通過擠壓鑄造或半固態金屬成形和后熱處理使用原位成形的增強相制作鋁或鎂基復合材料發動機缸體或其他零件的方法與流程

本發明總體上涉及一種通過擠壓鑄造或半固態金屬(SSM)成形制作輕質金屬基質復合材料部件的方法，并且更具體地涉及由其中一種或多種增強相在鑄造或成形操作期間原位生成的增強金屬基質復合材料制作此類部件。

鑄造已成為制造可重復(例如，大批量)部件(特別是采用輕質金屬合金諸如鋁或鎂的那些部件)的金屬成形操作的主要形式，并且包括多種變型，諸如模鑄、金屬型鑄造、砂模鑄造、石膏型鑄造、熔模鑄造等。不過，眾所周知，鑄造部件的機械性能通常要次于它們的鍛制對應物，這很大一部分是由于孔隙率和已知鑄造工藝中固有(或至少是難以避免)的相關缺陷所致。遺憾的是，大批量生產和形狀復雜性考慮即使并非完全不可能也可使鍛制選擇成本過高。

通過提供使用能夠進行復雜形狀的大規模生產的成形工藝遞送鍛造性能的金屬合金，SSM成形技術有助于縮小差距。具體地，這些SSM技術的漿化(即，觸變的)微觀結構使得易于通過鑄造、鍛造或其他已知成形工藝來執行半固態成型。在常規的SSM成形工藝中，將鑄坯(1)加熱至其再結晶溫度之上但在其固相線溫度之下的溫度；(2)擠出成大體柱狀形式；(3)切成較短區段；(4)加熱成半固態；以及(5)擠壓進入形成在模組中的腔體中，從而形成零件。盡管存在優勢，但孔隙率、表皮微觀結構和相關的不完全零件成形問題仍存在于常規SSM中，特別是形成有帶有薄或以其他方式小的特征結構的復雜幾何形狀的制品。此外，在此使用的坯料以及相關的觸變工藝是實現期望的非枝狀(即球狀)微觀結構的高度專業化(并且因此是昂貴的)的方式。

在相關方式中，擠壓鑄造已研究成為一種由輕質合金制備部件的方 式。該工藝也可用其他名稱指稱，諸如液態金屬鍛造、液態模鍛造、半固態鑄造和成形、擠出鑄造、加壓固化以及加壓結晶。常規的擠壓鑄造工藝由以下步驟限定：(1)對待澆注到預先加熱的模腔中的熔融物的量進行定量；(2)將沖頭緩慢降下靠近模腔；(3)對熔融金屬加壓并將其保持在那里持續一段短周期(例如，幾秒鐘)直到沖頭被撤回；以及(4)將零件從模腔中噴出。因此，在一種形式中，擠壓鑄造(以及相關的液態鍛造途徑)比SSM成形更簡單，因為其使用澆注到模腔中并在固化期間在壓力下擠壓的預定量的熔融金屬的，從而在單一操作中形成合金零件。此外，擠壓鑄造使得可以使用處于液態的鍛制鋁(或鎂)合金來形成具有復雜特征結構的復雜零件。高直接熔融物壓力有助于消除熱撕裂并形成具有優異機械性能和低孔隙率的產品。如此，擠壓鑄造可看做是常規鑄造和鍛造技術的混合產物，從而以大批量的經濟性和鑄件的形狀能力實現鑄造的強度和置信水平。

眾所周知，可通過將增強相引入塊體合金中實現部件的提高的結構或機械性能(諸如彈性模量、強度、抗疲勞性、抗蠕變性等)。如此，這類稱為復合材料的材料已形成以幫助滿足這些或其他越來越苛刻的工程要求。與形成此類工程復合材料相關的困難之一是與以不同材料在最終產品中實現期望的結構益處的方式引入所述不同材料相關聯的成本。由于將離散增強相引入塊體合金中是復雜的(因此是極其昂貴的)，大批量部件生產技術不可通過上述傳統金屬鑄造形式中的一種或多種用于發動機部件。

本發明的發明人已發現，傳統的SSM或擠壓鑄造技術尚不能充分利用此類材料的使用將以其他方式提供的機械或結構性能。具體地，本發明的發明人已經確定仍然存在通過成本效益好的、大批量制造途徑開發低成本、經久耐用的發動機部件的需要，所述成本效益好的、大批量制造途徑使用SSM、擠壓鑄造或相關的制作技術更好地利用輕質金屬基質復合材料使之成為可能的高的特定性能。

