一種Al‑Ni‑Co‑Sm系鋁基非晶合金薄帶及其製備方法與流程
2023-07-22 11:27:11 1
本發明屬於鋁合金技術領域，具體涉及一種al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶及其製備方法。
背景技術：
鋁合金在日常的生產和生活中有著廣泛的應用，尤其是近些年來隨著社會日益依賴的礦石能源的枯竭和由引起的全球範圍內「溫室」效應的加劇，人們環保節能減排意識日益增強，因此對汽車、飛機、輪船、衛星等運載工具輕型化提出了迫切的要求，這使得低密度、高強度輕質鋁合金的研究和開發出現了一個高潮。作為一種新型的鋁合金，鋁基非晶合金由於其超高的比強度、高韌性和良好的耐蝕性而引起較大的關注，這使它們適用於作為新型結構材料的應用領域如：航空航天和微電機械系統(mems)等。近年來，研究者主要研究具有高al含量的al-tm-re(tm＝過渡金屬，re＝稀土元素)合金(al>80at.％)。然而，這些合金低的非晶形成能力和低的熱穩定性阻礙了大塊非晶合金的製備，使這些材料在工程上的應用受到限制。近年來，科研人員嘗試了很多提高非晶合金玻璃形成能力的方法，如尋找深共晶點等，這些對多數具有強玻璃形成能力的非晶合金的成分設計具有一定的指導意義，然而並不適用於鋁基非晶合金。因此，提高鋁基非晶合金的玻璃形成能力和提高熱穩定性是目前亟待解決的重點問題。
技術實現要素：
針對以上現有技術存在的缺點和不足之處，本發明的首要目的在於提供一種al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶。
本發明的另一目的在於提供上述al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的製備方法。
本發明目的通過以下技術方案實現：
一種al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶，其原子百分比成分組成為al85.5nixco9.5-xsm5或al87.5niyco8-ysm4.5，其中0≤x≤9.5，0≤y≤8。
優選地，所述al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的原子百分比成分組成為al85.5ni1.5co8sm5、al85.5ni3.5co6sm5、al85.5ni5.5co4sm5、al85.5ni7.5co2sm5、al85.5ni9.5co0sm5、al87.5ni0co8sm4.5、al87.5ni2co6sm4.5、al87.5ni4co4sm4.5、al87.5ni6co2sm4.5或al87.5ni8co0sm4.5。
更優選地，所述al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的原子百分比成分組成為al85.5ni5.5co4sm5、al85.5ni7.5co2sm5或al85.5ni9.5co0sm5。
優選地，所述al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的晶化激活能(ep)為200～421kj/mol。
優選地，所述al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的玻璃形成能力(δtx)的範圍為16.7～18.1k。
上述al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的製備方法，包括以下製備步驟：
按照al85.5nixco9.5-xsm5或al87.5niyco8-ysm4.5的原子百分比稱取金屬單質原料，然後在海綿鈦吸氧劑及惰性氣體保護下熔煉混合均勻，冷卻後得到母合金，將所得母合金通過甩帶機製備成薄帶，得到al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶。
