特許 7507543 銅、リチウム、及び少なくとも１種のアルカリ土類金属又は希土類金属の添加物を含むアルミニウム合金、及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-20

(45)【発行日】2024-06-28

(54)【発明の名称】銅、リチウム、及び少なくとも１種のアルカリ土類金属又は希土類金属の添加物を含むアルミニウム合金、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 21/12 20060101AFI20240621BHJP

   C22F 1/057 20060101ALI20240621BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20240621BHJP

【ＦＩ】

C22C21/12

C22F1/057

C22F1/00 611

C22F1/00 624

C22F1/00 630M

C22F1/00 631A

C22F1/00 683

C22F1/00 685Z

C22F1/00 691B

C22F1/00 691C

C22F1/00 694A

C22F1/00 694B

【請求項の数】 18

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018073627

(22)【出願日】2018-04-06

(65)【公開番号】P2018204099

(43)【公開日】2018-12-27

【審査請求日】2021-04-06

(31)【優先権主張番号】15/484,288

(32)【優先日】2017-04-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】マン， オースティン イー．

(72)【発明者】

【氏名】ベイカー， アンドリュー エイチ．

(72)【発明者】

【氏名】ミシュラ， ラジーヴ

(72)【発明者】

【氏名】パラニヴェル， シヴァネシュ

【審査官】鈴木 葉子

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－１５８８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２１８９３５０（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４４５１２７２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０９－１１１４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０５３９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００４－５０５１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２６３４７０６（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２８２８０８５（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／１１７７０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２２３０８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ２１／００－２１／１８

Ｃ２２Ｆ １／０４－ １／０５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１．８から５．６重量パーセントの銅と、
０．６から２．６重量パーセントのリチウムと、
０．１３重量パーセントまでのランタン；及び
１．５重量パーセントまでのストロンチウム；
のうち少なくとも１種と、
合計で６．０重量パーセントまでの元素であって、
（ｉ）０．０５～０．７重量パーセントの銀、
（ｉｉ）０．０７～０．１５重量パーセントのチタン、
（ｉｉｉ）任意選択的に、
０．２０重量パーセントまでのケイ素、
０．３０重量パーセントまでの鉄、
０．６重量パーセントまでのマンガン、
１．９重量パーセントまでのマグネシウム、
０．１０重量パーセントまでのクロム、
１．０重量パーセントまでの亜鉛、
０．１６重量パーセントまでのジルコニウム、及び
それぞれ０．０５重量パーセントまでのニッケル、ガリウム又はバナジウム
のうちの１種又は複数種、並びに
（ｉｖ）不純物
からなる元素と、
残部のアルミニウムと、
からなる、アルミニウム合金。

【請求項2】

０．０５～０．２０重量パーセントのケイ素を含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。

【請求項3】

０．０７～０．３０重量パーセントの鉄を含む、請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。

【請求項4】

０．０３～０．６重量パーセントのマンガンを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項5】

０．０５～１．９重量パーセントのマグネシウムを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項6】

０．１０重量パーセントまでの非ゼロ量のクロムを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項7】

０．０３～１．０重量パーセントの亜鉛を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項8】

０．０４～０．１６重量パーセントのジルコニウムを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項9】

それぞれ０．０５重量パーセントまでのニッケル、ガリウム又はバナジウムを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項10】

０．０５～１．９重量パーセントのマグネシウムと、
０．０４～０．１６重量パーセントのジルコニウムとを含む、
請求項１から９のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項11】

前記ストロンチウムを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項12】

前記ランタンを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項13】

０．０５～１．９重量パーセントのマグネシウムと、
０．０４～０．１６重量パーセントのジルコニウムと、
０．０３～０．６重量パーセントのマンガンと、
０．０３～１．０重量パーセントの亜鉛と、
を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項14】

