一种超高比强度和良好塑性铝基块体非晶合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN200910010727.7
文献号 : CN101838777B
文献日 : 2012-03-21
发明人 : 王建强 , 张甲 , 杨柏俊 , 姚佳昊 , 侯万良 , 常新春
申请人 : 中国科学院金属研究所
摘要 :
本发明涉及具有超高比强度和良好塑性的铝基块体非晶合金及其制备方法，具体为Al-Ni-Co-Y-La系块体非晶合金，此种铝基块体非晶合金的特点在于其具有强的玻璃形成能力，形成非晶的最大临界尺寸可达1mm，同时具有超高的比强度和良好的塑性；特别是涉及块体铝基非晶合金的制备方法及其潜在应用领域。本发明突破了Al基非晶合金制备的尺寸限制问题，使其作为结构材料的应用成为可能。所述铝基块体非晶合金由下述元素组成，原子百分比：Ni 1～8；Co 0.5～2；Y 1～6；La 0.5～2；Al余量。
权利要求 :
1.一种超高比强度和良好塑性铝基块体非晶合金，其特征在于：所述非晶合金由下述元素组成，原子百分比： Ni 5.5～8Co 0.5～2
Y 4.5～6
La 0.5～2
Al 余量,
所述非晶合金采用真空熔体急冷及铜模浇铸法制备，具体工艺参数：氩气保护压力
100~900mbar，浇铸温度1100~1300℃ ，保温时间30~120s，喷吹压力400~800mbar。
2、按照权利要求1所述的一种超高比强度和良好塑性铝基块体非晶合金，其特征在于：所述非晶合金的组成元素纯度分别为Al、Ni、Co＞99.9%，La、Y>99%。
3、按照权利要求1所述的超高比强度和良好塑性铝基块体非晶合金的制备方法，其特征在于：所述非晶合金采用真空熔体急冷及铜模浇铸法制备，具体工艺参数：氩气保护压力100~900mbar，浇铸温度1100~1300℃ ，保温时间30~120s，喷吹压力400~800mbar。
说明书 :
一种超高比强度和良好塑性铝基块体非晶合金及其制备方
法
技术领域
[0001] 本发明涉及具有超高比强度和良好塑性的铝基块体合金成分，以及制备该种非晶合金的技术方法。
背景技术
[0002] 由于人类社会面临着不可再生资源耗竭以及环境生态破坏的挑战，对汽车、飞机、卫星、巡航导弹等运载工具的轻质化提出了迫切要求，如汽车每100公斤重量的减轻可降低燃油消耗5％，显著降低CO2气体的排放量。因此，近年来主要工业发达国家重要的研究内容之一是发展低密度、高比强度轻质铝合金，以替代钛合金、有机复合材料降低成本，替代钢铁材料降低燃料消耗。与传统的铝合金相比，非晶态铝合金具有高的比强度、良好的韧性和优异的耐腐蚀性能，而以非晶为基体析出高密度均匀分布的纳米Al粒子形成纳米晶/非晶复合结构时，其综合力学性能可得到大幅度的提高。据报道其薄带样品抗拉强度最高可达到1560MPa，已超过目前高强钢的水平，比强度可与陶瓷媲美，并保持了良好的塑性和高温稳定性。它的出现为发展轻质超高强金属结构材料提供了一条新的途径。然而，目前限制其应用的主要因素是作为基体的Al基合金玻璃形成能力很差，仅可获得尺寸为20～200μm条带或粉末状样品，无法满足实际工程应用的需要。
[0003] 在实用性合金体系中，Al基合金是迄今国内外惟一尚未获得块状(＞1mm)非晶态结构的合金体系，因此，其玻璃形成能力的研究一直倍受关注，也极具挑战性。1988年，]美国科学家J.Poon 首次报道在Al87Fe8.7Ce4.3合金中获得了非晶态结构，突破了长期以来Al合金难于形成非晶态结构这一瓶颈。之后，一系列Al基非晶态合金体系相继被报道，种类超过40余种，合金成分近300余个，主要基于Al-TM-RE三元体系(TM为过渡族元素，RE为稀土元素)。获得的非晶样品临界厚度则与所选体系密切相关，如：120μm(Al85Ni5Y10)、
900μm(Al85Ni5Y8Co2)；200μm(Al88Ni4Ce8)；230μm(Al88Co5Y7)；200μm(Al84Ni10Ce6)；
300μm(Al87Ni7Gd6)；780μm(Al86Ni9La5)。值得注意的是，随着不同合金体系块体金属玻璃的发现，人们也相继提出了一些经验或半经验的判据或参数。然而，这些对多数具有强玻璃形成能力合金的成分设计起到重要的指导作用。不适用于Al基合金体系。因此，研制具有强非晶形成能力及良好力学性能的合金体系是当前非晶态合金发展的重点之一。
900μm(Al85Ni5Y8Co2)；200μm(Al88Ni4Ce8)；230μm(Al88Co5Y7)；200μm(Al84Ni10Ce6)；
