(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）自然酸化物形成層、０．１と４．５ｗｔ％の間の酸化アルミニウム含有量、および３０μｍ未満の粒径分布、０．３から５．０ｍ２／ｇの比表面積を有する、噴霧処理で製造されるアルミニウム粉末を準備する工程；
ｂ）前記アルミニウム粉末を熱間加工し、それによって超微細粒子化母材アルミニウム合金を形成し、前記熱間加工を前記合金の再結晶化温度以下で行なう工程；および
ｃ）前記熱間加工ｂ）と同時に、前記アルミニウム粉末を再分散して前記合金の全体に亘って均一に分散されたアルミナのナノ粒子とする工程；
を含み、
前記合金は本質的に温度に対して直線の最高引張強さを有するナノアルミニウム／アルミナ金属母材複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記超微細母材アルミニウム合金は２００ｎｍの粒径を有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記熱間加工工程は前記合金の溶融点未満の温度でなされる請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記アルミニウム粉末は粉末噴霧製造方法の間に噴射ガスの種類および合金種類に拘わらず、３〜７ｎｍの自然発生酸化物層厚さを有する請求項１記載の方法。
【請求項５】
方法は、噴霧ガスまたは粉末形成に用いられる合金組成に拘わらず、３０μｍ未満および１と２０μｍ間でｄ５０の、１００％粉末の粒径分布（ＰＳＤ）を持つ噴霧アルミニウ
ム粉末を利用する請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記方法はメカニカルアロイングを含んでいない請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記熱間加工は、３５０〜５００℃の温度範囲に亘る押出成形を含む請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にアルミニウム合金の技術に関する。もっと具体的に言えば、本発明は粉末冶金技術の使用に向け、高温でさえも高性能特性を維持するアルミニウム複合合金を形成する。本発明は、前記アルミニウム合金内に取込まれる粒子状物質に適用されるナノ技術の使用によってこれを達成する。結果として得られる合金複合材は高温安定性および特有の直線特性／温度プロフィルを有する。前記合金の高温機械特性は、超微細に粒状にするナノスケールアルミナ母材へのナノ寸法アルミナ微粒子の均一な分散によって達成され、母材は超微細噴霧アルミニウム粉末または製造ルートのための出発材料としてのアルミニウム粉末の使用によって形成される。前記母材は、以下に述べるアルミニウムまたは１つもしくはそれ以上の多数のアルミニウム合金を純粋にできる。
【背景技術】
【０００２】
従来のアルミニウム材料は室温で軽量および耐食のような多くの好ましい特性を示す。さらに、それらは比較的容易に種々の適用に注文製作できる。したがって、アルミニウム合金は航空機、ミサイル、海洋の、輸送、容器および他の産業に君臨している。
【０００３】
従来のアルミニウム合金のよく知られた有益さに拘わらず、それらの物理的特性は高温、例えば２５０℃以上で劣化できる。強度の損失は、特に顕著で、強度の損失はアルミニウム合金が要求の厳しい高温適用で一般的に欠ける多くの理由である。アルミニウムの代わりに、技術は主要合金金属としてチタンまたはタングステンを含むそれらのような非常に高価な合金を頼りにするように強要している。
【０００４】
種々の挑戦は、高温でアルミニウム合金の障害を克服するためになされている。例えばＵＳ特許Ｎｏ．５，０５３，０８５はＶ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃａ，Ｌｉ，ＭｇおよびＳｉからなるＭ群から選ばれる少なくとも１つの元素および種々の原子パーセント比で配合されるＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｓｍ，Ｎｄ，Ｈｆ，ＴａおよびＭｍ（ミッシュ金属）からなるＸ群から選ばれる１つの元素を有する“高強度、耐熱アルミニウム基合金”に関する。これらの種々の合金組合せは、アモルファス、ミクロ結晶相、または溶融アルミニウムの急速凝固によるミクロ結晶複合分散を生成する。アルミニウムの高速凝固は、リボンまたはワイヤー送りストックを製造する溶融紡糸技術によって達成される。リボンまたはワイヤー送りストックは粉砕でき、かつ従来の押出成形、鍛造、圧延技術によって種々の生産物に製造するためのビレットに凝固できる。
