一種Al-Ni-Er-Co-La鋁基非晶合金材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種Al-Ni-Er-Co-La系鋁基非晶合金材料及其制備方法，屬于有色金屬【技術(shù)領(lǐng)域】。所述合金材料中各組分的摩爾原子含量百分比為：Al：80-90％，Ni：1-8％，Co：0.5-3％，La：0.5-3％，Er：1-6％。所述合金材料的制備方法，以金屬Al、Ni、Co、La、Er為合金元素，通過(guò)銅模真空噴鑄方式制備的Al-Ni-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金。所述合金材料具有非晶形成能力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高，塑性良好，成分成本低，并且制備方法簡(jiǎn)單，在新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種Al-N1-Er-Co-La鋁基非晶合金材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶合金材料及其制備方法，屬于有色金屬【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金在日常的生產(chǎn)和生活中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是近些年來(lái)隨著社會(huì)日益依賴(lài)的礦石能源的枯竭和由CO2引起的全球范圍內(nèi)“溫室”效應(yīng)的加劇，人們環(huán)保節(jié)能減排意識(shí)日益增強(qiáng)，因此對(duì)汽車(chē)、飛機(jī)、輪船、衛(wèi)星等運(yùn)載工具輕型化提出了迫切的要求，這使得低密度、高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金的研究和開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了一個(gè)高潮。作為一種新型的鋁合金，鋁基非晶合金自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來(lái)就以其高的比強(qiáng)度，良好的耐蝕性和優(yōu)異的耐磨性能受到科研人員的廣泛關(guān)注。研究表明，含Al原子百分比為84~86%的非晶合金，其抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度可達(dá)lOOOMPa，超過(guò)晶體材料中的超高強(qiáng)鋁合金700MPa的數(shù)量級(jí)，是一般傳統(tǒng)鋁合金抗拉強(qiáng)度的2~4倍。
[0003]然而在驚詫于鋁基非晶合金優(yōu)異性能的同時(shí)，科研人員也發(fā)現(xiàn)鋁基非晶合金仍然存在一些不可回避的問(wèn)題——脆性問(wèn)題和尺寸問(wèn)題。首先，鋁基非晶合金與多數(shù)其他體系非晶合金一樣，在變形過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的脆性，應(yīng)變量為2%左右時(shí)即發(fā)生脆性斷裂。其次，鋁基非晶合金的臨界尺寸基本都在微米級(jí)別，只能制備成條帶和絲狀樣品。衡量非晶形成能力最直接的方法之一是測(cè)量非晶合金的臨界尺寸(厚度或直徑)。非晶合金的臨界尺寸越大，也就意味著該合金的非晶形成能力越強(qiáng)。尺寸無(wú)法突破則意味著鋁基非晶合金在實(shí)際工程應(yīng)用受到嚴(yán)重的制約。近年來(lái)，研究人員嘗試了很多提高非晶合金玻璃形成能力的方法，如微合金化，尋找深共晶點(diǎn)等，這些對(duì)多數(shù)具有強(qiáng)玻璃形成能力的非晶合金的成分設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，然而并不適用于鋁基非晶合金。因此，提高鋁基非晶的玻璃形成能力和臨界尺寸，改善鋁基非晶塑性變形能力是是目前亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有非晶形成能力良好，抗壓強(qiáng)度高和塑性良好的Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶合金材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金材料，所述合金材料中各組分的摩爾原子含量百分比如下:
[0007]Al:80-90%,
[0008]Ni:1-8%,
[0009]Co: 0.5-3%，
[0010]La:0.5-3%,
[0011]Er:1-6%。
[0012]本發(fā)明的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013]第一步:配料
[0014]將金屬Al、N1、Co、La、Er進(jìn)行氧化皮脫離和清洗后，將下述原子含量百分比換算為質(zhì)量百分比后進(jìn)行配料并混合，得到母合金原料；
[0015]Al:80-90%,
[0016]Ni:1-8%,
[0017]Co:0.5-3%,
[0018]La:0.5-3%,
[0019]Er:1-6%;
[0020]第二步:制備母合金
[0021]在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第一步配好的母合金原料采用電弧熔煉3~6次以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻至室溫，得到熔煉均勻的母合金；
