(57)【要約】鉄含有合金、ならびに関連する系および方法を、一般に記載する。鉄含有合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶である。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金は、高い相対密度を有する。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金は、比較的安定であり得る。鉄含有合金を作製するための本発明の方法も本明細書に記載する。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金を作製するための本発明の方法は、鉄および少なくとも１つの他の元素（例えば、少なくとも１つの他の金属または半金属）を含むナノ結晶微粒子を焼結して、鉄含有ナノ結晶合金を形成することを含み得る。
2020518726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶金属合金であって、
Ｆｅ；および
第２の元素
を含み；
Ｆｅが、前記ナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、
ナノ結晶金属合金。
【請求項２】
ナノ結晶金属合金であって、
Ｆｅ；および
第２の元素
を含み；
前記第２の元素およびＦｅが、ミシビリティギャップを示し、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、
ナノ結晶金属合金。
【請求項３】
ナノ結晶金属合金であって、
Ｆｅ；および
第２の元素
を含み；
前記第２の元素が、Ｆｅの融点よりも低い融点を有し、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、
ナノ結晶金属合金。
【請求項４】
ナノ結晶金属合金であって、
Ｆｅ；および
第２の元素
を含み；
Ｆｅが、前記ナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、
前記ナノ結晶金属合金が、１００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、
ナノ結晶金属合金。
【請求項５】
ナノ結晶金属合金であって、
Ｆｅ；および
第２の元素
を含み；
Ｆｅが、バルクナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、
前記ナノ結晶金属合金が、３００ｎｍ未満の平均結晶粒径を有する、
ナノ結晶金属合金。
【請求項６】
金属合金であって、
Ｆｅ；および
Ｍｇ
を含み；
前記金属合金が、８０％より高いかまたはそれに等しい相対密度を有する、
金属合金。
【請求項７】
前記第２の元素が、第２の金属である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項８】
前記第２の元素が、半金属である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項９】
前記金属合金が、ナノ結晶金属合金である、請求項６に記載の金属合金。
【請求項１０】
前記金属合金が、焼結された金属合金である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１１】
前記第２の元素が、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１２】
前記第２の元素が、マグネシウム（Ｍｇ）である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１３】
前記第２の元素が、前記ナノ結晶金属合金の４０ａｔ％未満の量で前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１４】
前記金属合金中に存在する、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量が、前記金属合金の４０ａｔ％未満である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１５】
前記金属合金中に存在する、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量が、前記金属合金の４０ａｔ％未満であり；
前記金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％が、Ｆｅである、
先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１６】
前記第２の元素が、前記ナノ結晶金属合金の０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１７】
前記金属合金中に存在する、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量が、前記金属合金の０．５ａｔ％〜４０ａｔ％である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１８】
前記金属合金中に存在する、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量が、前記金属合金の０．５ａｔ％〜４０ａｔ％であり；
前記金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％が、Ｆｅである、
先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項１９】
Ｆｅが、少なくとも５５ａｔ％の量で前記ナノ結晶合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２０】
前記ナノ結晶金属合金が、二相金属合金である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２１】
前記ナノ結晶金属合金が、前記第２の元素と異なる第３の元素をさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２２】
前記第３の元素が、金属元素である、請求項２１に記載の金属合金。
【請求項２３】
前記第３の元素が、半金属元素である、請求項２１に記載の金属合金。
【請求項２４】
前記第３の元素が、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される、請求項２１に記載の金属合金。
【請求項２５】
前記第３の元素が、金（Ａｕ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される、請求項２１に記載の金属合金。
【請求項２６】
前記第２の元素およびＦｅが、ミシビリティギャップを示す、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２７】
前記ナノ結晶金属合金が、３００ｎｍ未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２８】
前記ナノ結晶金属合金が、１５０ｎｍ未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項２９】
前記ナノ結晶金属合金が、１２５ｎｍ未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３０】
前記ナノ結晶金属合金が、１００ｎｍ未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３１】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３２】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８５％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３３】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９０％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３４】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９５％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３５】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９７％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３６】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも９９％の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３７】
前記ナノ結晶金属合金が、バルクナノ結晶金属合金である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３８】
前記ナノ結晶金属合金が、１００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項３９】
前記ナノ結晶金属合金が、３００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４０】
前記ナノ結晶金属合金が、５００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４１】
前記ナノ結晶金属合金が、７００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４２】
前記ナノ結晶金属合金が、９００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４３】
前記ナノ結晶金属合金が、第１の結晶粒径を有し、前記第２の元素の非存在下でＦｅを含む焼結された材料が、第２の結晶粒径を有し、前記第１の結晶粒径が、前記第２の結晶粒径よりも小さい、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４４】
前記金属合金が、Ｆｅ、ＭｇおよびＣｒを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４５】
前記Ｆｅは、前記金属合金中に少なくとも５０ａｔ％の量で存在し；
前記Ｍｇは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記Ｃｒは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在する、請求項４４に記載の金属合金。
【請求項４６】
前記Ｍｇは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記Ｃｒは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％は前記Ｆｅである、請求項４４に記載の金属合金。
【請求項４７】
前記Ｍｇは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量で存在し；
前記Ｃｒは、前記金属合金中に２５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％は前記Ｆｅである、請求項４４に記載の金属合金。
【請求項４８】
前記金属合金が、Ｆｅ、ＭｇおよびＡｕを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
【請求項４９】
前記Ｆｅは、前記金属合金中に少なくとも５０ａｔ％の量で存在し；
前記Ｍｇは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記Ａｕは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在する、請求項４８に記載の金属合金。
【請求項５０】
前記Ｍｇは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記Ａｕは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％は前記Ｆｅである、請求項４８に記載の金属合金。
【請求項５１】
前記Ｍｇは、前記金属合金中に０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量で存在し；
前記Ａｕは、前記金属合金中に２５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；
前記金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％は前記Ｆｅである、請求項４８に記載の金属合金。
【請求項５２】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み、Ｆｅが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素である、
方法。
【請求項５３】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；
前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、５００℃より高いかまたはそれに等しく、かつ１１００℃未満またはそれに等しい第１の焼結温度に、６時間よりも長いかまたはそれに等しく、かつ２４時間未満またはそれに等しい焼結の期間、加熱することを含む、
方法。
【請求項５４】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；
前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、前記ナノ結晶微粒子が２４時間よりも長い時間、１１００℃より高いかまたはそれに等しい温度にならないように、前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、
方法。
【請求項５５】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；
Ｆｅが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素であり；
前記焼結することが、前記第２の元素の非存在下でＦｅを焼結するために必要な第２の焼結温度よりも低い第１の焼結温度に前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、
方法。
【請求項５６】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；
前記第２の元素およびＦｅが、ミシビリティギャップを示す、
方法。
【請求項５７】
ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；
Ｆｅが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素であり；
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する、
方法。
【請求項５８】
金属合金を形成する方法であって、
ＦｅおよびＭｇを含む粉末を焼結して、前記金属合金を製造することを含み、
前記金属合金が、８０％より高いかまたはそれに等しい相対密度を有する、
方法。
【請求項５９】
前記第２の元素が、第２の金属である、請求項５２〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
前記第２の元素が、半金属元素である、請求項５２〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
前記Ｆｅおよび前記第２の元素が、非平衡相に存在する、請求項５２〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
前記非平衡相が、前記焼結することの間に分解を受ける、請求項５２〜６１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
