專利名稱：一種超高比強(qiáng)度和良好塑性鋁基塊體非晶合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體合金成分，以及制備該種非晶 合金的技術(shù)方法。
背景技術(shù)：
由于人類社會(huì)面臨著不可再生資源耗竭以及環(huán)境生態(tài)破壞的挑戰(zhàn)，對(duì)汽車、飛機(jī)、 衛(wèi)星、巡航導(dǎo)彈等運(yùn)載工具的輕質(zhì)化提出了迫切要求，如汽車每100公斤重量的減輕可降 低燃油消耗5%，顯著降低CO2氣體的排放量。因此，近年來(lái)主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家重要的研究 內(nèi)容之一是發(fā)展低密度、高比強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金，以替代鈦合金、有機(jī)復(fù)合材料降低成本，替 代鋼鐵材料降低燃料消耗。與傳統(tǒng)的鋁合金相比，非晶態(tài)鋁合金具有高的比強(qiáng)度、良好的韌 性和優(yōu)異的耐腐蝕性能，而以非晶為基體析出高密度均勻分布的納米Al粒子形成納米晶/ 非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，其綜合力學(xué)性能可得到大幅度的提高。據(jù)報(bào)道其薄帶樣品抗拉強(qiáng)度最高 可達(dá)到1560MPa，已超過(guò)目前高強(qiáng)鋼的水平，比強(qiáng)度可與陶瓷媲美，并保持了良好的塑性和 高溫穩(wěn)定性。它的出現(xiàn)為發(fā)展輕質(zhì)超高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料提供了一條新的途徑。然而，目前 限制其應(yīng)用的主要因素是作為基體的Al基合金玻璃形成能力很差，僅可獲得尺寸為20 200 μ m條帶或粉末狀樣品，無(wú)法滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。在實(shí)用性合金體系中，Al基合金是迄今國(guó)內(nèi)外惟一尚未獲得塊狀(> Imm)非晶 態(tài)結(jié)構(gòu)的合金體系，因此，其玻璃形成能力的研究一直倍受關(guān)注，也極具挑戰(zhàn)性。1988年， 美國(guó)科學(xué)家J. PocW首次報(bào)道在Al87Fe8.7Ce4.3合金中獲得了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，突破了長(zhǎng)期以來(lái) Al合金難于形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)這一瓶頸。之后，一系列Al基非晶態(tài)合金體系相繼被報(bào)道，種 類超過(guò)40余種，合金成分近300余個(gè)，主要基于Al-TM-RE三元體系(TM為過(guò)渡族元素，RE 為稀土元素)。獲得的非晶樣品臨界厚度則與所選體系密切相關(guān)，如120 μ Hi(Al85Ni5Yltl)、 900 μ Iii(Al85Ni5Y8Co2) ；200 μ m (Al88Ni4Ce8) ；230 μ m (Al88Co5Y7) ；200 μ m (AlMNi10Ce6)； 300 Um(Al87Ni7Gd6) ；780 μ Hi(Al86Ni9La5)。值得注意的是，隨著不同合金體系塊體金屬玻璃 的發(fā)現(xiàn)，人們也相繼提出了一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的判據(jù)或參數(shù)。然而，這些對(duì)多數(shù)具有強(qiáng)玻璃 形成能力合金的成分設(shè)計(jì)起到重要的指導(dǎo)作用。不適用于Al基合金體系。因此，研制具有 強(qiáng)非晶形成能力及良好力學(xué)性能的合金體系是當(dāng)前非晶態(tài)合金發(fā)展的重點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體非晶合金及其制 備發(fā)法，突破了 Al基非晶合金制備的尺寸限制問題，形成非晶的最大臨界尺寸可達(dá)1mm，使 鋁基大塊非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用成為可能。本發(fā)明具體提供了一種超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體非晶合金，其特征在于 該鋁基塊體非晶合金(塊體非晶樣品臨界直徑 1_)由下述元素組成(原子百分比)Ni 1 8
