一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法

2023-05-24 17:12:36 1

專利名稱：一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種非晶/晶體複合結構材料的製備方法，特別是指一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法。屬於金屬材料技術領域。
背景技術：
由於結構特殊，非晶態合金具有優異的物理、化學和力學性能，並具有廣泛的應用前景。儘管非晶態合金材料具有良好的強度，但是缺乏塑性，易產生脆性斷裂失效，在單軸向張力作用下塑性幾乎可以忽略(0.5%，拉伸時)[C. C. Hays, C. P. Kim, W. L. Johnson, Phys. Rev. Lett. 84 Q000)四01_2904]，限制了非晶態合金材料的結構應用。製備具有非晶 /晶化相複合結構組織的材料，不僅可以提高其塑性，還可以進一步提高強度，改善其綜合力學性能，對於一些功能應用的非晶態合金材料還可以進一步提高其物理性能[F. Szuecs, C. P. Kim,W. L. Johnson,Acta Mater. 49(2001) 1507-1513]。因此，發展非晶 / 晶體複合結構材料製備方法，對推廣非晶態合金的應用具有重要意義。目前發展的非晶/晶體複合結構材料製備方法，主要包括以下幾種(1)滲流鑄造法預先製備網狀多孔骨架，採用滲鑄的方法將合金熔體注入網狀多孔骨架，凝固形成非晶，從而得到具有非晶/晶體複合結構的合金材料。但是，多孔骨架作為異質相，會使合金產生非均勻形核，並影響合金熔體的凝固速度，降低合金的非晶形成能力，限制所製備的非晶/晶體複合結構材料的尺寸，同時使得合金的凝固過程難以控制； 所製備的材料的性能受熔體凝固組織與多孔骨架之間的界面結合狀態、多孔骨架材料的性能影響，會使材料的性能降低；網狀多孔骨架的製備比較複雜，成本高；(2)非晶晶化法先製備出完全非晶態合金，然後進行熱處理，使合金的非晶組織部分晶化，獲得非晶/晶體複合組織。這種方法需要進行一系列的熱力學分析和工藝試驗， 且加熱溫度和保溫時間對於合金的晶化程度影響很大，工藝周期比較長；(3)第二相引入法在非晶合金中引入第二相，從而製備出具有非晶+第二相複合組織的合金材料。但是外加的第二相易成為熔體冷卻過程中結晶的晶核從而降低熔體的非晶形成能力，合金的凝固過程和第二相的分布難以控制，很難製備體積較大的材料；(4)粉末冶金法首先在非晶粉末中添加其它第二相粉末或一維材料，然後混合、 成形和燒結，這種方法不受合金非晶形成能力的限制，可以製備大尺寸材料。但是，為實現粉末界面的冶金結合，需要進行燒結處理，這會使非晶晶化，降低材料的性能。同時，粉末冶金方法製備的塊體材料強度受原始粉末界面結合強度和非晶與第二相材料界面結合狀態、 第二相分布均勻性的影響，與快速凝固製備的非晶態合金相比強度較低。因此，開發新的製備非晶/晶體複合結構合金材料的方法，是亟待解決的關鍵問題。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術之不足而提供一種工藝方法簡單、操作方便的非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法。本發明通過在合金的凝固過程中，對合金熔體施加穩恆磁場，控制合金的凝固過程和組織形成，從而直接製備出具有非晶/晶體複合結構的合金材料，不需要改變原有的非晶製備工藝，實施方法簡單。本發明一種非晶/晶體複合結構鋁基合金，其成分為A1(84_x)NiltlCe6Prx(at. % )， 或 Al(84_x)NiltlCe6Zrx (at. % )，其中 χ = 1 4。本發明一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法，包括下述步驟第一步製備母合金根據設計的鋁基合金組份配比，選用各組分純金屬，按照名義成分配料，然後真空熔煉製得母合金；第二步甩帶製備非晶/晶體複合結構鋁基合金在甩帶機銅輥軸線與下端磨孔的石英管軸線構成的平面內設置一恆磁場，所述恆磁場的磁場方向垂直於所述石英管軸線，所述恆磁場的的中心位於所述石英管端部與所述甩帶機銅輥表面之間；將第一步製備的母合金經打磨和清洗後，置於下端磨孔的石英管中加熱重熔，待母合金完全熔化後，將母合金熔體噴射到旋轉的銅輥表面冷卻製得非晶/晶體複合結構鋁基合金帶。本發明一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法中，所述恆磁場的磁場強度為900 1200 ；所述石英管下端與銅輥表面相距Imm 2mm ；銅輥最小線速度為5m/s， 熔體噴射壓力為0. 07MPa 0. 08MPa。