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特開2023-51760熱交換器などの熱伝導部品を製造するためのアルミニウム－ニッケル合金
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023051760
(43)【公開日】2023-04-11
(54)【発明の名称】熱交換器などの熱伝導部品を製造するためのアルミニウム－ニッケル合金
(51)【国際特許分類】
C22C 21/00 20060101AFI20230404BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20230404BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20230404BHJP
【ＦＩ】
C22C21/00 N
B22F10/28
B22F1/00 N
C22C21/00 J
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022132442
(22)【出願日】2022-08-23
(31)【優先権主張番号】21200292
(32)【優先日】2021-09-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(71)【出願人】
【識別番号】510294128
【氏名又は名称】エアバス エスアーエス
(74)【代理人】
【識別番号】100121382
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 託嗣
(72)【発明者】
【氏名】ダービッド シンベック
【テーマコード（参考）】
4K018
【Ｆターム（参考）】
4K018AA15
4K018BA08
4K018CA44
4K018EA51
4K018KA23
(57)【要約】
【課題】熱交換器など、軽量で高熱伝導性の航空機用部品の積層造形に適しているアルミニウム合金を提供する。
【解決手段】本発明は、アルミニウム、ニッケル、スカンジウム、および任意に１つ、２つまたはそれ以上のさらなる金属からなる合金に関する。第１のステップでは、本発明によるアルミニウム合金の粉末が、レーザー粉末床溶融結合(Ｌ－ＰＢＦ; Laser Powder Bed Fusion）プロセスにおけるレーザー溶融などの積層造形法（AM技術；additive manufacturing)によって製造される。大きな粒子はビルド方向に沿ってエピタキシャル成長することができるため、ビルド方向に沿ったフォノンと電子の移動度が増加する。これにより、より高い熱伝導率を実現することができる。第２のステップでは、２５０℃から４００℃で二次相を析出させることにより、予備的な部品を硬化させて硬化された部品を形成する。熱伝導率の高い３Ｄプリント軽量部品が得られる。
【選択図】なし
【解決手段】本発明は、アルミニウム、ニッケル、スカンジウム、および任意に１つ、２つまたはそれ以上のさらなる金属からなる合金に関する。第１のステップでは、本発明によるアルミニウム合金の粉末が、レーザー粉末床溶融結合(Ｌ－ＰＢＦ; Laser Powder Bed Fusion）プロセスにおけるレーザー溶融などの積層造形法（AM技術；additive manufacturing)によって製造される。大きな粒子はビルド方向に沿ってエピタキシャル成長することができるため、ビルド方向に沿ったフォノンと電子の移動度が増加する。これにより、より高い熱伝導率を実現することができる。第２のステップでは、２５０℃から４００℃で二次相を析出させることにより、予備的な部品を硬化させて硬化された部品を形成する。熱伝導率の高い３Ｄプリント軽量部品が得られる。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミニウム（Ａｌ）合金であって、
０．１重量％～５．５重量％の割合のニッケル（Ｎｉ）と、
残量のＡｌと、トータルで０．５重量％未満の不可避的な不純物と、
任意選択的な、０．１重量％～３．０重量％の割合のスカンジウム（Ｓｃ）と、
任意選択的な、Ｓｃを補完または置換するのに適した少なくとも一つの第１の追加合金元素であって、個々の第１の追加合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第１の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）からなる群より選択される少なくとも一つの第２の追加合金元素であって、個々の第２の追加合金元素の個々の割合が３．０重量％を超えず、好ましくは２．０重量％を超えず、第２の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、およびカルシウム（Ｃａ）からなる群から選択される少なくとも一つの第３の追加合金元素であって、個々の第３の追加の合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第３の追加合金元素のトータルの割合は３．０重量％を超えないものと、からなるアルミニウム（Ａｌ）合金。