【０００５】
メカニカルアロイングは高強度アルミニウム合金を製造するための別の試みである。金属母材材料のナノ粒子強化は高エネルギーボールミルで粒子を母材合金を強化する微細分散質に変化することによって達される。この技術に関連される主要な問題は、粒子の不均一な作用である。物質の所望の体積は、はなばなしく超えるか、または最終構造に欠陥を導く下で処理される。ＵＳ特許Ｎｏ．５，６８８，３０３はメカニカルアロイングの均質を改良すると言われる圧延ミル技術の使用を組み込むメカニカルアロイング法に関する。
【０００６】
メカニカルアロイング技術の幾つかの大きな障害は、延性の欠如および粉末取扱い問題を含む。機械的に合金化される粉末の取扱いは、保護酸化物がアルミニウム粉末から取り除かれ、それから発火になるので、危険である。保護酸化物なしのアルミニウム粉末は、大気に曝され、それにつれて極度の注意が粉末配合の取扱いの間に要求されるときに瞬時に着火するであろう。さらに、高エネルギーボールミルの使用は、高い物質処理コストからもたらされる非常に高価で、かつ時間浪費である。
【０００７】
高温物理的特性を改良するための他の挑戦は、添加物の採用を含む。ＵＳ特許Ｎｏ．６，２８７，７１４は“ナノ構造物質用粒成長抑制剤”に関する。窒化ボロン（ＢＮ）はナノ構造物質用粒成長抑制剤として添加される。このＢＮ添加は、約１重量％で無機ポリマーとして添加され、かつナノ構造物質の熱処理温度で分解される粒界に均一に分散される。
【０００８】
ＵＳ特許Ｎｏ．６，３９８，８４３は、分散強化セラミック粒子アルミニウムまたはアルミニウム合金に対する“分散強化アルミニウム合金”に関する。この特許は、粒子寸法＜１００ｎｍを持つ混合セラミック粒子（アルミナ、炭化珪素、酸化チタン、炭化アルミニウム、窒化シリコンまたは二酸化珪素）に基づく。
【０００９】
ＵＳ特許Ｎｏ．６，６３０，００８は、酸化アルミニウム、炭化珪素または炭化硼素で被覆され、それから圧力伝達媒体である加熱砂を用いる固体状態条件で熱凝固されるアルミニウム粉末を流動化ために化学蒸発堆積（ＣＶＤ）法を用いることを含む“ナノ結晶金属母材複合材および製造方法”に関する。
【００１０】
ＵＳ特許Ｎｏ．６，７２６，７４１は、アルミニウム複合材料およびアルミニウム粉末および中性子吸収材料に基づく製造、および第３粒子に関する。メカニカルアロイングは製造方法に用いられる。
【００１１】
ＵＳ特許Ｎｏ．６，８５２，２７５は金属間化合物系複合材料の製造方法に関する。この技術は、金属粉末プリフォームおよび金属間化合物を形成するために自発的燃焼反応でもたらされる圧力浸透アルミニウムを製造することに基づく。
【００１２】
急速凝固法（ＲＳＰ）技術は、微細金属粉末を製造するために供される別の方法である。しかしながら、ＲＳＰはアモルファスおよびナノ寸法ミクロ構造を維持するために要求される高溶融合金元素、粉末製造速度、薬品制御、および回収の工程に関連される高コストを有する。ＲＳＰの他の主要な障害は、材料の製造の困難さである。将来性がありながら、これらの方法はこれまで商業規模で高温アルミニウム合金を製造することの長く感じられる要求に対処することを怠っている。したがって、伝統的な非アルミニウム基合金が高温合金市場に君臨し続けている。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、アルミニウム粉末を製造するために噴霧処理の間に自然に形成する酸化物被覆の有益さを獲得することによって、および３０μｍ以下の粒子寸法分布を持つ粉末の処理の有益さを獲得することによって従来の障害を克服する。酸化物は製造するために用いられる噴霧ガスの種類に拘わらず噴霧アルミニウム粉末上に存在することが知られている。アルコアラブス（図１）による“金属ハンドブック第９版、７巻−粉末冶金学”参照。酸化物含有量の表示は、アルミニウム粉末の酸素含有量を測定することによって見積もることができる。一般的に酸化物含有量は空気、窒素またはアルゴンガスが粉末を製造するために用いられていようとなかろうと著しく変化しない。アルミニウム粉末表面積は、増加し（アルミニウム粉末寸法は減少する）、酸素含有量は急激に増大するので、より多くの酸化物含有量を示す。