本發明一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法中，所述熔煉採用真空電弧爐或真空感應熔煉爐。本發明的優點和積極效果本發明提出了一種直接製備非晶/晶體複合結構組織的方法，通過在熔體凝固過程中施加磁場，不改變原有的製備工藝，獲得在非晶基體中均勻分布晶體相的複合組織，具有如下優點和積極效果(1)材料中的晶體相是在熔體中原位形成的自生相，與非晶基體的結合為原子「共格」或「部分共格」，解決了滲流鑄造法、第二相引入法和粉末冶金法出現的材料性能受界面結合狀態控制的關鍵問題；(2)所形成的晶體相尺寸和分布均勻，解決了滲流鑄造法、第二相引入法和粉末冶金法出現的第二相分布難以控制問題；(3)合金組織容易控制，解決了滲流鑄造法、第二相引入法等方法因第二相的添加對非晶形成的影響，以及凝固過程難以控制問題；(4)本發明不改變原有的製備工藝，晶體相在製備過程中與非晶同步形成，不需要進行晶化熱處理(非晶晶化法)，也不需要粉末冶金法的燒結過程，工藝過程簡單；總之，本發明提出了一種直接製備非晶/晶體複合結構組織的方法，不改變原有的製備工藝，工藝過程簡單，避免了現有製備方法存在的問題


附圖1是本發明實施例1所製備的Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )鋁基合金帶材A樣品和 B樣品的X射線衍射分析(XRD)結果。
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附圖2是本發明實施例2所製備的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 鋁基合金帶材C樣品和 D樣品的X射線衍射分析(XRD)結果。附圖3是實施例2中未實施本發明所製備的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金帶材C樣品的掃描電鏡分析(SEM)結果。附圖4是實施例2中實施本發明所製備的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金帶材的D樣品的掃描電鏡的分析(SEM)結果.其中附圖1中曲線1為實施例1中未實施本發明所製備的Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )合金帶材A樣品的XRD結果。曲線2為實施例1中實施本發明所製備的Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )合金帶材B樣品的XRD結果。根據附圖1的XRD物相分析結果實施例1中A樣品為非晶態結構；實施例1中B 樣品為部分晶化的非晶/晶體複合組織。附圖2中曲線3為實施例2中未實施本發明所製備的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金帶材C樣品的XRD結果。曲線4為實施例2中實施本發明所製備的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金帶材D樣品的XRD結果。根據附圖2的XRD物相分析結果實施例2中C樣品為非晶態結構；D樣品為在非晶基體中均勻分布晶化相的非晶/晶體複合組織。附圖3中實施例2中C樣品的SEM結果表明，未觀察到晶化相。附圖4中實施例2中D樣品的SEM結果表明，在Al8tlNiltlCe6Zr4(at. % )非晶態合金基體中觀察到均勻分布的晶化相，合金組織為非晶/晶體的複合組織。根據附圖1、2的XRD和附圖3、4的掃描電鏡分析結果本發明可以使合金在凝固過程中形成非晶基體和部分晶化相，所製備合金材料的非晶基體中晶化相均勻分布，具有非晶/晶體複合結構組織。
具體實施例方式本發明在合金熔體的快速凝固過程中對熔體施加穩恆磁場作用，對合金的凝固過程進行控制，製備出多種具有非晶/晶體複合結構的合金。下面結合典型實例對本發明做進一步說明。實施例1 =Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )非晶/晶體複合結構材料第一步配料選用工業純金屬，按照成分Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )配料。配料時應機械打磨除去純金屬原料表面的汙染層，後用酒精和丙酮混合溶液清洗並風乾；第二步製備母合金將第一步配好的合金原料用真空電弧爐熔煉，製得熔煉均勻的母合金；