Co 0· 5 2Y1 6La 0. 5 2Al 余量。本發(fā)明所提供的超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體非晶合金，其特征在于所述 非晶合金的組成元素純度分別為Al、Ni、Co > 99. 9%，La、Y > 99%。本發(fā)明還提供了一種超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體非晶合金的制備方法，其 特征在于首先采用電弧熔煉的方法制得母合金，為了保證母合金成分的均勻性，熔煉次數(shù) 不少于5次。之后采用感應(yīng)爐熔煉進(jìn)行重熔，制備方法可以采用熔體急冷和銅模澆鑄法。制 備過(guò)程中的工藝參數(shù)為真空度不低于1. 0X10_5mbar，氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆 鑄溫度1100 1300°C，保溫時(shí)間30 120s，噴吹壓力400 800mbar。本發(fā)明超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體非晶合金具有下述優(yōu)點(diǎn)1、合金的成本低。2、非晶形成能力強(qiáng)。3、非晶合金具有超高比強(qiáng)度及良好的塑性。


圖1為Al基塊體非晶合金的X射線衍射圖；圖2為Al基塊體非晶合金的DSC圖；0 3(a) % Al86Ni7Y4.(O1La1.5 非晶合金的 TEM 照片，內(nèi)嵌為 SAED 照片；(b)為 Al86Ni7Y4.5C0lLai. 5 非晶合金的 HRTEM 照片；圖4為Al86Ni7Y45Co1Lau非晶合金的工程應(yīng)力_應(yīng)變曲線圖，插圖為樣品的掃描 電鏡照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1首先利用真空感應(yīng)熔煉的方法制備出該合金的母合金，合金成分為A186 ；Ni 7 ； Co l;Y4.5;Lal.5(at. %) 然后將母合金放入熔體急冷設(shè)備，優(yōu)化其工藝制備出直徑為 Imm的鋁基塊體非晶合金樣品。具體工藝參數(shù)為氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫 度1200°C，保溫時(shí)間60s，噴吹壓力700mbar。圖1為Al基塊體非晶合金的X射線衍射圖。 圖2為Al基塊體非晶合金的DSC圖。圖3(a)為Al86Ni7Y4.^o1La1.5非晶合金的TEM照片， 內(nèi)嵌為SAED照片；(b)為Al86Ni7Y45Co1Lau非晶合金的HRTEM照片。由圖中可以看出樣品 為完全非晶態(tài)。對(duì)Al86Ni7Y4.5C0lLai.5非晶合金樣品的室溫壓縮性能試驗(yàn)在英國(guó)產(chǎn)Instron-8871型力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。樣品尺寸為直徑Imm高為2mm的棒狀試樣。應(yīng)變速率為1 X ΙΟ、—1。 試樣的各面經(jīng)機(jī)械拋光并保持加載面相互平行。圖4為Al86Ni7Y45Co1Lau非晶合金的 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，插圖為樣品的掃描電鏡圖。由圖可以看出材料的屈服強(qiáng)度為 1050MPa(材料的密度為3. 14g/cm-3)，其比強(qiáng)度值為3. 34X ICT5N MKg—1。由掃描電鏡照片 可以看出剪切角度為45度。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于 本實(shí)施例的合金成分為A186 ；Ni 6 ；Co 2 ；Y4. 5 ；Lal. 5 (at. % )。采用的工藝參數(shù) 為氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1250°C，保溫時(shí)間90s，噴吹壓力700mbar。結(jié)果樣品為完全非晶態(tài)，力學(xué)性能無(wú)明顯變化。實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A186 ；Ni 7 ；Co 1 ；Y 5 ；Lal (at. % )。采用的工藝參數(shù)為 氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1100°C，保溫時(shí)間120s，噴吹壓力800mbar。結(jié)果樣品為完全非晶態(tài)，力學(xué)性能無(wú)明顯變化。實(shí)施例4與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A185. 5 ;Ni 6. 5 ；Co 1. 5 ；Y 5 ；Lal. 5 (at. % ) 采用的 工藝參數(shù)為氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1200°C，保溫時(shí)間100s，噴吹壓力 700mbaro結(jié)果樣品為部分非晶相和少量納米晶相，力學(xué)性能無(wú)明顯變化。實(shí)施例5與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A186. 5 ;Ni 5. 5 ；Co 1. 