一種Al基非晶合金塊體材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種Al基非晶合金塊體材料及其制備方法。該材料的設計原理如下：利用Al、Ni、Ti、Zr、Y和Nb等元素間較大的原子尺寸錯配度及混合熱絕對值，通過各成分的優化組合、機械合金化制備、結構與物性表征等綜合試驗，確定了最優的合金組成，其名義成分為(at.％)：Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3，晶化起始溫度及過冷液相區寬度分別達到686K以上及80K以上。通過真空高溫高壓燒結，獲得了尺寸達φ10×2mm的塊體材料，其顯微硬度高達995～1215Hv，高于所有已報道的同類材料的硬度值。
【專利說明】
一種AI基非晶合金塊體材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種高硬、高穩定性A1基非晶合金塊體材料及其制備方法。依據混合法則設計出具有強非晶形成能力的A1基非晶合金組成，通過機械合金化先獲得高穩定性的非晶合金粉末，再通過高溫高壓燒結制備出具有全非晶組織的塊體材料，其硬度遠遠高于晶體結構的A1合金。【背景技術】
[0002]A1基非晶塊體材料因具有其獨特的微觀結構而顯示出許多優異的性能，如高比強度、高比剛度及高耐蝕性，在航空航天、交通運輸和武器裝備等領域有廣泛的應用前景。但是，由于A1基非晶材料玻璃形成能力很低，在用傳統的液態快冷工藝時難以制備出全非晶組織的塊體材料，或者說要得到全非晶組織的塊體材料，必須采用極快的冷卻速度。A1基非晶合金的這一內稟特性，給大尺寸非晶塊體材料的制備提出了極大的挑戰，同時也嚴重制約了 A1基非晶塊體材料的實際應用。因此，獲得具有實際應用價值的大尺寸A1基非晶塊體材料，一直是非晶物理和材料科學領域追求的目標之一。
[0003]為了突破除了因玻璃形成能力低對液態快冷法制備A1基非晶塊體材料的限制，目前已經發展了一系列固相制備方法。該方法先通過機械合金化等工藝獲得非晶合金粉末， 然后在過冷液相區內將非晶合金粉末進行熱壓或溫擠，使之通過冶金結合形成全非晶塊體材料。相比于液態快冷工藝，固相途徑無需考慮控制異質形核的問題，不僅適用于更廣泛的合金體系，而且可最大限度地突破玻璃形成能力或臨界冷速的限制，有利于獲得幾何尺寸更大的塊體材料。
[0004]研究表明，以過渡族元素和稀土元素組成的A1基非晶合金(A1-TM-RE)具有較高的非晶形成能力以及良好的力學性能，被認為是最有應用前景的A1基非晶合金材料。目前研究較多的A1 基非晶合金主要是 Al-C〇-M、Al-Cu-M 和 Al-Fe-M(M:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W和 Mo等)系，利用這些合金及快速凝固技術已經制備出了毫米量級的非晶薄帶，其硬度高達 821?927Hv。如果以這些A1基非晶合金體系為基礎，采用上述固態燒結的方法將有可能制備出幾何形狀更復雜、尺度更大的塊體材料。基于這一分析，本發明首先依據非晶合金獲得寬過冷液相區、強玻璃形成能力應滿足的基本條件，即1)由三種或者三種以上的元素組成； 2)組元的原子半徑比大于13% ;3)元素之間的混合熱為負值，對A1基非晶合金的組成進行了設計，得到了組成為Al72NisTisZr6Nb3Y3的非晶合金體系，然后利用機械合金化工藝對元素粉末進行合金化和非晶化加工，最好通過高溫高壓燒結工藝制備出具有全非晶組織的塊體材料。根據XRD、DSC分析，該合金球磨140小時后可完全非晶化，其玻璃化轉變溫度達686K 以上，過冷液相區寬度達80K以上，晶化起始溫度達760K以上，具有很高的穩定性。顯微硬度測試表明，該非晶合金塊體材料的硬度高達995?1215HV，高于所有已報道的結果。
【發明內容】

[0005]本發明目的在于提供一種具有尚穩定性、尚硬度的A1基非晶合金塊體材料及其制備方法，其特征在于:
[0006](1)主要化學成分為(&1%):附:8;11:8;2〇6;他:3;￥:3;其余為八1。[〇〇〇7] (2)微觀組織為:全非晶相。[〇〇〇8](3)主要特征溫度為:晶化起始溫度多686K，過冷液相區寬度多80K。[〇〇〇9](4)典型力學性能為:顯微硬度995?1215Hv。[〇〇1〇]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0011]—種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比的化學成分構成:Ni 7-9;Ti 7-9;Zr 5-7;Nb 2-4;Y2-4,其余為A1。