【００１４】
アルミニウム粉末上の酸化物被覆の平均厚さは、噴霧ガスの種類に拘わらず平均約５ｎｍであるが、合金組成および粒子寸法に左右されない。酸化物は、Ａｌ（ＯＨ）およびＡｌＯＯＨのような他の不安定な化合物を持つ主にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）である。このアルミナ酸化物含有量は、粉末の比表面積によって主に制御される。粒子寸法および粒子形態学は、粉末の比表面積（＞表面積）、より不規則（＞表面積）高酸化物量のそれぞれ影響する２つの主なパラメータである。
【００１５】
＜４００μｍの粒子寸法分布（ＰＳＤ）を有する従来のアルミニウム粉末で、粒子形状／形態学は酸化物含有量を制御することに向けて非常に重要な要因になり、というのは不規則な粒子形状は大きな表面積、従って高い酸化物含有量をもたらすからである。粒子寸法＜３０μｍで、粒子形態学の効果は酸化物含有量に僅かしか影響を有さず、というのは粒子がより球形または本質的に理想的な球形であるからである。
【００１６】
一般的に、種々の噴霧アルミニウム粒子寸法に対する酸化物含有量はアルミナ酸化物の約０．０１％、約４．５までの間で変化する。本発明は、０．１−０．５ｗ／ｏ間にてアルミナ酸化物含有量を供する寸法で＜３０μｍの粒子を持つ出発アルミニウムまたはアルミニウム合金粉末を目標にしている。
【００１７】
本発明は、約２００ｎｍの範囲（因子１０Ｘの粒子寸法縮小）の横断線ナノスケール粒子寸法をその場で製造する望ましいＰＳＤアルミニウムまたはアルミニウム合金粉末の熱間加工を備える。副次的に熱間加工操作は、最大３−７ｎｍの厚さを持つ均一に分散されるナノスケールアルミナ酸化物粒子（粒子の従前の酸化物表皮）をその場で生成し、従来のアルミニウムインゴット冶金学物質に比べて高優秀な強度／高温物質を結果としてもたらす。優れた機械特性は、粒子寸法のとてつもない縮小および超微細粒状アルミニウム母材へのナノスケールアルミナ酸化物の均一な分散の結果である。本発明の側面によれば、この０．１−４．５ｗ／ｏナノ粒子アルミナ強化アルミニウム複合材料を種々の市場適用により高強度およびより高温に対する構造材料として用いる。このナノ寸法アルミニウム／アルミナ複合構造はメカニカルアロイングの使用なしで、熱間加工後のナノスケールミクロ構造からもたらされる粒子寸法分布＜３０μｍを持つアルミニウムまたはアルミニウム合金粉末の使用のみよって製造されるであろう。
【００１８】
本発明の別の側面は、高強度、高弾性率（剛性）、低熱膨張係数（ＣＴＥ）、改良された耐磨耗性および他の重要な物理特性さえも得るために、ナノアルミニウム複合母材物質へのセラミック粒子状物質の添加によってさらなる強度を得る。このセラミック粒状添加物は、アルミナ、炭化珪素、炭化ホウ素、酸化チタン、二酸化チタン、硼化チタン、二硼化チタン、シリコン、酸化シリコン、二酸化シリコン、および他の産業耐火組成物のようなセラミック化合物、他のものの間を含んでもよい。
【００１９】
本発明の他の側面は、ここにその全てを引用して取り込まれる１９９９年１０月１２日に公布される“放射吸収耐火性複合材料”に表題付けされるＵＳ特許Ｎｏ．５，９６５，８２９（’８２９特許）に挙げられる使用済み核燃料の貯蔵に対し中性子吸収のために炭化硼素微粒子をこのナノアルミニウム複合母材に添加する。
【００２０】
本発明の他の側面は、超飽和合金元素の急速凝固（その場で）により微細金属間化合物の析出を通して二重に強化される物質を有するために高溶解性元素組成物のような他のアルミニウム合金を含み、超飽和合金元素は最終製品を製造するための熱間加工操作後のミクロ構造の全体に亘って均一に分散されるナノスケールアルミナ粒子と共に溶融する。
