CN101338391B - 一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金及其制备方法。该合金为铝基合金，其组成为：Al100-x-yMxREy，其中M为过渡金属Fe或Ni的一种，RE表示稀土元素La、Ce、Y、Gd、Yb中的一种或多种的组合，其成分变化范围为2≤X≤10，2≤Y≤10，其余为Al。该合金的制备方法是按原子成分配比各元素，利用惰性气体保护电弧炉或感应炉熔炼均匀，母合金二次熔化后注入冷模中经快速凝固制备形成。该合金具有急冷区域组织，具备超过1Gpa最高强度，良好的压缩塑性变形能力，可以作为轻质高比强结构材料，拥有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金及其制备方法，具体为一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金作为轻质合金成为目前应用最为广泛的金属材料之一，由于其轻质高比强的特性可作为飞行器覆盖件，其成熟的工艺和廉价的成本也使之作为饮料包装材料而被广泛使用。而在高强度工程应用条件下，超硬铝合金的屈服强度只有500～600MPa，相比较其它合金，较低的屈服强度成为铝合金的应用瓶颈。
非晶合金作为快速凝固合金发展的前沿，由于其超高的屈服强度、比强度、良好的弹性成为金属领域研究的热点。Al基非晶合金与其他非晶合金类似，具有高的硬度和屈服强度，其硬度值达到了300～350Hv，拉伸断裂强度最大接近1300MPa。另外，由于Al具有低的密度，Al基非晶合金具有很高的比强度。但是Al基非晶合金始终没有突破尺寸的束缚，美国D.B.Miracle教授利用锲型Cu模喷铸法制备得到最大尺寸的Al基非晶合金Al89Ni6La5为780微米厚，目前为止还不能制备出毫米级块体Al基非晶合金。其低的非晶形成能力严重限制了Al基合金的研究开发，同时非晶合金的拉伸脆性也一直是其作为结构材料应用的最大障碍。
日本东北大学的井上明久教授等利用Al基非晶粉末热挤压法(Hot Extrusion)制备得到了具有纳米级晶粒的Al基合金，其具备一定的硬度(250Vickers)和相对较高的断裂强度(900MPa)，但其生产制备工艺包括熔炼、制粉、热压成形等手段，相对比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金及其制备方法，其具备急冷凝固合金组织，超过1GPa压缩屈服强度，良好的韧性，且制备工艺简单。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种高强度高延韧性快速凝固块体铝合金的成分可用下列公式表示：Al100-X-yMxREy，其中M为过渡金属Fe或Ni的一种，RE表示稀土金属La、Ce、Y、Gd、Yb中的一种或多种的组合。其成分变化范围为2≤X≤10，2≤Y≤10，其余为Al。Al含量的变化为80at.％到96at.％(原子百分比)，并且合金的力学性能随合金成分的变化而变化。部分合金的成分以及主要力学性能见图1。优选的Al89Ni4Y7，Al89Ni5Y6，Al89Ni6Y5，Al90Ni4Y6。合金在室温压缩具有1～1.2GPa最高强度，真实应变率超过150％。
快速凝固块体铝合金具有急冷凝固合金组织，其组织具体为非晶态或纳米级晶粒的一种或两种组合。当块体合金最小一维尺寸小于1mm时，铝合金的组织可能全部为非晶态或纳米晶，或非晶态和纳米晶态的复合态。当合金最小一维尺寸大于1mm时，合金部分金相组织为急冷凝固组织，主要为纳米级晶粒。此时，合金的急冷组织主要存在于合金与模具直接接触的表层，随合金尺寸变化，其急冷组织的范围也随之变化。例如合金Al90Ni4Y6为1mm棒材时具有急冷凝固合金组织，其区域为距离模具接触面厚度为200～400um的急冷层。急冷组织主要是尺寸为纳米级和亚微米级的fcc-Al的固熔体以及亚稳态金属间化合物Al19Ni5Y3。