[0012]—種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比的化學成分構成: Ni8; Ti8; Zr6; Nb3; Y3，其余為 A1。[〇〇13]所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于:[〇〇14] 包括以下步驟:[〇〇15](1)按百分比取各金屬原料；[〇〇16](2)經高能球磨機械合金化，形成非晶合金粉末，其晶化起始溫度多686K，過冷液相區寬度彡80K。
[0017](3)經真空、高溫及高壓燒結，得到全非晶組織的塊體材料，即得。
[0018]4、一種如權利要求1所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟:[〇〇19](1)備料:采用純度為99 ? 99wt ? %的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末顆粒平均粒徑均為50mi;
[0020](2)配料:按百分比從原料粉中稱取一定重量的元素粉，稱量誤差0.0Olg，粉末總重200g;[0〇21](3)球磨:將上述粉末加入高能行星式球磨機不銹鋼球磨罐中，同時加入2wt.%左右的硬脂酸及直徑為l〇mm的軸承鋼球，球料比為20:1左右;球磨過程中球磨罐內采用高純氬氣保護，球磨罐自轉轉速300rpm左右；
[0022](4)表征:采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀對球磨后的粉體進行相組織、微結構和特征溫度等表征;從球磨罐中取粉在充有高純氬氣的手套箱內進行，粉末取出后裝入塑料袋后密封；[〇〇23](5)制樣:采用真空、高溫及高壓燒結工藝制備非晶塊體，壓力為2GPa左右，燒結溫度為673K左右，保持時間5min左右。
[0024]所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，包括以下步驟:[〇〇25](1)原料:采用純度為99.99wt.%的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末顆粒平均粒徑均為50mi。[〇〇26](2)配料:按Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3(at.%)的配比從原料粉中稱取一定重量的元素粉，稱量誤差0.0oig，粉末總重200g。[〇〇27](3)球磨:將上述粉末加入高能行星式球磨機不銹鋼球磨罐中，同時加入2wt.%的硬脂酸及直徑為1〇_的軸承鋼球，球料比為20:1。球磨過程中球磨罐內采用高純氬氣保護， 球磨罐自轉轉速300rpm。
[0028](4)表征:采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀等儀器對球磨后的粉體進行相組織、微結構和特征溫度等表征。從球磨罐中取粉在充有高純氬氣的手套箱內進行， 粉末取出后裝入塑料袋后密封。
[0029](5)制樣:采用真空、高溫及高壓燒結工藝制備非晶塊體。壓力2GPa，燒結溫度 673K，保持時間5min。
[0030]發明效果
[0031]本發明設計和制備的A1基非晶合金粉體材料，利用元素間較大的原子錯配度和混合熱絕對值，獲得了穩定的非晶結構，晶化起始溫度及過冷液相區寬度分別達到686K及80K 以上;通過真空高溫高壓燒結技術，獲得了大尺寸、高強度的A1基非晶塊體材料，其顯微硬度達995?1215Hv，高于所有已報道的同類材料的結果。【附圖說明】[〇〇32]圖1:球磨不同時間Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金粉末的XRD圖譜。[〇〇33]圖2:球磨140h后Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金粉末顆粒形貌及其選區電子衍射花樣。[〇〇34]圖3:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金塊體材料外觀形貌。