【００２１】
本発明の他の側面は、メカニカルアロイング技術の使用なしで均一ミクロ構造制御を表す二モード粒子寸法分布に基づく技術を有する。ミクロ構造寸法および均一性の制御は、高性能の複合材料を要求する。
【００２２】
本発明の他の側面は、ナノアルミニウム／アルミナ複合母材の合金組成、セラミック粒子状添加物の種類、およびナノアルミニウム／アルミナ金属母材複合材料へのセラック粒状添加物の量を変えることによって種々の市場適用に対して機械的かつ物理的特性を適応する。
【００２３】
これらの側面および以下に挙げられる他の側面は、自然酸化物形層、約０．１と約４．５ｗｔ％の間の酸化アルミニウム量および約０．３から約５．０ｍ2／ｇの比表面積を有するアルミニウム粉末を準備する工程、アルミニウム粉末を熱間加工し、それによって超微細粒子化母材アルミニウム合金を形成する工程、および酸化アルミニウムを再分散することによって前記合金の全体に亘ってアルミナのナノ粒子の本質的に均一な分散をその場で同時に形成する工程によって特徴付けられ、前記合金が直線特性／温度プロファイルを本質的に有する、ナノアルミニウム／アルミナ金属母材複合材料を製造する方法によって達成される。本発明のこれらの側面もまた約０．３から約５．０ｍ2／ｇの比表面積を持つ約０．１から約４．５ｗｔ％の酸化物含有量で特徴付けられ、粒子寸法を再微細化しかつ金属母材複合システムのナノ粒子強化相を均一化するために特有のアルミニウム合金組成物の再結晶化に依存して約１００℃から約５２５℃の温度範囲で熱間加工される、超微細アルミニウム粉末によって達成される。
【００２４】
本発明のより十分な理解のために、種々の形態の次の詳細な説明は図面と一緒に読むべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】“金属ハンドブック第９版７巻−粉末冶金学”からの噴霧ガスの種類に対する酸化物厚さの従来のグラフである。
【図２（ａ）】ミクロ構造（３５０℃ビレット温度、Ｒ＝１１：１）上の１μｍの結果に関するＴＥＭ写真である。
【図２（ｂ）】ミクロ構造（３５０℃ビレット温度、Ｒ＝１１：１）上の１０μｍの結果に関するＴＥＭ写真である。
【図２（ｃ）】ミクロ構造（３５０℃ビレット温度、Ｒ＝１１：１）上の＜４００μｍの結果に関するＴＥＭ写真である。
【図３】微細界歪酸化物の均一分布に対する誘導加工効果に関するＴＥＭ写真である。
【図４】ｄ５０と比表面積の間の悪い相関のグラフである。
【図５】機械特性と比表面積の間の相関のグラフである。
【図６（ａ）】機械特性と比表面積の間の相関の表である。
【図６（ｂ）】機械特性と比表面積の間の相関のグラフである。
【図７】ＨＴＡ噴霧アルミニウム粉末の典型的な粒子寸法分布のグラフである。
【図８】ＨＴＡ噴霧アルミニウム粉末のＳＥＭ写真である。
【図９】圧縮ＨＴＡ噴霧アルミニウム粉末のＳＥＭ写真である。
【図１０】直線特性／温度プロファイルのグラフである。
【図１１（ａ）】押出成形温度の重要さに関するＴＥＭ写真である。
【図１１（ｂ）】押出成形温度の重要さに関するＴＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の遂行において、第１工程はアルミニウム粉末寸法の選択である。本発明は、従来の粉末金属技術を用いない噴霧アルミニウム粉末の粒子寸法分布（ＰＳＤ）に注目する。事実、アルミニウムＰ／Ｍ産業の趨勢は噴霧生産性、回収、低コスト、優れた型充填または均一な充填密度および低酸素粉末を有するための要望の理由で、ＰＳＤのより粗い画分、一般的な５０μｍ−４００μｍのｄ５０寸法を用いることである。殆どの市販用途は、特に自動車および他の高体積用途のための加圧および焼成ニア・ネット・シェイプアルミニウムＰ／Ｍ部品で酸化物含有量を低減することを要求する。液相焼成をなすこと、および冶金学的粉末を粉末粒界の酸化物で受容しえる延性値を持つ理論的密度および高機械的特性を得るために必要である粉末結合に冶金学的粉末を到達することが非常に困難であるので、粉末の製造者およびエンドユーザは低酸化物アルミニウム粉末を望む。先の粒界酸化物ネットワークは低破壊靭性、低強度および限界延性を結果としてもたらす。努力は、アルミナ酸化物を低減するためになしているが、アルミニウム粉末上のこの酸化物被覆は全ての環境にて非常に安定で、かつ任意の溶剤に溶解しない。この事実は、低酸化物粉末物質を獲得するために加圧および焼成ニア・ネット・シェイプ産業および高性能航空機産業アルミニウムＰＭ産業を導く。