快速凝固块体Al合金具有出色的力学性能。合金急冷组织具有超高的显微硬度，达到400～450Hv，远远超过了硬铝合金，甚至超过Al基非晶合金30％以上。高的显微硬度对应着高的强度，其压缩强度最高达到了1400MPa，是普通硬铝合金的2～3倍，和Al基非晶条带的最优的拉伸断裂强度基本持平。同时，快速凝固块体Al合金具有良好的塑性。优选的，Al89Ni4Y7合金的压缩最高强度为1176MPa，同时压缩真实应变率达到150％以上。见图2。
一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金制备方法，步骤如下：
(1)将Al、Fe或Ni及稀土元素按照权利要求1所述的原子百分比配比，放置于有惰性保护的炉体内加热至完全熔化，并多次熔炼使母合金成分均匀；
(2)将其母合金再次熔化后利用惰性气流或压力差注入到冷模腔体中，经快速凝固制备形成。
所述步骤(2)中的注入方法为喷铸，或吸铸，或浇注，或压力铸造。
所述步骤(2)中的冷模为金属模，或石墨模，或金属模和石墨模的组合。
快速凝固块体Al合金采用冷模铸造法制备得到，模具可以是铜、钢、石墨等具有良好热传导性能的材料的一种或组合。采用石墨作为模具材料制备的合金式样相比铜模具有更为良好的力学性能，体现在某些成分上具有更高的强度。图2显示的为利用石墨模具制备的Al基块体快速凝固合金具备超过1GPa的最高强度。Al、过渡金属M和稀土金属RE放入惰性气体保护的电弧或电炉熔炼，制备成均匀的母合金铸锭。母合金放入快速凝固设备腔体中，待合金再次加热熔化后，由惰性气体气流或活塞注入到冷模中。注入模具后，适当的保持注射压力以保证合金与模具紧密接触，从而更有利于合金快速凝固。合金熔体注入的方式可以是惰性气体喷铸、电弧吸铸、真空或气体保护的浇注和压力铸造的一种。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)微米级尺寸的非晶态Al合金大大限制了合金的研究与应用，快速凝固块体铝合金突破了非晶态铝合金的的尺寸限制，毫米级快速凝固Al合金的出现很大程度上拓宽了具有高比强Al合金的应用领域。
(2)快速凝固块体铝合金具有急冷凝固合金组织，其硬度值为400～450Hv，是普通铝合金的2～3倍。快速凝固铝合金其强度值和完全非晶铝合金相当，具备超过1GPa最高强度，同时具有非常良好的塑性，可以作为轻质高比强结构材料，其优异的性能同样使其具有良好的应用前景。
(3)合金生产制备方法简单，设备成本低，易于与传统制备工艺相对接，其合金成本控制具有优势。
附图说明
图1为本发明具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金AlNiY的部分成分区域及力学性能关系图；
图2为本发明优选的快速凝固铝合金压缩应力应变曲线图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
实施例1
铝基合金Al90Ni4Y6根据原子百分比利用纯Al，纯Ni和纯Y配比好，放置于真空电弧炉中，抽真空至优于5×10-3Pa，然后冲入氩气进行保护熔炼。合金至少熔炼3遍以保证其均匀。式样母合金从电弧炉中取出粗破碎后装入石英管中，放入电磁感应线圈加热的快速凝固设备中，利用喷铸法制备快速凝固块体铝基合金，采用铜模冷却，具体步骤如下：
(1)把铝基合金装入带有圆形喷嘴的石英管中，把石英管连同母合金装在真空高频感应炉中，把石膏模具按喷射位置放置好，抽真空至5×10-3帕。
(2)待真空到要求水平后，关掉真空设备向炉中充氩气作为熔炼保护气体，待炉内气压接近0.5个大气压时关闭充气装置。
