一種Al基非晶合金塊體材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Al基非晶合金塊體材料及其制備方法。該材料的設(shè)計原理如下：利用Al、Ni、Ti、Zr、Y和Nb等元素間較大的原子尺寸錯配度及混合熱絕對值，通過各成分的優(yōu)化組合、機械合金化制備、結(jié)構(gòu)與物性表征等綜合試驗，確定了最優(yōu)的合金組成，其名義成分為(at.％)：Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3，晶化起始溫度及過冷液相區(qū)寬度分別達到686K以上及80K以上。通過真空高溫高壓燒結(jié)，獲得了尺寸達φ10×2mm的塊體材料，其顯微硬度高達995～1215Hv，高于所有已報道的同類材料的硬度值。
【專利說明】
一種AI基非晶合金塊體材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高硬、高穩(wěn)定性A1基非晶合金塊體材料及其制備方法。依據(jù)混合法則設(shè)計出具有強非晶形成能力的A1基非晶合金組成，通過機械合金化先獲得高穩(wěn)定性的非晶合金粉末，再通過高溫高壓燒結(jié)制備出具有全非晶組織的塊體材料，其硬度遠遠高于晶體結(jié)構(gòu)的A1合金。【背景技術(shù)】
[0002]A1基非晶塊體材料因具有其獨特的微觀結(jié)構(gòu)而顯示出許多優(yōu)異的性能，如高比強度、高比剛度及高耐蝕性，在航空航天、交通運輸和武器裝備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但是，由于A1基非晶材料玻璃形成能力很低，在用傳統(tǒng)的液態(tài)快冷工藝時難以制備出全非晶組織的塊體材料，或者說要得到全非晶組織的塊體材料，必須采用極快的冷卻速度。A1基非晶合金的這一內(nèi)稟特性，給大尺寸非晶塊體材料的制備提出了極大的挑戰(zhàn)，同時也嚴重制約了 A1基非晶塊體材料的實際應(yīng)用。因此，獲得具有實際應(yīng)用價值的大尺寸A1基非晶塊體材料，一直是非晶物理和材料科學領(lǐng)域追求的目標之一。
[0003]為了突破除了因玻璃形成能力低對液態(tài)快冷法制備A1基非晶塊體材料的限制，目前已經(jīng)發(fā)展了一系列固相制備方法。該方法先通過機械合金化等工藝獲得非晶合金粉末， 然后在過冷液相區(qū)內(nèi)將非晶合金粉末進行熱壓或溫擠，使之通過冶金結(jié)合形成全非晶塊體材料。相比于液態(tài)快冷工藝，固相途徑無需考慮控制異質(zhì)形核的問題，不僅適用于更廣泛的合金體系，而且可最大限度地突破玻璃形成能力或臨界冷速的限制，有利于獲得幾何尺寸更大的塊體材料。
[0004]研究表明，以過渡族元素和稀土元素組成的A1基非晶合金(A1-TM-RE)具有較高的非晶形成能力以及良好的力學性能，被認為是最有應(yīng)用前景的A1基非晶合金材料。目前研究較多的A1 基非晶合金主要是 Al-C〇-M、Al-Cu-M 和 Al-Fe-M(M:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W和 Mo等)系，利用這些合金及快速凝固技術(shù)已經(jīng)制備出了毫米量級的非晶薄帶，其硬度高達 821?927Hv。如果以這些A1基非晶合金體系為基礎(chǔ)，采用上述固態(tài)燒結(jié)的方法將有可能制備出幾何形狀更復(fù)雜、尺度更大的塊體材料。基于這一分析，本發(fā)明首先依據(jù)非晶合金獲得寬過冷液相區(qū)、強玻璃形成能力應(yīng)滿足的基本條件，即1)由三種或者三種以上的元素組成； 2)組元的原子半徑比大于13% ;3)元素之間的混合熱為負值，對A1基非晶合金的組成進行了設(shè)計，得到了組成為Al72NisTisZr6Nb3Y3的非晶合金體系，然后利用機械合金化工藝對元素粉末進行合金化和非晶化加工，最好通過高溫高壓燒結(jié)工藝制備出具有全非晶組織的塊體材料。根據(jù)XRD、DSC分析，該合金球磨140小時后可完全非晶化，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達686K 以上，過冷液相區(qū)寬度達80K以上，晶化起始溫度達760K以上，具有很高的穩(wěn)定性。顯微硬度測試表明，該非晶合金塊體材料的硬度高達995?1215HV，高于所有已報道的結(jié)果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種具有尚穩(wěn)定性、尚硬度的A1基非晶合金塊體材料及其制備方法，其特征在于:
[0006](1)主要化學成分為(&1%):附:8;11:8;2〇6;他:3;￥:3;其余為八1。[〇〇〇7] (2)微觀組織為:全非晶相。[〇〇〇8](3)主要特征溫度為:晶化起始溫度多686K，過冷液相區(qū)寬度多80K。[〇〇〇9](4)典型力學性能為:顯微硬度995?1215Hv。[〇〇1〇]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]—種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比的化學成分構(gòu)成:Ni 7-9;Ti 7-9;Zr 5-7;Nb 2-4;Y2-4,其余為A1。
[0012]—種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比的化學成分構(gòu)成: Ni8; Ti8; Zr6; Nb3; Y3，其余為 A1。[〇〇13]所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于:[〇〇14] 包括以下步驟:[〇〇15](1)按百分比取各金屬原料；[〇〇16](2)經(jīng)高能球磨機械合金化，形成非晶合金粉末，其晶化起始溫度多686K，過冷液相區(qū)寬度彡80K。
[0017](3)經(jīng)真空、高溫及高壓燒結(jié)，得到全非晶組織的塊體材料，即得。
[0018]4、一種如權(quán)利要求1所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:[〇〇19](1)備料:采用純度為99 ? 99wt ? %的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末顆粒平均粒徑均為50mi;
[0020](2)配料:按百分比從原料粉中稱取一定重量的元素粉，稱量誤差0.0Olg，粉末總重200g;[0〇21](3)球磨:將上述粉末加入高能行星式球磨機不銹鋼球磨罐中，同時加入2wt.%左右的硬脂酸及直徑為l〇mm的軸承鋼球，球料比為20:1左右;球磨過程中球磨罐內(nèi)采用高純氬氣保護，球磨罐自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速300rpm左右；
[0022](4)表征:采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀對球磨后的粉體進行相組織、微結(jié)構(gòu)和特征溫度等表征;從球磨罐中取粉在充有高純氬氣的手套箱內(nèi)進行，粉末取出后裝入塑料袋后密封；[〇〇23](5)制樣:采用真空、高溫及高壓燒結(jié)工藝制備非晶塊體，壓力為2GPa左右，燒結(jié)溫度為673K左右，保持時間5min左右。
[0024]所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，包括以下步驟:[〇〇25](1)原料:采用純度為99.99wt.%的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末顆粒平均粒徑均為50mi。[〇〇26](2)配料:按Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3(at.%)的配比從原料粉中稱取一定重量的元素粉，稱量誤差0.0oig，粉末總重200g。[〇〇27](3)球磨:將上述粉末加入高能行星式球磨機不銹鋼球磨罐中，同時加入2wt.%的硬脂酸及直徑為1〇_的軸承鋼球，球料比為20:1。球磨過程中球磨罐內(nèi)采用高純氬氣保護， 球磨罐自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速300rpm。
[0028](4)表征:采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀等儀器對球磨后的粉體進行相組織、微結(jié)構(gòu)和特征溫度等表征。從球磨罐中取粉在充有高純氬氣的手套箱內(nèi)進行， 粉末取出后裝入塑料袋后密封。
[0029](5)制樣:采用真空、高溫及高壓燒結(jié)工藝制備非晶塊體。壓力2GPa，燒結(jié)溫度 673K，保持時間5min。
[0030]發(fā)明效果
[0031]本發(fā)明設(shè)計和制備的A1基非晶合金粉體材料，利用元素間較大的原子錯配度和混合熱絕對值，獲得了穩(wěn)定的非晶結(jié)構(gòu)，晶化起始溫度及過冷液相區(qū)寬度分別達到686K及80K 以上;通過真空高溫高壓燒結(jié)技術(shù)，獲得了大尺寸、高強度的A1基非晶塊體材料，其顯微硬度達995?1215Hv，高于所有已報道的同類材料的結(jié)果?！靖綀D說明】[〇〇32]圖1:球磨不同時間Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金粉末的XRD圖譜。[〇〇33]圖2:球磨140h后Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金粉末顆粒形貌及其選區(qū)電子衍射花樣。[〇〇34]圖3:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金塊體材料外觀形貌。