優選地，所述金屬單質原料分別為純度為99.9％的al塊、純度為99.95％的ni塊、純度為99.9％的co塊和純度為99.9％的sm塊，所述金屬單質原料在使用前先經表面氧化皮去除和清洗處理。
優選地，所述熔煉過程在非自耗真空熔煉爐中進行，熔煉次數為4～6次。
優選地，所述冷卻是指在氬氣氣氛保護下，水冷卻至室溫。
優選地，所述母合金在製備成薄帶前先經表面氧化皮去除和清洗處理。
優選地，所述甩帶機是指單輥甩帶機，單輥的旋轉表面線速度為30～40m/s。
本發明具有如下優點及有益效果：
(1)本發明所得al-ni-co-sm系鋁基非晶合金有效提高了鋁基非晶合金的熱穩定性和非晶形成能力。
(2)本發明所得al-ni-co-sm系鋁基非晶合金通過xrd測試均表現為典型非晶態的饅頭峰現象。
(3)本發明所得al-ni-co-sm系鋁基非晶合金的晶化激活能(ep)為200～421kj/mol。
(4)本發明所得al-ni-co-sm系鋁基非晶合金al85.5ni5.5co4sm5、al85.5ni7.5co2sm5和al85.5ni9.5co0sm5展現出明顯的玻璃轉變溫度(tg),，其玻璃形成能力(δtx)的範圍為16.7～18.1k。
(5)本發明所得al-ni-co-sm系鋁基非晶合金al85.5ni5.5co4sm5非晶合金通過高分辨透射電鏡證明非晶為全非晶特性。
(6)本發明所得al-ni-co-sm系鋁基非晶合金可用ni取代co元素，能有效的降低原材料成本。
附圖說明
圖1為實施例1所得al85.5ni5.5co4sm5非晶合金薄帶的xrd圖；
圖2為實施例1所得al85.5ni5.5co4sm5非晶合金薄帶的透射電子顯微鏡(a)和高分辨投射電子顯微鏡(b)形貌表徵圖；
圖3為實施例1所得al85.5ni5.5co4sm5非晶合金薄帶的dsc測試結果圖；
圖4為實施例1所得al85.5ni5.5co4sm5非晶合金薄帶的晶化激活能擬合曲線圖；
圖5為實施例2所得al85.5ni9.5co0sm5非晶合金薄帶的透射電子顯微鏡和高分辨投射電子顯微鏡形貌表徵圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
本實施例al85.5ni5.5co4sm5非晶合金薄帶的製備，具體製備步驟如下：
(1)選擇市售高純al塊、ni塊、co塊和sm塊作為原材料，先將純金屬塊體進行表面氧化皮脫離，按照原子比含量為85.5％、5.5％、4％和5％進行配比，使用天平稱取質量分別為al3.1888g、co0.3258g、ni0.4462g和sm1.0392g。
(2)在以海綿鈦為吸氧劑，以高純氬氣作為保護氣體的條件下，將步驟(1)配好的母合金原料至於非自耗真空熔煉爐(mam-1)的水冷銅坩堝，重複熔煉5次，以保證母材料的均勻性。
(3)將步驟(2)製得的母合金打磨除去其表面氧化皮，酒精清洗並吹乾後，放入單輥甩帶機(wk-ⅱ)的石英試管中，調節單輥的表面線速度為30m/s，製得非晶合金薄帶。
本實施例所得非晶合金薄帶，採用brukerd8advancedcu靶進行xrd測試，結果如圖1所示，初步判斷al85.5ni5.5co4sm5為非晶態。採用透射電子顯微鏡(tem)(a)和高分辨投射電子顯微鏡(hrtem)(b)對非晶合金薄帶進行形貌表徵，結果如圖2所示，tem圖像中並無晶體材料中的襯度，hrtem圖像也顯示原子為混亂無序狀態，而不是晶體材料存在著規則有序的原子排列，並且電子衍射花樣(saed)也為非晶材料所特有的由幾個同心「暈環」組成，通過xrd、tem和hrtem-saed分析可知，al85.5ni5.5co4sm5合金為全非晶態。採用同步熱分析儀(netzsch449c)進行dsc測試，結果如圖3所示，採用20k/min的加熱速度測得合金的玻璃轉變溫度(tg)為539.6k，晶化開始溫度(tx)為557.7k，第一晶化峰溫度(tp1)為560.3k。採用同步熱分析儀(netzsch449c)，升溫速率分別為5k/min、10k/min、20k/min和40k/min的加熱速率，用kissinger方程擬合曲線，結果如圖4所示，得到晶化激活能(ep1)為288kj/mol。