０．１重量％～５．５重量％の割合のニッケル（Ｎｉ）と、
残量のＡｌと、トータルで０．５重量％未満の不可避的な不純物と、
任意選択的な、０．１重量％～３．０重量％の割合のスカンジウム（Ｓｃ）と、
任意選択的な、Ｓｃを補完または置換するのに適した少なくとも一つの第１の追加合金元素であって、個々の第１の追加合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第１の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）からなる群より選択される少なくとも一つの第２の追加合金元素であって、個々の第２の追加合金元素の個々の割合が３．０重量％を超えず、好ましくは２．０重量％を超えず、第２の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、およびカルシウム（Ｃａ）からなる群から選択される少なくとも一つの第３の追加合金元素であって、個々の第３の追加の合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第３の追加合金元素のトータルの割合は３．０重量％を超えないものと、からなるアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項2】
Ｎｉの割合が、０．３重量％～５．５重量％、より好ましくは０．５重量％～５．５重量％、より好ましくは０．６重量％～５．５重量％、より好ましくは１．０重量％～５．５重量％、より好ましくは２．０重量％超で５．５重量％まで、より好ましくは２．１重量％～５．５重量％、より好ましくは２．５重量％～５．５重量％、より好ましくは２．５重量％超で５．５重量％まで、より好ましくは２．６重量％～５．５重量％、より好ましくは２．６重量％～５．０重量％、より好ましくは２．６重量％～４．０重量％である、請求項１に記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項3】
Ｓｃの割合が、０．１重量％～１．５重量％、より好ましくは０．１重量％～１．０重量％、より好ましくは０．１重量％～０．８重量％、より好ましくは０．１重量％～０．７重量％、より好ましくは０．１重量％～０．６０重量％、より好ましくは０．１重量％～０．５５重量％未満、より好ましくは０．１重量％～０．５０重量％である、請求項１または２に記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項4】
合金がＡｌ、Ｎｉ、及びＳｃからなり、
Ｎｉの割合が０．３重量％～５．５重量％であり、Ｓｃの割合が０．１重量％～１．５重量％の割合を有し、
好ましくは、Ｎｉの割合が０．６重量％～５．５重量％であって、Ｓｃの割合が０．１重量％～０．７重量％であり、より好ましくは、Ｎｉの割合が１．０重量％～５．５重量％であって、Ｓｃの割合が０．１重量％～０．７重量％であり、より好ましくは、Ｎｉの割合が２．０重量％よりも大きく５．５重量％までであって、Ｓｃの割合が０．１重量％～０．７重量％である、請求項２または３に記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
Ｎｉの割合が０．３重量％～５．５重量％であり、Ｓｃの割合が０．１重量％～１．５重量％の割合を有し、
好ましくは、Ｎｉの割合が０．６重量％～５．５重量％であって、Ｓｃの割合が０．１重量％～０．７重量％であり、より好ましくは、Ｎｉの割合が１．０重量％～５．５重量％であって、Ｓｃの割合が０．１重量％～０．７重量％であり、より好ましくは、Ｎｉの割合が２．０重量％よりも大きく５．５重量％までであって、Ｓｃの割合が０．１重量％～０．７重量％である、請求項２または３に記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項5】
第１の追加合金元素が、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、及びエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択される、請求項１～４のいずれかに記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項6】
個々の第１の追加合金元素の個々の割合が、０．１重量％～１．０重量％、より好ましくは０．１重量％～０．７重量％、より好ましくは０．１重量％～０．６０重量％、より好ましくは０．１重量％～０．５５重量％、より好ましくは０．１重量％～０．５０重量％である、請求項１～５のいずれかに記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項7】
Ｚｒが選択され、Ｚｒの個々の割合が０．３重量％未満である、請求項５または６に記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項8】
Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、及び／またはＣａを含まない、請求項１～７のいずれかに記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項9】
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＣａからなり、Ｃａの割合が０．５重量％～５重量％であるか、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＣｒからなり、Ｃｒの割合が、０．２重量％～３重量％、好ましくは０．５重量％～２．７重量％であるか、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＺｒからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～１重量％、好ましくは０．１重量％～０．５重量％、より好ましくは０．１重量％～０．２重量％であり、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、及びＣａからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量であり、Ｃａの割合が０．５重量％～５重量％であり、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、及びＣｒからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量％であり、Ｃｒの割合が、０．２重量％～３重量％、好ましくは０．５重量％～２．７重量％である、請求項１～７のいずれかに記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＣｒからなり、Ｃｒの割合が、０．２重量％～３重量％、好ましくは０．５重量％～２．７重量％であるか、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＺｒからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～１重量％、好ましくは０．１重量％～０．５重量％、より好ましくは０．１重量％～０．２重量％であり、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、及びＣａからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量であり、Ｃａの割合が０．５重量％～５重量％であり、または、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、及びＣｒからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量％であり、Ｃｒの割合が、０．２重量％～３重量％、好ましくは０．５重量％～２．７重量％である、請求項１～７のいずれかに記載のアルミニウム（Ａｌ）合金。
【請求項10】
予備的な部品、好ましくは予備熱交換器などの熱伝導予備部品を製造する積層造形法であって、
ａ）請求項１～９のいずれかに記載の合金で作られた金属粉末を含む粉末層、またはこのような金属粉末からなる粉末層から、粉末床を形成することと、
ｂ）粉末床および／または粉末層を、２００℃から金属粉末の融点未満の温度まで、好ましくは２００℃から４００℃まで全体的に加熱しつつ、粉末層を局部的に溶融させた直後に固化が行われることと、
ｃ）予備的な部品が仕上げられていない場合、前の粉末層の上に別の粉末層を追加し、予備的な部品が仕上げられまでｂ）およびｃ）のステップを繰り返すことと、を含む積層造形法。
ａ）請求項１～９のいずれかに記載の合金で作られた金属粉末を含む粉末層、またはこのような金属粉末からなる粉末層から、粉末床を形成することと、
ｂ）粉末床および／または粉末層を、２００℃から金属粉末の融点未満の温度まで、好ましくは２００℃から４００℃まで全体的に加熱しつつ、粉末層を局部的に溶融させた直後に固化が行われることと、
ｃ）予備的な部品が仕上げられていない場合、前の粉末層の上に別の粉末層を追加し、予備的な部品が仕上げられまでｂ）およびｃ）のステップを繰り返すことと、を含む積層造形法。
【請求項11】
前記粉末床が、エピタキシャル成長を可能にする格子定数を有する単結晶材料で作られたビルドプレートを含み、ステップａ）において、第１の粉末層が前記ビルドプレート上に堆積される、請求項１０に記載の積層造形法。
【請求項12】
前記ビルドプレートは、請求項１～９のいずれかに記載の合金から作られる、請求項１１に記載の積層造形法。
【請求項13】
ステップｂ）において、前記粉末床を全体的に加熱することは、前記ビルドプレートを加熱することによって行われる、請求項１０～１１に記載の積層造形法。
【請求項14】