300μm(Al87Ni7Gd6)；780μm(Al86Ni9La5)。值得注意的是，随着不同合金体系块体金属玻璃的发现，人们也相继提出了一些经验或半经验的判据或参数。然而，这些对多数具有强玻璃形成能力合金的成分设计起到重要的指导作用。不适用于Al基合金体系。因此，研制具有强非晶形成能力及良好力学性能的合金体系是当前非晶态合金发展的重点之一。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种超高比强度和良好塑性的铝基块体非晶合金及其制备发法，突破了Al基非晶合金制备的尺寸限制问题，形成非晶的最大临界尺寸可达1mm，使铝基大块非晶合金作为结构材料的应用成为可能。
[0005] 本发明具体提供了一种超高比强度和良好塑性的铝基块体非晶合金，其特征在于该铝基块体非晶合金(块体非晶样品临界直径～1mm)由下述元素组成(原子百分比)：
[0006] Ni 1～8
[0007] Co 0.5～2
[0008] Y 1～6
[0009] La 0.5～2
[0010] Al 余量。
[0011] 本发明所提供的超高比强度和良好塑性的铝基块体非晶合金，其特征在于：所述非晶合金的组成元素纯度分别为Al、Ni、Co＞99.9％，La、Y＞99％。
[0012] 本发明还提供了一种超高比强度和良好塑性的铝基块体非晶合金的制备方法，其特征在于首先采用电弧熔炼的方法制得母合金，为了保证母合金成分的均匀性，熔炼次数不少于5次。之后采用感应炉熔炼进行重熔，制备方法可以采用熔体急冷和铜模浇铸法。制-5备过程中的工艺参数为：真空度不低于1.0×10 mbar，氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1100～1300℃，保温时间30～120s，喷吹压力400～800mbar。
[0013] 本发明超高比强度和良好塑性的铝基块体非晶合金具有下述优点：
[0014] 1、合金的成本低。
[0015] 2、非晶形成能力强。
[0016] 3、非晶合金具有超高比强度及良好的塑性。
附图说明
[0017] 图1为Al基块体非晶合金的X射线衍射图；
[0018] 图2为Al基块体非晶合金的DSC图；
[0019] 图3(a)为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的TEM照片，内嵌为SAED照片；(b)为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的HRTEM照片；
[0020] 图4为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的工程应力-应变曲线图，插图为样品的扫描电镜照片。
具体实施方式
[0021] 实施例1
[0022] 首先利用真空感应熔炼的方法制备出该合金的母合金，合金成分为Al86；Ni 7；Co 1；Y4.5；La1.5(at.％)。然后将母合金放入熔体急冷设备，优化其工艺制备出直径为
1mm的铝基块体非晶合金样品。具体工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1200℃，保温时间60s，喷吹压力700mbar。图1为Al基块体非晶合金的X射线衍射图。
图2为Al基块体非晶合金的DSC图。图3(a)为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的TEM照片，内嵌为SAED照片；(b)为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的HRTEM照片。由图中可以看出样品为完全非晶态。
1mm的铝基块体非晶合金样品。具体工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1200℃，保温时间60s，喷吹压力700mbar。图1为Al基块体非晶合金的X射线衍射图。
图2为Al基块体非晶合金的DSC图。图3(a)为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的TEM照片，内嵌为SAED照片；(b)为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的HRTEM照片。由图中可以看出样品为完全非晶态。
[0023] 对Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金样品的室温压缩性能试验在英国产Instron-8871-4 -1型力学性能试验机进行。样品尺寸为直径1mm高为2mm的棒状试样。应变速率为1×10 s 。