5 ；Y 5 ；Lal. 5 (at. % ) 采用的 工藝參數(shù)為氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1150°C，保溫時(shí)間80s，噴吹壓力 600mbaro結(jié)果樣品為非晶態(tài)和少量納米晶相，屈服強(qiáng)度有所提高，但是塑性有所降低。實(shí)施例6與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A183. 5 ;Ni 7. 5 ；Co 1. 5 ；Y 5. 5 ;La2 (at. % )。采用的 工藝參數(shù)為氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1200°C，保溫時(shí)間110s，噴吹壓力 600mbaro結(jié)果樣品為非晶態(tài)和少量納米晶相，屈服強(qiáng)度有所提高，但是塑性有所降低。實(shí)施例7與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A186 ；Ni 5 ；Co 3 ；Y 5 ；Lal (at. % )。采用的工藝參數(shù)為 氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1200°C，保溫時(shí)間90s，噴吹壓力800mbar。結(jié)果樣品為部分非晶態(tài)和少量納米晶相，屈服強(qiáng)度有所提高，但是塑性為0。實(shí)施例8與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A185 ；Ni 7 ；Co 1 ；Y 4.5 ；La2. 5(at. % )。采用的工藝參 數(shù)為氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1200°C，保溫時(shí)間90s，噴吹壓力500mbar。結(jié)果樣品為非晶相和納米晶相共存，屈服強(qiáng)度有所提高，但是塑性為0。實(shí)施例9
與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A184 ；Ni 6 ；Co 3 ；Y 6 ；Lal (at. % )。采用的工藝參數(shù)為 氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1100°C，保溫時(shí)間60s，噴吹壓力600mbar。
結(jié)果樣品為納米晶相和少量非晶態(tài)，屈服強(qiáng)度有所提高，但是塑性為0。實(shí)施例10與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例的合金成分為A182 ；Ni 6 ；Co 4 ;Y 6 ；La2 (at. % )。采用的工藝參數(shù)為 氬氣保護(hù)壓力為100 900mbar，澆鑄溫度1250°C，保溫時(shí)間90s，噴吹壓力700mbar。結(jié)果樣品為納米晶相和少量非晶態(tài)，屈服強(qiáng)度有所提高，但是塑性為0。
權(quán)利要求
一種超高比強(qiáng)度和良好塑性鋁基塊體非晶合金及其制備方法，其特征在于所述非晶合金由下述元素組成，原子百分比Ni 1～8Co 0.5～2Y 1～6La 0.5～2Al 余量。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種超高比強(qiáng)度和良好塑性鋁基塊體非晶合金，其特征在 于所述非晶合金的組成元素純度分別為Al、Ni、Co > 99. 9%，La、Y > 99%。
3.—種權(quán)利要求1所述的超高比強(qiáng)度和良好塑性鋁基塊體非晶合金的制備方法，其特 征在于所述非晶合金采用真空熔體急冷及銅模澆鑄法制備，具體工藝參數(shù)氬氣保護(hù)壓 力100 900mbar，澆鑄溫度1100 1300°C，保溫時(shí)間30 l20s，噴吹壓力400 800mbar。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有超高比強(qiáng)度和良好塑性的鋁基塊體非晶合金及其制備方法，具體為Al-Ni-Co-Y-La系塊體非晶合金，此種鋁基塊體非晶合金的特點(diǎn)在于其具有強(qiáng)的玻璃形成能力，形成非晶的最大臨界尺寸可達(dá)1mm，同時(shí)具有超高的比強(qiáng)度和良好的塑性；特別是涉及塊體鋁基非晶合金的制備方法及其潛在應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明突破了Al基非晶合金制備的尺寸限制問題，使其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用成為可能。所述鋁基塊體非晶合金由下述元素組成，原子百分比Ni 1～8；Co 0.5～2；Y 1～6；La0.5～2；Al余量。
文檔編號(hào)B22D27/04GK101838777SQ20091001072
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者侯萬(wàn)良, 姚佳昊, 常新春, 張甲, 楊柏俊, 王建強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所