ｄ）予備的な部品を仕上げた後、予備的な部品を２００℃から４５０℃、好ましくは２１０℃から３００℃、より好ましくは２２５℃から２７５℃の温度に加熱して、析出硬化により、予備的な部品から硬化された部品へと変換されることをさらに含む、請求項１０～１３のいずれかに記載の積層造形法。
【請求項15】
好ましくは航空機用の熱伝導部品または熱交換器であって、
前記熱伝導部品または熱交換器は、請求項１～８のいずれかに記載の合金から作られる部分を含むか、または、
前記熱伝導部品または熱交換器は、請求項９～１３のいずれかに記載の積層造形法によって得ることができる、
熱伝導部品または熱交換器。
前記熱伝導部品または熱交換器は、請求項１～８のいずれかに記載の合金から作られる部分を含むか、または、
前記熱伝導部品または熱交換器は、請求項９～１３のいずれかに記載の積層造形法によって得ることができる、
熱伝導部品または熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アルミニウム合金に関する。本発明は、さらに、アルミニウム合金を用いる積層造形（AM技術；additive manufacturing)の方法、及び、製造された部品（もしくは部分）、好ましくは航空機用の熱交換器などの熱伝導部品（もしくは熱伝導部分）に関する。
【0002】
本開示を通じて、「重量％」という表現は「重量パーセント」を意味することに留意されたい。
【背景技術】
【0003】
DE 10 2007 018 123 B4は、ラピッドプロトタイピング法に適したアルミニウム－スカンジウム（ＡｌＳｃ）合金を開示している。スカンジウムの質量比率は０．４重量％以上である。
【0004】
EP 2 646 587 B1は、アルミニウム－スカンジウム－カルシウム（ＡｌＳｃＣａ）合金を開示しており、これは、低密度による軽量構造と、改善された引張強度とを組み合わせることができる。
【0005】
ドイツ特許出願 10 2020 131 823.5は、出願日に未公開であり、ヨーロッパ特許条約(EPC)54条(2)または(3)によると先行技術を構成するものでないが、アルミニウム－スカンジウム－チタン（ＡｌＳｃＴｉ）合金を開示している。この合金は、レーザー粉末床溶融結合(Ｌ－ＰＢＦ; Laser Powder Bed Fusion）などの積層造形法で示されるように、急速な加熱および冷却のために改良された。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、改善された熱特性および／または強度特性を有する改善された合金を提供することである。
【0007】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、アルミニウム（Ａｌ）合金であって、
０．１重量％から５．５重量％の割合のニッケル（Ｎｉ）と、
残量のＡｌと、トータルで０．５重量％未満の不可避的な不純物と、
任意選択的な、０．１重量％から３．０重量％の割合のスカンジウム（Ｓｃ）と、
任意選択的な、Ｓｃを補完または置換するのに適した少なくとも一つの第１の追加合金元素であって、個々の第１の追加合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第１の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）からなる群より選択される少なくとも一つの第２の追加合金元素であって、個々の第２の追加合金元素の個々の割合が３．０重量％を超えず、好ましくは２．０重量％を超えず、第２の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、およびカルシウム（Ｃａ）からなる群から選択される少なくとも一つの第３の追加合金元素であって、個々の第３の追加の合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第３の追加合金元素のトータルの割合は３．０重量％を超えないものと、からなる。
０．１重量％から５．５重量％の割合のニッケル（Ｎｉ）と、
残量のＡｌと、トータルで０．５重量％未満の不可避的な不純物と、
任意選択的な、０．１重量％から３．０重量％の割合のスカンジウム（Ｓｃ）と、
任意選択的な、Ｓｃを補完または置換するのに適した少なくとも一つの第１の追加合金元素であって、個々の第１の追加合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第１の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）からなる群より選択される少なくとも一つの第２の追加合金元素であって、個々の第２の追加合金元素の個々の割合が３．０重量％を超えず、好ましくは２．０重量％を超えず、第２の追加合金元素のトータルの割合が３．０重量％を超えないものと、
任意選択的な、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、およびカルシウム（Ｃａ）からなる群から選択される少なくとも一つの第３の追加合金元素であって、個々の第３の追加の合金元素の個々の割合が２．０重量％を超えず、第３の追加合金元素のトータルの割合は３．０重量％を超えないものと、からなる。
