一種Al-Ni-Er-Co-La鋁基非晶合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種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【技術領域】。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，通過銅模真空噴鑄方式制備的Al-Ni-Er-Co-La系鋁基非晶態合金。所述合金材料具有非晶形成能力強、抗壓強度高，塑性良好，成分成本低，并且制備方法簡單，在新型輕質結構材料領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】—種Al-N1-Er-Co-La鋁基非晶合金材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種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【技術領域】。
【背景技術】
[0002]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CO2引起的全球范圍內“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，鋁基非晶合金自20世紀90年代出現以來就以其高的比強度，良好的耐蝕性和優異的耐磨性能受到科研人員的廣泛關注。研究表明，含Al原子百分比為84~86%的非晶合金，其抗拉強度強度可達lOOOMPa，超過晶體材料中的超高強鋁合金700MPa的數量級，是一般傳統鋁合金抗拉強度的2~4倍。
[0003]然而在驚詫于鋁基非晶合金優異性能的同時，科研人員也發現鋁基非晶合金仍然存在一些不可回避的問題——脆性問題和尺寸問題。首先，鋁基非晶合金與多數其他體系非晶合金一樣，在變形過程中表現出明顯的脆性，應變量為2%左右時即發生脆性斷裂。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。尺寸無法突破則意味著鋁基非晶合金在實際工程應用受到嚴重的制約。近年來，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問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種具有非晶形成能力良好，抗壓強度高和塑性良好的Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶合金材料及其制備方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]本發明的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態合金材料，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]本發明的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態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進行氧化皮脫離和清洗后，將下述原子含量百分比換算為質量百分比后進行配料并混合，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行氧化皮脫離處理并清洗后，在真空度低于2.5 X 10?環境條件下充入氬氣保護氣后，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徑小于1_的銅模內，自然冷卻至室溫，得到非晶合金樣品。
[0024]本發明具有以下有益效果:
[0025](I)本發明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態合金，合金成分成本低，制備方法簡單，可以采用工業純金屬Al、N1、Co、Er和La作為原料。
[0026](2)本發明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態合金，非晶形成臨界尺寸為Imm,遠高于傳統Al基非晶合金的100~800 μ m的非晶形成臨界尺寸范圍。
[0027](3)本發明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態合金，抗壓強度高達1525MPa，將鋁基非晶合金的強度提高了 30%，是一般傳統鋁合金強度的3~6倍。
[0028](4)本發明提出的一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態合金，斷裂應變量高達8%，具有良好的塑性變形能力，使其在形成輕質鋁合金材料領域具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金XRD圖譜分析結果圖；
[0030]圖2本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的TEM照片；
[0031]圖3本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的電子衍射花樣圖；
[0032]圖4本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的HRTEM照片；
[0033]圖5本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金的DSC曲線分析結果圖；
[0034]圖6本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金工程應力_應變曲線；
[0035]圖7本發明實施例2得到的Al86Ni7Er5Co1La1非晶合金壓縮試驗后樣品的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0036]下面結合實施例對本發明的內容作進一步說明。
[0037]實施例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 %,進行配料，使用電子天平稱取質量分別為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)步制得的母合金經表面機械打磨和清洗后，在真空度為2.3X10_3Pa環境條件下充入氬氣保護氣后，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內腔為長度33mm、內徑由O~3mm過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確的定位得到非晶與晶體的分界線，進而確定該非晶合金的臨界形成尺寸。通過對試樣拋光和腐蝕后，經金相顯微鏡觀察可以發現圓錐狀試樣縱截面方向非晶與晶體分界線長度為1mm，也就是說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，進而確定該組分Al基非晶形成臨界尺寸為1mm，遠高于傳統Al基非晶合金的100~800 μ m的非晶形成臨界尺寸范圍。
[0042]實施例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 %,進行配料，使用電子天平稱取質量分別為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)步制得的母合金經表面機械打磨和清洗后，在真空度為2.3X10_3Pa環境條件下充入氬氣保護氣后，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內腔為長度80_、內徑1_的圓柱形的銅模中，自然冷卻至室溫，得到柱狀非晶合金，加熱重熔和噴鑄過程在氬氣氣氛保護下進行，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X射線衍射圖譜(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)和準靜態力學壓縮測試分析。對于晶體材料而言，XRD圖譜特征為具有一組尖銳峰的譜線；而非晶材料而言，XRD圖譜則為具有“饅頭峰”特征的譜線。通過透射電子顯微鏡(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，并且電子衍射花樣也為非晶材料所特有的由幾個同心“暈環”組成，每個暈環的邊界很模糊。通過XRD、TEM和HRTEM分析可知，Al86Ni7Er5Co1La1樣品為非晶合金材料；通過DSC分析，Al86Ni7Er5Co1La1樣品晶化溫度Tx = 528K，具有很好的熱穩定性。通過力學性能測試分析，Al86Ni7Er5Co1La1柱狀樣品的抗壓強度高達1525MPa，是一般傳統鋁合金強度的3~6倍；同時斷裂應變為8%，顯示出明顯的應變硬化效應，具有良好的塑性變形能力。
[0047]實施例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 %,進行配料，使用電子天平稱取質量分別為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)步制得的母合金經表面機械打磨和清洗后，在真空度為2.lX10_3Pa環境條件下充入氬氣保護氣后，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內腔為長度80_、內徑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XRD、TEM、HRTEM、DSC檢測驗證是非晶材料。通過力學性能測試分析，Al86Ni8Er4Co1La1柱狀樣品的抗壓強度高達1488Mpa，同時斷裂應變為7.8%，具有優異的力學性能和良好塑性變形能力。
[0051]實施例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%,進行配料，使用電子天平稱取質量分別為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)步制得的母合金經表面機械打磨和清洗后，在真空度為2.2X10_3Pa環境條件下充入氬氣保護氣后，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內腔為長度80_、內徑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XRD、TEM、HRTEM、DSC檢測驗證是非晶材料。通過力學性能測試分析，Al86.5Ni7Er4.^o1La1柱狀樣品的抗壓強度高達1481Mpa，同時斷裂應變為8.2%，具有優異的力學性能和良好塑性變形能力。
[0055]實施例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%,進行配料，使用電子天平稱取質量分別為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)步制得的母合金經表面機械打磨和清洗后，在真空度為2.0X10_3Pa環境條件下充入氬氣保護氣后，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內腔為長度80_、內徑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XRD、TEM、HRTEM、DSC 檢測驗證是非晶材料。通過力學性能測試分析，Al86Ni7Er4.^1La1.5柱狀樣品的抗壓強度高達1579Mpa，同時斷裂應變為7.6%，具有優異的力學性能和良好塑性變形能力。
【權利要求】
1.一種Al-N1-Er-Co-La系鋁基非晶態合金材料，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進行氧化皮脫離和清洗后，將下述原子含量百分比換算為質量百分比后進行配料并混合，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行氧化皮脫離處理并清洗后，在真空度低于2.5X10_3Pa環境條件下充入氬氣保護氣后，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徑小于1_的銅模內，自然冷卻至室溫，得到非晶合金樣品。
【文檔編號】C22C45/08GK104178707SQ201410453079
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】程興旺, 尹嘉明, 薛云飛, 才鴻年, 王本鵬, 沈永華 申請人:北京理工大學