０．０５～０．２０重量パーセントのケイ素と、
０．０７～０．３０重量パーセントの鉄と、
０．０３～０．６重量パーセントのマンガンと、
０．０５～１．９重量パーセントのマグネシウムと、
０．１０重量パーセントまでのクロムと、
０．０３～１．０重量パーセントの亜鉛と、
０．０４～０．１６重量パーセントのジルコニウムと、
を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項15】

請求項１から１４のいずれか一項に記載のアルミニウム合金を製造するための方法であって、
開始材料を量り分ける工程と、
前記開始材料を坩堝に充填する工程と、
前記坩堝をチャンバに挿入する工程と、
前記チャンバを所定の真空レベルまで排気する工程と、
前記開始材料を溶融させて溶融塊を形成する工程と、
前記溶融塊を鋳型に流し込む工程と
を含む方法。

【請求項16】

前記所定の真空レベルは最大６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）であり、前記チャンバは不活性ガスで再充填される、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記溶融塊が鋳型に流し込まれ、
前記溶融塊が冷却されて固体塊を形成し、
前記固体塊が均質化及び水中急冷されて鋳塊をもたらし、
前記鋳塊が面削及び熱間圧延され、
前記鋳塊に溶体化処理、冷間圧延、及び延伸のうち少なくとも１つが施され、
前記鋳塊にエイジングが施される、
請求項１５又は１６に記載の方法。

【請求項18】

量り分けることは、前記ランタン及び前記ストロンチウムのうち少なくとも１種の供給源としてミッシュメタルを量り分けることを含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、アルミニウム合金に関し、より具体的には、銅、リチウム、及び少なくとも１種のアルカリ土類金属又は希土類金属の添加物を含むアルミニウム合金に関する。

【背景技術】

【0002】

摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）は、対向する２つの被加工物を、当該被加工物の材料を溶融することなく非消耗ツールを用いて接合する固相接合プロセスである。摩擦攪拌接合は、分類上は固相接合プロセスであるが、通常、多くのアルミニウム合金の主要な強化相を粗大化させ、溶解さえさせるほどの入熱を発生する。主な析出物の粗大化及び溶解により、最終的には、典型的なＷ字形状の硬度分布（ｈａｒｄｎｅｓｓ ｐｒｏｆｉｌｅ）によって表されることが多い接合部全体の強度の相当な低下がもたらされる。

【0003】

したがって、当業者はアルミニウム合金の分野における研究開発の努力を続けている。

【発明の概要】

【0004】

一実施形態では、開示されるアルミニウム合金は、アルミニウムと、約１．８から約５．６重量パーセントの銅と、約０．６から約２．６重量パーセントのリチウムと、約１．５重量パーセントまでのランタン、約１．５重量パーセントまでのストロンチウム、約１．５重量パーセントまでのセリウム、及び約１．５重量パーセントまでのプラセオジムのうち少なくとも１種とを含む。

【0005】

別の実施形態では、開示されるアルミニウム合金は、アルミニウムと、約１．８から約５．６重量パーセントの銅と、約０．６から約２．６重量パーセントのリチウムと、それぞれ約１．５重量パーセントまでの非ゼロ量のランタン、ストロンチウム、セリウム、及びプラセオジムのうち少なくとも１種と、約１．９重量パーセントまでの非ゼロ量のマグネシウムと、約０．１６重量パーセントまでの非ゼロ量のジルコニウムと、約０．７重量パーセントまでの非ゼロ量の銀とを含む。

【0006】

さらに別の実施形態では、開示されるアルミニウム合金は、アルミニウムと、約１．８から約５．６重量パーセントの銅と、約０．６から約２．６重量パーセントのリチウムと、それぞれ約１．５重量パーセントまでの非ゼロ量のランタン、ストロンチウム、セリウム及びプラセオジムのうち少なくとも１種と、約１．９重量パーセントまでの非ゼロ量のマグネシウムと、約０．１６重量パーセントまでの非ゼロ量のジルコニウムと、約０．７重量パーセントまでの非ゼロ量の銀と、約０．６重量パーセントまでの非ゼロ量のマンガンと、約１．０重量パーセントまでの非ゼロ量の亜鉛と、約０．１５重量パーセントまでの非ゼロ量のチタンとを含む。