前記非平衡相が、前記焼結することの間に分解を受け、前記非平衡相の前記分解が、前記ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速させる、請求項５２〜６２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
前記非平衡相が、Ｆｅに溶解した前記第２の元素を含む過飽和相を含む、請求項５２〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
第２の元素が、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される、請求項５２〜６４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
前記第２の元素が、Ｍｇである、請求項５２〜６５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記複数のナノ結晶微粒子を、前記焼結することの前の少なくとも一部の時間の間に冷間プレスすることをさらに含む、請求項５２〜６６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
前記冷間プレスすることが、３００ＭＰａより大きいかまたはそれに等しい力での前記複数のナノ結晶微粒子の冷間圧縮を含む、請求項５２〜６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記冷間プレスすることが、３００ＭＰａより大きいかまたはそれに等しく、かつ１４００ＭＰａ未満またはそれに等しい力での前記複数のナノ結晶微粒子の冷間圧縮を含む、請求項５２〜６８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７０】
前記焼結することが、前記第２の元素の非存在下でＦｅを焼結するために必要な第２の焼結温度よりも低い第１の焼結温度に前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、請求項５２〜６９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７１】
前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、６００℃より高いかまたはそれに等しく、かつ１１００℃未満またはそれに等しい温度に、６時間よりも長いかまたはそれに等しく、かつ２４時間未満またはそれに等しい期間、加熱することを含む、請求項５２〜７０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７２】
前記第１の焼結温度が、６００℃よりも低いかまたはそれに等しい、請求項５２〜７１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７３】
前記非平衡相が、固溶体を含む、請求項５２〜７２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７４】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部を、Ｆｅおよび前記第２の元素を含む粉末を機械的に加工することによって形成することをさらに含む、請求項５２〜７３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７５】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部を、Ｆｅおよび前記第２の元素を含む粉末をボールミリングすることによって形成することをさらに含む、請求項５２〜７４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７６】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、５０ｎｍより小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する、請求項５２〜７５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７７】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、５ｎｍより大きいかまたはそれに等しく、かつ２５ｎｍより小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する、請求項５２〜７６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７８】
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、１０ｎｍより大きいかまたはそれに等しく、かつ２０ｎｍより小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する、請求項５２〜７７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７９】
前記第２の元素が、前記ナノ結晶微粒子の３０ａｔ％未満またはそれに等しい量で前記ナノ結晶微粒子中に存在する、請求項５２〜７８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８０】
前記ナノ結晶金属合金が、第３の元素の材料をさらに含む、請求項５２〜７９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８１】
前記第３の元素が、金属元素である、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記第３の元素が、半金属元素である、請求項８０に記載の方法。
【請求項８３】
前記第３の元素が、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される、請求項８０に記載の方法。
【請求項８４】
前記第３の元素が、金（Ａｕ）およびクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される、請求項８０に記載の方法。
【請求項８５】
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９７％、または少なくとも９９％の相対密度を有する、請求項５２〜８４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８６】
前記焼結することが、前記焼結することの間に、前記ナノ結晶微粒子の表面および結晶粒界のうちの少なくとも１つにおいて第２の相を形成することをさらに含む、請求項５２〜８５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８７】
前記焼結することが、前記焼結することの間に、前記ナノ結晶微粒子の表面および結晶粒界のうちの少なくとも１つにおいて第２の相を形成することをさらに含み；前記第２の相が、前記第２の元素に富む、請求項５２〜８６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８８】
前記ナノ結晶金属合金が、第１の結晶粒径を有し、前記第２の元素の非存在下でＦｅを含む焼結された材料が、第２の結晶粒径を有し、前記第１の結晶粒径が、前記第２の結晶粒径よりも小さい、請求項５２〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８９】
前記ナノ結晶金属合金が、１００℃より高いかもしくはそれに等しい温度、２００℃より高いかもしくはそれに等しい温度、３００℃より高いかもしくはそれに等しい温度、５００℃より高いかもしくはそれに等しい温度、６００℃より高いかもしくはそれに等しい温度、および／または７００℃より高いかもしくはそれに等しい温度で実質的に安定である、請求項５２〜８８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９０】
前記焼結することが、加えられる外部応力が本質的になしで行われる、請求項５２〜８９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９１】
製造される前記ナノ結晶合金が、請求項１〜５１のいずれか一項に記載のナノ結晶合金である、請求項５２〜９０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９２】
請求項５２〜９１のいずれか一項に記載の方法によって製造される、ナノ結晶金属合金。
【請求項９３】
前記第３の元素が、１０ａｔ％〜３０ａｔ％の間の量で前記金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の合金および／または方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、米国特許法第１１９条第（ｅ）項の下で、米国仮出願第６２／５０１，２４０号（２０１７年５月４日出願、発明の名称「Thermally  Stable  Nanocrystalline  Iron  Alloys」）、および米国仮出願第６２／６４６，２８２号（２０１８年３月２１日出願、発明の名称「Thermally  Stable  Nanocrystalline  Iron  Alloys  and  Associated  Systems  and  Methods」）、および米国仮出願第６２／６４９，１７８号（２０１８年３月２８日出願、発明の名称「Thermally  Stable  Nanocrystalline  Iron  Alloys  and  Associated  Systems  and  Methods」）に対する優先権を主張する。これらの米国仮出願の各々は、すべての目的のために、これらの全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
鉄含有合金、ならびに関連する系および方法を、一般に記載する。
【背景技術】
【０００３】
背景
ナノ結晶材料は、結晶粒成長を起こしやすくあり得る。ある特定の例では、鉄系合金のための従前の焼結技術は、小さな結晶粒径および高い相対密度の両方を有する、バルクナノ結晶材料を含むナノ結晶材料を製造することを困難にしていた。改善された系および方法、ならびに関連する金属合金が望ましいと考えられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
要旨
鉄含有合金、ならびに関連する系および方法を、一般に記載する。鉄含有合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶である。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金は、高い相対密度を有する。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金は、比較的安定であり得る。鉄含有合金を作製するための本発明の方法も本明細書に記載する。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金を作製するための本発明の方法は、鉄および少なくとも１つの他の元素（例えば、少なくとも１つの他の金属または半金属）を含むナノ結晶微粒子を焼結して、鉄含有ナノ結晶合金を形成することを含み得る。本発明の主題は、一部の場合では、相互に関連する製品、特定の課題に対する代替の解決策、ならびに／あるいは１つまたは複数の系および／または物品の複数の異なる使用を含む。
【０００５】
ある特定の実施形態は、ナノ結晶金属合金に関する。一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金は、Ｆｅ；および第２の元素を含み；Ｆｅが、前記ナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する。
【０００６】
ある特定の実施形態では、ナノ結晶金属合金は、Ｆｅ；および第２の元素を含み；前記第２の元素およびＦｅが、ミシビリティギャップを示し、前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する。
【０００７】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金は、Ｆｅ；および第２の元素を含み；前記第２の元素が、Ｆｅの融点よりも低い融点を有し、前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する。
【０００８】
ある特定の実施形態では、ナノ結晶金属合金は、Ｆｅ；および第２の元素を含み；Ｆｅが、前記ナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、前記ナノ結晶金属合金が、１００℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である。
【０００９】
一部の実施形態は、ナノ結晶金属合金は、Ｆｅ；および第２の元素を含み；Ｆｅが、バルクナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、前記ナノ結晶金属合金が、３００ｎｍ未満の平均結晶粒径を有する。
【００１０】
ある特定の実施形態は、Ｆｅ；およびＭｇを含み；８０％より高いかまたはそれに等しい相対密度を有する、金属合金に関する。
【００１１】
一部の実施形態は、ナノ結晶金属合金を形成する方法に関する。一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み、Ｆｅが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素である。
【００１２】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、５００℃より高いかまたはそれに等しく、かつ１１００℃未満またはそれに等しい第１の焼結温度に、６時間よりも長いかまたはそれに等しく、かつ２４時間未満またはそれに等しい焼結の期間、加熱することを含む。
【００１３】
一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、前記ナノ結晶微粒子が２４時間よりも長い時間、１１００℃より高いかまたはそれに等しい温度にならないように、前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む。
【００１４】
ある特定の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；Ｆｅが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素であり；前記焼結することが、前記第２の元素の非存在下でＦｅを焼結するために必要な第２の焼結温度よりも低い第１の焼結温度に前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む。
【００１５】
一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；前記第２の元素およびＦｅが、ミシビリティギャップを示す。
【００１６】
ある特定の実施形態では、ナノ結晶金属合金を形成する方法は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み；前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Ｆｅおよび第２の元素を含み；Ｆｅが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素であり；前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも８０％の相対密度を有する。
【００１７】
ある特定の実施形態は、金属合金を形成する方法であって、ＦｅおよびＭｇを含む粉末を焼結して、前記金属合金を製造することを含み、前記金属合金が、８０％より高いかまたはそれに等しい相対密度を有する、方法に関する。
【００１８】
本発明の他の利点および新規な特徴は、添付の図面と共に考慮される場合に、本発明の各種の非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。本明細書および参照によって組み込まれる文書が、相反および／または矛盾する開示を含む場合において、本明細書が優先するものとする。
【００１９】
