專利名稱：：塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種塊體納米晶合金的制備方法，特別是一種塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法。二
背景技術(shù)：
：塊體納米晶材料主要指由晶粒尺寸在納米級(jí)(5100nm)的晶粒構(gòu)成的具有三維尺度的塊體材料。納米晶金屬和合金與相應(yīng)的微米晶材料相比，具有更高的硬度和耐磨性能、超高的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，而且在較低溫度和較高應(yīng)變率下具有良好的塑性變形能力，同時(shí)還兼具有聲、光、電、磁等特殊的物理性能，因此在工程應(yīng)用上有光明的前景。目前，從零維尺度到二維尺度的納米材料，即納米顆粒、納米線和納米管、納米薄膜的制備技術(shù)已較為成熟，但塊體納米晶材料的制備技術(shù)仍處于探索之中。而高質(zhì)量的三維大尺寸納米晶材料的制備技術(shù)已成為促進(jìn)其理論研究，拓寬其應(yīng)用范圍的最關(guān)鍵問(wèn)題。己有的塊體納米晶材料的制備方法主要分為兩大類一類是將納米顆粒固結(jié)為塊體材料，如粉末冶金法，機(jī)械合金化等，這類方法包括納米粉末的制備和燒結(jié)兩個(gè)過(guò)程，王軼、姚可夫等人在文獻(xiàn)《塊體納米晶材料制備的研究進(jìn)展》(熱加工工藝，2003(2):4880)中指出這類方法最大的問(wèn)題是納米顆粒在燒結(jié)過(guò)程中的晶粒長(zhǎng)大，產(chǎn)物的致密度不理想。另一類是直接制備出納米晶材料，如嚴(yán)重塑性變形法、深過(guò)冷法和非晶晶化法等。利用嚴(yán)重塑性變形法制備納米晶材料成本高，獲得的晶粒度范圍較大，而且不適用于塑性變性能力較差的金屬或合金，特別是室溫脆性嚴(yán)重的金屬間化合物。深過(guò)冷法制備的納米材料，存在著組織的不均勻性，熱穩(wěn)定性也不夠理想，一般熱穩(wěn)定的溫度很窄。而非晶晶化法依賴于非晶態(tài)固體的獲得，張立德、牟季美在專著《納米材料和納米結(jié)構(gòu)》中指出，它只適用于非晶形成能力較強(qiáng)的合金系，適用對(duì)象極為有限，而且產(chǎn)物的塑性對(duì)晶粒尺寸十分敏感。而微波燃燒合成，可以克服上述制備技術(shù)中的問(wèn)題，制成全致密、無(wú)污染、完全弛豫，晶粒細(xì)小且均勻的大塊納米晶合金。到目前為止，微波燃燒合成主要用于陶瓷或金屬氧化物的燒結(jié)。由于金屬是良導(dǎo)體，長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為金屬及合金不能吸收微波，不能用微波技術(shù)進(jìn)行制備。而美國(guó)賓西法3尼亞大學(xué)的研究者在文獻(xiàn)《SinteringandMechanicalPropertiesofPMCopperSteel》(PowderMetallurgy,2001,44(4):355-362)中的研究表明金屬粉末是很好的微波吸收體，可以被有效的加熱。這為塊體納米晶合金的微波燃燒合成提供了可能。利用微波可快速點(diǎn)燃金屬原料粉末，使它們之間發(fā)生反應(yīng)生成合金、金屬間化合物，通過(guò)合理工藝控制，最終可獲得大尺度的塊體納米合金。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、工藝簡(jiǎn)單，用于制備全致密、無(wú)污染、成分均勻、完全弛豫的塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法，其步驟為1、根據(jù)要獲得的目標(biāo)產(chǎn)物，選擇由金屬粉末、非金屬粉末及金屬氧化物粉末中的一種、兩種或三種類型的粉末構(gòu)成混合物作為原料；2、利用高能球磨機(jī)將上述原料進(jìn)行混合，820小時(shí)后取出；3、將混合好的粉末裝入鋼模，在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓強(qiáng)為100300MPa;4、將壓制好的坯料放入坩鍋，并置入微波爐加熱，加熱功率為6001000瓦，加熱時(shí)間為210分鐘；5、產(chǎn)物冷卻至室溫后取出?；旌衔镌峡梢杂刹煌慕饘俜勰┙M成，也可由金屬粉末和非金屬粉末組成，或由金屬粉末和金屬氧化物粉末組成。本發(fā)明的原理是通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)釋放高熱量的化學(xué)反應(yīng)體系，利用微波可以在物體較大體積區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)零梯度加熱，加熱速率快的特點(diǎn)，快速點(diǎn)燃金屬粉末，使它們之間發(fā)生反應(yīng)生成合金、金屬間化合物。