【００２７】
前述の産業基準の全体的対比において、本発明は０．１−４．５ｗ／ｏ範囲のアルミナ酸化物含有量を結果としてもたらし、かつスペクトルの反対側である超微細アルミニウム粉末ＰＳＤ（産業規格によるＰＳＤ＜３０μｍ）を供する。
【００２８】
本発明は、超微細粉末を取り入れること、および例えば約２００ｎｍの典型的な粒子寸法に対する１０の因子による横粒子寸法をさらに低減する合金の再結晶温度以下で前記物質を熱間加工することを含む。出発粉末粒子寸法の効果は、３５０℃で押出成形される１μｍ、１０μｍおよび＜４００μｍの結果を示す図２に図示される。熱間加工操作は、ナノスケールアルミナ酸化物粒子（アルミニウム粒子の従前の３−７ｎｍ酸化物表皮）を図３に図示され、かつマイクログラフに丸で囲むようにミクロ構造の全体に亘って均一分散する。この超微細粒子寸法およびナノスケールアルミナ粒子の組合せは、二重強化機構を結果としてもたらす。ナノスケールアルミナ粒子は、粒界にピンニングし、複合母材物質の高機械特性改良を維持するために粒成長を抑制する。
【００２９】
ある特別な種類の粉末のアルミナ酸化物含有量を５０％に増加することは最初の粉末に比べて高い機械的特性をもたらさない。１００％以上まで酸化物含有量を増加することは、凝固処理の間に問題をもたらすかもしれない。アルミナ酸化物含有量を増大するための粉末処理の間に、酸化物層の厚さのみが増加でき、熱間加工後に母材中により大きな分散質をもたらす。
【００３０】
ミクロ構造の粒界に沿うナノスケール分散質（アルミナ粒子、出発粉末の従前の酸化物層）の設計位置決めである粒界ピンニングの強化機構を増大するために、より微細な粒子を前記構造に入れることが望ましい。これは、より微細な出発粒子または高比表面積を持つ粒子を使用することによって実現できる。
【００３１】
粒子寸法分布を出発粉末の比表面積と共に考慮することによって、熱間加工物質の機械的特性は予測できる。高比表面を持つ粉末は、低比表面積を持つ粉末に比べてより良好な機械的特性を一般的にもたらすであろう。図４で理解できるように、粉末試料＃９はおおよそ粉末試料＃５と同様な比表面積を有するが、試料＃９のＰＤＳは試料＃５のＰＤＳより非常に粗い。機械的特性は、比表面積と相関し、粉末のＰＳＤと相関しない（図５）。この図は粉末寸法分布および比表面積（９％の炭化硼素微粒子を含む試料で得られる機械的特性の結果）に対するＵＳＴを示す。機械的特性（ＵＳＴ）はＢＥＴと相関し、ｄ５０と相関しない。
【００３２】
例
０．３−５．０ｍ2／ｇ間の範囲で比表面積を持つ異なる粉末は、引張試験のための試験の製造に用いられている６ｍｍ形を持つロッドに４００℃での押出成形によって熱間加工された。その結果は、表および図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。これは、微細粒子分布（高表面積）より良好機械的特性を証明する。粉末は、狭いノズルシステムを用いるガス噴霧を通して製造され、かつ空気分粒を通して要求されるＰＳＤに分級される。それから、コンパクトは４００℃、Ｒ１１：１での押出成形によって製造される。高温引張試験は、試験温度で３０分の浸漬時間後なされる。
【００３３】
成果(development)に用いられるアルミニウム粒子寸法の例は図７に図示されている。このグラフは、ＰＳＤを図示し、かつ理解できるようにｄ５０はｄ９０約２．２７μｍを持つ約１．２７μｍであり、非常に微細である。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（図８）“超微細噴霧Ａｌ粉末  Ｄ５０−１．２μｍの写真”および透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）が取り付けられる。図９に見られる、“超微細噴霧Ａｌ粉末  Ｄ５０−１．３μｍの写真”は球形の粉末を図示する。