本発明の非限定的な実施形態を、添付の図面を参照して例として記載し、これは、概略図であって、縮尺通りに描くことを意図していない。図面において、示されている同一またはほぼ同一の各構成要素は、典型的には、単一の数字によって表される。明確さのため、当業者が本発明を理解するのに示す必要が無い場合には、各図面において構成要素すべてに標識を付けているわけではなく、または、本発明の各実施形態の構成要素すべてが示されているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１Ａ〜図１Ｃは、ある特定の実施形態による焼結プロセスを示す例示的な模式図である。
【００２１】
【図２Ａ】図２Ａは、すべての反射がα−Ｆｅの固溶体相に帰属される、ミルされたままの例示的なＦｅ−１５Ｍｇ粉末から得られたＸＲＤパターンを示す。
【００２２】
【図２ＢＣ】図２Ｂおよび図２Ｃは、図２Ａの例示的な合金の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の顕微鏡写真を示す。
【００２３】
【図３Ａ】図３Ａは、ある特定の実施例による、組成の関数としての結晶粒径のプロットである。
【００２４】
【図３Ｂ】図３Ｂは、ある特定の実施例による、温度の関数としての結晶粒径のプロットである。
【００２５】
【図４】図４Ａ〜図４Ｂは、ある特定の実施例による、アニーリングの温度および時間の関数としての、ＸＲＤによって得られた結晶粒径を示す。
【００２６】
【図５】図５Ａは、例示的な焼結されたＦｅ−１９Ｃｒ−１Ｍｇ合金のＴＥＭ顕微鏡写真を示す。図５Ｂは、図５Ａと同じ視野における、Ｆｅ、ＣｒおよびＭｇ（ＭｇＯ沈殿物として）の分布を示す元素マップである。
【００２７】
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、ある特定の実施例による、それぞれ例示的なＦｅ−１９Ｃｒ−１Ｍｇ合金およびＦｅ−１Ｍｇ合金の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の顕微鏡写真を示す。
【００２８】
【図７】図７は、ある特定の実施例による、異なる温度での加熱時間の関数としての結晶粒径および結晶粒径の一次導関数を示すプロットである。
【００２９】
【図８Ａ】図８Ａは、ある特定の実施例による、アニーリング後の図７ＡのＦｅ粉末の明視野（ＢＦ）走査ＴＥＭ（ＳＴＥＭ）の顕微鏡写真を示す。
【００３０】
【図８Ｂ】図８Ｂは、ある特定の実施例による、Ａｒ中でのアニーリング後の図７ＡのＦｅ−１５Ｍｇ粉末のＢＦ  ＳＴＥＭの顕微鏡写真を示す。
【００３１】
【図８Ｃ】図８Ｃは、ある特定の実施例による、１０％Ｈ２を含むＡｒ中でのアニーリング後の図７ＡのＦｅ−１５Ｍｇ粉末の暗視野（ＤＦ）ＴＥＭの顕微鏡写真を示す。
【００３２】
【図９】図９は、ある特定の実施例による、２つの異なるアニーリング環境についての組成（Ｍｇのａｔ％）の関数としての結晶粒径のプロットである。
【００３３】
【図１０】図１０Ａは、ある特定の実施例による、Ａｒ中でのアニーリング後のＦｅ−２０Ｍｇ粉末のＢＦ  ＴＥＭの顕微鏡写真を示す。図１０Ｂは、ある特定の実施例による、１０％Ｈ２を含むＡｒ中でのアニーリング後のＦｅ−２０Ｍｇ粉末のＤＦ  ＴＥＭの顕微鏡写真を示す。
【００３４】
【図１１】図１１は、それぞれ、０．１ａｔ．％および０．５℃の組成および温度目盛りが挿入され、ｉｎ  ｓｉｔｕのＸＲＤデータから得られた、組成温度空間にわたる結晶粒径の表面の例示的な輪郭プロットを示す。
【００３５】
【図１２】図１２は、ある特定の実施例による、異なる材料系についてのピンニング粒子の体積分率の関数としての、限界結晶粒径およびピンニング粒子径の間の比を示す（「ツェナープロット」）。右下の塗りつぶされた小さな黒丸は、ツェナーピンニングのみから伝統的に予測されるものと比較して改善された安定性を示す、例示的なＦｅ−Ｍｇ合金についてのデータである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
詳細な説明
ナノ結晶金属は、結晶粒界の大きな体積分率に起因して、それらのマイクロ結晶の対応物に対してある特定の利点を有する。一例として、ナノ結晶合金は、一般に、顕著に高い引張強度を有する。しかしながら、バルク材料の処理においてナノスケールの結晶粒を維持することは非常に困難であるので、ナノ結晶金属は、薄膜として主に処理されている。
【００３７】
本開示は、一般に、鉄を含む金属合金を対象とする。鉄を含む金属合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶金属合金である。本明細書に記載されるある特定の金属合金は、それらのナノ結晶の特徴を維持しながら、高い相対密度を有することができる。加えて、ある特定の実施形態によれば、金属合金は、バルク金属合金であり得る。本明細書に記載されるある特定の金属合金は、結晶粒成長に対して安定である。
【００３８】
ある特定の場合には、本明細書に記載の鉄含有合金は、鉄（Ｆｅ）に加えて、マグネシウム（Ｍｇ）および／またはクロム（Ｃｒ）を含む。
【００３９】
ある特定の実施形態によれば、本明細書に記載の鉄含有合金は、少なくとも３つの元素（例えば、少なくとも３つの金属元素）を含有することができる。例えば、ある特定の実施形態では、本明細書に記載の鉄含有合金は、鉄（Ｆｅ）、安定剤元素および活性化剤元素を含む。一部の実施形態では、鉄含有合金は、鉄（Ｆｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびクロム（Ｃｒ）を含む。しかしながら、３つの元素の存在は、厳格に必要ではなく、他の実施形態では、鉄含有合金は、２つの元素のみを含んでいてもよい。
【００４０】
鉄含有合金を作製するための本発明の方法も本明細書に記載する。例えば、ある特定の実施形態は、焼結が、比較的低い温度、および／または比較的短い時間で達成される、焼結方法を対象とする。一部の実施形態では、焼結は、焼結プロセスの間、加えられる圧力がわずか、または加えられる圧力なしで行われる。一部の実施形態によれば、より詳細に下記に記載するように、焼結は、望ましくない結晶粒成長が制限されるか、または排除されるように（例えば、材料および／または焼結条件の選択により）、行うことができる。ある特定の実施形態は、ナノ結晶化度を維持しながら、比較的短い時間、比較的低い温度および／または比較的低い（またはない）適用圧力で、鉄含有材料を焼結することができるという認識を対象とする。
【００４１】
本明細書に記載されるある特定の実施形態は、従前の物品、系および方法と比較して利点を提供することができる。例えば、ある特定の（必ずしもすべてではないが）実施形態によれば、鉄含有金属合金は、高い強度、高い硬度および／または結晶粒成長に対する高い抵抗性を有し得る。一部の（必ずしもすべてではないが）実施形態によれば、本明細書に記載の金属合金を形成するための方法は、例えば、用いられる、比較的短い焼結時間、比較的低い焼結温度および／または比較的低い適用圧力に起因して、比較的少ないエネルギーの量の使用にすることができる。
【００４２】
上述のように、ある特定の実施形態は、新規な金属合金に関する。金属合金は、ある特定の実施形態によれば、鉄、および少なくとも１つの他の金属を含む。
【００４３】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、鉄（Ｆｅ）を含む。金属合金は、一部の実施形態によれば、比較的多くの量の鉄を含有することができる。例えば、一部の実施形態では、Ｆｅは、金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素（例えば、最も豊富な金属）である。（原子百分率は、本明細書において、「ａｔ．％」または「ａｔ％」と略される）。ある特定の実施形態によれば、Ｆｅは、金属合金中に、少なくとも５０ａｔ％、少なくとも５５ａｔ％、少なくとも６０ａｔ％、少なくとも６５ａｔ％、少なくとも７０ａｔ％、少なくとも８０ａｔ％、少なくとも９０ａｔ％、または少なくとも９５ａｔ％の量で存在する。一部の実施形態では、Ｆｅは、金属合金中に、最大で９６ａｔ％、最大で９７ａｔ％、最大で９８ａｔ％、最大で９９ａｔ％、最大で９９．５ａｔ％、またはそれよりも多くの量で存在する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００４４】
本明細書に記載の金属合金は、第２の元素を含むことができる。例えば、本明細書に記載の金属合金は、第２の金属を含むことができる。「第２の元素」という語句は、本明細書において、Ｆｅではない任意の元素を記載するために使用される。「第２の金属」という語句は、本明細書において、Ｆｅではない任意の金属元素を記載するために使用される。「元素」という用語は、本明細書において、周期表に見出される元素を指すために使用される。「金属元素」は、周期表の水素（Ｈ）を除く１〜１２族；周期表の１３族におけるＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴｌおよびＮｈ；周期表の１４族におけるＳｎ、ＰｂおよびＦｌ；周期表の１５族におけるＢｉおよびＭｃ；周期表の１６族におけるＰｏおよびＬｖ；ランタニド；ならびにアクチニドにおいて見出されるものである。
【００４５】
一部の実施形態では、第２の元素は、半金属元素である。「半金属元素」は、この用語が本明細書において使用される場合、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）およびアスタチン（Ａｔ）である。
【００４６】
ある特定の実施形態によれば、第２の元素は、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される。金属合金は、一部の実施形態では、これらのうちの２つまたはそれよりも多くのものの組合せを含むことができる。例えば、他の箇所で記載されるように、金属合金は、一部の実施形態では、少なくとも３つの元素（例えば、少なくとも３つの金属元素）を含有することができる。
【００４７】
一部の実施形態では、第２の元素は、Ｍｇである。
【００４８】
ある特定の実施形態によれば、第２の元素およびＦｅは、ミシビリティギャップを示す。２つの元素は、これらの２つの元素の相図が、２つの元素の混合物が２つまたはそれよりも多くの相として存在する領域を含む場合に、「ミシビリティギャップ」を示すと言う。第２の元素およびＦｅがミシビリティギャップを示す一部の実施形態では、第２の元素およびＦｅは、少なくとも２つの相の間で、金属合金中に存在することができる。
【００４９】
一部の実施形態では、第２の元素は、鉄（Ｆｅ）の融点よりも低い融点を有する。当業者によって理解されるように、元素の融点は、その純粋な形態にある元素の融点を指す。金属の場合では、例えば、金属の融点は、その純粋な形態にある金属の融点を指す。同様に、半金属の場合では、半金属の融点は、その純粋な形態にある半金属の融点を指す。
【００５０】
一部の実施形態によれば、第３の元素は、存在する場合、Ｆｅと、ミシビリティギャップを示す。第３の元素およびＦｅがミシビリティギャップを示す一部の実施形態では、第３の元素およびＦｅは、少なくとも２つの相の間で、金属合金中に存在することができる。
【００５１】
一部の実施形態では、Ｆｅは、第２の元素に少なくとも部分的に可溶性である。例えば、一部の実施形態では、Ｆｅおよび第２の元素は、固溶体中にある。
【００５２】
第２の元素は、さまざまな適切な百分率で、金属合金中に存在し得る。ある特定の実施形態によれば、第２の元素は、金属合金中に４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３２ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しい量で存在する。一部の実施形態では、第２の元素は、金属合金中に少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多くの量で存在する。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、第２の元素は、金属合金中に金属合金の０．５ａｔ％〜４０ａｔ％の量で存在する。一部の実施形態では、第２の元素は、金属合金中に金属合金の１ａｔ％〜４０ａｔ％の量で存在する。一部の実施形態では、第２の元素は、金属合金中に金属合金の８ａｔ％〜３２ａｔ％の量で存在する。他の値も可能である。
【００５３】
一部の実施形態では、第２の元素は、Ｆｅと比較して、活性化剤元素であってもよい。活性化剤元素は、活性化剤元素の非存在下であるが、他は同一の条件下で観察される焼結速度と比較して、材料の焼結の速度を増加させる元素である。活性化剤元素は、より詳細に下記に記載する。
【００５４】
ある特定の実施形態では、第２の元素は、Ｆｅと比較して、安定化剤元素であってもよい。安定化剤元素は、安定化剤元素の非存在下であるが他は同一の条件下で観察される結晶粒成長速度と比較して、材料の結晶粒成長の速度を低減させる元素である。安定化剤元素は、より詳細に下記に記載する。一部の実施形態では、第２の元素は、安定化剤元素および活性化剤元素の両方であってもよい。一部の実施形態では、安定化剤元素および活性化剤元素は、異なる元素である。
【００５５】
ある特定の実施形態によれば、（例えば、Ｆｅと合金を形成するための）第２の元素は、以下の条件のうちの１つまたは複数に基づいて選択することができる：
１．ナノ結晶の結晶粒径の熱力学的安定化；
２．焼結温度を上回って拡大する相分離領域；
３．より低い溶融温度を有する、第２の（例えば、溶質）元素；および／または
４．沈殿した第２の相へのＦｅの溶解度。
【００５６】
一部の実施形態によれば、第２の元素（例えば、Ｍｇ）は、Ｆｅの親相内で沈殿物を形成する。例えば、一部の実施形態では、金属合金は、Ｆｅに富む結晶粒およびＭｇに富む沈殿物からなる構造を含む。一部の実施形態では、第２の元素（例えば、Ｍｇ）の沈殿物は、Ｆｅの結晶粒の間の結晶粒界に存在させることができる。一部の実施形態では、およそ５０ｎｍの結晶粒径を有するナノ結晶構造は、９００℃（これは、Ｍｇについての溶融温度を上回り、Ｆｅの溶融温度の６５％である）で１２時間後でも維持され得る。一部の実施形態によれば、高い相対密度は、Ｆｅ−１ａｔ％のＭｇおよびＦｅ−２０ａｔ％のＭｇで達成することができる。
【００５７】
一部の実施形態では、第３の元素（例えば、Ｃｒ）は、Ｆｅとのナノ二重構造を形成する。一部の実施形態では、ナノ二重構造は、Ｆｅに富む結晶粒、および第３の元素に富む沈殿物を含む。ナノ二重構造は、一部の実施形態では、実質的に安定であり、かつ／またはナノ結晶である。
【００５８】
一部の実施形態では、金属合金は、Ｆｅおよび第２の元素のみを含む（すなわち、追加の金属または他の元素なしで、Ｆｅおよび第２の元素）。他の実施形態では、金属合金は、Ｆｅ、第２の元素および第３の元素を含む。例えば、一部の実施形態では、金属合金は、（Ｆｅおよび第２の元素に加えて）第３の元素を含む。第３の元素は、一部の実施形態では、金属元素であり得る。「第３の元素」という語句は、本明細書において、Ｆｅではなく、かつ第２の元素ではない、元素を記載するために使用される。つまり、第３の元素は、存在する場合、Ｆｅおよび第２の元素とは異なる。一部の実施形態では、金属合金は、第３の金属を含み、この場合では、合金は、Ｆｅ、第２の金属および第３の金属を含む。
【００５９】
ある特定の実施形態によれば、第３の元素は、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される。
【００６０】
一部の実施形態では、第３の元素は、ＣｒまたはＡｕである。一部の実施形態では、第３の元素は、Ｃｒである。
【００６１】
一部の実施形態では、第３の元素は、鉄（Ｆｅ）の融点よりも低い融点を有する。
【００６２】
一部の実施形態では、第３の元素は、半金属である。例えば、一部の実施形態では、第３の金属は、ホウ素（Ｂ）である。
【００６３】
第３の元素は、さまざまな適切な百分率で、金属合金中に存在し得る。ある特定の実施形態によれば、第３の元素は、金属合金中に４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しい量で存在する。一部の実施形態では、第３の元素は、金属合金中に少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多くの量で存在する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００６４】
ある特定の実施形態によれば、第３の元素は、安定化剤元素、活性化剤元素、または安定化剤元素および活性化剤元素の両方であり得る。
【００６５】