【発明を実施するための形態】
【0009】
好ましくは、Ｎｉの割合が、０．３重量％～５．５重量％、より好ましくは０．５重量％～５．５重量％、より好ましくは０．６重量％～５．５重量％、より好ましくは１．０重量％～５．５重量％、より好ましくは１．０重量％～５．５重量％、より好ましくは２．０重量％超～５．５重量％、より好ましくは２．１重量％～５．５重量％、より好ましくは２．５重量％～５．５重量％、より好ましくは２．５重量％超～５．５重量％、より好ましくは２．６重量％～５．５重量％、より好ましくは２．６重量％～５．０重量％、より好ましくは２．６重量％～４．０重量％である。
【0010】
好ましくは、Ｓｃの割合が、０．１重量％～１．５重量％、より好ましくは０．１重量％～１．０重量％、より好ましくは０．１重量％～０．８重量％、より好ましくは０．１重量％～０．７重量％、より好ましくは０．１重量％～０．７重量％、０．１重量％～０．６０重量％、より好ましくは０．１重量％～０．５５重量％未満、より好ましくは０．１重量％～０．５０重量％である。
【0011】
好ましくは、第１の追加合金元素は、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、及びエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択される。
【0012】
好ましくは、個々の第１の追加合金元素の個々の割合は、０．１重量％から１．０重量％、より好ましくは０．１重量％から０．７重量％、より好ましくは０．１重量％から０．６０重量％、より好ましくは０．１～０．５５重量％、より好ましくは０．１重量％～０．５０重量％である。
【0013】
好ましくは、Ｚｒが選択され、Ｚｒの個々の割合が、０．３重量％未満、より好ましくは０．２重量％未満である。
【0014】
好ましくは、合金がＺｒを含まない。好ましくは、合金がＴｉを含まない。好ましくは、合金がＭｇを含まない。好ましくは、合金がＣａを含まない。
【0015】
好ましくは、合金は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＣａからなり、Ｃａの割合が０．５重量％～５重量％である。
【0016】
好ましくは、合金は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＣｒからなり、Ｃｒの割合が、０．２重量％～３重量％、好ましくは０．５重量％～２．７重量％である。
【0017】
好ましくは、合金は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、及びＺｒからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量％である。
【0018】
好ましくは、合金は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、およびＣａからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％～０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量％であり、Ｃａの割合が、０．５重量％～５重量％である。
【0019】
好ましくは、合金は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、およびＣｒからなり、Ｚｒの割合が、０．１重量％から０．５重量％、好ましくは０．１重量％～０．２重量％であり、Ｃｒの割合が、０．２重量％～３重量％、好ましくは０．５重量％～２．７重量％である。
【0020】
本発明は、予備的な部品、好ましくは予備熱交換器などの熱伝導予備部品を製造する積層造形法を提供し、この方法は、下記ａ）～ｃ）のステップを含む。
ａ）上記の好ましい合金から作られた金属粉末を含むか、またはこの金属粉末からなる粉末層から、粉末層を形成する。
ｂ）粉末床および／または粉末層を２００℃から金属粉末の融点未満まで、好ましくは２００℃～４００℃までの温度に全体的に加熱しつつ、粉末層を局部的に溶融させ、その直後に固化が行われる。
ｃ）予備的な部品が仕上げられていない場合、前の粉末層の上に別の粉末層を追加し、予備的な部品が仕上げられるまでステップｂ）およびｃ）を繰り返す。
ａ）上記の好ましい合金から作られた金属粉末を含むか、またはこの金属粉末からなる粉末層から、粉末層を形成する。
ｂ）粉末床および／または粉末層を２００℃から金属粉末の融点未満まで、好ましくは２００℃～４００℃までの温度に全体的に加熱しつつ、粉末層を局部的に溶融させ、その直後に固化が行われる。
ｃ）予備的な部品が仕上げられていない場合、前の粉末層の上に別の粉末層を追加し、予備的な部品が仕上げられるまでステップｂ）およびｃ）を繰り返す。
【0021】
好ましくは、粉末床は、エピタキシャル成長を可能にする格子定数を有する単結晶材料で作られたビルドプレート(build plate)を含み、ステップａ）において、第１の粉末層がビルドプレート上に堆積される。好ましくは、単結晶材料がアルミニウム合金である。