ここで示されているように１μｍマーカー（ＳＥＭ）それぞれ０．２μｍマーカー（ＴＥＭ）は粉末の粒子寸法を検証するための参照である。この粒子寸法範囲のアルミニウム粉末は球形と考えられるので、数学的にモデル化することおよび酸化物含有量を予測することが容易である。酸化物厚さをモデル化し、母材合金を溶解することによって酸化物の実際値を比較する場合、良好な相関が本発明の目標酸化アルミニウム含有量を提供する。粉末の別の特徴は非常に高表面積のもたらされるＰＳＤおよび出発原料の総酸化物含有量の指標としての酸化物含有量である。優れた性能を保証するための購入基準(purchase specification)は合金化学品、粒子寸法分布、表面積および酸素含有量要求を含むべきである。
【００３４】
図１０は、本発明の高温ナノ複合アルミニウム合金の特有な直線特性／温度プロフィルを図示する。この図は、温度に対するＵＳＴ（Ｒｍ）、１．２７μｍ（ｄ５０）粉末等級、３５０℃、Ｒ＝１１：１での直接押出成形を通しての固化、試験前の試験温度での３０分間浸漬時間を示す。
【００３５】
本発明で物質を製造するための一般的な処理ルートは、エラストマーバッグを好ましい粒子寸法のアルミニウム粉末で満たす、エラストマー頂部閉鎖を成形バッグに設置する、空気を取り除きかつ空気チューブをシールするためにエラストマー成形組立品を排気する、２５−６０，０００ｐｓｉ圧力間を用いる冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）、圧力で４５秒最小時間一時停止する、およびＣＩＰユニットを減圧にして大気圧に戻す、ことである。エラストマー成形組立品は、それから“グリーン”凝固ビレットを取り出す。ビレットは、遊離水および噴霧アルミニウム粉末上の酸化物表面に関連される化学的結合水／湿気の両方を取り除くために真空焼成できる。注意は、ビレットを過熱せずまたは粒成長を防ぐために液相焼成温度で取り組み、かつ最良な機械的特性を得ることに払わなければならない。最終操作は、十分な密度を得るために熱間加工する、粒子−粒子結合を達成する、および最も大切にはナノアルミナ粒子をミクロ構造の全体に亘って均一に分散する、ことである。好ましい熱間加工方法は十分な密度、均一分散ナノ粒子アルミニウム／アルミナ酸化物複合構造を得るために従来の押出成形技術を用いることである。直接鍛造または直接粉末コンパックト圧延技術もやはり酸化物を粉末から取り除く、およびアルミナ酸化物をアルミニウム金属母材の全体に亘って均一に分散するための方法として用いられる。最良な構造および最良な機械的特性を得るために合金の再結晶化温度以下の押出成形温度を維持することが非常に好ましい。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、流動応力を増大して物質を機械的に加工し、望ましいミクロ構造を得るために押出成形温度の大切さを図示するＳＥＭ顕微鏡写真である。顕微鏡写真において図１１（ａ）は新しく形成される粒子に均一に分散されるナノアルミナ酸化物粒子を目に見える。ナノ粒子アルミナ酸化物粒子は粒子内側およびメカニカルアロウイング処理方法を通して一般的なされる粒界でさえも目に見える。第２顕微鏡写真図１１（ｂ）は大きな粒子寸法を示し、構造は同じ加工度合または粒子内側の粒子を表わさない。
【００３６】
最良な機械的特性のために望ましいミクロ構造を得るのに押出成形温度の重要性をさらに証明するために、室温および３５０℃試験温度での引張データによる種々の押出成形温度でのナノアルミニウム／アルミナ複合材料の一般的な機械的特性は以下に概説させる。
【表１】
0005425634.tif 000002
【表２】
0005425634.tif 000003
【００３７】
これらは、従来のインゴット冶金１１００シリーズアルミニウム技術に比べて４．５％ナノアルミナ粒子強化１１００シリーズ超微細粒子化アルミニウム物質にとって優れた機械的特性である。さらに、これらの結果は種々の従来の合金および他のセラミック微粒子または超飽和合金元素の急速凝固をアルミニウム母材に添加する発想に比べて少量のナノ粒子アルミニウム／アルミナ物質との併用の超微細粒状ミクロ構造の有益さを証明する。
【００３８】