ある特定の実施形態によれば、金属合金中の、Ｆｅではないすべての金属元素および半金属元素（例えば、第２の元素（金属または半金属であり得る）、必要に応じた第３の元素（金属または半金属であり得る）、および任意の追加の必要に応じた元素（金属または半金属であり得る））の合計量は、金属合金の、５０ａｔ％未満、４０ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、３５ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、３２ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、３０ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、２５ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、２２ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、２０ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、１５ａｔ％未満もしくはそれに等しい量、または１２ａｔ％未満もしくはそれに等しい量を構成する。一部の実施形態では、金属合金中の、Ｆｅではないすべての元素（例えば、第２の元素（金属または半金属であり得る）、必要に応じた第３の元素（金属または半金属であり得る）、および任意の追加の必要に応じた元素（金属または半金属であり得る））の合計量は、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％またはそれよりも多くの量を構成する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００６６】
一部の実施形態では、金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量は、金属合金の４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しい。一部の実施形態では、金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量は、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多い。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量は、金属合金の０．５ａｔ％〜３０ａｔ％である。これらの実施形態の一部では、金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％（あるいは少なくとも９５ａｔ％、少なくとも９８ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、または少なくとも９９．９ａｔ％）は、鉄である。
【００６７】
当業者は、所与の金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量を決定するために、これらの元素のそれぞれの元素百分率が単純に合計されることを理解する。例えば、金属合金が、７０ａｔ％のＦｅ、２９ａｔ％のＣｒおよび１ａｔ％のＭｇを含有する場合、その金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）の合計量は、３０ａｔ％（すなわち、Ｃｒから２９ａｔ％、Ｍｇから１ａｔ％、およびリスト中のすべての他の元素について０ａｔ％）になる。当業者はまた、この計算を行う際に、上記のリスト中の元素のすべてが、必ずしも金属合金中に存在しなくてもよいことを理解するだろう。例示的な上記に記載の計算では、例えば、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）およびスズ（Ｓｎ）は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｇ合金中に存在しない。
【００６８】
一部の実施形態では、金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）、およびクロム（Ｃｒ）の合計量は、金属合金の４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しいである。一部の実施形態では、金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）、およびクロム（Ｃｒ）の合計量は、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多い。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、金属合金中に存在するマグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）、およびクロム（Ｃｒ）の合計量は、金属合金の０．５ａｔ％〜３０ａｔ％である。これらの実施形態の一部では、金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％（あるいは少なくとも９５ａｔ％、少なくとも９８ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、または少なくとも９９．９ａｔ％）は、鉄である。
【００６９】
一部の実施形態では、金属合金は、Ｆｅ、Ｍｇ、およびＣｒを含む。一部の実施形態では、Ｆｅは、金属合金中に少なくとも５０ａｔ％（例えば、５０ａｔ％〜９９ａｔ％）の量で存在し、Ｍｇは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；Ｃｒは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在する。一部の実施形態では、Ｍｇは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；Ｃｒは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％（あるいは少なくとも９５ａｔ％、少なくとも９８ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、または少なくとも９９．９ａｔ％）は、Ｆｅである。一部の実施形態では、Ｍｇは、金属合金中に０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量で存在し；Ｃｒは、金属合金中に２５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％（あるいは少なくとも９５ａｔ％、少なくとも９８ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、または少なくとも９９．９ａｔ％）は、Ｆｅである。
【００７０】
ある特定の実施形態では、金属合金は、Ｆｅ、Ｍｇ、およびＡｕを含む。一部の実施形態では、Ｆｅは、金属合金中に少なくとも５０ａｔ％（例えば、５０ａｔ％〜９９ａｔ％）の量で存在し；Ｍｇは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在しＡｕは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在する。一部の実施形態では、Ｍｇは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；Ａｕは、金属合金中に０．５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％（あるいは少なくとも９５ａｔ％、少なくとも９８ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、または少なくとも９９．９ａｔ％）は、Ｆｅである。一部の実施形態では、Ｍｇは、金属合金中に０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量で存在し；Ａｕは、金属合金中に２５ａｔ％〜３０ａｔ％の量で存在し；金属合金の残部の少なくとも９０ａｔ％（あるいは少なくとも９５ａｔ％、少なくとも９８ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、または少なくとも９９．９ａｔ％）は、Ｆｅである。
【００７１】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、ナノ結晶金属合金である。ナノ結晶材料は、一般に、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する少なくとも数個の結晶粒を含む材料を指す。一部の実施形態では、ナノ結晶材料は、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する結晶粒を含む。一部の実施形態では、ナノ結晶材料は、少なくとも１ｎｍまたは少なくとも５ｎｍの結晶粒径を有する結晶粒を含む。したがって、金属合金の場合、ナノ結晶金属合金は、結晶粒径１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する結晶粒を含む金属合金である。一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金は、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する結晶粒を含む。一部の実施形態では、ナノ結晶金属合金は、少なくとも１ｎｍ、少なくとも２ｎｍ、または少なくとも５ｎｍの結晶粒径を有する結晶粒を含む。他の値も可能である。
【００７２】
結晶粒の「結晶粒径」は、一般に、結晶粒の最大寸法を指す。最大寸法は、その形状に応じて、結晶粒の、直径、長さ、幅または高さであり得る。ある特定の実施形態によれば、結晶粒は、球状、立方体状、円錐状、円柱状、針状、またはその他の適切な形状であり得る。
【００７３】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の体積の比較的大きな百分率は、小さな結晶粒で構成される。例えば、一部の実施形態では、金属合金の体積の少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、または実質的に全ては、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい（および／または、一部の実施形態では、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、または１ｎｍほどの小ささ）の結晶粒径を有する結晶粒から構成される。他の値も可能である。
【００７４】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、比較的小さな平均結晶粒径を有していてもよい。材料（例えば、金属合金）の「平均結晶粒径」は、材料中の結晶粒の結晶粒径の数平均を指す。ある特定の実施形態によれば、金属合金（例えば、バルクおよび／またはナノ結晶金属合金）は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい平均結晶粒径を有する。ある特定の実施形態では、金属合金は、２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい平均結晶粒径を有する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００７５】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の幾何中心を横切る金属合金の少なくとも１つの断面は、小さい体積平均の断面の結晶粒径を有する。金属合金の所与の断面の「体積平均の断面の結晶粒径」は、対象物の断面を得て、対象物の断面の画像（透過型電子顕微鏡から得られる画像などの拡大画像であってもよい）でそれぞれの結晶粒の外周をトレースし、それぞれのトレースされた結晶粒断面の円相当直径であるＤｉを計算することによって、決定される。結晶粒断面の「円相当直径」は、対象物の断面中の結晶粒の断面積に等しい面積（Ａ、Ａ＝πｒ２によって決定される）を有する円の直径に相当する。体積平均の断面の結晶粒径（Ｇｃｓ，ａｖｇ）は、
【数１】
2020518726.tif 000003
（式中、ｎは、断面中の粒子の数であり、Ｄｉは、結晶粒ｉの円相当直径である）
として計算される。
【００７６】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の幾何中心を横切る金属合金の少なくとも１つの断面は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい体積平均の断面の結晶粒径を有する。ある特定の実施形態では、金属合金の幾何中心も横切る金属合金の少なくとも１つの断面は、２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい体積平均の断面の結晶粒径を有する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【００７７】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の少なくとも１つの断面（必要に応じて金属合金の幾何中心も横切る）は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい（および／または２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい）体積平均の断面の結晶粒径を有し；第１の断面に直交する金属合金の少なくとも第２の断面（必要に応じて金属合金の幾何中心も横切る）は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい（および／または２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい）体積平均の断面の結晶粒径を有する。他の値も可能である。
【００７８】
ある特定の実施形態によれば、金属合金の少なくとも１つの断面（必要に応じて金属合金の幾何中心も横切る）は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい（および／または２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい）体積平均の断面の結晶粒径を有し；第１の断面に直交する金属合金の少なくとも第２の断面（必要に応じて金属合金の幾何中心も横切る、またはそうではない）は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい（および／または２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい）体積平均の断面の結晶粒径を有し；第１の断面に直交し、第２の断面に直交する金属合金の少なくとも第３の断面（必要に応じて金属合金の幾何中心も横切る）は、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい（および／または２５ｎｍほどの小ささ、１０ｎｍほどの小ささ、５ｎｍほどの小ささ、２ｎｍほどの小ささ、１ｎｍほどの小ささ、またはそれより小さい）体積平均の断面の結晶粒径を有する。
【００７９】
一部の実施形態では、金属合金は、比較的等軸である結晶粒を含む。ある特定の実施形態では、金属合金内の結晶粒の少なくとも一部は、２未満もしくはそれに等しい、１．８未満もしくはそれに等しい、１．６未満もしくはそれに等しい、１．４未満もしくはそれに等しい、１．３未満もしくはそれに等しい、１．２未満もしくはそれに等しい、または１．１未満もしくはそれに等しい（一部の実施形態では、１まで減少する）、アスペクト比を有する。結晶粒のアスペクト比は、結晶粒の幾何中心を横切る結晶粒の最大断面寸法を、結晶粒の最大断面寸法に直交する結晶粒の最大寸法で割ったものとして計算される。結晶粒のアスペクト比は、１つの数として表され、１は等軸の結晶粒に相当する。一部の実施形態では、金属合金中の結晶粒のアスペクト比の数平均は、２未満もしくはそれに等しい、１．８未満もしくはそれに等しい、１．６未満もしくはそれに等しい、１．４未満もしくはそれに等しい、１．３未満もしくはそれに等しい、１．２未満もしくはそれに等しい、または１．１未満もしくはそれに等しい（一部の実施形態では、１まで減少する）。
【００８０】
いずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、比較的等軸の結晶粒は、金属合金が、加えられる圧力の非存在（または実質的に非存在）下で（例えば、無加圧または実質的に無加圧の焼結プロセスにより）製造される場合に存在し得ると考えられる。
【００８１】
ある特定の実施形態では、金属合金は、比較的低い断面の平均結晶粒アスペクト比を含む。一部の実施形態では、金属合金中の断面の平均結晶粒アスペクト比は、２未満もしくはそれに等しい、１．８未満もしくはそれに等しい、１．６未満もしくはそれに等しい、１．４未満もしくはそれに等しい、１．３未満もしくはそれに等しい、１．２未満もしくはそれに等しい、または１．１未満もしくはそれに等しい（一部の実施形態では、１まで減少する）。金属合金の「断面の平均結晶粒アスペクト比」は、金属合金の幾何中心を横切る金属合金の少なくとも１つの断面が、ある特定の範囲内にある平均アスペクト比を有する結晶粒断面で構成される場合に、その範囲内にあると言われる。例えば、金属合金の断面の平均結晶粒アスペクト比は、金属合金が、金属合金の幾何中心を横切る少なくとも１つの断面を含み、この断面が２未満の平均アスペクト比を有する結晶粒断面で構成される場合に、２未満となる。金属合金の断面を構成する結晶粒断面の平均アスペクト比（本明細書において「結晶粒断面の平均アスペクト比」とも称する）を決定するために、金属合金の断面を得て、金属合金の断面の画像（これは、透過型電子顕微鏡から得られる画像などの拡大画像であってもよい）中のそれぞれの結晶粒の外周をトレースし、それぞれのトレースされた結晶粒断面のアスペクト比を計算する。結晶粒断面のアスペクト比は、（結晶粒断面の幾何中心を横切る）結晶粒断面の最大断面寸法を、結晶粒断面の最大断面寸法に直交する結晶粒断面の最大寸法で割ったものとして計算される。結晶粒断面のアスペクト比は、１つの数として表され、１は等軸の結晶粒断面に相当する。金属合金の断面を構成する結晶粒断面の平均アスペクト比（ＡＲａｖｇ）は、数平均：
【数２】
2020518726.tif 000004
（式中、ｎは、断面中の結晶粒の数であり、ＡＲｉは、粒子ｉの断面のアスペクト比である）
として計算される。
【００８２】
ある特定の実施形態によれば、特定の範囲内（例えば、本明細書のどこかに記載されている任意の範囲）にある断面の平均結晶粒アスペクト比を有する金属合金は、金属合金の幾何中心を横切り、その範囲内にある結晶粒断面の平均アスペクト比を有する第１の断面、および金属合金の幾何中心を横切り、その範囲内にある結晶粒断面の平均アスペクト比を有し、第１の断面と直交する、少なくとも第２の断面を有する。例えば、ある特定の実施形態によれば、２未満の断面の平均結晶粒アスペクト比を有する金属合金は、２未満の結晶粒断面の平均アスペクト比を有する、金属合金の幾何中心を横切る断面、および金属合金の幾何中心を横切り、２未満の結晶粒断面の平均アスペクト比を有し、第１の断面と直交する、少なくとも第２の断面を含む。
【００８３】
ある特定の実施形態によれば、特定の範囲内（例えば、本明細書のどこかに記載されている任意の範囲）にある断面の平均結晶粒アスペクト比を有する金属合金は、金属合金の幾何中心を横切り、その範囲内にある結晶粒断面の平均アスペクト比を有する第１の断面；金属合金の幾何中心を横切り、その範囲内にある結晶粒断面の平均アスペクト比を有し、第１の断面と直交する、第２の断面；ならびに金属合金の幾何中心を横切り、その範囲内にある結晶粒断面の平均アスペクト比を有し、第１の断面および第２の断面と直交する、少なくとも第３の断面を有する。例えば、ある特定の実施形態によれば、２未満の断面の平均結晶粒アスペクト比を有する金属合金は、２未満の結晶粒断面の平均アスペクト比を有する、金属合金の幾何中心を横切る第１の断面、金属合金の幾何中心を横切り、２未満の結晶粒断面の平均アスペクト比を有し、第１の断面と直交する、第２の断面、ならびに金属合金の幾何中心を横切り、２未満の結晶粒断面の平均アスペクト比を有し、第１の断面および第２の断面と直交する、少なくとも第３の断面を含む。
【００８４】
ある特定の実施形態によれば、金属合金内の結晶粒は、比較的小さく、比較的等軸の両方であり得る。例えば、ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの断面（および、一部の実施形態では、第１の断面と直交する少なくとも第２の断面、ならびに／または第１および第２の断面と直交する少なくとも第３の断面）は、本明細書の上記または他のどこかで概要を述べた任意の範囲内にある、体積平均の断面の結晶粒径、および結晶粒断面の平均アスペクト比を有し得る。
【００８５】
金属合金は、ある特定の実施形態によれば、バルク金属合金（例えば、バルクナノ結晶金属合金）であり得る。「バルク金属合金」は、薄膜の形状ではない金属合金である。ある特定の実施形態では、バルク金属合金は、少なくとも１ミクロンの最小寸法を有する。一部の実施形態では、バルク金属合金は、少なくとも５ミクロン、少なくとも１０ミクロン、少なくとも２５ミクロン、少なくとも５０ミクロン、少なくとも１００ミクロン、少なくとも５００ミクロン、少なくとも１ミリメートル、少なくとも１センチメートル、少なくとも１０センチメートル、少なくとも１００センチメートル、または少なくとも１メートルの最小寸法を有する。他の値も可能である。ある特定の実施形態によれば、金属合金は、コーティングの形態ではない。
【００８６】
ある特定の実施形態では、金属合金は、少なくとも０．０１ｍｍ３、少なくとも０．１ｍｍ３、少なくとも１ｍｍ３、少なくとも５ｍｍ３、少なくとも１０ｍｍ３、少なくとも０．１ｃｍ３、少なくとも０．５ｃｍ３、少なくとも１ｃｍ３、少なくとも１０ｃｍ３、少なくとも１００ｃｍ３、または少なくとも１ｍ３の体積を占める。他の値も可能である。
【００８７】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、複数の相を含む。例えば、一部の実施形態では、金属合金は、二相金属合金である。
【００８８】
一部の実施形態では、金属合金は、高い相対密度を有する。「相対密度」という用語は、金属合金の実験的に測定された密度と金属合金の最大理論密度との比を指す。「相対密度」（ρｒｅｌ）は、百分率として表され、
【数３】
2020518726.tif 000005
（式中、ρｍｅａｓｕｒｅｄは、金属合金の実験的に測定された密度であり、ρｍａｘｉｍｕｍは、その金属合金と同じ組成を有する合金の最大理論密度である）
として計算される。
【００８９】
一部の実施形態では、金属合金（例えば、焼結された金属合金、ナノ結晶金属合金、および／またはバルク金属合金）は、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９２％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％（および／または、ある特定の実施形態では、最大９９．８％、最大９９．９％、またはそれより多く）の相対密度を有する。一部の実施形態では、ナノ結晶合金は、１００％の相対密度を有する。他の値も可能である。
【００９０】
ある特定の実施形態によれば、金属合金は、完全に高密度である。本明細書において用いられる場合、「完全に高密度」（または「完全密度」）という用語は、少なくとも９８％の相対密度を有する材料を指す。ある特定の実施形態によれば、金属合金の相対密度は、金属合金の他の材料特性に影響を及ぼし得る。したがって、金属合金の相対密度を制御することによって、金属合金の他の材料特性を制御し得る。
【００９１】
ある特定の実施形態によれば、本明細書に記載の金属合金は、比較的高い温度で実質的に安定であり得る。金属合金は、金属合金がアルゴン雰囲気中で２４時間特定の温度で加熱されたときに、合金の幾何中心を横切る断面の体積平均の断面の結晶粒径（上記に記載）が、（元の体積平均の断面の結晶粒径と比較して）２０％を超えて増加しない、合金の幾何中心を横切る断面を金属合金が少なくとも１つ含む場合、その特定の温度で「実質的に安定」であると言われる。当業者は、物品の断面を取り、２５℃で断面の体積平均の断面の結晶粒径を決定し、アルゴン雰囲気中で２４時間特定の温度に断面を加熱し、断面を冷却して２５℃に戻し、加熱後の断面の体積平均の断面の結晶粒径を決定することによって、金属合金が特定の温度で実質的に安定であるか否かを決定する能力がある。金属合金は、加熱ステップ後の断面の体積平均の断面の結晶粒径が、加熱ステップ前の断面の体積平均の断面の結晶粒径の１２０％未満である場合に、実質的に安定であると言われる。ある特定の実施形態によれば、特定の温度で実質的に安定な金属合金は、対象物がアルゴン雰囲気中で２４時間その温度で加熱されたときに、断面の体積平均の断面の結晶粒径が、（元の体積平均の結晶粒径と比較して）１５％を超えて、１０％を超えて、５％を超えて、または２％を超えて増加しない、金属合金の幾何中心を横切る少なくとも１つの断面を含む。
【００９２】
一部の実施形態では、金属合金は、１００セルシウス度（℃）より高いかまたはそれに等しい少なくとも１つの温度で実質的に安定である。ある特定の実施形態では、金属合金は、２００℃より高いかまたはそれに等しい、３００℃より高いかまたはそれに等しい、４００℃より高いかまたはそれに等しい、５００℃より高いかまたはそれに等しい、６００℃より高いかまたはそれに等しい、７００℃より高いかまたはそれに等しい、８００℃より高いかまたはそれに等しい、９００℃より高いかまたはそれに等しい、１０００℃より高いかまたはそれに等しい、１１００℃より高いかまたはそれに等しい、１２００℃より高いかまたはそれに等しい、１３００℃より高いかまたはそれに等しい、または１４００℃より高いかまたはそれに等しい少なくとも１つの温度で実質的に安定である。他の範囲も可能である。
【００９３】
本明細書に記載されるある特定の金属合金は、焼結された金属合金である。本開示による金属合金を製造するために使用され得る例示的な焼結方法を、より詳細に下記に記載する。
【００９４】
金属合金（例えば、焼結された金属合金、バルク金属合金および／またはナノ結晶金属合金）を形成する新規方法も本明細書に記載する。本明細書に記載されるある特定の本発明の方法は、本明細書の上記および他のどこかに記載の本発明の金属合金を形成するために使用することができる。例えば、ある特定の本明細書に記載の方法は、例えば、本明細書の上記または他のどこかに記載の任意の結晶粒径および／または結晶粒径の分布を含む、ナノ結晶金属合金を形成するために使用することができる。ある特定の本明細書に記載の方法は、本明細書の上記または他のどこかに記載の任意の相対密度を含む、高い相対密度を有する金属合金を形成するために使用することができる。ある特定の本明細書に記載の方法は、例えば、本明細書の上記または他のどこかに記載の任意のサイズを有する、バルクナノ結晶金属合金を形成するために使用することができる。ある特定の本明細書に記載の方法は、例えば、本明細書の上記または他のどこかに記載の任意の安定性（例えば、結晶粒成長に対する）を有する、安定である金属合金を形成するために使用することができる。
【００９５】
一部の実施形態では、金属合金は、複数の微粒子を焼結することによって形成される。微粒子の形状は、例えば、球状、立方体状、円錐状、円柱状、針状、不定形、またはその他の適切な形状であり得る。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部（例えば、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％）は、単結晶である。ある特定の実施形態では、微粒子の少なくとも一部（例えば、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％）は、多結晶である。
【００９６】
焼結された微粒子は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子であり得る。ナノ結晶微粒子は、ある特定の実施形態によれば、１０００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、９００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、８００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、７００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、６００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、２００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、１００ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、４０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、３０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい、または２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する結晶粒を含み得る。ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、５０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、５ｎｍより大きいかまたはそれに等しく、かつ２５ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、１０ｎｍより大きいかまたはそれに等しく、かつ２０ｎｍよりも小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する。
【００９７】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅおよび／または第２の元素（例えば、第２の金属）を含む。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の一部分は、Ｆｅで構成されるが、ナノ結晶微粒子の別の部分は、第２の元素（例えば、第２の金属）で構成される。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅおよび第２の元素（例えば、第２の金属）の両方を含む。
【００９８】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅ、第２の元素（例えば、第２の金属）および／または第３の元素（例えば、第３の金属）を含む。一部の実施形態では、ナノ結晶微粒子の一部分は、Ｆｅで構成されるが、ナノ結晶微粒子の別の部分は、第２の元素で構成され、ナノ結晶微粒子のさらに別の部分は、第３の元素で構成される。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅおよび第２の元素の両方を含む。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅおよび第３の元素の両方を含む。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅ、第２の元素および第３の元素を含む。
【００９９】
一部の実施形態では、Ｆｅは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素である。一部の実施形態では、Ｆｅは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な金属元素または半金属元素である。一部の実施形態では、Ｆｅは、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な金属元素である。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、少なくとも５０ａｔ％、少なくとも５５ａｔ％、少なくとも６０ａｔ％、少なくとも７０ａｔ％、少なくとも８０ａｔ％、少なくとも９０ａｔ％、または少なくとも９５ａｔ％の量のＦｅを含有する。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、最大で９６ａｔ％、最大で９７ａｔ％、最大で９８ａｔ％、またはそれよりも多くの量のＦｅを含有する。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【０１００】
