專利名稱：一種高強度鋁基大塊非晶復合材料的制作方法
技術領域：
本發明屬于復合材料領域，涉及一種塊體非晶復合材料，具體而言是一種以鋁元素為主要成份，由非晶基體和內生晶體相組成的鋁基大塊非晶合金復合材料。技術背景
鋁基非晶合金不僅具有優異的抗腐蝕性能，耐磨性能，化學性能等，而且還具有十分優異的力學性能，其斷裂強度是傳統鋁合金的2-3倍。傳統鋁合金如AA6061、AA7075等，通過常規手段強化之后，其最終室溫拉伸斷裂強度只能達到500-600 MPa,而對于鋁非晶合金來說，其斷裂強度可達1200 MPa左右，遠遠超過了傳統鋁合金，尤其值得一提的是，對于納米鋁顆粒彌散分布于非晶基本中的復合結構材料，其斷裂強度更高，可達1560 MPa。但是，相對于其它Mg，Ca，Ti等輕質基非晶來說，鋁基非晶形成能力極差，從1981年首次在Al-Fe-B 合金體系中獲得了非晶態結構以來，經過30多年的努力，仍然沒有突破臨界直徑大于I _的塊體非晶合金，這很大程度地限制了鋁基非晶作為工程結構材料在實際中的廣泛應用。目前，人們對鋁基非晶合金的開發主要包括兩方面，一方面是通過改進其制備方法，增加合金鑄造時的冷卻速率，例如，用液氮冷卻代替銅模水冷，或是通過噴射成型方法增加其冷卻速率。這些方法雖然可以一定程度上增加鋁基非晶的臨界形成尺寸，但是由于工藝程序相對復雜，其成本也相對大大增加。另一方面是通過控索新的鋁基成分，從本質上增加其臨界形成尺寸。統計數據顯示，從1988年以來，眾多的科研小組研究了近數百個合金體系，多達幾千個合金成分，但臨界尺寸仍沒有突破I mm的瓶頸。因此，研究塊體鋁基大塊非晶合金成為了當前急待解決的科學及技術難題。

發明內容
本發明的目的在于克服鋁基非晶合金的玻璃形成能力差，臨界形成尺寸小的難題，提供一種新型大塊鋁基非晶復合材料。本發明是通過以下技術方案實現的
一種高強度鋁基大塊非晶復合材料，其特征在于所述的鋁基非晶復合材料其鋁元素所占的原子百分含量可在40%以上，該系列合金是由非晶基體和晶體相兩部分組成，其中非晶相體積百分比占10-90%,晶體相體積百分比占90_10%。該招基大塊非晶復合材料其合金成分可用如下公式表示AlaFebLaeCedCoeCufMgNhOi,其中 M 為 Ti，V，Cr, Mn, Mg, Ni,Zn, Ag, Mo, Nb, Zr元素中的一種或多種，N為除稀土元素La，Ce外的其它稀土元素中的一種或多種，0為類金屬兀素C，B, Si, P中的一種或多種,40 < a < 80, 0 ^ b ^ 20,5 彡 c 彡 30，5 彡 d 彡 30，0 彡 e 彡 10，0 彡 f 彡 10,0 彡 g 彡 10，0 ^ h ^ 10, 0 彡 i 彡 10，而且滿足a+b+c+d+e+f+g+h+i=100 ；
優選的成分
所述的鋁基大塊非晶復合材料其合金成分可用如下公式表示=AlaFebLaeCedC0eCuf,其中，40 彡 a 彡 80，0 彡 b 彡 20，5 彡 c 彡 30，5 彡 d 彡 30，0 ^ e ^ 10, 0 ^ f ^ 10,而且滿足a+b+c+d+e+f=100。所述的鋁基大塊非晶復合材料其合金成分可用如下公式表示AlaFebLacCedCoeCufMg,其中 M 為 Ti，V, Cr, Mn, Mg, Ni, Zn, Ag, Mo, Nb, Zr 元素中的一種或多種，其中，40彡a彡80，0彡b彡20，5彡c彡30，5彡d彡30，0 ^ e ^ 10,
0彡 f 彡 10，0 彡 g 彡 10，而且 滿足a+b+c+d+e+f+g=100。所述的鋁基大塊非晶復合材料其合金成分可用如下公式表示AlaFebLacCedCoeCufNg,其中N為除稀土元素La，Ce外的其它稀土元素中的一種或多種，其中，40 彡 a 彡 80，0 彡 b 彡 20，5 彡 c 彡 30，5 彡 d 彡 30，0 ^ e ^ 10, 0 ^ f ^ 10,
0^ g ^ 10,而且滿足a+b+c+d+e+f+g=100。所述的鋁基大塊非晶復合材料其合金成分可用如下公式表示AlaFebLacCedCoeCufOg,其中0為類金屬元素C，B，Si, P中的一種或多種，其中，40 彡 a彡 80，O^b ^ 20, 5 彡 c 彡 30，5 彡 d彡 30，O^e ^ 10, O^f ^ 10, OSgSlO,而且滿足a+b+c+d+e+f+g=100。上述所述的大塊鋁基非晶復合材料其具體制備步驟為