【0007】

一実施形態では、アルミニウム合金を製造するための開示される方法は、（１）アルミニウムと、約１．８から約５．６重量パーセントの銅と、約０．６から約２．６重量パーセントのリチウムと、約１．５重量パーセントまでのランタン、約１．５重量パーセントまでのストロンチウム、約１．５重量パーセントまでのセリウム、及び約１．５重量パーセントまでのプラセオジムのうち少なくとも１種とを含む材料の塊を得るように開始材料を量り分ける工程、（２）材料を坩堝に充填する工程、（３）坩堝をチャンバに挿入する工程、（４）チャンバを所定の真空レベルまで排気する工程、（５）材料を溶融させて溶融塊を形成する工程、及び（６）溶融塊を鋳型に流し込む工程を含む。

【0008】

開示されるアルミニウム合金組成物及び方法の他の実施形態は、以下の詳細な説明、添付の図面及び特許請求の範囲により明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】航空機の製造及び保守方法のフロー図である。

【図2】航空機のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）、他の希土類金属又はアルカリ土類金属、他のランタノイド、及びミッシュメタルの形態の希土類金属を、アルミニウム合金に従来用いられる種々の他の元素と共に添加することにより改善されたアルミニウム合金が開示される。例えば、アルミニウム協会（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）により登録された２ｘｘｘシリーズのＡｌ－Ｃｕ－Ｌｉ合金のうちのアルミニウム合金は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｒ、Ｐｒ、他の希土類金属又はアルカリ土類金属、及びミッシュメタルの形態の希土類鉱石を添加することにより改善されてきた。開示されるアルミニウム合金は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）プロセスに対して材料の動的応答を生じるように設計される。いかなる特定の理論にも限定されるものではないが、これら添加元素は、下記のように、開示されるアルミニウム合金の特性を改善する３つの主な熱力学的及び物理的基準を有していると考えられる。

【0011】

Ｔ１相（Ａｌ－Ｃｕ－Ｌｉ系の主な強化相）は、核生成の格子歪部位にとって有利に働く。したがって、これら添加元素により生じるミスフィットひずみの程度が大きいことで、Ｔ１相の核生成が促進される。併せて、本明細書に記載する基準により、ＦＳＷプロセス中のＴ１相の核生成及びそれに続く再析出の理想的なシナリオが生み出される。結果として、溶接ゾーンの強度及びその他固有の材料特性が著しく改善するという効果が得られうる。最後に、添加元素によって、溶接ゾーン全体にわたり通常観測される強度の相当な低下が解消されうる。これによって、より重要な設計空間において実装でき、且つ所望の効率的な作製プロセス（例えばＦＳＷ）に対してより適合しうる新たな等級のアルミニウム合金が得られうる。

【0012】

開示されるアルミニウム合金の一般的な実施例は、表１に示す組成を有する。

【0013】

【0014】

このように、表１のアルミニウム合金は、約１．８から約５．６重量パーセントの銅と、約０．６から約２．６重量パーセントのリチウムと、約１．５重量パーセントまでの非ゼロ量のランタン、ストロンチウム、セリウム、及びプラセオジムのうち少なくとも１種とを含み、ランタン、ストロンチウム、セリウム、及びプラセオジムのうち少なくとも１種の各々は、約１．５重量パーセントまでの非ゼロ量で存在してよく、残部はほぼアルミニウムである。Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、及びＰｒのうち少なくとも１種は、ミッシュメタルに由来しうる。ミッシュメタルは希土類金属鉱石の混合物であり、通常、主としてＣｅ及びＬａと、少量のＰｒ、Ｓｒ、及びネオジム（Ｎｄ）とを含むが、他のランタノイドも含有しうる。したがって、開示されるアルミニウム合金には低濃度の他のランタノイドも存在しうる。