一部の実施形態では、Ｆｅは、微粒子材料において、原子百分率で、最も豊富な元素である。一部の実施形態では、Ｆｅは、微粒子材料において、原子百分率で、最も豊富な金属元素または半金属元素である。一部の実施形態では、Ｆｅは、微粒子材料において、原子百分率で、最も豊富な金属元素である。ある特定の実施形態によれば、微粒子材料中に存在するＦｅの合計量は、微粒子材料の、少なくとも５０ａｔ％、少なくとも５５ａｔ％、少なくとも６０ａｔ％、少なくとも７０ａｔ％、少なくとも８０ａｔ％、少なくとも９０ａｔ％、または少なくとも９５ａｔ％である。一部の実施形態では、微粒子材料中に存在するＦｅの合計量は、微粒子材料の、最大で９６ａｔ％、最大で９７ａｔ％、最大で９８ａｔ％、最大で９９ａｔ％、最大で９９．５ａｔ％、またはそれよりも多くである。これらの範囲の組合せも可能である。他の値も可能である。
【０１０１】
第２の元素（第２の金属であり得る）は、例えば、上記に記載の第２の元素のいずれかであり得る。
【０１０２】
第３の元素（第３の金属であり得る）は、例えば、上記に記載の第３の元素のいずれかであり得る。
【０１０３】
一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３２ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しい量の第２の元素（例えば、第２の金属）を含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多い量の第２の元素（例えば、第２の金属）を含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部微粒子材料の０．５ａｔ％〜４０ａｔ％の量の第２の元素を含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部微粒子材料の１ａｔ％〜４０ａｔ％の量の第２の元素を含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部微粒子材料の８ａｔ％〜３２ａｔ％の量の第２の元素を含む。他の値も可能である。
【０１０４】
一部の実施形態では、微粒子材料中の第２の元素の合計量は、微粒子材料の４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３２ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しい。一部の実施形態では、微粒子材料中の第２の元素の合計量は、微粒子材料の少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多くである。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第２の元素の合計量は、微粒子材料の０．５ａｔ％〜４０ａｔ％である。一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第２の元素の合計量は、微粒子材料の１ａｔ％〜４０ａｔ％である。一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第２の元素の合計量は、微粒子材料の８ａｔ％〜３２ａｔ％である。他の値も可能である。
【０１０５】
一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しいる量の第３の元素を含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部は、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多くの量の第３の元素を含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部微粒子材料の０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、または１ａｔ％〜３０ａｔ％の量の第３の元素を含む。一部の実施形態では、微粒子の少なくとも一部微粒子材料の０．５ａｔ％〜３０ａｔ％、または１ａｔ％〜３０ａｔ％の量の第３の元素を含む。他の値も可能である。
【０１０６】
一部の実施形態では、微粒子材料中の第３の元素の合計量は、４０ａｔ％未満またはそれに等しい、３５ａｔ％未満またはそれに等しい、３０ａｔ％未満またはそれに等しい、２５ａｔ％未満またはそれに等しい、２２ａｔ％未満またはそれに等しい、２０ａｔ％未満またはそれに等しい、１５ａｔ％未満またはそれに等しい、または１２ａｔ％未満またはそれに等しい。一部の実施形態では、微粒子材料中の第３の元素の合計量は、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、少なくとも６ａｔ％、少なくとも７ａｔ％、少なくとも８ａｔ％、少なくとも９ａｔ％、少なくとも１０ａｔ％、またはそれより多い。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第３の元素の合計量は、微粒子材料の１ａｔ％〜３０ａｔ％である。一部の実施形態では、微粒子材料中に存在する第３の元素の合計量は、微粒子材料の１ａｔ％〜３０ａｔ％である。他の値も可能である。
【０１０７】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅおよび第２の元素を含む粉末を機械的に加工することによって形成される。例えば、ある特定の実施形態は、複数のＦｅ微粒子および複数の第２の元素の微粒子（例えば、Ｍｇを含む微粒子）を含む粉末を機械的に加工することによって、少なくとも部分的に、ナノ結晶微粒子を作製することを含む。ある特定の実施形態は、Ｆｅおよび第２の元素の両方を含む微粒子を機械的に加工することによって、少なくとも部分的に、ナノ結晶微粒子を作製することを含む。
【０１０８】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅ、第２の元素および第３の元素を含む粉末を機械的に加工することによって形成される。例えば、ある特定の実施形態は、複数のＦｅ微粒子、複数の第２の元素の微粒子（例えば、Ｍｇを含む微粒子）および複数の第３の元素の微粒子（例えば、Ｃｒを含む微粒子）を含む粉末を機械的に加工することによって、少なくとも部分的に、ナノ結晶微粒子を作製することを含む。ある特定の実施形態は、Ｆｅおよび第２の元素の両方；Ｆｅおよび第３の元素の両方；第２の元素および第３の元素の両方；ならびに／またはＦｅ、第２の元素および第３の元素のすべてを含む微粒子を機械的に加工することによって、少なくとも部分的に、ナノ結晶微粒子を作製することを含む。
【０１０９】
機械的加工を使用する実施形態では、機械的加工の任意の適切な方法を用いて、粉末を機械的加工し、ナノ結晶微粒子を形成し得る。ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の少なくとも一部は、Ｆｅおよび第２の元素（および／または、存在する場合、第３の元素）を含む粉末をボールミリングすることによって形成される。ボールミリングプロセスは、例えば、高エネルギーボールミリングプロセスであり得る。非限定的な例示的なボールミリングプロセスでは、２：１〜２０：１（例えば、５：１〜１２：１、例えば、１０：１）のボールと粉末の比、および０．０１〜３ｍｇ／ｇ粉末のエタノールプロセス制御剤含有量を有するタングステンカーバイドまたは鋼鉄のミリングバイアルを用いてもよい。ある特定の他の実施形態によれば、機械的加工は、プロセス制御剤の非存在下で行われる。限定されないが、シェーカーミリングおよび遊星ミリングを含む、他の種類の機械的加工も用いられ得る。一部の実施形態では、（例えば、ボールミリングまたは別のプロセスによる）機械的加工は、過飽和相を含むナノ結晶微粒子を製造するために十分な条件下で行われ得る。過飽和相は、より詳細に下記に記載する。
【０１１０】
ある特定の実施形態によれば、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、比較的低い温度で行われる。例えば、一部の実施形態では、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、微粒子が、１５０℃未満もしくはそれに等しい温度、１００℃未満もしくはそれに等しい温度、７５℃未満もしくはそれに等しい温度、５０℃未満もしくはそれに等しい温度、４０℃未満もしくはそれに等しい温度、３５℃未満もしくはそれに等しい温度、３０℃未満もしくはそれに等しい温度、２５℃未満もしくはそれに等しい温度、または２０℃未満もしくはそれに等しい温度である間に行われる。一部の実施形態では、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、微粒子が、少なくとも０℃の温度である間に行われる。一部の実施形態では、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、周辺の周囲環境の温度で行われる。
【０１１１】
ある特定の実施形態では、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、６時間より長いかまたはそれに等しい（例えば、８時間よりも長いかもしくはそれに等しい、１０時間よりも長いかもしくはそれに等しい、１２時間よりも長いかもしくはそれに等しい、または１５時間よりも長いかもしくはそれに等しい）時間で実施され得る。ある特定の実施形態では、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、１８時間未満またはそれに等しい時間で実施され得る。一部の実施形態では、機械的加工（例えば、ボールミリング）は、６時間〜１８時間の時間で実施され得る。一部の場合では、機械的加工の時間が長すぎると、Ｆｅおよび／または第２の元素（および／または、存在する場合、第３の元素）が、機械的加工を行うために使用される材料（例えば、ミリングバイアルの材料）によって汚染される場合がある。Ｆｅに溶解される第２の元素（および／または、存在する場合、第３の元素）の量は、一部の場合では、機械的加工（例えば、ミリング）の時間が増加すると、増加する。一部の実施形態では、機械的加工ステップ（例えば、ボールミリングステップ）の後、第２の元素材料に富む相が存在し得る。
【０１１２】
ある特定の実施形態によれば、Ｆｅおよび第２の元素（および／または、存在する場合、第３の元素）は、非平衡相の微粒子中に存在する。微粒子は、ある特定の実施形態によれば、第２の元素（および／または、存在する場合、第３の元素）がＦｅに溶解した非平衡相を含み得る。一部の実施形態では、非平衡相は、固溶体を含む。一部の実施形態によれば、非平衡相は、Ｆｅに溶解した第２の元素（および／または、存在する場合、第３の元素）を含む過飽和相であり得る。「過飽和相」は、本明細書で使用される場合、材料が、溶解度の限界を超える量で別の材料に溶解している相を指す。過飽和相は、一部の実施形態では、そうでなければＦｅの平衡相に溶解することができる活性化剤元素および／または安定化剤元素の量を超える量で、Ｆｅに強制的に溶解した活性化剤元素および／または安定化剤元素を含むことができる。例えば、実施形態の一セットでは、過飽和相は、そうでなければ平衡のＦｅ相に溶解することができる活性化剤元素の量を超える量で、Ｆｅに強制的に溶解した活性化剤元素を含む相である。
【０１１３】
一部の実施形態では、過飽和相は、機械的加工（例えば、ボールミリング）プロセスの後に存在する唯一の相であり得る。
【０１１４】
ある特定の実施形態によれば、非平衡相は、ナノ結晶微粒子の焼結の間に分解を受け得る（この焼結は、より詳細に下記に記載する）。ナノ結晶微粒子の焼結は、ナノ結晶微粒子の表面および結晶粒界のうちの少なくとも１つにおいて、第３の元素に富む相の形成を引き起こし得る。一部のこのような実施形態では、Ｆｅは、第３の元素に富む相に可溶性である。第３の元素に富む相の形成は、焼結の間の非平衡相の分解の結果であり得る。第３の元素に富む相は、ある特定の実施形態によれば、Ｆｅのための高速の拡散経路としての機能を果たし得、焼結動力学を増強し、ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速させてもよい。一部の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子の焼結の間の非平衡相の分解は、ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速させる。
【０１１５】
必ずしもすべてではないが、ある特定の実施形態は、焼結の前の少なくとも一部の時間の間に複数のナノ結晶微粒子を冷間プレスすることを含む。ある特定の実施形態によれば、高い相対密度が同時加熱の必要なく達成されるように、Ｆｅおよび第２の元素（例えば、ＦｅおよびＭｇ）を含む金属合金、ならびに／またはＦｅ、第２の元素および第３の元素（例えば、Ｆｅ、ＭｇおよびＣｒ）を含む金属合金を圧縮することができることを見出した。一部の実施形態では、冷間プレスは、３００ＭＰａより大きいかもしくそれに等しい、４００ＭＰａより大きいかもしくそれに等しい、５００ＭＰａより大きいかもしくそれに等しい、７５０ＭＰａより大きいかもしくそれに等しい、１０００ＭＰａより大きいかもしくそれに等しい、またはさらに大きい力で複数のナノ結晶微粒子を圧縮することを含む。一部の実施形態では、冷間圧縮は、最大で１４００ＭＰａ、またはさらに大きい力で複数のナノ結晶微粒子を圧縮することを含む。これらの範囲の組合せも可能である（例えば、３００ＭＰａよりも大きいかまたはそれに等しく、かつ１４００ＭＰａ未満またはそれに等しい）。他の範囲も可能である。
【０１１６】
ある特定の実施形態によれば、冷間圧縮は、比較的低い温度で行われる。例えば、一部の実施形態では、冷間圧縮は、微粒子が、１５０℃未満もしくはそれに等しい温度、１００℃未満もしくはそれに等しい温度、７５℃未満もしくはそれに等しい温度、５０℃未満もしくはそれに等しい温度、４０℃未満もしくはそれに等しい温度、３５℃未満もしくはそれに等しい温度、３０℃未満もしくはそれに等しい温度、２５℃未満もしくはそれに等しい温度、または２０℃未満もしくはそれに等しい温度である間に行われる。一部の実施形態では、冷間圧縮は、周辺の周囲環境の温度で行われる。
【０１１７】
上述のように、ある特定の実施形態は、複数のナノ結晶微粒子を焼結して、ナノ結晶金属合金を形成することを含む。当業者は、焼結のプロセスを熟知しており、これは、材料が単一の固体塊になるように、焼結される材料（例えば、微粒子）に熱を加えることを含む。
【０１１８】
図１Ａ〜図１Ｃは、ある特定の実施形態による焼結プロセスを示す例示的な模式図である。図１Ａにおいて、複数の微粒子１００は、球の形態で示される（しかし、他のどこかで言及するように、他の形状を使用することができる）。図１Ｂに示すように、微粒子１００が互いに接触するように、微粒子１００を配置することができる。図１Ｃに示すように、微粒子が加熱されるにつれて、微粒子が凝集して、単一の固体材料１１０を形成する。焼結プロセスの間、ある特定の実施形態によれば、微粒子１００の間の隙間１０５（図１Ｂに示す）は、非常に低減され得るか、または除外され得（図１Ｃに示す）、その結果、高い相対密度を有する固体が形成される。
【０１１９】
ある特定の実施形態によれば、焼結は、金属微粒子が、比較的低い温度であるときおよび／または比較的短い時間で、高い相対密度、小さな結晶粒径および／または等軸の結晶粒を有する金属合金を形成する能力を維持しながら、行うことができる。
【０１２０】
ある特定の実施形態によれば、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、１２００℃未満またはそれに等しい、１１００℃未満またはそれに等しい、１０００℃未満またはそれに等しい、９００℃未満またはそれに等しい、８５０℃未満またはそれに等しい、８００℃未満またはそれに等しい、７５０℃未満またはそれに等しい、７００℃未満またはそれに等しい、６５０℃未満またはそれに等しい、６００℃未満またはそれに等しい、５５０℃未満またはそれに等しい、５００℃未満またはそれに等しい、４５０℃未満またはそれに等しい、４００℃未満またはそれに等しい、または４００℃未満またはそれに等しい焼結温度にナノ結晶微粒子を加熱することを含む。ある特定の実施形態によれば、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、３００℃より高いかまたはそれに等しい、３５０℃より高いかまたはそれに等しい、４００℃より高いかまたはそれに等しい、５００℃より高いかまたはそれに等しい、６００℃より高いかまたはそれに等しい、７００℃より高いかまたはそれに等しい、または９００℃より高いかまたはそれに等しい焼結温度にナノ結晶微粒子を加熱することを含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、６００℃より高いかまたはそれに等しく、かつ１１００℃未満またはそれに等しい焼結温度にナノ結晶微粒子を加熱することを含む。一部の実施形態では、焼結された材料の温度は、焼結時間の少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９９％の間、これらの範囲内である。