第三步甩帶製備非晶帶將第二步製備的母合金分為兩份，經表面機械打磨和清洗後，將其中一份置於下端磨口的石英管中加熱重熔，待母合金完全熔化後，將母合金熔體噴射到以5m/s線速度旋轉的銅輥表面冷卻製得非晶帶，樣品標記為A ；所述石英管下端與銅輥表面相距Imm 2mm; 熔體噴射壓力為0. 07MPa 0. 08MPa。第四步在甩帶機銅輥軸線與下端磨孔的石英管軸線構成的平面內設置一磁場強度為1200 的恆磁場，所述恆磁場的磁場方向垂直於所述石英管軸線，所述恆磁場的的中心位於所述石英管端部與所述甩帶機銅輥表面之間；然後將第二步製備的母合金的另一份，按照第三步製備完全非晶確定的工藝參數，甩帶製備薄帶，樣品標記為B ；第五步利用X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，結果表明A樣品為非晶態結構 (圖1曲線1)，B樣品含有晶化相(圖1曲線2)；利用掃描電鏡分別對A、B樣品的觀察，結果表明利用本發明所製備的A樣品沒有觀察到晶化相，B樣品為在非晶基體中均勻分布晶體相的非晶/晶體複合結構組織。實施例2 =Al80Ni10Ce6Zr4(at. % )非晶/晶體複合結構材料將名義成分Al8(1Ni1(1Ce6Zr4(at. % )的合金，按照實例1的方法和步驟，在磁場強度為900Gs的恆磁場作用下，以20m/s線速度製備得到凝固過程中施加強磁場作用的D樣品和未加強磁場作用的C樣品；利用X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，結果表明C樣品為非晶態結構(圖2曲線3)，D樣品為含有晶化相(圖2曲線4)；利用掃描電鏡分別對C、D樣品的觀察，結果表明C樣品沒有觀察到晶化相(圖3)，D樣品為在非晶基體中均勻分布晶化相的非晶/晶體複合結構組織(圖4)。實施例3 =Al83Ni10Ce6Pr1 (at. % )非晶/晶體複合結構材料將名義成分Al83NiltlCe6Pr1 (at. % )的合金，按照實例1的方法和步驟，在磁場強度為1000 的恆磁場作用下，以10m/S線速度製備得到凝固過程中施加強磁場作用的F樣品和未加強磁場作用的E樣品；利用X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，結果表明E樣品的帶材為非晶態結構，F樣品含有晶化相；利用掃描電鏡分別對E、F樣品的觀察，結果表明備E 樣品沒有觀察到晶化相，F樣品為在非晶基體上均勻分布晶體相的非晶/晶體複合結構組織。
權利要求
1.一種非晶/晶體複合結構鋁基合金，其成分為Al(84_x)Ni1(1Ce6Prx(at. % )，或Al(84_x) Ni10Ce6Zrx(at. % )，其中 χ = 1 4。
2.製備如權利要求1所述一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的方法，包括下述步驟第一步製備母合金根據設計的鋁基合金組份配比，選用各組分純金屬，按照名義成分配料，然後真空熔煉製得母合金；第二步甩帶製備非晶/晶體複合結構鋁基合金在甩帶機銅輥軸線與下端磨孔的石英管軸線構成的平面內設置一恆磁場，所述恆磁場的磁場方向垂直於所述石英管軸線，所述恆磁場的的中心位於所述石英管端部與所述甩帶機銅輥表面之間；將第一步製備的母合金經打磨和清洗後，置於下端磨孔的石英管中加熱重熔，待母合金完全熔化後，將母合金熔體噴射到旋轉的銅輥表面冷卻製得非晶/晶體複合結構鋁基合金帶。
3.根據權利要求2所述的一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法，其特徵在於 所述恆磁場的磁場強度為900 1200(}S。
4.根據權利要求3所述的一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法，其特徵在於 所述石英管下端與銅輥表面相距Imm 2mm;銅輥最小線速度為5m/s，熔體噴射壓力為 0.07MPa 0. 08MPa。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法，其特徵在於所述熔煉採用真空電弧爐或真空感應熔煉爐。
全文摘要
本發明公開了一種非晶/晶體複合結構鋁基合金的製備方法。在成分為Al(84-x)Ni10Ce6Prx(at.％)，或Al(84-x)Ni10Ce6Zrx(at.％)，其中x＝1～4的鋁基合金熔體快速凝固製備非晶態合金的過程中，對熔體凝固過程施加穩恆磁場作用，控制合金凝固組織結構的形成，得到非晶/晶體複合結構材料。所施加的穩恆磁場的強度為900Gs～1200Gs；所選用的合金成分為可形成完全非晶態組織的合金，按照名義成分配料後，經真空電弧熔煉或真空感應熔煉製備母合金，然後對熔體凝固過程施加穩恆磁場，並按照該合金熔體快速凝固製備非晶的製備工藝，製備非晶/晶體複合結構組織材料。本發明提出了一種直接製備非晶/晶體複合結構組織的方法，製備的非晶/晶體複合結構中晶體相分布均勻，製備過程不改變原有的製備工藝，工藝過程簡單。
文檔編號B22D11/06GK102168231SQ20111005768
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月10日 優先權日2011年3月10日
發明者劉詠, 劉祖銘, 張劉傑, 李飛, 陳芝霖, 黃立清, 黃群 申請人:中南大學