步驟一、母合金的制備
將上述合金成分中所需的Al，Fe, La, Ce, Co, Cu等元素，按照合金的原子百分比稱取后，在氬氣環境中反復熔煉4次以上，保證合金的成分的均勻性，冷卻后得到母合金。步驟二、吸鑄
將步驟(I)中的母合金重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置將合金吸鑄至不同鑄型的銅模中形成棒狀或板狀樣品。上述鋁基非晶合金，在其合金成分范圍內，利用銅模吸鑄制備4mm或以上的合金棒材，在部分成分范圍內可獲得10-20_的鋁基非晶復合材料棒材。本發明所提供的大塊鋁基非晶復合材料其優點在于
(I)合金成分中輕質鋁元素含量高，部分成分范圍內鋁元素百分含量超過50%以上，可獲得直徑在4mm以上的非晶復合材料棒材，合金的非晶形成能力強，部分成分范圍內可獲得10-20_的鋁基非晶復合材料棒材。(2) 該系列輕質非晶復材料具有400-550 K的玻璃轉變溫度，合金熔點在1000K以上，且其過冷液相區間在10-60 K之間。(3) 該系列合金由非晶基體和內生晶體相組成，其壓縮斷裂強度達700-1200MPa，遠高于現有的傳統鋁合金材料。(4) 該系列輕質非晶復材料生產工藝簡單易操作，成本低廉。


圖I為實例I制備的直徑為6 mm的Al4tlFe5C03Cu2La24Ce26非晶復合材料的掃描電鏡5000倍(SEM)照片；
圖2為實例I制備的直徑為6 mm的Al4tlFe5C03Cu2La24Ce26非晶復合材料的熱分析(DSC)曲線圖，加熱速率為20 K/min ；
圖3為實例I制備的直徑為6 mm的Al4tlFe5C03Cu2La24Ce26非晶復合材料的壓縮應力應變曲線。圖4為實例2制備的直徑為6 mm的Al5ciFeltlCo3Cu2La17Ce18非晶復合材料的掃描電鏡20000倍(SEM)照片；
圖5為實例2制備的直徑為6 mm的Al5ciFeiciC03Cu2La17Ce18非晶復合材料的熱分析(DSC)曲線圖，加熱速率為20 K/min ；
圖6為實例2制備的直徑為6 mm的Al5ciFeiciC03Cu2La17Ce18非晶復合材料非晶部分的透射電鏡(TEM)圖，左上角內插圖為選區電子衍射(SAED)；
圖7為實例2制備的直徑為6 mm的Al5ciFeiciC03Cu2La17Ce18非晶復合材料的壓縮應力應變曲線。圖8為實例3制備的直徑為6 mm的Al55Fe15Co3Cu2La12Ce13非晶復合材料的掃描電 鏡3000倍(SEM)照片；
圖9為實例3制備的直徑為6 mm的Al55Fe15C03Cu2La12Ce13非晶復合材料的熱分析(DSC)曲線圖，加熱速率為20 K/min ；
圖10為實例3制備的直徑為6 mm的Al55Fe15C03Cu2La12Ce13非晶復合材料的壓縮應力應變曲線。圖11為實例4制備的直徑為4mm的Al52Mn6Co5Cu3La16Ce18非晶復合材料的掃描電鏡10000倍(SEM)照片。圖12為實例5制備的直徑為4 mm的Al52Fe5Co3Cu2La17Ce19Si2非晶復合材料的掃描電鏡20000倍(SEM)照片。
具體實施例方式 下面結合具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。實施例I
Al40Fe5Co3Cu2La24Ce26大塊非晶復合金材料的制備 步驟一、稱取各種成分元素
按照合金Al4ciFe5Co3Cu2La24Ce26的化學成分和原子百分比,轉換計算出各元素的質量份數，在電子天平上進行精密稱量。步驟二、制備母合金
將步驟一稱好的合金原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空至5 X KT3Pa,充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0.05至0.8 Mpa，調節電流為30-100 A，反復熔煉合金4_6次，然后隨爐冷得至IJ Al40Fe5Co3Cu2La24Ce26 母合金。步驟三、制備Al4ciFe5Co3Cu2La24Ce26非晶復合材料合金棒材或板材