【0022】
好ましくは、ビルドプレートが、上述の好ましい合金から作られる。好ましくは、ビルドプレートが単結晶である。好ましくは、単結晶は、その＜１００＞方向が、粉末層が構築される方向と平行になるように配向される。
【0023】
好ましくは、ステップｂ）において、粉体床の全体的な加熱は、ビルドプレートを加熱することによって行われる。
【0024】
好ましくは、上記方法は、さらに以下を含む：
ｄ）予備的な部品を仕上げた後、予備的な部品を２００℃から４５０℃、好ましくは２１０℃から３００℃、より好ましくは２２５℃から２７５℃の温度に加熱して、析出硬化により、予備的な部品から硬化された部品へと変換される。
ｄ）予備的な部品を仕上げた後、予備的な部品を２００℃から４５０℃、好ましくは２１０℃から３００℃、より好ましくは２２５℃から２７５℃の温度に加熱して、析出硬化により、予備的な部品から硬化された部品へと変換される。
【0025】
本発明は、好ましくは航空機用の熱伝導部品または熱交換器を提供する。ここでの熱伝導部品または熱交換器は、上記の好ましい合金から作られる部分を含むか、または、上記の好ましい方法によって取得可能なものである。
【0026】
本発明は、熱交換器に適用する際における改善された熱特性に特に注目した場合であって、同時に十分な強度レベルでの熱交換器に適用する際における場合に、積層造形法の分野における、特定の新しく開発されたＡｌ合金（Ａｌ-ｘＮｉ-ｙＳｃ；ここで、ｘおよびｙは、それぞれの合金元素の重量％を規定する）についての、改良された製造技術を扱う。特には、ゼロエミッション航空機やアーバン・エア・モビリティ(Urban air mobility)機などの将来のモビリティシナリオでは、合金と製造技術のそれぞれにより、熱用途向けの軽量構造を実現できる。
【0027】
現在、積層造形法（AM技術；additive manufacturing)は、エピタキシャル結晶粒成長の抑制を目的とした製造技術である。これは、非エピタキシャル微細構造から進化する等方性材料特性を可能にするためのものである。一方、基本的に結晶粒界密度の低い準単結晶材料を形成する粗い結晶粒は、より優れた熱的特性のために有利である。結晶粒界は通常、いわゆるフォノン(量子力学的アプローチで準粒子(quasi-particles)として記述される格子振動)の障害となる。本発明は、準粒子に対するこれらの障害を減らし、材料の熱伝導率を改善することを目的としている。結晶粒界に隣接する箇所では、固溶体の硬化とインコヒーレントな析出物が、フォノンと電子の散乱を引き起こし、それによってそれらの移動が妨げられる可能性がある。
【0028】
結果として、この目的の矛盾を解決できる新しい合金が必要とされている。本開示の目的は、準単結晶部分の出現を可能にし、それぞれの利点を積層造形法(ＡＭ)プロセスの設計自由度と組み合わせることによって、例えば熱交換器用途のために、少なくとも一方向に沿ってエピタキシャル結晶粒成長を促進することである。
【0029】
熱交換器の材料には、高い熱伝導率が重要であり、特には、将来のモビリティコンセプトに関連する高性能熱交換器では重要である。この材料特性は、材料の微細構造の影響を強く受ける可能性があり、たとえば銅で作られた通常の構造と比較して、最終的に、より軽量な構造が可能になる。
【0030】
本願で想定されるレーザー粉末床溶融結合(Ｌ－ＰＢＦ; Laser Powder Bed Fusion）などの積層造形（AM技術；additive manufacturing)プロセスは、Ｓｉ単結晶を製造するためのゾーン溶融技術と、ある程度、比較可能・同等である。好ましくは、使用される基板プレートは、＜１００＞方向などの有利な結晶成長方向を刺激するための、単結晶Ａｌ合金である。
【0031】
適合されたＡｌ合金は、結晶粒(grain)の微細化を抑制するために、好ましくは、凝固中に高い組成的過冷却(constitutional supercooling)を示さない合金元素のみを含む（例えば、Ａｌ-１Ｎｉ-０．７Ｓｃ）。このことは、製造方向に沿って並外れた結晶粒成長を促進するとともに、準単結晶微細構造を持つ高強度合金を可能にする。
【0032】
全体的な加熱により、方向性凝固が可能になり、ビルド方向に沿った細長い準結晶粒の生成がサポートされる。通常の観念とは対照的に、結晶粒成長制限因子(GRF)は反対の方法で使用される。換言すれば、本発明によれば、結晶粒を特定の方向に沿ってエピタキシャル成長させることが好ましい。したがって、低いＧＲＦを有する元素が好ましい。結晶粒微細化剤として機能する元素は、他の有利な特性に必要な範囲でのみ使用され、高すぎる結晶粒微細化の程度は回避される。
【0033】
さらに、固溶体の硬化(hardening)に起因して合金の強度に寄与する可能性のある元素は避けるべきである。
【0034】
Ａｌ３ＮｉやＡｌ３Ｓｃなどの、一次的な、ナノサイズのコヒーレント析出物の析出は、その結晶粒微細化特性のために避ける必要がある。一次析出物は、初期加熱後の凝固中に現れるものである。