【０１２１】
ある特定の実施形態によれば、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、７２時間未満、４８時間未満、２４時間未満またはそれに等しい、１２時間未満またはそれに等しい、６時間未満またはそれに等しい、４時間未満またはそれに等しい、３時間未満またはそれに等しい、２時間未満またはそれに等しい、または１時間未満またはそれに等しい（および／または、一部の実施形態では、少なくとも１０分間、少なくとも２０分間、少なくとも３０分間、少なくとも５０分間、少なくとも３時間、または少なくとも６時間）の間焼結温度の範囲内にナノ結晶微粒子を維持することを含む。これらの範囲の組合せも可能である。例えば、一部の実施形態では、複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、６時間より長いかまたはそれに等しく、かつ２４時間未満またはそれに等しい焼結期間の間、６００℃より高いかまたはそれに等しく、かつ１１００℃未満またはそれに等しい第１の焼結温度にナノ結晶微粒子を加熱することを含む。
【０１２２】
ある特定の実施形態によれば、焼結は、ナノ結晶微粒子を、第２の元素の非存在下でＦｅを焼結するために必要な第２の焼結温度よりも低い第１の焼結温度に加熱することを含む。このような条件が適合するか否かを決定するために、当業者は、Ｆｅおよび第２の元素を含有する試料において焼結を達成するために必要な温度を、第２の元素なしでＦｅを含有するが、それ以外はＦｅおよび第２の元素を含有する試料と同一である試料において焼結を達成するために必要な温度と比較するだろう。一部の実施形態では、第１の焼結温度は、第２の焼結温度よりも、少なくとも２５℃、少なくとも５０℃、少なくとも１００℃、または少なくとも２００℃低くあり得る。一部の実施形態では、第１の焼結ステップは、少なくとも５００℃（または少なくとも６００℃）の温度で行われる。一部の実施形態では、第２の焼結ステップは、少なくとも９００℃（または少なくとも１１００℃）の温度で行われる。
【０１２３】
ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶微粒子に存在する非平衡相（例えば、本明細書の上記または他のどこかに記載の任意の非平衡相）は、焼結の間に分解を受ける。一部のこのような実施形態では、非平衡相の分解は、ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速させる。
【０１２４】
一部の実施形態では、焼結は、焼結の間にナノ結晶微粒子の表面および結晶粒界のうちの少なくとも１つにおいて第２の相を形成することをさらに含む。一部のこのような実施形態では、第２の相は、第２の元素に富む。相中の元素の含有量に関する「富む」という用語は、少なくとも５０ａｔ％（例えば、少なくとも６０ａｔ％、少なくとも７０ａｔ％、少なくとも８０ａｔ％、少なくとも９０ａｔ％、少なくとも９９ａｔ％、またはそれよりも多い）の、相中の元素の含有量を指す。「相」という用語は、一般に、本明細書において、物質の状態を指すために使用される。例えば、相は、相図において示される相を指すことができる。
【０１２５】
焼結は、さまざまな適切な環境において実施され得る。ある特定の実施形態では、ナノ結晶微粒子は、焼結プロセスの間、不活性雰囲気中にある。不活性雰囲気の使用は、例えば、反応性金属がナノ結晶微粒子で用いられる場合に有用であり得る。例えば、ＦｅおよびＭｇは（別々および／または一緒に）、酸素と反応性である。
【０１２６】
一部の実施形態では、焼結は、雰囲気の少なくとも９０体積％、少なくとも９５体積％、少なくとも９９体積％または実質的にすべてが不活性ガスで構成されている雰囲気中で行われる。不活性ガスは、例えば、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトン、これらの２つもしくはそれよりも多くの組合せ、または他の不活性ガス（複数可）であり得るか、またはこれらを含み得る。
【０１２７】
ある特定の実施形態では、酸素捕捉剤（例えば、ゲッター）が、焼結環境に含まれていてもよい。酸素捕捉剤の使用は、金属が、焼結プロセスの間に酸化される程度を低減させることができ、これは、ある特定の実施形態によれば、有利であり得る。一部の実施形態では、酸素が、１体積％未満、０．１体積％未満、１００百万分率（ｐｐｍ）未満、１０ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満の量で存在するように、焼結環境を制御することができる。
【０１２８】
ある特定の実施形態では、焼結は、焼結条件下で酸素ガス（すなわち、Ｏ２）に曝露される場合に、酸素ガスと反応するガスを含有する雰囲気中で行われる。一部の実施形態では、焼結は、水素ガス（Ｈ２）を含む雰囲気中で行われる。一部の実施形態では、水素ガスおよび不活性ガスの組合せは、焼結が行われる雰囲気の、少なくとも９０体積％、少なくとも９５体積％、少なくとも９９体積％または実質的にすべてを構成する。一部の実施形態では、水素ガスおよびアルゴンガスの組合せは、焼結が行われる雰囲気の、少なくとも９０体積％、少なくとも９５体積％、少なくとも９９体積％または実質的にすべてを構成する。
【０１２９】
ある特定の実施形態によれば、焼結は、加えられる外部応力が本質的になしで行われる。例えば、一部の実施形態では、焼結が行われる間の、少なくとも２０％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、または少なくとも９８％の時間、ナノ結晶微粒子に加えられる最大の外部圧力は、２ＭＰａ未満もしくはそれに等しい、１ＭＰａ未満もしくはそれに等しい、０．５ＭＰａ未満またはそれに等しい、または０．１ＭＰａ未満またはそれに等しい。ナノ結晶微粒子に加えられる最大の外部圧力は、ナノ結晶微粒子に外部の力を加える結果として加えられる最大圧力を指し、重力によって引き起こされる圧力、およびナノ結晶微粒子と、ナノ結晶微粒子が焼結プロセスの間に置かれる表面との間に生じる圧力を除外する。本明細書に記載されるある特定の焼結プロセスは、焼結プロセスの間に加えられる外部圧力が非存在または実質的に非存在であっても、比較的高い密度の焼結された超微細材料およびナノ結晶材料の製造を可能にし得る。ある特定の実施形態によれば、焼結は、無加圧の焼結プロセスであり得る。
【０１３０】
ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの活性化剤元素は、焼結プロセスの間に存在し得る。活性化剤元素は、Ｆｅの焼結動力学を増強し得る。ある特定の実施形態によれば、活性化剤元素は、Ｆｅ原子のための高拡散経路を提供し得る。例えば、一部の実施形態では、活性化剤元素の原子は、Ｆｅ原子を取り囲んで、Ｆｅ原子のための比較的高い輸送拡散経路を提供し、それによって、Ｆｅの拡散の活性化エネルギーを低減させ得る。一部の実施形態では、この技術は、活性化焼結と称される。活性化剤元素は、一部の実施形態では、活性化剤元素の非存在下であるが、他は同一の条件下で、ナノ結晶微粒子を焼結するために必要な温度と比較して、ナノ結晶微粒子を焼結するために必要な温度を低下させ得る。したがって、焼結は、ある特定の実施形態によれば、第１の焼結温度を含むことができ、第１の焼結温度は、第３の元素の非存在下でＦｅを焼結するために必要な第２の焼結温度よりも低くあり得る。第３の元素の非存在下でＦｅを焼結するために必要な焼結温度を決定するために、第３の元素を含有しないが、他はナノ結晶微粒子材料と同一であるＦｅ材料の試料を調製する。次いで、第３の元素を含まない試料を焼結するために必要な最低温度を決定する。一部の実施形態では、第３の元素の存在は、少なくとも２５℃、少なくとも５０℃、少なくとも１００℃、少なくとも２００℃、またはそれよりも大きく、焼結温度を低下させる。
【０１３１】
ある特定の実施形態によれば、少なくとも１つの安定化剤元素は、焼結プロセスの間に存在し得る。安定化剤元素は、安定化剤元素の非存在下であるが、他は同一の条件下で生じる量と比較して、生じる結晶粒成長の量を低減させる能力がある任意の元素であり得る。一部の実施形態では、安定化剤元素は、焼結材料の結晶粒界エネルギーを低減させることによって、および／または結晶粒成長のための推進力を低減させることによって、結晶粒成長を低減させる。安定化剤元素は、ある特定の実施形態によれば、焼結材料との正の混合熱を示し得る。安定化剤元素は、結晶粒界における偏析によって、ナノ結晶Ｆｅを安定化し得る。この偏析は、結晶粒界エネルギーを低減させ得、および／または合金中での結晶粒成長に対する推進力を低減させ得る。
【０１３２】
一部の実施形態では、安定化剤元素は、活性化剤元素でもあり得る。安定化剤元素および活性化剤元素の両方としての単一の元素の使用は、ある特定の実施形態によれば、活性化剤および安定化剤の間の相互作用を考慮する必要性を取り除くという追加の利点を有する。一部の実施形態では、活性化剤元素および安定化剤元素の両方として用いられ得る元素は、金属元素または半金属元素であり得、これは、前述の金属元素または半金属元素のいずれかであり得る。
【０１３３】
ある特定の実施形態によれば、１つの元素が、安定化剤および活性化剤の両方としての機能を果たすことができない場合、２つの元素を用いてもよい。２つの元素の間の相互作用は、一部の実施形態によれば、活性化剤および安定化剤の役割を適切に充足することを確実にするように考慮され得る。例えば、活性化剤および安定化剤が金属間化合物を形成する場合、それぞれの元素は、一部の場合では、それらの指定された役割を充足することを妨げられる場合がある。結果として、予測される焼結温度で金属間化合物を形成する能力を有する活性化剤および安定化剤の組合せは、少なくとも一部の例では、回避すべきである。２つの元素の間の金属間化合物の形成についての可能性は、相図を用いて分析され得る。
【０１３４】
実施形態の一セットによれば、鉄粉末およびマグネシウム粉末（例えば、１０、２０または３０ａｔ％のＭｇと、残部の鉄）は、ボールミリングされ得、冷間圧縮により機械的に合金化され得、その後、（例えば、熱機械分析器で数時間）アニールされ得る。一部の実施形態では、Ｆｅ−Ｍｇ−Ｃｒ合金系は、Ｆｅ結晶粒界へのＭｇの偏析によって、および結晶粒界をピン固定し、結晶粒成長をさらに妨げる、Ｍｇに富む沈殿物の形成によって、ナノ結晶の結晶粒径の安定化を示す。
【０１３５】
ある特定の実施形態によれば、Ｆｅ、ＭｇおよびＣｒ元素の粉末は、混合され、ミルにかけられて、過飽和およびナノメートルスケールへの結晶粒径の減少が達成される。一部の実施形態では、圧縮された粉末のアニーリングは、Ｆｅに富む結晶粒およびＣｒに富む沈殿物からなるナノ二重構造の発達をもたらす。一部の実施形態では、およそ１００ｎｍの結晶粒径を有するナノ結晶構造は、９００℃（これは、Ｆｅの溶融温度の６５％である）で１８時間後でも維持され得る。一部の実施形態では、高い相対密度は、Ｆｅ−２９ａｔ％のＣｒ−１ａｔ％のＭｇで達成することができる。これは、加速された高密度化が可能であることを示し得ると考えられる。
【０１３６】
ある特定の実施形態は、熱的に安定な、ナノ結晶微細構造を有する鉄系の金属の合金に関する。この合金は、機械的な合金化によって金属の粉末から調製され得、次いで、ナノスケールの結晶粒径を維持しながら、高い温度で完全に高密度の材料に強化され得る。ある特定の実施形態により、高密度のナノ結晶合金は、ナノ結晶ではない類似の合金よりも顕著に強い。
【０１３７】
ある特定の実施形態によれば、合金は、鉄（Ｆｅ）系であり、典型的には、異なる組成のマグネシウム（Ｍｇ）およびクロム（Ｃｒ）を含有する。これらは、一部の実施形態によれば、元素の粉末の高エネルギーボールミリングによって調製され、これは、機械的な合金化（合金の生成）および結晶粒の緻密化（ナノ結晶構造の形成）をもたらす。一部の実施形態では、合金粉末は、次いで、冷間圧縮され、いかなる圧力も加えられずに、不活性雰囲気中でアニールされる。ある特定の実施形態により、Ｍｇの添加は、結晶粒界を安定化させ、その結果、ナノ結晶構造がアニーリングプロセスの間に維持されると考えられる。一部の実施形態により、Ｃｒの添加は、アニーリングの間に第２の相を形成することによって、焼結（高密度化）プロセスを加速させるのを助けるとも考えられる。
必ずしもすべてではないが、本明細書に記載されるある特定の実施形態は、既存の方法、装置および／または材料に対して、１つまたは複数の利点および／または改善を有し得る。
【０１３８】
一部の実施形態によれば、本明細書に記載の方法は、潜在的に複雑な形状を有する、完全に高密度のバルクナノ結晶の部品の、スケーラブルな方法での生成を可能にする。高密度で、粗い結晶粒の材料の厳密な塑性変形法（ＳＰＤ）などの代替法は、一般に、スケーラブルではないと考えられ、一般に、単純な部品形状に制限されると考えられる。加えて、ある特定の本明細書に記載の方法は、加熱の間に圧力を加えることなく粉末を焼結することを可能にし、これは、処理の経路を大幅に簡素化する。
【０１３９】
本明細書に記載されるある特定の物品、系および／または方法は、さまざまな任意の商業的用途を有することができ、および／または特に経済的に魅力的であり得る。例えば、ある特定の実施形態により、バルクナノ結晶の金属部品は、これらが顕著に改善された機械的特性を提供し得るので、商業的用途において任意の構造的金属部品に取って代わることができる。一部の実施形態により、これらのナノ結晶鉄合金は、その結果、建築、自動車および航空機産業などにおける従来の鉄合金の部品を置き換えることができる。一部の実施形態では、これらの強度の増加が必要でない場合、これらは、重量を低減させるために使用することができる。例えば、ある特定の実施形態により、より薄いパネルは、従来の合金で作られたより厚いパネルと同じ工学的特性を提供し得る。一部の実施形態では、本明細書に記載の合金は、強度の増加および重量の低減の両方を提供するために使用することができる。
【０１４０】
米国仮出願第６２／５０１，２４０号（２０１７年５月４日出願、発明の名称「Thermally  Stable  Nanocrystalline  Iron  Alloys」）、米国仮出願第６２／６４６，２８２号（２０１８年３月２１日出願、発明の名称「Thermally  Stable  Nanocrystalline  Iron  Alloys  and  Associated  Systems  and  Methods」）、および米国仮出願第６２／６４９，１７８号（２０１８年３月２８日出願、発明の名称「Thermally  Stable  Nanocrystalline  Iron  Alloys  and  Associated  Systems  and  Methods」）は、すべての目的のために、これらの全体が、参照によって本明細書にそれぞれ組み込まれる。
【０１４１】
以下の実施例は、本発明のある特定の実施形態を説明することを意図するものであるが、本発明の完全な範囲を例示するものではない。
【実施例】
【０１４２】
（実施例１）
本実施例は、熱的安定性および高い相対密度を有するナノ結晶の鉄−マグネシウム−クロム（Ｆｅ−Ｍｇ−Ｃｒ）を製造するための、低温での加速された焼結方法の使用を記載する。
【０１４３】
マグネシウム粉末の異なる添加量（１、５、１０、１５、２０、２５、３０および３５ａｔ％のＭｇ）を有する鉄粉末を、硬化鋼鉄媒体を有する硬化鋼鉄バイアル中での高エネルギーボールミリングにより機械的に合金化した。このプロセスにより、マイクロ結晶の粒子およびナノ結晶の結晶粒径を有する過飽和粉末を、およそ１５時間ミリング時間の後、製造した。得られたナノ結晶の結晶粒の熱的安定性を、粉末形態で調べ、結晶粒径を、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって６００〜９００℃の温度範囲で、ｉｎ  ｓｉｔｕで追跡し、得られた微細構造を、高分解能電子顕微鏡法および原子プローブ断層撮影法（ＡＰＴ）によって調べた。
【０１４４】
図２Ａは、すべての反射がα−Ｆｅの固溶体相に帰属される、ミルされたままのＦｅ−１５Ｍｇ粉末から得られたＸＲＤパターンを示す。図２Ｂおよび図２Ｃは、この合金の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の顕微鏡写真を示し、いくつかのナノ結晶の結晶粒が、破線の丸によってマークされた濃いコントラストで示される。