根據所要制備的棒材或板材的大小剪取適量的母合金，去除表面氧化皮后，放入具有快速凝固功能的真空電弧吸鑄爐中，調節真空至5X 10_3Pa，充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0. 05-0. 8 MPa ;調節電流為30-100 A，熔煉1_2分鐘后快速吸入銅模銅中，并隨爐冷后即制備出Al4tlFe5Co3Cu2La24Ce26合金非晶復合材料合金棒材或板材。如圖I所示為該合金6 mm棒材的掃描電鏡(SEM)照片，照片顯示該合金棒由非晶基體和晶體相兩部分組成，圖中白色部分為非晶基體，圖2為該合金棒的熱分析(DSC)曲線，其加熱速率為20 K/min，從DSC曲線上仍可以明顯看到合金的玻璃轉變過程，其玻璃轉變溫度約為440 K，晶化溫度約為490 K。圖3為該合金的壓縮應力應變曲線，由圖可以看出這種大塊非晶復合材料具有很高的的斷裂強度，其值約為900 MPa，和大多數其它非晶合金一樣，表現為脆性斷裂。
實施例2
Al50Fe10Co3Cu2La17Ce18大塊非晶復合金材料的制備 步驟一、稱取各種成分元素
按照合金Al5ciFeltlCo3Cu2La17Ce18的化學成分和原子百分比,轉換計算出各元素的質量份數，在電子天平上進行精密稱量。步驟二、制備母合金
將步驟一稱好的合金原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空至5 X KT3Pa,充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0.05至0.8 Mpa，調節電流為30-100 A，反復熔煉合金4_6次，然后隨爐冷得到 Al5ciFeltlCo3Cu2La17Ce18 母合金。步驟三、制備Al5ciFeltlCo3Cu2La17Ce18非晶復合材料合金棒材或板材 根據所要制備的棒材或板材的大小剪取適量的母合金，去除表面氧化皮后，放入具有快速凝固功能的真空電弧吸鑄爐中，調節真空至5X 10_3Pa，充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0. 05-0. 8 MPa ;調節電流為30-100 A，熔煉1_2分鐘后快速吸入銅模銅中，并隨爐冷后即制備出Al5tlFeltlCo3Cu2La17Ce18合金非晶復合材料合金棒材或板材。如圖4所不為該合金6 mm棒材的掃描電鏡(SEM)照片，照片顯不該合金棒由非晶基體和晶體相兩部分組成，圖中白色部分為非晶基體。圖5為該合金棒的熱分析(DSC)曲線，其加熱速率為20 K/min，從DSC曲線上可以明顯看到合金的玻璃轉變過程，其玻璃轉變溫度約為500 K，晶化溫度約為560 K。圖6所示為該合金的高分辨透射電鏡(HRTEM)照片，內嵌為選區電子衍射(SAED)圖，圖中顯示該合金具有非晶結構特征的衍射環，進一步證明了非晶的存在。根據多張如圖4所述類似的SEM照片進行統計分析，其結果顯示合金中非晶的體積分數在20-30%。圖7為該合金的壓縮應力應變曲線，由圖可以看出這種非晶復 合材料具有很高的的斷裂強度，其值為940 MPa，和大多數其它非晶合金一樣，表現為脆性斷裂。實施例3
Al55Fe15Co3Cu2La12Ce13大塊非晶復合金材料的制備 步驟一、稱取各種成分元素
按照合金Al55Fe15C03Cu2La12Ce13的化學成分和原子百分比，轉換計算出各元素的質量份數，在電子天平上進行精密稱量。步驟二、制備母合金
將步驟一稱好的合金原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空至5 X KT3Pa,充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0.05至0.8 Mpa，調節電流為30-100 A，反復熔煉合金4_6次，然后隨爐冷得到 Al55Fe15Co3Cu2La12Ce13 母合金。步驟三、制備Al55Fe15Co3Cu2La12Ce13非晶復合材料合金棒材或板材