【0035】
Ａｌ３ＮｉまたはＡｌ３Ｓｃなどの、二次的な、ナノサイズのコヒーレント析出物の析出は、好ましい。二次析出物は、熱処理中に発生するものである。
【0036】
一般に、Ａｌ－Ｎｉ合金は、低ＧＲＦを示し、溶接層の全体でエピタキシャル結晶粒成長を引き起こすか、少なくとも可能にする。Ａｌ３Ｎｉのコヒーレントな析出物の形成に起因して、強度の増加が得られうるが、電子またはフォノンの移動への影響は比較的小さい。また、固溶性もほとんどない。凝固温度範囲が小さいと、高温割れを回避するのに有利である。したがって、この合金は、積層造形（AM）に特に適している。積層造形（AM）は、このプロセスに関連して加熱速度と冷却速度が大きい。
【0037】
ナノサイズの析出物の析出硬化により合金強度を高めるために、Ｓｃまたはその補完物または代替物を使用することが好ましい。
【実施例0038】
Ａ）アルミニウム合金の製造方法
＜実施例１: 粉末アルミニウム合金の製造＞
不活性のるつぼの中にて、０．５重量％のＮｉと９９．５重量％のＡｌが溶融される。溶融物は、さらに加工処理の前に、均質化処理がなされうる。
＜実施例１: 粉末アルミニウム合金の製造＞
不活性のるつぼの中にて、０．５重量％のＮｉと９９．５重量％のＡｌが溶融される。溶融物は、さらに加工処理の前に、均質化処理がなされうる。
【0039】
溶融物の第１の部分を別の不活性のるつぼの中に注ぎ、この中で、冷却して固化させる。冷却中に、一次的なＡｌ３Ｎｉ相が析出する。得られた材料は、粉砕されて、粉末床(パウダーベッド；powder bed)における選択的レーザー溶融に使用可能な粉末とされる。
【0040】
溶融物の第２の部分が、溶融紡糸プロセスにて、水で冷却された回転する銅ロールに注がれる。溶融物は、1,000,000Ｋ／ｓの速度で冷却され、ストリップを形成する。このリボンは、短いフレークにカットされる。
【0041】
いずれかまたは両方の冷却プロセスから得られた合金材料は、粉末床における選択的レーザー溶融に使用可能な粉末に粉砕される。
【0042】
＜実施例２: ニッケル含量の異なる粉末アルミニウム合金の製造＞
Ｎｉの割合を、それぞれ０．６重量％、１．０重量％、２．１重量％、２．６重量％、３．０重量％、４．０重量％、５．０重量％、及び５．４５重量％に増加させ、これに応じてＡｌの割合を減少させつつ、上記のプロセスを繰り返す。なお、Ｎｉの割合は、好ましくは、５．５重量％に近づけつつも５．５重量％未満であるように増加させるのであり、これに応じてＡｌの割合が減少する。
Ｎｉの割合を、それぞれ０．６重量％、１．０重量％、２．１重量％、２．６重量％、３．０重量％、４．０重量％、５．０重量％、及び５．４５重量％に増加させ、これに応じてＡｌの割合を減少させつつ、上記のプロセスを繰り返す。なお、Ｎｉの割合は、好ましくは、５．５重量％に近づけつつも５．５重量％未満であるように増加させるのであり、これに応じてＡｌの割合が減少する。
【0043】
＜実施例３: 添加元素としてスカンジウムを含む粉末アルミニウム合金の製造＞
るつぼに、それぞれ０．６重量％、０．７重量％、０．８重量％、１．０重量％、１．２重量％、及び１．５重量％の追加のＳｃを加えて、実施例１または２のプロセスを繰り返す。この際、Ｎｉは一定に保たれ、それに応じてＡｌの割合が減少する。
るつぼに、それぞれ０．６重量％、０．７重量％、０．８重量％、１．０重量％、１．２重量％、及び１．５重量％の追加のＳｃを加えて、実施例１または２のプロセスを繰り返す。この際、Ｎｉは一定に保たれ、それに応じてＡｌの割合が減少する。
【0044】
＜実施例４: スカンジウムを補完または置換する追加元素を含む粉末アルミニウム合金の製造＞
るつぼに、それぞれ０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％、０．４重量％、及び０．５重量％の追加のＺｒを加えて、実施例１、２、または３のプロセスを繰り返す。この際、Ｎｉの含量は一定に保たれ、適用可能ならばＳｃの含量も一定に保たれるのであり、Ｚｒの増加に応じてＡｌの割合が減少する。通常、Ｚｒの代わりに、またはＺｒに加えて、Ｔｉを追加可能である。しかしながら、その結晶粒微細化の特性のゆえに、合金はＴｉを含まないことが好ましい。
るつぼに、それぞれ０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％、０．４重量％、及び０．５重量％の追加のＺｒを加えて、実施例１、２、または３のプロセスを繰り返す。この際、Ｎｉの含量は一定に保たれ、適用可能ならばＳｃの含量も一定に保たれるのであり、Ｚｒの増加に応じてＡｌの割合が減少する。通常、Ｚｒの代わりに、またはＺｒに加えて、Ｔｉを追加可能である。しかしながら、その結晶粒微細化の特性のゆえに、合金はＴｉを含まないことが好ましい。
【0045】
＜実施例５: 追加元素としてマグネシウムおよび／またはカルシウムを含む粉末アルミニウム合金の製造＞
