一种铝基非晶复合粉末及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种铝基非晶复合粉末，包括铝、镍、钇、碳四种元素，各元素在铝基非晶复合粉末中的原子百分比为：铝86-89.8%，镍5-7%，钇5-7%，碳0.2-0.5%。本发明还公开了该非晶粉末的机械合金化制备方法及以该非晶粉末采用粉末固结成形法得到的铝基大块非晶合金。本发明由于掺杂了高热稳定性材料的碳元素材料，并通过合理的成分配比，非晶合金的热稳定性得到空前的提高，玻璃转变温度和初始晶化温度分别调升至945K和1063K，提升效果显著。制备方法工艺简单，成本低廉，制备大块非晶合金可保证块体非晶的性能，为将来铝基非晶的工业化生产提供可靠的工艺参数。

权利要求

1.一种铝基非晶复合粉末，其特征是：包括铝、镍、钇、碳四种元素，各元素在铝基非晶复合粉末中的原子百分比为：铝86%，镍7%，钇6.5%，碳0.5%，玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx分别为945K和1063K。

2.一种铝基非晶复合粉末，其特征是：包括铝、镍、钇、碳四种元素，各元素在铝基非晶复合粉末中的原子百分比为：铝86%，镍6.6%，钇7%，碳0.4%，玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx分别为945K和1063K。

3.一种铝基非晶复合粉末，其特征是：包括铝、镍、钇、碳四种元素，各元素在铝基非晶复合粉末中的原子百分比为：铝87%，镍6.5%，钇6%，碳0.5%，玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx分别为945K和1063K。

4.一种铝基非晶复合粉末，其特征是：包括铝、镍、钇、碳四种元素，各元素在铝基非晶复合粉末中的原子百分比为：铝89.8%，镍5%，钇5%，碳0.2%，玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx分别为945K和1063K。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的铝基非晶复合粉末的制备方法，其特征是：按比例称取铝粉、镍粉、钇粉和石墨作为原料，将称得的原料与磨球一起放入球磨罐中，加入助磨剂，在惰性气体保护下进行机械合金化处理，即得铝基非晶复合粉末；

机械合金化处理时，设定球磨机转速为250-350转/分，每转30分钟停10分钟，并自动正反转，整个球磨时间为200小时；球磨罐和磨球的材质均为不锈钢，所述磨球为大、中、小

3种不同尺寸的磨球，直径分别为10毫米、6毫米、4毫米，各尺寸磨球间的质量比为1:1:1；

所述助磨剂为硬脂酸，用量为原料总重量的10%，球磨机的球料比为15～20:1。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是：铝粉、镍粉、钇粉和石墨的纯度均大于

99.5wt%，粒度均为200-300目。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是：所述惰性气体为氩气。

8.一种铝基大块非晶合金，其特征是：由权利要求1-4中任一项所述的铝基非晶复合粉末通过放电等离子体烧结法制得。

说明书

一种铝基非晶复合粉末及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有高热稳定性的铝基非晶复合粉末、其制备方法以及以该非晶复合粉末制备大块非晶合金的应用，属于非晶材料技术领域。

背景技术

[0002] 非晶合金，也称之为金属玻璃，是指结构类似于玻璃的无固定形态的金属或合金，具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征，是一种新型金属材料。非晶合金具有高强度、高韧性、良好的抗磨损性、耐腐蚀性以及理想的磁学性等，已引起材料界的广泛关注。

[0003] 铝基非晶由于其高比强度、低密度等优异性能一直倍受人们的广泛关注，1965年Predecki等人第一次通过熔体急冷的方法得到Al基非晶合金(Al-Si)，随后人们又陆续的在Al-Ge，Al-M(M=Cu，Ni，Cr，Pd)系列合金体系中获得非晶与晶体的共存体。直到1981年Inoue等人开发出含铝量较高的TM-Al-B 系列非晶合金（TM为过渡族元素，B 为第二副族元素），并在1988年用单辊旋淬法成功制备具有高强度高韧性的三元Al基非晶合金，克服了铝合金难于形成非晶态的障碍，实现了铝合金组织的多样化。常见的大块非晶合金制备技术主要分为两大类。一类是直接凝固法。采用一些传统的金属凝固技术如熔体水淬法，铜模吸铸法，高压模铸法等即可获得大尺寸非晶态合金。另一类是粉末固结成形法，即在过冷液相区内将非晶合金粉末采用热压或温挤的方法形成大块非晶合金。它主要是利用非晶合金体系在过冷液相区热稳定性高且具有粘滞流动性好以及玻璃形成能力强等特点。对于直接凝固技术，由于受到冷却介质热传导能力和材料本身玻璃形成能力的限制，采用这种方法制备的非晶合金材料的几何尺寸和结构形状都难以满足工程应用的要求。相比之下，粉末固结成形法可以在临界冷速较高的合金系中制备出大块材料。为此，保证非晶合金粉末具有高热稳定性是利用粉末固结成形法制备大块非晶材料的前提。依据非晶合金的热力学特性，玻璃转变温度和晶化温度都是体现热稳定性的具体指标。目前，机械合金化法制备的Al基非晶合金有很多，例如Al-Y-Fe-Ni(Journal of Non-Crystalline Solids, 2006,352: 4024–4029)、Al-La-Ni-Fe(Materials Science and Engineering A, 2007, 449–
451: 1119–1122)、Al-Cr-Co-Ce(Materials Science and Engineering A, 2008, 472:
208–213)、Al-Ni-Ti-Zr(Journal of Alloys and Compounds, 2010, 501: 164–167)等的晶化温度均在450K至650K其间，大大限制了烧结温度等工艺参数的设置。