根據所要制備的棒材或板材的大小剪取適量的母合金，去除表面氧化皮后，放入具有快速凝固功能的真空電弧吸鑄爐中，調節真空至5X 10_3Pa，充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0. 05-0. 8 MPa ;調節電流為30-100 A，熔煉1_2分鐘后快速吸入銅模銅中，并隨爐冷后即制備出Al55Fe15Co3Cu2La12Ce13合金非晶復合材料合金棒材或板材。如圖8所不為該合金6 mm棒材的掃描電鏡(SEM)照片,和前述實施例類似,該合金棒由非晶基體和晶體相兩部組成，圖中白色部分為非晶基體，不同的是，該合金中非晶相所占的體積分數有所下降。圖9為該合金棒的熱分析(DSC)曲線，其加熱速率為20 K/min，從DSC曲線上仍可以明顯看到合金的玻璃轉變過程，其玻璃轉變溫度約為460 K，晶化溫度約為490 K。圖10為該合金的壓縮應力應變曲線，由圖可以看出這種大塊非晶復合材料具有很高的的斷裂強度，其值約為800 MPa，和實例I相比，強度有所下降，仍表現為脆性斷裂。實施例4
Al52Mn6Co5Cu3La16Ce18大塊非晶復合金材料的制備 步驟一、稱取各種成分元素
按照合金Al52Mn6C05Cu3La16Ce18的化學成分和原子百分比，轉換計算出各元素的質量份數，在電子天平上進行精密稱量。步驟二、制備母合金
將步驟一稱好的合金原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空至5 X KT3Pa,充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0.05至0.8 Mpa，調節電流為30-100 A，反復熔煉合金4_6次，然后隨爐 冷得到 Al52Mn6Co5Cu3La16Ce18 母合金。步驟三、制備Al52Mn6Co5Cu3La16Ce18非晶復合材料合金棒材或板材
根據所要制備的棒材或板材的大小剪取適量的母合金，去除表面氧化皮后，放入具有快速凝固功能的真空電弧吸鑄爐中，調節真空至5X 10_3Pa，充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0. 05-0. 8 MPa ;調節電流為30-100 A，熔煉1_2分鐘后快速吸入銅模銅中，并隨爐冷后即制備出Al52Mn6Co5Cu3La16Ce18合金非晶復合材料合金棒材或板材。如圖11所示為該合金4 mm棒材的掃描電鏡(SEM)照片，和前述實施例類似，該合金棒由非晶基體和晶體相組成，圖中白色部分為非晶基體，不同的是，該合金中非晶相所占的體積分數有所下降，根所多張類似SEM照片統計，其結果顯示非晶相的體積分數為10-15%。實施例5
Al52Fe5Co3Cu2La17Ce19Si2大塊非晶復合金材料的制備 步驟一、稱取各種成分元素
按照合金Al52Fe5Co3Cu2La17Ce19Si2的化學成分和原子百分比,轉換計算出各元素的質量份數，在電子天平上進行精密稱量。步驟二、制備母合金
將步驟一稱好的合金原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空至5 X KT3Pa,充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0.05至0.8 Mpa，調節電流為30-100 A，反復熔煉合金4_6次，然后隨爐冷得到 Al52Fe5Co3Cu2La17Ce19Si2 母合金。步驟三、制備Al52Fe5Co3Cu2La17Ce19Si2非晶復合材料合金棒材或板材
根據所要制備的棒材或板材的大小剪取適量的母合金，去除表面氧化皮后，放入具有快速凝固功能的真空電弧吸鑄爐中，調節真空至5X 10_3Pa，充入氬氣保護氣體，氬氣壓力為0. 05-0. 8 MPa ;調節電流為30-100 A，熔煉1_2分鐘后快速吸入銅模銅中，并隨爐冷后即制備出Al52Fe5Co3Cu2La17Ce19Si2合金非晶復合材料合金棒材或板材。如圖12所示為該合金4mm棒材的掃描電鏡(SEM)照片，和前述實施例類似，該合金棒由非晶基體和晶體相組成，圖中白色部分為非晶基體，根所多張類似SEM照片統計，其結果顯示非晶相的體積分數為15-20%。
權利要求
