專利名稱：一種塊體鋁基合金及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于合金材料及技術加工領域；尤其涉及一種應用于結構材料的具有高玻璃 形成能力的高強韌性Al基合金及其制備方法。
背景技術：
通過快速凝固制備得到的非晶合金因不具備長程原子有序結構而導致了獨特的力學 性能、磁學性能、耐蝕性能和電性能，因此，非晶合金材料的研究成為材料研究的一個 重要領域。Al基非晶相/納米相復合材料為目前比強度最高的金屬材料(比強度3.5xl05 N-m/kg)，是用于航空、航天器結構件的理想材料。鋁合金作為輕質合金成為目前應用 最為廣泛的金屬材料之一，由于其輕質高比強的特性可作為飛行器覆蓋件，其成熟的工 藝和廉價的成本也使之作為飲料包裝材料而被廣泛使用。而在高強度工程應用條件下， 超硬鋁合金的屈服強度只有500 600MPa，相比較其它合金，較低的屈服強度成為鋁合 金的應用瓶頸。
非晶態(tài)金屬材料是目前材料界最活躍的研究領域之一，高性能的輕質合金材料的發(fā) 展是國家國防和經濟建設的重大需求。而A1基非晶合金始終沒有突破尺寸的束縛，目前 為止的研究和發(fā)明專利大多限于Al基非晶條帶，拉伸斷裂強度可以達到1200MPa的量 級，復合了納米fcc-Al的非晶條帶可以達到1500MPa的量級，但是迄今還不能制備出毫 米級塊體AI基非晶合金，這樣從尺寸上嚴重限制了 Al基合金的研究開發(fā)， 一直是其作 為結構材料應用的最大障礙。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一系列
塊體鋁基合金的成分體系和制備方法，在臨界尺寸在0.001 2mm范圍內時，可以得到完 全的非晶組織，具有l(wèi)GPa以上的屈服強度，通過控制鑄造工藝參數，可以得到高強度和 高塑性的鋁基非晶/納米晶復相材料，組織由非晶基體和均勻分散的鋁納米顆粒組成，具 備lGPa以上的壓縮屈服強度，和大于2%的壓縮塑性。在鑄造尺寸大于2mm時，其組 織是典型的急冷凝固合金組織，具有0.3GPa以上的屈服強度。本發(fā)明同時提供制備以上 諸類合金的制備方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種塊體鋁基合金，其特征在于合
3金的成分由以下公式表示AlaSibTMcYdREe，且a+b+c+d+e^00，TM為過渡金屬Ni、 Co 和Ag的一種或多種的組合，RE是元素Y在周期表中的相鄰元素Sc、 Zr、 Ca、 Ti和La 系稀土元素中的La、 Gd、 Ce中的一種或多種的組合；其中，b的原子百分數為0.2~5， c 的原子百分數為2 10， d的百分數為4 10， e的原子百分數為0 5,a為余量。
所述的合金能夠制得非晶體積分數5%以上的塊體合金和厚度在0.001mm 2mm的純 非晶合金。
所述的合金制備成塊體時，在室溫壓縮時具有0.3MPa以上的屈服強度，真實應變率 在50%以上，塑性應變?yōu)? 20%。
上述塊體鋁基合金的制備方法，包括配比配料；熔煉制備母合金；制備塊體鋁基合 金；其特征在于采用凝固法結合鑄造模具制備塊體合金。
所述的凝固法可以是噴鑄，或吸鑄，或澆注，或高壓鑄造，或冰型鑄造，或砂型鑄造。
所述的鑄造模具為銅模、鋼模模具的一種或兩種的組合。
所述熔煉制備母合金過程為將稱得的目標成分原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真 空度至l-5xlO-3Pa，充入壓力為0.02-0.09MPa氬氣保護氣體；調節(jié)電流200-350A、熔煉 溫度1000-1600°C、熔煉5-10min后隨爐冷卻取出即制得母合金。
本發(fā)明與現有技術相比所具有的優(yōu)點是
(1) 本發(fā)明的塊體鋁基合金突破了傳統的非晶態(tài)鋁合金的的尺寸限制，首次在鋁基 非晶中報道出塊體尺寸級別的成分體系，塊體毫米級快速凝固Al非晶或非晶/納米晶復 相合金的出現大大拓寬了具有高比強Al合金的應用領域；
(2) 本發(fā)明的塊體鋁基合金的強度和塑性可依鑄造溫度改變，其初晶析出產物為 fcc-Al，通過改變鑄造溫度及其它工藝參數，可以得到完全的非晶/納米晶復合材料，使 塑性依復合的體積分數比而改變，提高合金的綜合力學性能指標，可以得到0~20%甚至 更大的塑性應變，大大提高了合金的工程應用價值。
(3) 本發(fā)明的塊體鋁基合金生產制備方法簡單，設備成本低，易于與傳統制備工藝 相對接，其合金成本控制具有優(yōu)勢。