[0035]圖4: A172Ni 8T i 8Zr6Nb3 Y3合金塊體材料的XRD圖譜。[〇〇36]圖5:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金塊體材料微觀組織形貌及其選區電子衍射花樣。[〇〇37]圖6:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金塊體材料顯微硬度隨載荷的變化。【具體實施方式】
[0038]實施例:一種A1基非晶合金塊體材料的制備方法高吸能本領、高吸能效率和高承載能力的孿生誘發塑性鋼，其主要化學成分為(wt.% ):Mn: 29.5; A1:2.75 % ; S1: 3.10 % ; C: 〇.05;其余為Fe。制備方法如下:
[0039](1)按目標成分進行配料，在高能行星式球磨機內進行球磨。球磨140h后在真空手套箱內、氬氣保護下將粉末從球磨罐中取出裝入密封試樣袋。
[0040](2)采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀分別對上述粉末相結構和特征溫度等進行表征，確認所得粉末為全非晶組織，同時獲得該粉末的晶化起始溫度和過冷液相區寬度。當測量時升溫速率為15K/min時，兩者分別為686K和81K;當升溫速率為30K/min 時，兩者分別為714K和69K。[〇〇41](3)將非晶合金粉末放入壓力機的圓形壓模型腔內，密封后抽真空，真空度達lO-ta 后， 利用壓力機壓頭對粉末施壓直至壓力達到2GPa， 同時對模具進行加熱 ，當其溫度達到673K時進行保溫，保溫5min后卸壓，然后將塊體材料從模具內取出，得到尺寸為￠10 X 2mm的塊體材料。[〇〇42](4)將塊體材料進行研磨、拋光后，在顯微硬度計上測試其硬度，獲得不同載荷下塊體材料的維氏硬度值。結果表明，塊體材料的顯微硬度隨施加載荷增加而下降。當載荷為 100?500g時，塊體材料的顯微硬度為1215?995HV。
【主權項】
1.一種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比的化學成分構成:Ni 7-9;Ti 7-9;Zr 5-7;Nb 2-4;Y2-4,其余為A1。2.根據權利要求1所述的一種A1基非晶合金塊體材料，其特征在于:其是由下述百分比 的化學成分構成:Ni8; Ti8; Zr6; Nb3; Y3，其余為A1。3.—種如權利要求1所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:(1)按百分比取各金屬原料；(2)經高能球磨機械合金化，形成非晶合金粉末，其晶化起始溫度多686K，過冷液相區 寬度多80K;(3)經真空、高溫及高壓燒結，得到全非晶組織的塊體材料，即得。4.根據權利要求3所述的A1基非晶合金塊體材料的制備方法，其特征在于包括以下步 驟:(1)備料:采用純度為99.99 wt.%的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末顆粒平均粒徑 均為50wii;(2)配料:按百分比從原料粉中稱取一定重量的元素粉，稱量誤差0.0Olg，粉末總重200g；(3)球磨:將上述粉末加入高能行星式球磨機不銹鋼球磨罐中，同時加入2wt.%左右的 硬脂酸及直徑為l〇mm的軸承鋼球，球料比為20:1左右;球磨過程中球磨罐內采用高純氬氣 保護，球磨罐自轉轉速300rpm左右；(4)表征:采用X射線衍射儀、透射電鏡和差式掃描量熱儀對球磨后的粉體進行相組織、 微結構和特征溫度等表征;從球磨罐中取粉在充有高純氬氣的手套箱內進行，粉末取出后 裝入塑料袋后密封；(5)制樣:采用真空、高溫及高壓燒結工藝制備非晶塊體，壓力為2GPa左右，燒結溫度為 673K左右，保持時間5min左右。
【文檔編號】C22C45/08GK106011695SQ201610614457
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】韓福生, 吳宇, 王新福
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院