技術實現要素：

為了滿足上述需要，本發明的發明人已經確定在輕質金屬合金中原位 成核和生長增強相來制作復合材料可由在擠壓鑄造或SSM成形途徑期間發生的添加的前體材料的活化事件來觸發。此種活化事件的一個優選形式是是熱活化，其中前體在部件成形工藝期間暴露于升高的溫度。不管采用哪種活化原理實現基于熱方式將前體原位轉化為分散于整個輕質金屬塊體合金中的增強相，本發明的發明人已發現所形成部件的類似復合材料的性質使得改善的機械性能成為可能，所述改善的機械性能可通過SSM成形或擠壓鑄造以與傳統模鑄和其他大批量的傳統鑄造途徑的方式類似的方式以大批量獲得。

根據本發明的第一方面，公開了一種制作增強金屬基質復合材料部件的方法。該方法包括將一種或多種增強相前體(本文又稱為“成核位點前體”，或更簡單地稱為“前體”)引入塊體(即，進料)合金中，通過活化步驟將前體轉化成增強相，以及與任選的成形后熱處理結合使用壓擠鑄造或SSM成形將部件形成為塊體合金和一種或多種增強相的復合材料，使得增強相的線性大小在納米到微米范圍內。進料合金選自由鋁基合金、鎂基合金以及所謂的高熵合金組成的組，其中在本發明的上下文中，此類“高熵”合金為由多種(通常為五種或更多種)金屬以大約相等的量制成的那些合金。一個此種示例為鋁、鋰、鎂、鈧和鈦的組合。此類材料表現出具有高的特定機械性能的納米晶體構型。此外，在本發明的上下文內，只要相應鋁或鎂為主要組分之一(即使不是大部分組分)，此類高熵合金在本文視為由術語“鋁基合金”、“鎂基合金”等所涵蓋。顯著地，在活化期間生成的增強相的存在有助于塊體合金呈現類似復合材料的屬性，使得實現所形成復合材料的某些機械性能(比如彈性模量)的提高。不像添加呈其基本上最終形式的增強相的常規復合材料，本文所公開的本發明的各方面的增強相在液態-固態轉化或材料的后續熱處理中的一種或多種期間在原位形成。

如在別處地方所提及，使用擠壓鑄造或SSM成形的選擇以及所使用的塊體合金的選擇可以取決于所制造的部件。在采用SSM成形的情況下，兩個附加選擇是可能的，第一個選擇包括提供呈微粒(即，固態，其示例包括粒狀、粉末或相關固態的)形式的塊體合金，并且第二個選擇包括提供呈基本上液態(即，熔融)形式的塊體合金。

根據本發明的另一個方面，一種制作增強金屬基質復合材料部件的方法包括將一種或多種增強相前體引入選自由高熵合金、鋁基合金或鎂基合金組成的組的塊體合金中，催化該增強相前體(或前體)，使得增強相將在將所述部件成型為塊體合金和一種或多種增強相的復合材料之前形成和生長或者形成和生長作為將所述部件成型為塊體合金和一種或多種增強相的復合材料的一部分。成型包括加熱塊體合金和前體的混合物直到其呈至少部分熔融的形式，將該混合物放置在模腔中，以及將高壓施加在該復合材料上直到由模腔限定的部件的形狀已經基本上固化。正如之前的方面一樣，當該塊體合金可以處于微粒或熔融狀態時，所述成型使用SSM成形或擠壓鑄造操作，并且可以使用多于一個模腔(例如，初始模腔和最終模腔)。

根據本發明的又一個方面，公開了一種制作增強金屬基質復合材料部件的方法。該方法包括將一種或多種增強相前體引入選自由高熵合金、鋁基合金或鎂基合金組成的組的塊體合金中，以及然后將所述部件成型為塊體合金和增強相的復合材料，該增強相通過增強相前體的活化而形成。所述成型通過擠壓鑄造或SSM成形實現，且包括加熱復合材料直到其呈至少部分熔融的形式，將該至少部分熔融的復合材料放置在模腔中，以及將高壓施加在該復合材料上直到由模腔限定的部件的形狀已經基本上固化。在一個任選的方式中，增強相的生長部分地(或在一些情況下基本上)通過一種或多種后續熱處理步驟實現，使得一旦催化反應發生在塊體合金中，增強相從前體位點生長出來。按照這種方式，增強相的存在以不同于離散增強相顆粒常規添加和后續混合進入塊體合金的方式來實現。