1.一種高強度鋁基大塊非晶復合材料，其特征在于所述的鋁基非晶復合材料其鋁元素所占的原子百分含量在40%以上，該系列合金是由非晶基體和晶體相組成，該鋁基大塊非晶復合材料其合金成分用如下公式表示AlaFebLaeCedCoeCufMgNhOi,其中M為Ti，V，Cr,Mn, Mg, Ni, Zn, Ag, Mo, Nb, Zr元素中的一種或多種，N為除稀土元素La，Ce外的其它稀土元素中的一種或多種，0為類金屬元素C，B，Si, P中的一種或多種，40< a < 80，0 ≤ b ≤ 20，5≤ c ≤ 30，5≤ d ≤ 30，0≤ e≤10，0≤ f ≤ 10,0 ≤ g≤ 10，0 ≤ h≤ 10,0≤ i ≤ 10,而且滿足a+b+c+d+e+f+g+h+i=100。
2.如權利要求I所述的鋁基大塊非晶復合材料，其特征在于，其合金成分可如下公式表示AlaFebLacCedCoeCufMg,其中 M 為 Ti, V, Cr, Mn, Mg, Ni, Zn, Ag, Mo, Nb, Zr 元素中的一種或多種，其中，40≤a≤80，0≤b≤20，5≤c≤30，5≤d≤30，0≤ e≤ 10,0≤ f ≤10，0 ≤ g≤ 10，而且滿足a+b+c+d+e+f+g=100。
3.如權利要求I所述的鋁基大塊非晶復合材料，其特征在于，其合金成分用如下公式表示=AlaFebLac^edCo6CufNg,其中N為除稀土元素La，Ce外的其它稀土元素中的一種或多種，其中 40≤ a ≤80，0≤ b ≤ 20，5≤ c≤ 30，5 ≤ d ≤ 30，0≤ e≤ 10,0 ≤f ≤10,0≤g ≤ 10,而且滿足a+b+c+d+e+f+g=100。
4.如權利要求I所述的鋁基大塊非晶復合材料，其特征在于，其合金成分用如下公式表示AlaFebLaeCedC0eCufOg,其中0為類金屬元素C，B，Si, P中的一種或多種，其中，40≤a≤80，0≤b≤20，5≤c≤30，5≤d≤30，0≤e≤10，0≤f≤10，0≤g≤10，而且滿足a+b+c+d+e+f+g=100。
5.如權利要求I所述的招基大塊非晶復合材料,其特征在于，a=40,b=5 c=24, d=26,e=3, f=2, g=0, h=0, i=0,非晶復合材料的表達式為 Al4tlFe5La24Ce26Co3Cu2. 如權利要求I所述的招基大塊非晶復合材料，其特征在于，a=50, b=10 c=17, d=18,e=3, f=2, g=0, h=0, i=0,非晶復合材料的表達式為 Al5ciFeltlLa17Ce18Co3Cu2。
6.如權利要求I所述的招基大塊非晶復合材料，其特征在于，a=55,b=15 c=12, d=13,e=3, f=2, g=0, h=0, i=0,非晶復合材料的表達式為 Al55Fe15La12Ce13Co3Cu2tj
7.如權利要求I所述的招基大塊非晶復合材料，其特征在于，a=52,b=0 c=16, d=18,e=3, f=2, g=6, h=0, i=0,非晶復合材料的表達式為 Al52Mn6La16Ce18Co3Cu2。
8.如權利要求I所述的招基大塊非晶復合材料,其特征在于，a=52,b=5 c=17, d=19,e=3, f=2, g=0, h=0, i=2,非晶復合材料的表達式為 Al52Fe5La17Ce19Co3Cu2Si2tj
全文摘要
一種鋁基大塊非晶復合材料，屬于復合材料領域。其特征在于，其中鋁元素所占的原子百分含量超過40%，合金成分用如下公式表示AlaFebLacCedCoeCufMgNhOi,其中M為Ti,V,Cr,Mn,Mg,Ni,Zn,Ag,Mo,Nb,Zr元素中的一種或多種，N為除稀土元素La,Ce外的其它稀土元素中的一種或多種，O為類金屬元素C,B,Si,P中的一種或多種，40≤a≤80，0≤b≤20，5≤c≤30，5≤d≤30，0≤e≤10，0≤f≤10，0≤g≤10,0≤h≤10,0≤i≤10，而且滿足a+b+c+d+e+f+g+h+i=100；本發明除了具有高比強度外，其制備過程也十分簡單，因此其成本低廉，在工業上具有廣闊的應用前景。
文檔編號C22C45/00GK102719769SQ20121020956
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月20日 優先權日2012年6月20日
發明者呂昭平, 吳淵, 曹迪, 李睿, 杜清, 陳子潘, 高敬恩 申請人:北京科技大學