圖1是Alss.sSio.sNUCosYsSd的直徑為lmm的非晶#材的X射線衍射圖譜； 圖2是Al85.5Sio.5Ni4Co3Y6SCl的非晶合金的熱分析DSC曲線； 圖3為Al^Sio.sNLjCosY^d的非晶棒材在鑄造直徑為lmm時的應力一應變曲線； 圖4為Alss.sSio.sNLjCosYsSd的非晶棒材在鑄造直徑為2mm時的應力一應變曲線；圖5為Al85.5Sia5Ni4Co3Y6SCl的非晶棒材在鑄造直徑為3mm時的應力一應變曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本 發(fā)明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例本領域的技術人員即可以 實現本發(fā)明權利要求的全部內容。
實施例1
本實施例選擇TM為過渡金屬Ni和Co的組合；原子所占百分數分別為4和3; RE是元 素Y在周期表中的相鄰元素Sc，原子所占百分數為1; Si原子所占的百分數為0.5; Y原子 所占的百分數為6;其余為Al原子所占的百分數為85.5，所得塊體鋁基合金的分子式為
Al85.5Si。.5Ni4C03Y6Sc,。
本實施例中塊體合金Al85.5Sia5Ni4Co3Y6SCl的制備方法如下-
步驟一按Alss.sSio.sNLtCosYsSd化學成分配比進行配料；
按Al85.5SiQ.5Ni4Co3Y6SCl計算出與之相對應的原料質量并稱量；
步驟二熔煉制備Al85.5Sio.5NLtC03Y6Sd母合金；
將步驟一稱得的目標成分原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空度至l-5xl0'3Pa，充入 壓力為0.02-0.09MPa氬氣保護氣體；調節(jié)電流200-350A、熔煉溫度1000-1600°C 、熔煉 5-I0min后隨爐冷卻取出即制得Al85.5Sio.5Ni4Co3Y6Sc,母合金；
步驟三制Al85.5Sio.sNi4C03Y6Sd塊體合金
將步驟二制得的母合金放入快速凝固裝置的感應爐中，抽真空度至l-5"(T3Pa，充入 壓力為0.02-0.09MPa氬氣保護氣體；調節(jié)電流200-350A、感應溫度600-1000°C、熔煉 0.5-3min后噴射至銅模中并隨銅模快速冷卻即制得Al85.sSi().5Ni4Co3Y6Sd塊體合金；將本 實施例制備的Al85.sSio.5Ni4C03Y6Sd鑄造成直徑為litim的非晶棒材，該非晶棒材的X射 線衍射圖譜如圖l所示，圖譜說明合金棒材主要由非晶組成，具體含有90%以上體積分 數的非晶組織，其余為微米/納米級晶粒。該非晶合金的熱力學參數見附圖2的DSC (熱 分析)曲線，初級晶化溫度為237.9°C，初熔溫度為630°C，液相線溫度為817.8°C。其 直徑為lmm的圓棒的壓縮力學性能曲線見附圖3中曲線所示，此時屈服強度1125MPa， 塑性變形量7%;將本實施例所制備的Al85.5Sio.sNi4Co3Y6Sd鑄造成直徑為2mm的圓棒的 壓縮力學性能曲線如圖4中曲線所示，對應的屈服強度為795MPa;將本實施例所制備的 Al85.5Sio.sNi4Co3Y6Sd鑄造成直徑為3mm的圓棒的壓縮力學性能曲線如圖5中曲線所示， 對應的屈服強度549MPa。
實施例2本實施例選擇TM為過渡金屬Ni和Ag的組合；原子所占百分數分別為1和1; Si原子 所占的百分數為5; Y原子所占的百分數為10;其余為A1原子所占的百分數為83，所得塊 體鋁基合金的分子式為AlwSisNhAgJ^
本實施例中塊體合金Al83SisNi,Ag,YK)的制備方法如下 步驟一按Al83Si5NhAg!Y,o化學成分配比進行配料； 按Al83Si5NhAg,Y,o計算出與之相對應的原料質量并稱量； 步驟二熔煉制備Al83Si5NhAgJn)母合金；
將步驟一稱得的目標成分原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空度至l-5xlO'3Pa，充入 壓力為0.02-0.09MPa氬氣保護氣體；調節(jié)電流200-350A、熔煉溫度1000-1600°C、熔煉 5-10min后隨爐冷卻取出即制得Al83SisNhAg!YK)母合金。
步驟三制備Al83Si5Ni,AgJ,o塊體合金
將步驟二制得的母合金放置于吸鑄腔體內，利用電弧把母合金二次熔化，待合金完 全熔化至熔點以上IO(TC左右開啟吸鑄開關，利用熔煉腔與模具腔的壓力差將熔融合金 吸入模具腔內的鋼模具中。得到的直徑為lmm的圓棒的屈服強度為1135MPa，塑性為 10%，直徑為2mm的圓棒的屈服強度為920MPa，直徑為3mm的圓棒的屈服強度為 592MPa。
實施例3