附圖說明

當結合下面的附圖閱讀時，可最好地理解本發明優選實施例的以下詳細描述，其中相同的結構用相同的附圖標號指示，且其中：

圖1示出了可與本發明一起使用的概念性模鑄系統；

圖2示出了根據本發明的一個方面的與圖1的系統一起使用的擠壓鑄 造的流程圖；

圖3示出了根據本發明的另一個方面的與圖1的系統一起使用的SSM的流程圖；以及

圖4示出了根據本發明的一個方面可以形成的概念性發動機缸體的等軸視圖。

具體實施方式

首先參考圖1和圖4，類似于高壓模鑄的代表性鑄造途徑示出澆包10，澆包10用于將熔融金屬20澆注到澆注槽30中并且向下澆注到終止于井40的澆注口中。射料套筒50接收熔融金屬并且在增大的壓力下(諸如通過柱塞(未示出))將其遞送到給可分離上砂箱70和下砂箱80進料的一系列澆口60，上砂箱70和下砂箱80充當其中的模腔的殼體，所述模腔限定部件諸如具體在圖4中描繪的發動機缸體100的代表性形狀。除了別的之外還包括曲軸箱110、曲軸軸承120、凸輪軸軸承130(就具有頂閥和推桿的發動機而言)、水冷卻夾套140、飛輪殼體150和缸膛160的復雜特征結構可以由腔體限定。立管(又稱為進料器)90也被包括在上砂箱70中，以便給鑄造進料以補償在部件冷卻和固化期間可發生的收縮。雖然未示出，但是相當的基于澆道的系統可以用于其他形式的永久(或半永久)鑄造。在此種系統中，使用大體上水平澆道來代替上述模鑄系統的加壓射料套筒50；任一系統均與本發明兼容。例如，因為SSM成形和擠壓鑄造使用顯著慢于典型的HPDC工藝的填充時間，所以基于澆道的進料的使用在本發明的上下文內可以特別有用。

接著參考圖2和圖3，示出了顯示在擠壓鑄造(圖2)和SSM(圖3)下形成部件時所使用的步驟的流程圖。這兩種途徑由于在固化期間將高壓施加于至少部分熔融金屬上而均能夠形成具有細粒微觀結構的制品。具體地關于擠壓鑄造，熔融合金的緩慢進模口速度避免湍流和氣體截留，使得在冷凍(即，固化)循環期間，可以產生高密度和基本上無孔隙的部件。在本發明的上下文中，諸如“增加的”、“升高的”或“高”的修飾語結合用在 初始和最終模腔中的一個或兩個中的壓力的使用表示足以實現必要擠壓鑄造或液態鍛造的值；此類數字對于前者優選地在約50MPa和140MPa之間并且對于后者在約40MPa至100MPa之間。

如上所述，當與具有樹枝狀微觀結構的微觀結構進行比較時，基于SSM的微觀結構具有優異的流動特性，這是因為坯原料的等軸狀微觀結構可被加熱到半固態溫度范圍，以將細粒坯微觀結構轉換為允許相對自由流動(但仍具粘性)的流體行為的鮞狀微觀結構。這繼而允許較高金屬流動速度而沒有隨之而來的湍流問題，這繼而顯著地改善了部件生產率。除了SSM成形在填充期間不產生湍流之外，其還使用較低的進入金屬溫度使得對加工的熱沖擊較少，由于較低的進入金屬溫度而采用較短循環時間，并且不涉及液態金屬的處理，且產生具有低或無孔隙率和高機械性能的精細微觀結構。擠壓鑄造提供類似優點，包括享有以下益處：產生良好的表面光潔度(其有助于鑄造后精加工減少)，產生幾乎不浪費材料的近凈形零件，允許任何殘留材料的現場熔融以作為減少浪費的方式，以及使所得的部件具有精細微觀結構、低或無孔隙率和高機械性能。

具體參考圖2，示出了根據本發明的方面的用于擠壓鑄造200的各個步驟。所述步驟包括使塊體合金熔融210，將前體添加到熔融物使得當達到合適的高溫時原位形成增強相220，將塊體合金和前體的液態混合物(在本文又稱為濃縮合金)裝載到射料套筒中230，使用射料套筒(諸如圖1的射料套筒50)以將濃縮液態合金推入基本上最終成型的模腔中240，對腔體內的合金施加并保持高壓直到部件固化250，去除(諸如通過噴射)固態零件260，以及然后執行任選的噴射后熱處理270。在一種形式中，對增強相前體的加熱可以通過感應加熱進行。此外，雖然本公開的剩余部分優選地描繪了使用水平射料套筒以及利用其給腔體提供進料的相關澆道和澆口，但是本領域技術人員將清楚，還可以采用垂直或其他非水平進料方案且所述垂直或其他非水平進料方案仍然被認為在本發明的范圍內。在最優選形式中，發動機缸體和其他汽車部件可以憑借通過擠壓鑄造或SSM成形工藝將原位產生的一種或多種增強相組合到塊體合金中而制成。所得的顆粒增強、高剛度復合材料與其非增強對應物相比表現出優異的剛 度，又避免了傳統復合材料成形途徑的成本和復雜性。

