während
des Kühlens
oder nachfolgenden thermischen Behandelns in der Matrixphase auftritt.