发明内容

[0004] 本发明针对现有非晶合金热稳定性低限制应用的问题，提供了一种高热稳定性铝基非晶复合粉末，该非晶粉末热稳定性高，为大块非晶合金的制备提供了良好的基础。

[0005] 本发明还提供了一种高热稳定性铝基非晶粉末的制备方法，该方法成本低，工艺简单，易于大规模推广应用。

[0006] 本发明还提供了该高热稳定性铝基非晶粉末的应用，即用其制备大块非晶合金，因此非晶粉末玻璃转变温度和晶化温度高，在成型过程中可拓宽烧结温度，避免在加热过程中出现晶化而失去非晶合金的特性，从而保证块体非晶的性能，为将来铝基非晶的工业化生产提供可靠的工艺参数。

[0007] 本发明是通过以下措施实现的：

[0008] 一种铝基非晶复合粉末，其特征是：包括铝、镍、钇、碳四种元素，各元素在铝基非晶复合粉末中的原子百分比为：铝86-89.8%，镍5-7%，钇5-7%，碳0.2-0.5%。其玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx分别为945K和1063K。

[0009] 上述铝基非晶复合粉末的制备方法，其特征是：按比例称取铝粉、镍粉、钇粉和石墨作为原料，将称得的原料与磨球一起放入球磨罐中，加入助磨剂，在惰性气体保护下进行机械合金化处理，即得铝基非晶复合粉末。

[0010] 上述制备方法中，铝粉、镍粉、钇粉和石墨的纯度均大于99.5wt%，粒度均为200-300目。

[0011] 上述制备方法中，机械合金化处理时，设定球磨机转速为250-350转/分，每转30分钟停10分钟，并自动正反转，整个球磨时间为200小时。在制备时，可通过对球磨时间、球磨转速、球料比等球磨参数的控制，规模化制备不同粒度的前驱体合金粉末，球磨时间越长、球磨转速越快、球料比越大得到的合金粉末越细，在本发明限定的球磨时间、转速、球料比的范围内所得粉末粒径在0.3-2微米之间。

[0012] 上述制备方法中，所述助磨剂为硬脂酸，用量为原料总重量的10%。

[0013] 上述制备方法中，球磨机的球料比为15～20:1。优选球磨罐和磨球的材质均为不锈钢，所述磨球为大、中、小3种不同尺寸的磨球，直径分别为10毫米、6毫米、4毫米，各尺寸磨球间的质量比为1:1:1。磨球采用大中小3中尺寸，这样可以使球磨过程更加迅速，并且粉料尺寸均匀，这在球磨中是共知的，本领域技术人员在操作时可以根据实际情况或者一般习惯选择磨球尺寸。

[0014] 上述制备方法中，所述惰性气体为氩气。整个球磨过程中采用了气氛保护措施，有效的避免了粉末的氧化问题，极大地提高了非晶质量。

[0015] 本发明的铝基非晶复合粉末热稳定性好，可以用其通过放电等离子体烧结法制备铝基大块非晶合金，使非晶合金材料的几何尺寸和结构形状满足工程应用的要求。

[0016] 本发明由于掺杂了高热稳定性材料的碳元素材料，并通过合理的成分配比，非晶合金的热稳定性得到空前的提高，玻璃转变温度和初始晶化温度分别调升至945K和1063K，提升效果显著。采用机械合金化法制备非晶合金粉末，工艺简单，成本低廉，与传统的淬冷法工艺相比，机械合金化法的成分范围更加宽广，相同成分下淬冷法无法制备出非晶的成分用机械合金化法都可以成功制得，这种独特的优势有利于日后的工业化生产。非晶粉末玻璃可通过粉末固结成形法制备大块非晶合金，非晶粉末的高热稳定性在成型过程中可拓宽烧结温度，避免在加热过程中出现晶化而失去非晶合金的特性，从而保证块体非晶的性能，为将来铝基非晶的工业化生产提供可靠的工艺参数。