试样的各面经机械抛光并保持加载面相互平行。图4为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的工程应力-应变曲线图，插图为样品的扫描电镜图。由图可以看出材料的屈服强度为-5 -1
1050MPa(材料的密度为3.14g/cm-3)，其比强度值为3.34×10 N MKg 。由扫描电镜照片可以看出剪切角度为45度。
试样的各面经机械抛光并保持加载面相互平行。图4为Al86Ni7Y4.5Co1La1.5非晶合金的工程应力-应变曲线图，插图为样品的扫描电镜图。由图可以看出材料的屈服强度为-5 -1
1050MPa(材料的密度为3.14g/cm-3)，其比强度值为3.34×10 N MKg 。由扫描电镜照片可以看出剪切角度为45度。
[0024] 实施例2
[0025] 与实施例1不同之处在于：
[0026] 本实施例的合金成分为Al86；Ni 6；Co 2；Y4.5；La1.5(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1250℃，保温时间90s，喷吹压力700mbar。
[0027] 结果：样品为完全非晶态，力学性能无明显变化。
[0028] 实施例3
[0029] 与实施例1不同之处在于：
[0030] 本实施例的合金成分为Al86；Ni 7；Co 1；Y 5；La1(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1100℃，保温时间120s，喷吹压力800mbar。
[0031] 结果：样品为完全非晶态，力学性能无明显变化。
[0032] 实施例4
[0033] 与实施例1不同之处在于：
[0034] 本实施例的合金成分为Al85.5；Ni 6.5；Co 1.5；Y 5；La1.5(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1200℃，保温时间100s，喷吹压力700mbar。
[0035] 结果：样品为部分非晶相和少量纳米晶相，力学性能无明显变化。
[0036] 实施例5
[0037] 与实施例1不同之处在于：
[0038] 本实施例的合金成分为Al86.5；Ni 5.5；Co 1.5；Y 5；La1.5(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1150℃，保温时间80s，喷吹压力600mbar。
[0039] 结果：样品为非晶态和少量纳米晶相，屈服强度有所提高，但是塑性有所降低。
[0040] 实施例6
[0041] 与实施例1不同之处在于：
[0042] 本实施例的合金成分为Al83.5；Ni 7.5；Co 1.5；Y 5.5；La2(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1200℃，保温时间110s，喷吹压力600mbar。
[0043] 结果：样品为非晶态和少量纳米晶相，屈服强度有所提高，但是塑性有所降低。
[0044] 实施例7
[0045] 与实施例1不同之处在于：
[0046] 本实施例的合金成分为Al86；Ni 5；Co 3；Y 5；La1(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1200℃，保温时间90s，喷吹压力800mbar。
[0047] 结果：样品为部分非晶态和少量纳米晶相，屈服强度有所提高，但是塑性为0。
[0048] 实施例8
[0049] 与实施例1不同之处在于：
[0050] 本实施例的合金成分为Al85；Ni 7；Co 1；Y 4.5；La2.5(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1200℃，保温时间90s，喷吹压力500mbar。
[0051] 结果：样品为非晶相和纳米晶相共存，屈服强度有所提高，但是塑性为0。
[0052] 实施例9
[0053] 与实施例1不同之处在于：
[0054] 本实施例的合金成分为Al84；Ni 6；Co 3；Y 6；La1(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1100℃，保温时间60s，喷吹压力600mbar。
[0055] 结果：样品为纳米晶相和少量非晶态，屈服强度有所提高，但是塑性为0。
[0056] 实施例10
[0057] 与实施例1不同之处在于：
[0058] 本实施例的合金成分为Al82；Ni 6；Co 4；Y 6；La2(at.％)。采用的工艺参数为：氩气保护压力为100～900mbar，浇铸温度1250℃，保温时间90s，喷吹压力700mbar。
[0059] 结果：样品为纳米晶相和少量非晶态，屈服强度有所提高，但是塑性为0。