具體參考圖3，示出了根據本發明的方面用于SSM成形300的各個步驟。實際上，兩個平行路徑300A、300B是可能的，這取決于從呈粉末/微粒形式或呈熔融形式的塊體合金開始是否是優選的。對這兩個路徑進行解釋。對于其中塊體合金呈微粒、粉末或相關固態形式的情況，路徑300A的步驟包括提供塊體合金310A，將微粒前體混合到塊體合金中320A，將塊體合金和增強相前體的組合物或混合物引入初始成型的模具中330A，加熱(連同壓力)以固化初始成型的零件340A。同樣，對于其中塊體合金在引入增強相前體前呈熔融形式的情況，路徑300B的步驟包括使塊體合金熔融310B，將前體添加到熔融物以促進增強相的原位成形320B，將液態合金混合物澆注到初始成型的模具中330B，以及然后壓制以固化初始成型的零件340B。

不管使用兩個平行路徑300A、300B中哪一個，后續步驟包括將固態的初始成型的零件傳送到最終成型的模具中350，加熱最終成型的零件和模具以使所述零件部分地熔融360，將高壓施加于部分熔融的零件370以有助于所述零件以基本上最終形狀固化380，噴射固化的零件390，以及執行任何任選的噴射后熱處理400。在一個優選形式中，噴射后熱處理400可有助于進一步形成期望的微觀結構，包括具有介于納米至微米范圍內的不同尺寸的均勻分布的增強相。通過適當選擇前體以種下成核位點，增強相的顆粒的彈性模量會比塊體合金更高，從而提供所得復合零件的附加硬度。在一個優選形式中，前體在高于合金為固態的溫度下可溶于合金，使得由溫度、壓力或其他能量源(諸如超聲、振動或電磁)的增加引起的催化活化將促進成核位點的形成以使增強相顆粒在成核位點因該位點處的結構、尺寸和組合物中的一種或多種而生長成微米尺寸。所得的增強顆粒在低于它們成核的溫度的某個溫度下本身將不可溶于合金，并可呈化合物的形式，包括(但不限于)陶瓷、金屬間化合物或分散質，以及它們的組合。此類陶瓷可包括碳化硅、氮化硅、氧化硅、碳化硼、氮化硼、氮化鈦、碳化鈦、氧化鈦、氮氧化硅鋁、滑石(硅酸鎂)、氧化鋁(礬土)和二氧化鋯(氧化鋯，其可以若干不同形式，或在可賦予相變增韌的亞穩結構中 是化學穩定的，諸如不易破碎的部分穩定的氧化鋯)。同樣，合適的金屬間化合物可包括FeAl、Fe₃Al、FeAl₃、FeCo、Cu₃Al、NiTi、NiAl、Ni₃Al、Ag₃Sn、Cu₃Sn、TiSi₂、MgCu₂、MgZn₂、MgNi₂、CuZn、Cu₃₁Sn₈、SbSn以及含有三個或更多個元素的其他化合物。也可使用低成本稀土元素的化合物，諸如Ce和La。在所述過程期間可單獨地或共同地添加產生增強顆粒的前體，這取決于需求。值得注意的是，前體實現兩件事情：第一，其提供增強相顆粒可生長的成核位點，以及第二，其提供可給增強相生長進料的元素。如此，它們可(或不可)由單一組合物制成。此外，可對它們進行涂覆(如下所述)以使外部組合物不同于受各種增強相的生長控制的芯的組合物。

在一個優選形式中，導致在成核位點形成增強相的活化包括通過將塊體合金的溫度升高到高于其固相線溫度來催化一種或多種前體。一旦前體被催化，所得的增強相避免在液態熔融物存在下通過其相對高的熔融溫度并結合在常見的鋁和鎂模鑄合金的液相線溫度T_L左右或高于該液相線溫度T_L的溫度下發生的成核而復原。實際上，這些增強相(優選地呈顆粒形式)事實上可在相當寬的溫度范圍內(例如，在約200℃至800℃之間)成核，這取決于其中發生成核的溶液，以及增強相的尺寸。例如，半徑較小的顆粒因其高表面能在較低的熔融溫度下形成。在其中預期使用基于鋁的材料的情況中，本發明人認為約500℃至800℃的活化溫度范圍是足夠的，而約425℃至700℃的活化溫度范圍適于基于鎂的材料。在本發明的上下文中，人們期望在典型鑄造合金的液相線溫度T_L左右發生成核，典型鑄造合金的示例在下表中示出。