[0022]第三步:噴鑄制得非晶合金
[0023]將第二步制得的母合金進(jìn)行氧化皮脫離處理并清洗后，在真空度低于2.5 X 10?環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1100-1400K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射到內(nèi)徑小于1_的銅模內(nèi)，自然冷卻至室溫，得到非晶合金樣品。
[0024]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025](I)本發(fā)明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金，合金成分成本低，制備方法簡(jiǎn)單，可以采用工業(yè)純金屬Al、N1、Co、Er和La作為原料。
[0026](2)本發(fā)明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金，非晶形成臨界尺寸為Imm,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)Al基非晶合金的100~800 μ m的非晶形成臨界尺寸范圍。
[0027](3)本發(fā)明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金，抗壓強(qiáng)度高達(dá)1525MPa，將鋁基非晶合金的強(qiáng)度提高了 30%，是一般傳統(tǒng)鋁合金強(qiáng)度的3~6倍。
[0028](4)本發(fā)明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金，斷裂應(yīng)變量高達(dá)8%，具有良好的塑性變形能力，使其在形成輕質(zhì)鋁合金材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金XRD圖譜分析結(jié)果圖；
[0030]圖2本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的TEM照片；
[0031]圖3本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的電子衍射花樣圖；
[0032]圖4本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的HRTEM照片；
[0033]圖5本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的DSC曲線(xiàn)分析結(jié)果圖；
[0034]圖6本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金工程應(yīng)力_應(yīng)變曲線(xiàn)；
[0035]圖7本發(fā)明實(shí)施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金壓縮試驗(yàn)后樣品的掃描電鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0037]實(shí)施例1 =Al86Ni7Er5Co1La1圓錐形非晶合金的制備
[0038]I)選用市售純Al、N1、Er、Co、La金屬塊體作原料，先將純金屬塊體表面進(jìn)行氧化皮脫離和超聲波表面清洗，按照原子百分比含量A186%，Ni7%, Er5%, Col %, Lal %,進(jìn)行配料，使用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量分別為A124.6494g，Ni4.3649g，Er8.8839g，Co0.6260g，La1.4756g之后將合金塊混合；
[0039]2)在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第I)步配好的母合金原料采用電弧熔煉6次，以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻至室溫，制備得到熔煉均勻的母合金；
[0040]3)將第2)步制得的母合金經(jīng)表面機(jī)械打磨和清洗后，在真空度為2.3X10_3Pa環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1400K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射進(jìn)內(nèi)腔為長(zhǎng)度33mm、內(nèi)徑由O~3mm過(guò)渡的圓錐形的銅模中，自然冷卻至室溫,制得圓錐狀非晶合金，熔體噴射壓力為0.03MPa。
[0041]按照上述方法制備的圓錐形合金試樣可以準(zhǔn)確的定位得到非晶與晶體的分界線(xiàn)，進(jìn)而確定該非晶合金的臨界形成尺寸。通過(guò)對(duì)試樣拋光和腐蝕后，經(jīng)金相顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)圓錐狀試樣縱截面方向非晶與晶體分界線(xiàn)長(zhǎng)度為1mm，也就是說(shuō)從試樣圓錐尖端到圓錐直徑為1mm處都為非晶成分，即尺寸小于Imm都可以形成非晶，而尺寸大于Imm部分則形成晶體，進(jìn)而確定該組分Al基非晶形成臨界尺寸為1mm，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)Al基非晶合金的100~800 μ m的非晶形成臨界尺寸范圍。
[0042]實(shí)施例2 =Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的制備