【0015】

第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．２０重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０５から約０．２０重量パーセントのケイ素をさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．３０重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０７から約０．３０重量パーセントの鉄をさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．６重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０３から約０．６重量パーセントのマンガンをさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約１．９重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０５から約１．９重量パーセントのマグネシウムをさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．１０重量パーセントまでの非ゼロ量のクロムをさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約１．０重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０３から約１．０重量パーセントの亜鉛をさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．１５重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０７から約０．１５重量パーセントのチタンをさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．７重量パーセントまでの非ゼロ量の、又は約０．０５から約０．７重量パーセントの銀をさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、約０．１６重量パーセントまで非ゼロ量の、又は約０．０４から約０．１６重量パーセントのジルコニウムをさらに含みうる。第１の実施形態のアルミニウム合金は、ニッケル、ガリウム、及びバナジウムのうち少なくとも１種を、それぞれ約０．０５重量パーセントまでの非ゼロ量でさらに含みうる。

【0016】

当業者であれば、第１の実施形態のアルミニウム合金の物理的特性に実質的に影響を与えない種々の不純物も存在しうること、及び、そのような不純物の存在によって本開示の範囲から逸脱することはないことを理解するであろう。

【0017】

開示されるアルミニウム合金の別の一般的な実施例は、表２に示す組成を有する。

【0018】

【0019】

表２のアルミニウム合金は列挙した元素を含み、残部は、アルミニウムであるか又は種々の不純物を伴ってほぼアルミニウムである。表２の一般的な実施例では、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、及びＰｒのうち少なくとも１種が非ゼロ量で存在しなければならない。

【0020】

開示されるアルミニウム合金の非限定的な特定の一実施例は、表３に示す組成を有する。

【0021】

【0022】

開示されるアルミニウム合金の別の非限定的な特定の実施例は、表４に示す組成を有する。

【0023】

【0024】

開示されるアルミニウム合金のさらに別の非限定的な特定の実施例は、表５に示す組成を有する。

【0025】

【0026】

開示されるアルミニウム合金は、多種多様な技術により製造することができる。開示されるアルミニウム合金を製造するための一方法は、（１）約１．８から約５．６重量パーセントの銅と、約０．６から約２．６重量パーセントのリチウムと、それぞれ約１．５重量パーセントまでの非ゼロ量のランタン、ストロンチウム、セリウム、及びプラセオジムのうち少なくとも１種と、アルミニウムとを含むアルミニウム合金の組成範囲内で材料の塊を得るように開始材料を量り分ける工程、（２）坩堝に材料を充填する工程、（３）坩堝をチャンバに挿入する工程、（４）チャンバを所定の真空レベルまで排気する工程であって、チャンバは任意選択的に不活性ガスで再充填されてもよい、チャンバを排気する工程、（５）材料を溶融させて溶融塊を形成する工程、及び（６）溶融塊を鋳型に流し込む工程を含む。溶融塊は鋳型に流し込まれると冷却されて固体塊を形成し、当該固体塊は均質化及び水中急冷されて鋳塊をもたらし、当該鋳塊は面削及び熱間圧延され、当該鋳塊は溶体化処理及び水中急冷され、冷間圧延又は延伸され、人工的にエイジング又は自然にエイジングされて、アルミニウム合金をもたらす。

【0027】

開始材料を量り分ける工程は、それぞれ約１．５重量パーセントまでの非ゼロ量のランタン、ストロンチウム、セリウム、及びプラセオジムのうち少なくとも１種の供給源としてミッシュメタルを使用することを含みうる。ミッシュメタルは、希土類金属鉱石の混合物であり、通常、主としてＣｅ及びＬａと、少量のＰｒ、Ｓｒ、及びＮｄとを含むが、他のランタノイドも含有しうる。ミッシュメタルは、コスト低減のために本発明で使用されうる費用効率の高い希土類元素である。希土類元素は、希土類元素の分離工程がコストの多くを占めるため、比較的高価である。ミッシュメタルを利用することにより分離工程が回避され、したがって最終製品は同様の効果を発揮しつつもより安価となる。