前述したように、この発明の側面はセラミック微粒子をナノアルミニウム／アルミナ複合母材に添加することである。この新しい技術の開発に向ける推進力の１つは、炭化硼素粒子を添加するための高温母材物質に対する要求であり、ＵＳ特許Ｎｏ．５，９６５，８２９の出願に詳説する。使用済み核燃料適用の乾燥貯蔵に対するバスケットデザインとしての使用にＵＳ原子力規制委員会からの信用を受け取るのに適切な高温アルミニウム炭化硼素金属母材組成物質を開発するための目標であった。アルミニウム炭化硼素複合材料の高温機械的特性において、設計者らは工業標準ステンレス鋼バケットデザインに比べてアルミニウム金属母材複合材料の軽量／高熱容量の有益さを取得できる。ヨーロッパにおいて、設計者らは硼化ステンレス鋼を一般的に用いるが、面積密度が低く、ＢＩＯアイソトープに対する上限が１．６％含有量であり、合金密度が高く、かつ熱伝導性および熱容量がアルミニウム基複合材料に比べて低い。本発明のアルミニウム基複合材料はこれらの欠点を被らない。
【００３９】
アルミニウム炭化硼素金属母材高温複合材料の開発の背景にある別の推進力、さらにそのような材料に対する市場要求は、２０００年５月２８日に公布された“不連続炭化物微粒子金属母材複合材料および超微細過供晶Ａｌ／Ｓｉ合金の押出成形製造方法”と表題され、かつここにその全てを引用して取り込まれるＵＳ特許Ｎｏ．６，０４２，７７９（‘７７９特許）に述べられる技術を含む製造環境で３３ｗｔ％以上の炭化硼素複合材料を押出成形することで経験をした。押出成形技術は設計者らに設計の自由を許容でき、パッキング密度を最大化する、フラックストラップを添加する、および製造コストを下げるためにネット・シェイプを種々の中空チューブ形材を押出成形する。
【００４０】
ナノ粒子アルミニウム／アルミナ高温母材合金へのセラミック微粒子の添加のための特別な使用は、核等級炭化硼素微粒子の添加である。Ｆｅ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒなどのような合金母材物質に対するトランプ元素の全ては同様な密の制限を保持され、炭化硼素微粒子は前述したＵＳ特許Ｎｏ．５，９６５，８２９に概説されるようにＡＳＴＭ  Ｃ７５０に従って容易に入手される。炭化硼素微粒子粒子寸法分布はＵＳ特許Ｎｏ．５，９６５，８２９に概説されるそれと同様である。’８２９特許の技術以外は、前述した新しい粒子寸法分布を持つ高純度アルミニウム粉末の使用である。
【００４１】
本発明の複合材料に対する一般的な製造ルートは、まずアルミニウム粉末と炭化硼素粒状物質を混合し、前記参照特許に概説するようにＣＩＰプラス真空焼成技術を用いるビレットへの凝固が続く。好ましい実施形態において、押出成形はここにその全てを引用して取り込まれるＵＳ特許Ｎｏ．６，０４２，７７９（’７７９特許）に従ってなされる。これは、高温アルミニウム金属母材複合材料であるので、望ましい特性を保持するために押出成形ダイの温度、容器の温度およびビレット温度を変化することの必要がわかる。一般的に、約２５％以上にまで増大されるダイ面圧力は予め標準金属母材複合材料に供されることが望ましい。ナノ粒子アルミニウム／アルミナ複合母材合金の高流動応力を克服するために、押出成形プレスは物質を押出成形するために約２５％より大きい寸法にしなければならない。押出成形ダイ技術は、押出成形ダイの潰れの欠陥を経験せずにこれらの項押出成形圧力が可能である。新しい高温ナノ粒子アルミニウム／アルミナプラス９％炭化硼素強化レベルでの炭化硼素、および一般的な機械的特性と物理的特性を結果として生じることは以下に概説される。
【表３】
0005425634.tif 000004
【００４２】
注：
引張試験片は、加工され、かつＡＳＴＭ  Ｅ  ８およびＡＳＴＭ  Ｅ  ２１に従って試験される。
【００４３】
熱伝導性は、ＡＳＴＭ  Ｅ  １２２５に従って試験した。
【００４４】
比熱は、ＡＳＴＭ  Ｅ  １４６１に従って試験した。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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