[0043]I)選用市售純Al 、N1、Er、Co、La金屬塊體作原料，先將純金屬塊體表面進(jìn)行氧化皮脫離和超聲波表面清洗，按照原子百分比含量A186%，Ni7%, Er5%, Col %, Lal %,進(jìn)行配料，使用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量分別為A124.6494g，Ni4.3649g，Er8.8839g，Co0.6260g，La1.4756g之后將合金塊混合；
[0044]2)在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第I)步配好的母合金原料采用電弧熔煉6次，以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻至室溫，得到熔煉均勻的母合金；
[0045]3)將第2)步制得的母合金經(jīng)表面機(jī)械打磨和清洗后，在真空度為2.3X10_3Pa環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1400K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射進(jìn)內(nèi)腔為長(zhǎng)度80_、內(nèi)徑1_的圓柱形的銅模中，自然冷卻至室溫，得到柱狀非晶合金，加熱重熔和噴鑄過(guò)程在氬氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行，熔體噴射壓力為0.03MPa。
[0046]按照上述方法制備的直徑為1mm的Al86Ni7Er5Co1La1柱狀合金試樣經(jīng)X射線(xiàn)衍射圖譜(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)、差示掃描量熱儀(DSC)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)壓縮測(cè)試分析。對(duì)于晶體材料而言，XRD圖譜特征為具有一組尖銳峰的譜線(xiàn)；而非晶材料而言，XRD圖譜則為具有“饅頭峰”特征的譜線(xiàn)。通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析可知，TEM圖像中并無(wú)晶體材料中的襯度；HRTEM圖像也顯示原子為混亂無(wú)序狀態(tài)，而不是晶體材料存在著規(guī)則有序的原子排列，并且電子衍射花樣也為非晶材料所特有的由幾個(gè)同心“暈環(huán)”組成，每個(gè)暈環(huán)的邊界很模糊。通過(guò)XRD、TEM和HRTEM分析可知，Al86Ni7Er5Co1La1樣品為非晶合金材料；通過(guò)DSC分析，Al86Ni7Er5Co1La1樣品晶化溫度Tx = 528K，具有很好的熱穩(wěn)定性。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試分析，Al86Ni7Er5Co1La1柱狀樣品的抗壓強(qiáng)度高達(dá)1525MPa，是一般傳統(tǒng)鋁合金強(qiáng)度的3~6倍；同時(shí)斷裂應(yīng)變?yōu)?%，顯示出明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)，具有良好的塑性變形能力。
[0047]實(shí)施例3 =Al86Ni8Er4Co1La1非晶合金的制備
[0048]I)選用市售純Al、N1、Er、Co、La金屬塊體作原料，先將純金屬塊體表面進(jìn)行氧化皮脫離和超聲波表面清洗，按照原子百分比含量A186%，Ni8%, Er4%, Col %, Lal %,進(jìn)行配料，使用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量分別為A125.3812g，Ni5.1366g，Er7.3181g，Co0.6446g，La1.5193g之后將合金塊混合；
[0049]2)在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第I)步配好的母合金原料采用電弧熔煉6次，以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻，制備得到熔煉均勻的母合金；
[0050]3)將第2)步制得的母合金經(jīng)表面機(jī)械打磨和清洗后，在真空度為2.lX10_3Pa環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1200K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射進(jìn)內(nèi)腔為長(zhǎng)度80_、內(nèi)徑1_的圓柱形的銅模中，自然冷卻至室溫，得到柱狀非晶合金，熔體噴射壓力為0.02MPa。按照上述方法制備的Al86Ni8Er4Co1La1合金經(jīng)XRD、TEM、HRTEM、DSC檢測(cè)驗(yàn)證是非晶材料。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試分析，Al86Ni8Er4Co1La1柱狀樣品的抗壓強(qiáng)度高達(dá)1488Mpa，同時(shí)斷裂應(yīng)變?yōu)?.8%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好塑性變形能力。
[0051]實(shí)施例4 =Al86^Ni7Er45Co1La1非晶合金的制備