【0028】

開示される方法の非限定的な特定の一実施例では、装入材料が量り分けられ、黒鉛の坩堝に充填される。次いで、チャンバが約０．０５Ｔｏｒｒを下回る真空レベルまで排気され、約７６０Ｔｏｒｒの分圧まで不活性ガス（例えば、アルゴン）で再充填される。装入物は溶融され、黒鉛の鋳型に流し込まれ、そして空冷される。鋳放しの鋳塊は次いで、華氏約８４０度で約２４時間均質化され、水中急冷されうる。鋳塊は次いで、厚みに対して面削され、華氏約９００度で熱間圧延されうる。鋳塊は次いで、華氏９５０度で約１時間溶体化処理され、水中急冷される。最後に、鋳塊は約５％の圧下率で冷間圧延され、人工的にエイジングされる。鋳塊は華氏約３１０度で約３２時間人工的にエイジングされ、本発明のアルミニウム合金がもたらされる。

【0029】

本開示の実施例は、図１に示す航空機の製造及び保守方法１００、及び図２に示す航空機１０２の観点から記載することができる。製造前の段階では、航空機の製造及び保守方法１００は、例えば、航空機１０２の仕様及び設計１０４並びに材料の調達１０６を含む。製造段階では、航空機１０２の構成要素／サブアセンブリの製造１０８及びシステム統合１１０が行われる。その後、航空機１０２は認可及び納品１１２を経て運航１１４に供されうる。顧客により運航される期間中、航空機１０２には、改変、再構成、改修等も含みうる定期的な整備及び保守１１６が予定される。

【0030】

方法１００の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実行又は実施されうる。本明細書において、システムインテグレータは、限定しないが、任意の数の航空機製造業者及び主要システムの下請業者を含み、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含み、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関等でありうる。

【0031】

図２に示すように、例示的方法１００により製造された航空機１０２は、例えば、複数のシステム１２０及び内装１２２を有する機体１１８を含む。複数のシステム１２０の例には、推進システム１２４、電気システム１２６、液圧システム１２８、及び環境システム１３０の一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれていてもよい。

【0032】

開示されるアルミニウム合金組成物及び当該組成物から形成される物品は、航空機の製造及び保守方法１００の段階のうち任意の一又は複数の段階で採用されうる。一実施例として、構成要素／サブアセンブリの製造１０８、システム統合１１０、及び／又は整備及び保守１１６に対応する構成要素又はサブアセンブリは、開示されるアルミニウム合金組成物を用いて作製又は製造されうる。別の実施例として、機体１１８は開示されるアルミニウム合金組成物を用いて組み立てられうる。また、一又は複数の装置の実施例、方法の実施例、又はこれらの組み合わせは、例えば、機体１１８及び／又は内装１２２のような航空機１０２の組み立てを実質的に効率化するか、又は航空機１０２のコストを低減することにより、構成要素／サブアセンブリの製造１０８及び／又はシステム統合１１０の最中に利用されうる。同様に、システムの実施例、方法の実施例、又はこれらの組み合わせのうちの一又は複数は、例えば、限定するものではないが、航空機１０２の運航中に整備及び保守１１６に対して利用されうる。

【0033】

開示されるアルミニウム合金組成物及び当該組成物から形成される物品を、航空機の観点から記載したが、当業者であれば、開示されるアルミニウム合金組成物及び当該組成物から形成される物品は多種多様な用途で利用できることを容易に認識するであろう。例えば、開示されるアルミニウム合金組成物及び当該組成物から形成される物品は、例えば、ヘリコプター、旅客船、自動車、海洋製品（ボート、モーター等）等の様々な種類のビークル（乗り物）において実装することができる。

【0034】

開示されるアルミニウム合金組成物及び当該組成物から形成される物品の様々な実施形態を図示及び記載してきたが、当業者であれば本明細書を読むことにより変更例に想到するであろう。本出願は、そのような変更例を含み、また特許請求の範囲によってのみ限定される。

【図1】

【図2】