[0035]圖4: A172Ni 8T i 8Zr6Nb3 Y3合金塊體材料的XRD圖譜。[〇〇36]圖5:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金塊體材料微觀組織形貌及其選區(qū)電子衍射花樣。[〇〇37]圖6:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金塊體材料顯微硬度隨載荷的變化?！揪唧w實施方式】
[0038]實施例:一種A1基非晶合金塊體材料的制備方法高吸能本領(lǐng)、高吸能效率和高承載能力的孿生誘發(fā)塑性鋼，其主要化學成分為(wt.% ):Mn: 29.5; A1:2.75 % ; S1: 3.10 % ; C: 〇.05;其余為Fe。制備方法如下:
[0039](1)按目標成分進行配料，在高能行星式球磨機內(nèi)進行球磨。球磨140h后在真空手套箱內(nèi)、氬氣保護下將粉末從球磨罐中取出裝入密封試樣袋。
[0040](2)采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀分別對上述粉末相結(jié)構(gòu)和特征溫度等進行表征，確認所得粉末為全非晶組織，同時獲得該粉末的晶化起始溫度和過冷液相區(qū)寬度。當測量時升溫速率為15K/min時，兩者分別為686K和81K;當升溫速率為30K/min 時，兩者分別為714K和69K。[〇〇41](3)將非晶合金粉末放入壓力機的圓形壓模型腔內(nèi)，密封后抽真空，真空度達lO-ta 后， 利用壓力機壓頭對粉末施壓直至壓力達到2GPa， 同時對模具進行加熱 ，當其溫度達到673K時進行保溫，保溫5min后卸壓，然后將塊體材料從模具內(nèi)取出，得到尺寸為￠10 X 2mm的塊體材料。[〇〇42](4)將塊體材料進行研磨、拋光后，在顯微硬度計上測試其硬度，獲得不同載荷下塊體材料的維氏硬度值。結(jié)果表明，塊體材料的顯微硬度隨施加載荷增加而下降。當載荷為 100?500g時，塊體材料的顯微硬度為1215?995HV。
【主權(quán)項】
1.一種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比的化學成分構(gòu)成:Ni 7-9;Ti 7-9;Zr 5-7;Nb 2-4;Y2-4,其余為A1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比 的化學成分構(gòu)成:Ni8; Ti8; Zr6; Nb3; Y3，其余為A1。3.—種如權(quán)利要求1所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:(1)按百分比取各金屬原料；(2)經(jīng)高能球磨機械合金化，形成非晶合金粉末，其晶化起始溫度多686K，過冷液相區(qū) 寬度多80K;(3)經(jīng)真空、高溫及高壓燒結(jié)，得到全非晶組織的塊體材料，即得。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于包括以下步 驟:(1)備料:采用純度為99.99 wt.%的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末顆粒平均粒徑 均為50wii;(2)配料:按百分比從原料粉中稱取一定重量的元素粉，稱量誤差0.0Olg，粉末總重200g；(3)球磨:將上述粉末加入高能行星式球磨機不銹鋼球磨罐中，同時加入2wt.%左右的 硬脂酸及直徑為l〇mm的軸承鋼球，球料比為20:1左右;球磨過程中球磨罐內(nèi)采用高純氬氣 保護，球磨罐自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速300rpm左右；(4)表征:采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀對球磨后的粉體進行相組織、 微結(jié)構(gòu)和特征溫度等表征;從球磨罐中取粉在充有高純氬氣的手套箱內(nèi)進行，粉末取出后 裝入塑料袋后密封；(5)制樣:采用真空、高溫及高壓燒結(jié)工藝制備非晶塊體，壓力為2GPa左右，燒結(jié)溫度為 673K左右，保持時間5min左右。
【文檔編號】C22C45/08GK106011695SQ201610614457
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】韓福生, 吳宇, 王新福
【申請人】中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院