[0052]I)選用市售純Al、N1、Er、Co、La金屬塊體作原料，先將純金屬塊體表面進(jìn)行氧化皮脫離和超聲波表面清洗，按照原子百分比含量A186.5%,Ni7%,Er4.5%, Col%, Lal%,進(jìn)行配料，使用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量分別為A125.2633g，Ni4.4478g，Er8.1473g，Co0.6379g，La1.5035g,之后將合金塊混合；
[0053]2)在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第I)步配好的母合金原料采用電弧熔煉6次，以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻，制備得到熔煉均勻的母合金；
[0054]3)將第2)步制得的母合金經(jīng)表面機(jī)械打磨和清洗后，在真空度為2.2X10_3Pa環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1100K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射進(jìn)內(nèi)腔為長(zhǎng)度80_、內(nèi)徑1_的圓柱形的銅模中，自然冷卻至室溫，得到柱狀非晶合金，熔體噴射壓力為0.02MPa。按照上述方法制備的Ali5Ni7Er45Co1La1合金經(jīng)XRD、TEM、HRTEM、DSC檢測(cè)驗(yàn)證是非晶材料。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試分析，Al86.5Ni7Er4.^o1La1柱狀樣品的抗壓強(qiáng)度高達(dá)1481Mpa，同時(shí)斷裂應(yīng)變?yōu)?.2%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好塑性變形能力。
[0055]實(shí)施例5 =Al86Ni7Er45Co1Lah5非晶合金的制備
[0056]I)選用市售純Al、N1、Er、Co、La金屬塊體作原料，先將純金屬塊體表面進(jìn)行氧化皮脫離和超聲波表面清洗，按照原子百分比含量A186%，Ni7%，Er4.5%, Col%, LaL 5%,進(jìn)行配料，使用電子天平稱(chēng)取質(zhì)量分別為A124.7426g，Ni4.3814g，Er8.0257g, Co0.6284g，La2.2217g，之后將合金塊混合；
[0057]2)在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第I)步配好的母合金原料采用電弧熔煉6次，以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻，制備得到熔煉均勻的母合金；
[0058]3)將第2)步制得的母合金經(jīng)表面機(jī)械打磨和清洗后，在真空度為2.0X10_3Pa環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1150K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射進(jìn)內(nèi)腔為長(zhǎng)度80_、內(nèi)徑1_的圓柱形的銅模中，自然冷卻至室溫，得到柱狀非晶合金，熔體噴射壓力為0.01MPa0按照上述方法制備的Al86Ni7Er4.Wo1La1.5合金經(jīng)XRD、TEM、HRTEM、DSC 檢測(cè)驗(yàn)證是非晶材料。通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試分析，Al86Ni7Er4.^1La1.5柱狀樣品的抗壓強(qiáng)度高達(dá)1579Mpa，同時(shí)斷裂應(yīng)變?yōu)?.6%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好塑性變形能力。
【權(quán)利要求】
1.一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金材料，其特征是:所述合金材料中各組分的摩爾原子含量百分比如下:
Al:80-90%,
Ni:l-8%,
Co:0.5-3%,
La:0.5-3%,
Er:1-6%。
2.—種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態(tài)合金材料的制備方法，其特征是:包括以下步驟: 第一步:配料 將金屬Al、N1、Co、La、Er進(jìn)行氧化皮脫離和清洗后，將下述原子含量百分比換算為質(zhì)量百分比后進(jìn)行配料并混合，得到母合金原料；
Al:80-90%,
Ni:1-8%,
Co:0.5-3%,
La:0.5-3%,
Er:1-6% ； 第二步:制備母合金 在以鈦為吸氧劑，以氬氣為保護(hù)氣的條件下，將第一步配好的母合金原料采用電弧熔煉3~6次以保證合金成分均勻，然后在氬氣氣氛保護(hù)下自然冷卻至室溫，得到熔煉均勻的母合金； 第三步:噴鑄制得非晶合金 將第二步制得的母合金進(jìn)行氧化皮脫離處理并清洗后，在真空度低于2.5X10_3Pa環(huán)境條件下充入氬氣保護(hù)氣后，將母合金加熱重熔至1100-1400K，待母合金完全熔化后，將母合金熔體噴射到內(nèi)徑小于1_的銅模內(nèi)，自然冷卻至室溫，得到非晶合金樣品。
【文檔編號(hào)】C22C45/08GK104178707SQ201410453079
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】程興旺, 尹嘉明, 薛云飛, 才鴻年, 王本鵬, 沈永華 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)