反中應(yīng)釋放的高熱量使產(chǎn)物處于高溫熔融狀態(tài)，可保證產(chǎn)物在冷卻過(guò)程中獲得較大過(guò)冷度，配以高導(dǎo)熱系數(shù)的材料做坩鍋或基底，又可獲得高的冷卻速度，使得熔體中晶核的生長(zhǎng)受到限制，停留在納米尺度，最終獲得大尺度的塊體納米合金。本發(fā)明與現(xiàn)有的制備塊體納米晶合金的技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1、成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，微波合成過(guò)程用時(shí)短，僅需幾分鐘；2、能量集中，耗能少，無(wú)污染，是環(huán)境友好型制備技術(shù)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求；3、產(chǎn)物全致密，無(wú)孔隙，晶粒細(xì)小且均勻，最終晶粒尺度可以控制在10nm;4、與同種微米晶晶材料相比，用本發(fā)明制備的塊體納米晶合金，其硬度、強(qiáng)度以及塑性大幅提高。而且可以明顯改善金屬間化合物的室溫脆性；5、獲得的塊體納米晶合金還具有優(yōu)異的光、電、聲、磁等特殊的物理性能。四附圖是本發(fā)明的塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法的流程示意圖。五具體實(shí)施方式下面附圖通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1.利用微波燃燒合成Fe-Al塊體納米合金。根據(jù)成分設(shè)計(jì)，按表1分別稱取高純Al粉與高純Fe粉，利用高能球磨機(jī)將上述粉末分別進(jìn)行混合，8小時(shí)后取出粉末裝入鋼模進(jìn)行冷壓，壓強(qiáng)100Mpa。將壓制好的坯料分別裝入坩鍋，置入微波爐加熱，選擇微波加熱功率650W,加熱時(shí)間2分鐘，該燃燒合成過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)Fe+Al二FeAl或3Fe+Al=Fe3Al產(chǎn)物冷卻至室溫后取出。也可采用FeA粉與高純Al粉混合，按上述相同方法制備。微波燃燒合成過(guò)程中，發(fā)生反應(yīng)Fe203+4Al二2FeAl+Al203或3Fe203+8Al=2Fe3Al+3Al203根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，該反應(yīng)的絕熱溫度達(dá)到3200°C，此時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物均為液相，八1203因密度較小而上浮于熔融Fe3Al，因此樣品冷卻至室溫后，Al203位于Fe3Al的表面，只需手工將其磨去即可。表1實(shí)施例1Fe-Al合金的成分元素及原子百分比/%—FeAlFe203產(chǎn)物ABC余」502510FeAl合金Fe3Al合金Fe3Al合金實(shí)施例2.利用微波燃燒合成Fe-Al-B塊體納米合金。根據(jù)需要，原料中也可以添加所需的非金屬粉末，如制備Fe-Al-B塊體納米合金，可以在金屬粉末的基礎(chǔ)上加入B粉。按表2稱取高純Fe粉、高純A1粉以及B粉，采用實(shí)施例1中的工藝流程，混粉時(shí)間為IO小時(shí)，壓制壓力為100MPa，微波功率為700W，加熱時(shí)間為3分鐘?？芍苽涑霾煌煞值腇e-Al-B塊體納米晶合金。表2實(shí)施例2Fe-Al-B合金的成分<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例3.利用微波燃燒合成Fe-Al-Cu塊體納米合金。根據(jù)成分設(shè)計(jì)，分別按表3稱取高純Fe粉、高純Al粉以及Cu粉，按上述過(guò)程制備出不同成分的Fe-Al-Cu塊體納米晶合金。工藝中的混粉時(shí)間為12小時(shí)，壓制壓力為lOOMPa，微波功率為750W，加熱時(shí)間為3分鐘。表3實(shí)施例3Fe-Al-Cu合金的成分<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例4.利用微波燃燒合成Fe-Al系四元以上塊體納米合金。根據(jù)成分設(shè)計(jì)，分別按表4稱取高純?cè)戏勰瓷鲜鲞^(guò)程制備出不同成分的Fe-Al系四元以上塊體納米晶合金?；旆蹠r(shí)間為15小時(shí)，壓制壓力為lOOMPa，微波功率為800W，加熱時(shí)間為4分鐘。