【０１４５】
図３Ａ〜図３Ｂは、組成の関数としてｉｎ  ｓｉｔｕのＸＲＤデータから得られた結晶粒径を示し（図３Ａ）、２つのアニーリング温度（６００℃および９００℃）および温度を示し（図３Ｂ）、１つの組成を示す（５ａｔ％のＭｇ）。すべての温度およびすべての組成について平均化した挿入データを、実線で示す。
【０１４６】
これらの粉末から、図３Ａに基づいて、最も高い熱的安定性（最も小さい結晶粒径）が得られるものとして、２つのマグネシウム組成１ａｔ％および２０ａｔ％のＭｇを特定した。酸化の影響を最小化するために、１ａｔ％のＭｇの組成をさらなる検討のために選択した。次に、三元合金のＦｅ−Ｍｇ−Ｃｒを、１ａｔ％のＭｇおよび異なる添加量のクロム（９、１９、２９ａｔ％のＣｒ）を用いて、同じ様式で調製した。粉末が同じ熱的曝露の際にそれらのナノ結晶性を維持することを実証するために、熱的安定性をｉｎ  ｓｉｔｕで再び研究した。
【０１４７】
次いで、粉末を冷間圧縮し、その後、形成ガス雰囲気（Ａｒ／Ｈ２）中で焼結した。ミルされた粉末の微細構造は、およそ１０〜２０ｎｍのサイズを有する過飽和のチタン結晶粒からなっていた。６００℃で焼結（本明細書において「アニーリング」とも称する）後、結晶粒径は、およそ３０ｎｍに増加し、鉄に富む結晶粒およびクロムに富む結晶粒に分離した。９００℃への焼結温度の上昇は、およそ６０ｎｍの結晶粒径を有する単一の鉄に富む相への微細構造の均一化をもたらした。延長した焼結時間の後であっても、構造は安定なままであった。
【０１４８】
ナノ結晶合金の加速された焼結（無加圧）を実施した。過飽和粉末の製造は、高エネルギーボールミリングにより成し遂げた。焼結は、沈殿物、および溶媒に対する溶質のネック形成に関与したと考えられる。ネックの効果は、過剰の空孔に起因する高速の溶質の拡散、および溶質中の溶媒の溶解度に起因するネック内の溶媒の拡散に関与したかもしれず、これは、増強された高密度化をもたらした。
【０１４９】
図４Ａ〜図４Ｂは、アニーリングの温度および時間の関数として、ＸＲＤによって得られた結晶粒径を示す。温度プロファイルを図４Ａに示し、短いデータのバーおよび長いデータのバーは、それぞれ、短いＸＲＤスキャンまたは長いＸＲＤスキャンを示す。Ｆｅ−１９Ｃｒ−１ＭｇおよびＦｅ−１Ｍｇ（すべてａｔ％）の結晶粒径を図４Ｂに示す。Ｆｅ−１９Ｃｒ−１Ｍｇについて、９００℃へのアニーリングは、部分的な相変態（α→γ）をもたらし、両方の相の結晶粒径が示される。最後の２つのデータポイントは、冷却して室温に戻す際の結晶粒径を示す。
【０１５０】
図５Ａは、焼結されたＦｅ−１９Ｃｒ−Ｍｇ合金のＴＥＭ顕微鏡写真を示す。Ｆｅに富む結晶粒は、回折コントラストによって特定することができ、図４ＢにおけるＸＲＤの結果と一致して、１００ｎｍより小さかった。図５Ｂは、図５Ａと同じ視野における、Ｆｅ、ＣｒおよびＭｇ（ＭｇＯ沈殿物として）の分布を示す元素マップである。ここで、Ｃｒに富む結晶粒は、Ｆｅに富むマトリックスと別々に特定することができ、これらもまた、大部分が１００ｎｍより小さいサイズであった。Ｍｇは、Ｆｅ結晶粒界およびＦｅ／Ｃｒの相間境界における偏析物として合金中に存在していた。これは、その酸化形態のＭｇＯ中にも存在しており、結晶粒成長の制限をさらに助けるナノ沈殿物を形成した。
【０１５１】
図６Ａおよび図６Ｂは、同じ条件下で焼結された、Ｆｅ−１９Ｃｒ−１ＭｇおよびＦｅ−１Ｍｇ合金のそれぞれの走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）の顕微鏡写真を示す。三元合金の多孔性（表面の多孔性として測定された５％）は、それ自身が比較的高かった二元合金（２０％）の多孔性よりも、顕著に低かった
【０１５２】
（実施例２）
本実施例は、各種の量のＭｇを含有するＦｅ合金についての合金特性に対する、アニーリング環境、アニーリング温度および合金組成の影響を記載する。
【０１５３】
マグネシウムの異なる添加量（０ａｔ％のＭｇおよび１５ａｔ％のＭｇ）を有する鉄粉末を、硬化鋼鉄媒体を有する硬化鋼鉄バイアル中での高エネルギーボールミリングにより機械的に合金化した。このプロセスにより、ナノ結晶の結晶粒径を有するマイクロ結晶の粒子を、およそ１５時間のミリング時間の後、製造した。得られたナノ結晶の結晶粒の熱的安定性を、粉末形態で調べ、結晶粒径を、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって６００〜９００℃の温度範囲で、ｉｎ  ｓｉｔｕで追跡し、得られた微細構造を、高分解能電子顕微鏡法および原子プローブ断層撮影法によって調べた。
【０１５４】
図７は、純粋なＦｅ試料、純粋なＡｒ環境で加熱されたＦｅ−１５Ｍｇ試料、および９０％Ａｒ／１０％Ｈ２の環境で加熱されたＦｅ−１５Ｍｇ試料に対する、加熱時間の関数としての結晶粒径および結晶粒径の一次導関数を示すプロットである。図８Ａは、アニーリング後の図７ＡのＦｅ粉末の明視野（ＢＦ）走査ＴＥＭ（ＳＴＥＭ）顕微鏡写真を示し、結晶粒径が約５００〜１０００ｎｍのサイズを示す。図８Ｂは、Ａｒ中でのアニーリング後の図７ＡのＦｅ−１５Ｍｇ粉末のＢＦ  ＳＴＥＭ顕微鏡写真を示し、Ｍｇに富む沈殿物および結晶粒径が約１００〜２００ｎｍのサイズを有する。図８Ｃは、１０％Ｈ２を含むＡｒ中でのアニーリング後の図７ＡのＦｅ−１５Ｍｇ粉末の暗視野（ＤＦ）ＴＥＭ顕微鏡写真を示し、約５０ｎｍのサイズの結晶粒を有する。
【０１５５】
図７に示すように、純粋なＦｅ試料は、解像限界に達し、冷却後に比較的粗い粒状であった。Ｍｇが添加された場合、熱的安定性における大幅な改善が実現した。加えて、Ａｒ−Ｈ２中でのアニーリングは、酸化物が非常に少なく、より小さな結晶粒を生じた。実際に、Ｆｅ−１５Ｍｇ試料は、６００〜９００℃の間で１２時間加熱された後、およそ５０ｎｍの最終結晶粒径を有していた。要約すると、Ｍｇの存在は、純粋なＦｅ試料と比較して、大幅に小さな結晶粒径をもたらした。加えて、周囲環境中におけるＨ２の存在は、さらに小さな結晶粒径をもたらした。
【０１５６】
０ａｔ％〜３５ａｔ％の範囲のＭｇの百分率を有する追加のＦｅ−Ｍｇ合金を作製した。これらの組成を有する粉末を、一方は純粋なＡｒ、および他方は９０％Ａｒ／１０％Ｈ２である、異なる環境下でアニールした。図９は、２つの異なるアニーリング環境についての組成（Ｍｇのａｔ％）の関数としての結晶粒径のプロットである。図１０Ａは、Ａｒ中でのアニーリング後のＦｅ−２０Ｍｇ粉末のＢＦ  ＴＥＭ顕微鏡写真を示す。図１０Ｂは、１０％Ｈ２を含むＡｒ中でのアニーリング後のＦｅ−２０Ｍｇ粉末のＤＦ  ＴＥＭ顕微鏡写真を示す。図９から分かるように、純粋なＡｒ下でのアニーリングは、一貫してより大きな結晶粒径およびより多くの酸化物、解像限界に達した結晶粒径の値、ならびにほとんどの場合で冷却後に比較的粗い粒状化をもたらした。対照的に、Ｈ２の存在は、大幅に小さな結晶粒径をもたらした。
【０１５７】
図１１は、ｉｎ  ｓｉｔｕのＸＲＤデータから得られ、それぞれ、０．１ａｔ．％および０．５℃の組成および温度目盛りが挿入された、組成温度空間にわたる結晶粒径の表面の例示的な輪郭プロットを示す。結晶粒径（ｎｍ）は、数字で標識を付けた等高線（粒子サイズ（ｎｍ）で標識付け）に対して垂直の方向で、標識を付けた等（結晶粒径）線の、より大きい数字の等高線に向かって増加する。上側および右側のプロットのそれぞれは、特定の温度または組成の値についての組成および温度に対する結晶粒径の依存を表し、それぞれ、すべての温度または組成の値にわたって平均化されている。図１１から、結晶粒径の表面が、それぞれの組成および温度でのプラトー値を有していたことが分かり得る。一般に、結晶粒径は、温度と共に一貫して増加した。それぞれの組成について極値が存在し、これは、より高い温度でより浅かった。
【０１５８】
図１２は、異なる材料系についてのピンニング粒子の体積分率の関数としての、限界結晶粒径およびピンニング粒子径の間の比を示す（「ツェナープロット」）。右下の塗りつぶされた小さな黒丸は、ツェナーピンニング（結晶粒界の動きを妨げる沈殿物による結晶粒成長の遅延）単独から伝統的に予測されるものより改善された安定性を示す、Ｆｅ−Ｍｇ合金についてのデータである。
【０１５９】
要約すると、Ｆｅ−Ｍｇ合金における熱的安定性および酸化物の発生をｉｎ  ｓｉｔｕで検討した。結晶粒径は、組成および焼結温度の関数として極値を示した。還元性周囲環境（例えば、Ｈ２を含む）の使用は、より少ない酸化物の形成およびより小さな結晶粒をもたらした。いずれの特定の理論にも縛られることを望まないが、熱力学および動力学の機構の間に複雑な相互作用が存在すると考えられる。ツェナーピンニング単独では、安定性をもたらさなかった。結晶粒界の偏析物がＴＥＭおよびＡＰＴ画像で観察された。合金組成およびアニーリング環境は、結晶粒径および酸化物含有量を調整するために使用することができる。加えて、合金組成およびアニーリング環境は、クリープ抵抗を改善するために使用することができる。
【０１６０】
いくつかの本発明の実施形態を本明細書において説明および例証したが、当業者は、本明細書に記載の機能を果たし、ならびに／あるいは本明細書に記載の結果および／または１つもしくは複数の利点を得るためのさまざまな他の手段および／または構造を容易に構想し、そのような変形および／または改変のそれぞれは、本明細書の範囲内にあると見なされる。より一般的には、当業者であれば、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料および配置が、例示的であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料および／または配置が、本発明の教示（複数可）が使用される、具体的な用途（複数可）に依存することを容易に理解するであろう。当業者であれば、本明細書に記載の本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を、認識し、またはただの慣用的な実験を使用して解明することが可能であろう。したがって、前述の実施形態が、例としてのみ提示され、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内で、具体的に記載および請求されるもの以外で本発明が実行され得ることが理解されるべきである。本発明は、本明細書に記載の、個別の特徴、系、物品、材料および／または方法のそれぞれを対象とする。加えて、２つまたはそれよりも多くのそのような特徴、系、物品、材料および／または方法の任意の組合せは、そのような特徴、系、物品、材料および／または方法が相互に矛盾していなければ、本発明の範囲内に含まれる。
ここで、本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「ａ」および「ａｎ」という不定冠詞は、それとは反対のことが明確に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
【０１６１】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「および／または」という語句は、そのように連結された要素の「いずれか一方または両方」、すなわち、一部の場合では結合的に存在する要素、および他の場合では選言的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。それとは反対のことが明確に示されない限り、具体的に特定される要素と関係また無関係であろうとなかろうと、「および／または」という節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が、必要に応じて存在していてもよい。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「〜を含む」などのオープンエンドの語と共に使用される場合、一実施形態では、ＢなしのＡ（必要に応じて、Ｂ以外の要素を含む）；別の実施形態では、ＡなしのＢ（必要に応じて、Ａ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（必要に応じて、他の要素を含む）などを指すことができる。
【０１６２】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「または」は、上記で定義される「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リストの中の項目を分離する場合、「または」あるいは「および／または」は、包括的なものとして、すなわち、いくつかの要素または要素のリスト、および必要に応じて追加のリストされていない項目の少なくとも１つを含むだけでなく、１つより多くも含むものとして解釈されるものとする。「〜の１つのみ」もしくは「〜の正確に１つ」、または特許請求の範囲で使用される場合、「〜からなる」などの、明確にそれとは反対のことが示される用語のみは、いくつかの要素または要素のリストの正確に１つの要素を含むことを指す。一般に、本明細書で使用される場合、「または」という用語は、「いずれか一方」、「〜の１つ」、「〜の１つのみ」または「〜の正確に１つ」などの排他的な用語が続く場合に、排他的な代替用語（すなわち、「一方または他方であるが両方ではない」）を示すと解釈されるのみとする。「実質的に〜からなる」は、特許請求の範囲で使用される場合、特許法の分野で使用される、その通常の意味を有するものとする。
【０１６３】
本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、「少なくとも１つ」という語句は、１つまたは複数の要素のリストの参照において、要素のリスト中のいずれか１つまたは複数の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素のリスト内に具体的にリストされたそれぞれおよびあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも含まず、要素のリスト中の要素のいかなる組合せをも排除しないことを意味すると理解されるべきである。この定義はまた、具体的に特定される要素と関係また無関係であろうとなかろうと、「少なくとも１つ」という語句が指す要素のリスト内で具体的に特定される要素以外に、要素が必要に応じて存在していてもよいことを許容する。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（あるいは、同等の「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等の「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂの存在がない、必要に応じて１より多くのＡを含む、少なくとも１つのＡ（および必要に応じて、Ｂ以外の要素を含む）；別の実施形態では、Ａの存在がない、必要に応じて１つより多くのＢを含む、少なくとも１つのＢ（および必要に応じて、Ａ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態では、必要に応じて、１つより多くのＡを含む、少なくとも１つのＡ、ならびに必要に応じて、１つより多くのＢを含む、少なくとも１つのＢ（および必要に応じて、他の要素を含む）などを指すことができる。
【０１６４】
特許請求の範囲、ならびに上記の明細書では、「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「〜を持つ（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「〜を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「〜を含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「〜を含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「〜を保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」などのようなすべての移行句は、オープンエンド、すなわち、〜を含むが、それに限定されないことを意味することが理解されるべきである。「〜からなる」および「実質的に〜からなる」という移行句のみが、米国特許審査手続便覧第２１１１．０３章で規定されているように、それぞれ、クローズまたは半クローズの移行句であるものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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