由于增強相的高熔點，增強相的正確選擇將確保所述增強相即使在非常熱的塊體合金內也保持固態。例如，一種典型的增強氧化物顆粒即二氧化鈦TiO₂的熔融溫度為1843℃或3350°F。如本領域技術人員所理解的，液相線溫度T_L和固相線溫度Ts諸如在上表中所示的那些基于相圖是材料組合物的函數。因此，鋁的良好固相線溫度Ts溫度范圍將在約500℃和700℃之間，而期望的液相線溫度T_L范圍將在約550℃和750℃之間。同樣地，鎂合金的優選固相線溫度TS范圍將在約425℃和600℃之間，相應的液相線溫度T_L范圍將在約550℃至700℃之間。

此外，通過本文中討論的催化步驟對前體的活化通過減少的界面能改善了可潤濕性；這繼而產生所期望增強相的改善。因此，除了控制增強相的尺寸之外，前體可以涂覆(特別是在呈陶瓷形式時)有通常具有低熔點的金屬，或通過機械研磨以及將它們混合在溶劑中然后干燥得到的化合物顆粒。溶劑或載體(其可以保留或在處理之后去除)可用于通過幫助減少顆粒表面之間的界面能來改善轉化過程的效率或效力，以及避免顆粒群集。該溶劑或載體可以是有機或無機化學品諸如醇、氯化溶劑或市售的工業溶劑，以及固態潤滑劑諸如氮化硼粉末、二硫化鉬(MbS₂)粉末等。

與本發明的復合材料生成途徑一起使用擠壓鑄造或SSM成形的一個顯著益處是，可使用鋁或鎂鑄造合金的非傳統組合物，包括具有顯著非共晶組合物的那些非傳統組合物，其雖然具有對發動機缸體和相關汽車部件來說有價值的屬性，但部分由于將此類合金鑄造為可重復的高品質成品具有的難度，迄今都被避免使用。同樣，傳統上與鍛造材料(諸如鋁-銅、鋁-鎂(具有或不具有附加合金成分))相關聯的合金可以與本發明一起使用，從而將可用材料的范圍擴展到迄今被視為不適用于低成本大批量部件制造的那些材料。以舉例的方式，過共晶合金390傳統上難以使用，因為其不能維持所期望的微觀結構作為在鑄造過程期間控制初晶硅尺寸和分布 的一種方式。通過減少與初晶硅形成相關聯的高熔化熱的影響，本文所討論的原位復合材料形成與擠壓鑄造或液態鍛造的組合避免了傳統的循環時間長和伴隨的工具壽命縮短，這些因素先前限制這種(以及其他)合金的適用性。使用難鑄造合金(諸如來自鋁/銅類合金)的可能性在形成發動機缸體100中是特別期望的，因為限定在該發動機缸體100中的缸鏜可以在不需要單獨的鐵基氣缸套或其他插入件的“裸孔”配置中產生。此外，本公開的受讓人當前為發動機缸體使用的傳統亞共晶合金(諸如合金319和356，各自均有大約6％至7％的Si)以及近共晶合金(如合金380，具有大約9％的Si)可以與本文公開的方法有利地一起使用。

應當注意，類似“優選地”、“常常”和“通常”的術語在本文不用于限制受權利要求書保護的本發明的范圍，或也并非意指某些特征對于受權利要求書保護的本發明的結構或功能是關鍵的、基本的或甚至重要的。相反，這些術語僅僅旨在用來突出可以用于或可以不用于本發明的具體實施例中的另選或另外的特征。此外，術語“基本上”在本文用于表示可歸因于任何定量比較、數值、測量值或其他表示的不確定性的固有程度。如此，其表示定量表示可以與規定參考值有差異而不會導致討論中主題基本功能產生變化的程度。

由于已經參照具體實施例詳細描述了本發明，因此顯而易見的是，在不脫離由所附權利要求所限定的本發明范圍的情況下，可以對本發明進行修改和變型。更具體地，雖然本發明的一些方面在本文中被認為是優選的或特別有利的，但是應當預期到，本發明不必局限于本發明的這些優選方面。