實施例2
本實施例al85.5ni9.5co0sm5非晶合金薄帶的製備，具體製備步驟如下：
(1)選擇市售高純al塊、ni塊和sm塊作為原材料，先將純金屬塊體進行表面氧化皮脫離，按照原子比含量為85.5％、9.5％和5％進行配比，使用天平稱取質量分別為al3.6607g、ni0.8848g和sm1.1930g。
(2)在以海綿鈦為吸氧劑，以高純氬氣作為保護氣體的條件下，將步驟(1)配好的母合金原料至於非自耗真空熔煉爐(mam-1)的水冷銅坩堝，重複熔煉5次，以保證母材料的均勻性。
(3)將步驟(2)製得的母合金打磨去除其表面氧化皮，酒精清洗並吹乾後，放入單輥甩帶機(wk-ⅱ)的石英試管中，調節單輥的表面線速度為30m/s，製得非晶合金薄帶。
本實施例所得非晶合金薄帶，採用brukerd8advancedcu靶進行xrd測試，初步判斷al85.5ni9.5co0sm5為非晶態。採用透射電子顯微鏡(tem)和高分辨投射電子顯微鏡(hrtem)對非晶合金薄帶進行形貌表徵，結果如圖5所示，thrtem圖像也顯示原子大部分為混亂無序狀態，小部分存在規則有序的原子排列，通過hrtem-saed分析可知，al85.5ni9.5co0sm55合金為非晶+納米晶複合相。採用同步熱分析儀(netzsch449c)進行dsc測試，採用20k/min的加熱速度測得合金的玻璃轉變溫度(tg)為507.4k，晶化開始溫度(tx)為524.1k，第一晶化峰溫度(tp1)為534.6k。採用同步熱分析儀(netzsch449c)，升溫速率分別為5k/min、10k/min、20k/min和40k/min的加熱速率，用kissinger方程擬合曲線，得到晶化激活能(ep1)為227kj/mol。
實施例3
本實施例al85.5ni3.5co6sm5非晶合金薄帶的製備，具體製備步驟如下：
(1)選擇市售高純al塊、ni塊、co塊和sm塊作為原材料，先將純金屬塊體進行表面氧化皮脫離並至於無水乙醇中，防止氧化，按照原子比含量為85.5％、3.5％、6％和5％進行配比，使用天平稱取質量分別為al3.2314g、co0.6604g、ni0.1233g和sm1.0531g。
(2)在以海綿鈦為吸氧劑，以高純氬氣作為保護氣體的條件下，將步驟(1)配好的母合金原料至於非自耗真空熔煉爐(mam-1)的水冷銅坩堝，重複熔煉5次，以保證母材料的均勻性。
(3)將步驟(2)製得的母合金打磨去除其表面氧化皮，酒精清洗並吹乾後，放入單輥甩帶機(wk-ⅱ)的石英試管中，調節單輥的表面線速度為40m/s，製得非晶合金薄帶。
本實施例所得非晶合金薄帶，採用brukerd8advancedcu靶進行xrd測試，初步判斷al85.5ni3.5co6sm5為非晶態。採用同步熱分析儀(netzsch449c)進行dsc測試，採用20k/min的加熱速度，並未發現具有明顯的玻璃轉變溫度(tg)，測得合金的晶化開始溫度(tx)為577.9k，第一晶化峰溫度(tp1)為579.3k。採用同步熱分析儀(netzsch449c)，升溫速率分別為5k/min、10k/min、20k/min和40k/min的加熱速率，用kissinger方程擬合曲線，得到晶化激活能(ep1)為421kj/mol。
按照實施例1～3中al-ni-co-sm系鋁基非晶合金薄帶的製備方法，調整原子百分比成分組成配比，得到不同成分組成的al-ni-co-sm系鋁基非晶合金，並對合金的熱參數進行測試，結果如表1所示。
表1.al-ni-co-sm系鋁基非晶合金的熱參數
由表1結果可以看出，本發明採用單輥快淬法製備的al-ni-co-sm系鋁基非晶合金，通過添加ni元素來部分取代co元素提高了非晶形成能力，降低原材料成本，同時使非晶形成能力增大至18.1k，同時使熱穩定性(tx)最高增大至586.9k。有效提高了鋁基非晶合金的熱穩定性和非晶形成能力。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。