るつぼに、それぞれ０．５重量％、１．０重量％、２．４重量％、及び５．０重量％の追加のＣａまたはＭｇを加えて、実施例１、２、３、または４のプロセスを繰り返す。この際、Ｎｉの含量は一定に保たれ、適用可能ならばＳｃ及びＺｒの含量も一定に保たれるのであり、ＣａまたはＭｇの増加に応じてＡｌの割合が減少する。
るつぼに、それぞれ０．５重量％、１．０重量％、２．４重量％、及び５．０重量％の追加のＣａまたはＭｇを加えて、実施例１、２、３、または４のプロセスを繰り返す。この際、Ｎｉの含量は一定に保たれ、適用可能ならばＳｃ及びＺｒの含量も一定に保たれるのであり、ＣａまたはＭｇの増加に応じてＡｌの割合が減少する。
【0046】
＜実施例６: 種々の金属を追加した粉末アルミニウム合金の製造＞
るつぼに、それぞれ０．５重量％、１．４重量％、１．７重量％、及び２．０重量％の、追加のＶ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ、またはＥｒを加えて、実施例１、２、３、４、または５のプロセスを繰り返す。Ｎｉの含量は一定に保たれ、適用可能ならばＳｃおよびＺｒの含量も一定に保たれるのであり、それに応じてＡｌの割合が減少する。
るつぼに、それぞれ０．５重量％、１．４重量％、１．７重量％、及び２．０重量％の、追加のＶ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｙ、またはＥｒを加えて、実施例１、２、３、４、または５のプロセスを繰り返す。Ｎｉの含量は一定に保たれ、適用可能ならばＳｃおよびＺｒの含量も一定に保たれるのであり、それに応じてＡｌの割合が減少する。
【0047】
Ｂ）熱伝導部品等の部品の製造方法
いずれの場合も、上記の実施例１～６の１つからのアルミニウム合金粉末が、選択的レーザー溶融による積層造形（AM技術；additive manufacturing)のためのシステムに加えられ、粉末床を形成する。粉末床は、上記の実施例１～６の１つによるアルミニウム合金またはアルミニウムの単結晶で作られたビルドプレート(build plate)を含む。単結晶は、その＜１００＞方向が層ごとに形成されるように配向される。
いずれの場合も、上記の実施例１～６の１つからのアルミニウム合金粉末が、選択的レーザー溶融による積層造形（AM技術；additive manufacturing)のためのシステムに加えられ、粉末床を形成する。粉末床は、上記の実施例１～６の１つによるアルミニウム合金またはアルミニウムの単結晶で作られたビルドプレート(build plate)を含む。単結晶は、その＜１００＞方向が層ごとに形成されるように配向される。
【0048】
粉末床が、具体的にはビルドプレートが、２００℃から金属粉末の融点未満の温度に、好ましくは２００℃から４００℃までの温度に加熱される。
【0049】
レーザービームは、デジタル情報に従って粉末床上を移動する。この際、ビルドプレートを含む粉末床が段階的に下降し、新しいパウダー層が適用される。デジタル情報は、熱交換器またはその他の熱伝導部品を描き出すのでありうる。
【0050】
合金は、ビルド方向(build direction; 積層方向)、つまり粉末層に対して垂直に整列した細長い準結晶粒を形成する。スポット状に溶融したアルミニウム合金の冷却は非常に速いため、スカンジウム、ジルコニウム、および／またはチタンは、完全に、または、実質的に、または過半が、固溶体中にて凍結される。このことは、アルミニウム合金の他の組成に関係なく、また、粉末が、通常の冷却で生成されるか、または急速冷却で、たとえば1,000,000Ｋ／秒の速度で生成されるかどうかに関係なく行われる。スキャニングプロセスの完了後、この予備的な部品（もしくは部分）が粉末床から取り除かれる。
【0051】
予備的な部品（もしくは部分）は、２００℃から４５０℃の範囲内、好ましくは２１０℃から３００℃の範囲内、より好ましくは２２５℃から２７５℃の範囲内といった温度に加熱され、この温度にて、種々のＡｌ３Ｘ相（Ｘ＝Ｎｉ、Ｓｃ、Ｚｒ、または、いずれかの、個々の元素の非化学量論的混合物)の析出が生ずる。これらの相の析出は、部品（もしくは部分）の強度を高めるが、電子とフォノンの移動には、比較的小さい影響のみ与える。
【0052】
本発明は、アルミニウム、ニッケル、及びスカンジウムからなるか、これらの金属と、任意選択的な１つ、２つまたはそれ以上のさらなる金属とからなる合金に関する。このアルミニウム合金は、熱交換器など、軽量で高熱伝導性の航空機用コンポーネントを積層造形（AM技術；additive manufacturing)で製造するのに適している。第１のステップでは、本発明によるアルミニウム合金の粉末が、レーザー粉末床溶融結合(Ｌ－ＰＢＦ; Laser Powder Bed Fusion）プロセスでのレーザー溶融といった、積層造形法によって製造される。大きなグレイン（結晶粒）は、ビルド方向に沿ってエピタキシャル成長することができるため、ビルド方向に沿ったフォノンと電子の移動度が増加する。これに伴い、より高い熱伝導率が達成されうる。第２のステップでは、２５０℃から４００℃で二次相を析出させることにより、予備的な部品を硬化させて硬化部品を形成する。熱伝導率の高い３Ｄプリント軽量部品が得られる。