附图说明

[0017] 图1为本发明铝基非晶合金的扫描电镜照片；

[0018] 图2为本发明铝基非晶合金的XRD曲线；

[0019] 图3为本发明铝基非晶合金在10K/min升温速度下的DSC曲线。

具体实施方式

[0020] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

[0021] 实施例1

[0022] （1）按原子百分比86%铝、7%镍、6.5%钇、0.5%碳称取纯铝、镍、钇和石墨（纯度≥99.5%，质量比），共称取30g。采用钢球磨罐，按球料比15:1称取钢球，其中直径为10毫米、6毫米、4毫米的磨球质量比为1:1:1，称取助磨剂（硬脂酸），其重量为粉料的10%（质量比）。

[0023] （2）按照“先球后料”的顺序把粉料和磨球加入到球磨罐中，在惰性气体（氩气）氛围下，设定高能球磨机转速为300转/分,每转30分钟停10分钟，设定自动正反转，球磨时间为200小时，球磨处理后获得Al-Ni-Y-C合金粉末，粉末粒径在1-1.5微米之间。

[0024] 实施例2

[0025] （1）按原子百分比86%铝、6.6%镍、7%钇、0.4%碳称取纯铝、镍、钇和石墨（纯度≥99.5%，质量比），共称取30g。采用钢球磨罐，按球料比20:1称取钢球，其中直径为10毫米、6毫米、4毫米磨球的质量比为1:1:1，称取助磨剂（硬脂酸），其重量为粉料的10%（质量比）。

[0026] （2）按照“先球后料”的顺序把粉料和磨球加入到球磨罐中，在惰性气体（氩气）氛围下，设定高能球磨机转速为250转/分,每转30分钟停10分钟，设定自动正反转，球磨时间为240小时，球磨处理后获得Al-Ni-Y-C合金粉末，粉末粒径在1-1.5微米之间。

[0027] 实施例3

[0028] （1）按原子百分比87%铝、6.5%镍、6%钇、0.5%碳称取纯铝、镍、钇和石墨（纯度≥99.5%，质量比），共称取30g。采用钢球磨罐，按球料比15:1称取钢球，其中直径为10毫米、6毫米、4毫米的磨球质量比为1:1:1，称取助磨剂（硬脂酸），其重量为粉料的10%（质量比）。

[0029] （2）按照“先球后料”的顺序把粉料和磨球加入到球磨罐中，在惰性气体（氩气）氛围下，设定高能球磨机转速为250转/分,每转30分钟停10分钟，设定自动正反转，球磨时间为200小时，球磨处理后获得Al-Ni-Y-C合金粉末，粉末粒径在1-2微米之间。

[0030] 实施例4

[0031] （1）按原子百分比89.8%铝、5%镍、5%钇、0.2%碳称取纯铝、镍、钇和石墨（纯度≥99.5%，质量比），共称取30g。采用钢球磨罐，按球料比18:1称取钢球，其中直径为10毫米、6毫米、4毫米的磨球质量比为1:1:1，称取助磨剂（硬脂酸），其重量为粉料的10%（质量比）。

[0032] （2）按照“先球后料”的顺序把粉料和磨球加入到球磨罐中，在惰性气体（氩气）氛围下，设定高能球磨机转速为350转/分,每转30分钟停10分钟，设定自动正反转，球磨时间为200小时，球磨处理后获得Al-Ni-Y-C合金粉末，粉末粒径在1.3-1微米之间。

[0033] 本发明所得非晶粉末具有高热稳定性，其粒度在0.3-2微米之间，上述实施例1-4所得产品的微观形貌如附图1所示。图2为本发明产品的XRD，XRD测试结果显示，Al-Ni-Y-C合金主体为非晶相，但仍存在少量fcc-Al纳米晶相。图3展示的是本发明产品在恒定升温速度10K/min下的DSC曲线，从DSC曲线可以看出本产品玻璃转变温度(Tg)和初始晶化温度(Tx)分别为945K和1063K，远高于其他成分的铝基非晶。

[0034] 从附图中可以看出，本发明产品具有很高的热稳定性，其玻璃转变温度(Tg)和初始晶化温度(Tx)很高，有利于通过放电等离子体烧结法制备大块非晶。

[0035] 实施例5

[0036] 用上述实施例1-4的非晶粉末制备大块非晶合金，所用方法为放电等离子体烧结法，所用粉末固结设备为SPS-1050，具体步骤为：抽真空到低于6Pa，充氩气保护，在30Mpa/5min条件下于600℃对非晶粉末进行烧结，即可得大块非晶合金。