可制備出不同成分的Fe-Al-B塊體納米晶合金。表4實(shí)施例4Fe-Al系四元以上合金的成分FeAl合金Fe3Al合金Fe3Al合金實(shí)施例5.利用微波燃燒合成Ni-Al塊體納米合金。根據(jù)成分設(shè)計(jì)，按表5分別稱取適量Ni粉和Al粉，按上述過(guò)程制備出不同成分的Ni-Al塊體納米晶合金。工藝中的混粉時(shí)間為8小時(shí)，壓制壓力為100MPa，微波功率為650W，加熱時(shí)間為2分鐘。表5實(shí)施例5Ni-Al合金的成分25506075實(shí)施例6.利用微波燃燒合成Ni-Al-B塊體納米合金。根據(jù)成分設(shè)計(jì)，按表6分別稱取適量Ni粉、A1粉和B粉，按上述過(guò)程制備出不同成分的Ni-Al-B塊體納米晶合金?；旆蹠r(shí)間為10小時(shí)，壓制壓力為100MPa，微波功率為700W，加熱時(shí)間為3分鐘。表6實(shí)施例9Ni-Al-B合金的成分bNzucBcF號(hào)百-編子品原樣^212212212ooo1o1435.4.3.5435221221221余余余余余余余余余123123123旦里量旦里縣余余余余ABcD實(shí)施例7.利用微波燃燒合成Ti-Al塊體納米合金。根據(jù)成分設(shè)計(jì)，按表7分別稱取適量Ti粉和Al粉，按上述過(guò)程制備出不同成分的Ti-Al塊體納米晶合金?；旆蹠r(shí)間為8小時(shí)，壓制壓力為100MPa，微波功率為650W，加熱時(shí)間為3分鐘。表7實(shí)施例7Ti-Al合金的成分<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法，其步驟為1.1、根據(jù)要獲得的目標(biāo)產(chǎn)物，選擇由金屬粉末、非金屬粉末及金屬氧化物粉末中的一種、兩種或三種類型的粉末構(gòu)成混合物作為原料；1.2、利用高能球磨機(jī)將上述原料進(jìn)行混合，8～20小時(shí)后取出；1.3、將混合好的粉末裝入鋼模，在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制壓強(qiáng)為100～300MPa；1.4、將壓制好的坯料放入坩鍋，并置入微波爐加熱點(diǎn)燃，加熱功率為600～1000瓦，加熱時(shí)間為2～10分鐘；1.5、產(chǎn)物冷卻至室溫后取出，得到塊體納米晶金屬合金。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法，其特征在于混合物原料中的金屬粉末為鐵粉與鋁粉的混合物、鎳粉與鋁粉的混合物或鈦粉與鋁粉的混合物，鋁粉所占的體積百分比為10%~75%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法，其特征在于混合物原料中的非金屬原料粉末為碳粉或硼粉，所占的體積百分比為1%10%。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法，其特征在于混合物原料中的金屬氧化物粉末為Fe203，在原料中所占的體積百分比為1%60%。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種塊體納米晶合金的微波燃燒合成方法。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物，選擇由金屬粉末、非金屬粉末及金屬氧化物粉末中的一種、兩種或三種類型的粉末構(gòu)成混合物作為原料，利用高能球磨機(jī)將上述原料進(jìn)行混合，混合好的粉末裝入鋼模，在壓力機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制好的坯料放入坩堝，置入微波爐加熱，產(chǎn)物冷卻至室溫后取出。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，微波合成過(guò)程用時(shí)短，能量集中，耗能少，無(wú)污染，產(chǎn)物全致密，無(wú)孔隙，晶粒細(xì)小且均勻，最終晶粒尺度可以控制在10nm；塊體納米晶合金其硬度、強(qiáng)度以及塑性大幅提高，獲得的塊體納米晶合金還具有優(yōu)異的光、電、聲、磁等特殊的物理性能。文檔編號(hào)C22C1/05GK101469379SQ200710191988公開(kāi)日2009年7月1日申請(qǐng)日期2007年12月28日優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日發(fā)明者見(jiàn)孔,黃潔雯申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)