本實施例選擇TM為過渡金屬Ni、 Co和Ag的組合；原子所占百分數分別為3、 3和2; RE是元素Y在周期表中的相鄰元素Ca和La系稀土元素中的La的組合，原子所占百分數分 別為2和3; Si原子所占的百分數為1; Y原子所占的百分數為6;其余為Al原子所占的百 分數為80，所得塊體鋁基合金的分子式為Al8。Si,Ni3C03Ag2Y6Ca2La3。
本實施例中塊體合金Al8oSi,Ni3Co3Ag2Y6Ca2La3的制備方法如下
步驟一按AlsoShNi3Co3Ag2Y6Ca2La3化學成分配比進行配料；
按Al犯Si,NbCo3Ag2Y6Ca2La3計算出與之相對應的原料質量并稱量；
步驟二熔煉制備Al8oSiiNi3Co3Ag2Y6Ca2La3母合金；
將步驟一稱得的目標成分原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空度至l-5xl(r3Pa，充入 壓力為0.02-0.09MPa氬氣保護氣體；調節(jié)電流200-350A、熔煉溫度1000-1600°C、熔煉 5-1 Omin后隨爐冷卻取出即制得Al8oSi, Ni3Co3Ag2 Y6Ca2La3母合金；
步驟三制備AlsoShNi3Co3Ag2Y6Ca2La3塊體合金
采用高壓鑄造法制備，首先將步驟二制得的母合金放置于有惰性氣體保護的石英管
中，利用感應線圈二次熔化母合金至熔點以上IO(TC左右，將石英管中的熔融態(tài)合金導入壓力鑄造機的活塞腔體內并迅速開啟活塞開關，將it融合金壓鑄到鋼模具鑄型中。壓 鑄結束后并保壓，使合金與鑄型腔體貼和更為緊實，可以得到臨界尺寸大于等于lmm的 純非晶組織。得到的直徑為lmm的圓棒的屈服強度為1152MPa，直徑為2mm的圓棒的 屈服強度為945MPa，直徑為3mm的圓棒的屈服強度為560MPa。
權利要求
1、一種塊體鋁基合金，其特征在于合金的成分由以下公式表示AlaSibTMcYdREe，且a+b+c+d+e＝100，TM為過渡金屬Ni、Co和Ag的一種或多種的組合，RE是元素Y在周期表中的相鄰元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一種或多種的組合；其中，b的原子百分數為0.2～5，c的原子百分數為2～10，d的百分數為4～10，e的原子百分數為0～5，a為余量。
2、 根據權利要求l所述的鋁基合金，其特征在于所述的合金能夠制得非晶體積分 數5%以上的塊體合金和厚度在0.001mm 2mm的純非晶合金。
3、 根據權利要求1所述的鋁基合金，其特征在于當制備成塊體時，在室溫壓縮時 具有0.3MPa以上的屈服強度，真實應變率在50%以上，塑性應變?yōu)?~20%。
4、 一種塊體鋁基合金的制備方法，包括配比配料；熔煉制備母合金；制備塊體鋁基 合金；其特征在于采用凝固法結合鑄造模具制備塊體合金。
5、 根據權利要求4所述的一種塊體鋁基合金的制備方法，其特征在于所述的凝固 法可以是噴鑄，或吸鑄，或澆注，或高壓鑄造，或冰型鑄造，或砂型鑄造。
6、 根據權利要求4所述的一種塊體鋁基合金的制備方法，其特征在于所述的鑄造 模具為銅模、鋼模模具的一種或兩種的組合。
7、 根據權利要求4所述的一種塊體鋁基合金的制備方法，其特征在于所述熔煉制 備母合金過程為將稱得的目標成分原料放入真空電弧熔煉爐中，抽真空度至 l-5xlO-3Pa，充入壓力為0.02-0.09MPa氬氣保護氣體；調節(jié)電流200-350A、熔煉溫度 1000-1600°C、熔煉5-10min后隨爐冷卻取出即制得母合金。
全文摘要
一種塊體鋁基合金，其特征在于合金的成分由以下公式表示Al<sub>a</sub>Si<sub>b</sub>TM<sub>c</sub>Y<sub>d</sub>RE<sub>e</sub>，且a+b+c+d+e＝100，TM為過渡金屬Ni、Co和Ag的一種或多種的組合，RE是元素Y在周期表中的相鄰元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一種或多種的組合；其中，b的原子百分數為0.2～5，c的原子百分數為2～10，d的百分數為4～10，e的原子百分數為0～5，a為余量。采用配比配料；熔煉制備母合金；采用凝固法結合鑄造模具制備塊體鋁基合金。本發(fā)明的塊體鋁基合金具有500MPa以上的高強度，強度可達到1000MPa～1300MPa的高強度，且塑性變形在0～20％，可作為精密結構器件。
文檔編號C22C21/00GK101451208SQ20081024755
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權日2008年12月30日
發(fā)明者卓龍超, 濤 張, 逄淑杰 申請人:北京航空航天大學