(3)打开高频感应电源，待合金完全熔化后在高于合金熔化温度50～80℃保温1～5分钟，关闭感应电源，立刻开启喷铸开关，利用惰性气体氩气的压力把熔融合金经由石英喷嘴和铜模具浇注口喷射到铜铸型中。
(4)合金在铜模具中快速冷却到室温后取出。
实施例2
铝基合金成份Al89Ni4Y7，采用铜模吸铸法制备快速凝固铝基合金。采用与实施例1相同的合金熔炼方法，待母合金熔炼均匀后放置于吸铸腔体内，利用电弧把母合金二次熔化，待合金完全熔化至熔点以上100℃左右开启吸铸开关，开启吸铸腔体机械泵阀，利用熔炼腔与吸铸模具腔的压力差将熔融合金吸入模具腔内的铜模具中。
实施例3
铝基合金成份Al89Ni5Y6，采用石墨作为喷铸或吸铸模具的材料。分别与实施例1、2相同的方法将母合金二次熔炼后，待合金完全熔化并在熔点以上50-100度保温2～5分钟，调节喷铸压力约为0.5-5MPa，开启喷铸开关，利用气流及压力差将熔融Al合金注入具有高密度的石墨铸型，待合金快速凝固后取出合金工件。采用石墨作为模具材料制备的合金式样相比铜模具有更为良好的力学性能，体现在某些成分上具有更高的屈服强度。图2显示的为利用石墨模具制备的Al基块体快速凝固合金具备超过1GPa的最高强度。
实施例4
铝基合金成分为Al89Ni4La7，与实施例1利用同样的方法制备均匀母合金。采用高压铸造法来制备快速凝固块体Al合金。Al合金母合金熔炼均匀后放置于有惰性气体保护的石英管中，利用感应线圈二次熔化母合金至较高温度，约为熔点上100-200度，并保温5分钟以上至合金完全熔化且具有一定过热度，将石英管中的熔融态合金导入压力铸造机的活塞腔体内并迅速开启活塞开关，将熔融合金压铸到铸型中。压铸压力为10-50吨压力，压铸结束后并保压，使合金与铸型腔体贴和更为紧实，增大热传导面积，从而有利于熔融合金的快速凝固。
实施例5
铝基合金成分为Al88Ni5Ce7，与实施例1采用同样的方法制备均匀母合金。采用石墨模具来制备快速凝固急冷合金，方法基本与实施例3类似。合金二次熔化后并在熔点以上50-100度保温2～5分钟，调节喷铸压力约为0.5-5MPa，开启喷铸开关，利用惰性气体气流及压力差将熔融Al合金注入具有高密度的石墨铸型。制备得到的急冷Al合金为宽5mm，长50mm，厚1mm的板状式样。合金式样充型良好，表面具有Al合金光泽。
实施例6
Al基合金成分为Al94Ni2Y4，与实施例1采用同样的方法制备均匀母合金。采用石墨模具来制备快速凝固急冷合金，方法基本与实施例3类似。合金二次熔化并在熔点以上50-100度保温2～5分钟，调节喷铸压力约为0.5-5MPa，开启喷铸开关，利用惰性气体气流及压力差将熔融Al合金注入具有高密度的石墨铸型。制备得到的式样为直径为1mm的圆棒，由于合金中Al的含量高，Al94Ni2Y4合金的硬度较低，同时其强度为700MPa，低于优选成分的Al合金强度。但Al94Ni2Y4合金具有良好的塑性，室温状态下具有高形变速率下的弯曲塑性。
实施例7
Al基合金成分为Al88Fe4Gd8，与实施例1采用同样的方法制备均匀母合金。采用石墨模具来制备快速凝固急冷合金，方法基本与实施例3类似。合金二次熔化后并在熔点以上50-100度保温2～5分钟，调节喷铸压力约为0.5-5MPa，开启喷铸开关，利用惰性气体气流及压力差将熔融Al合金注入具有高密度的石墨铸型。式样为截面形状1×1mm2，长为50mm的方棒。
实施例8
Al基合金Al89Ni4(LaCe)7，与实施例1采用同样的方法制备均匀母合金。采用石墨模具来制备快速凝固急冷合金，方法基本与实施例3类似。合金二次熔化后并在熔点以上50-100度保温2～5分钟，调节喷铸压力约为0.5-5MPa，开启喷铸开关，利用惰性气体气流及压力差将熔融Al合金注入具有高密度的石墨铸型。合金La与Ce的比例可相应调整，二者比例的变化对合金的硬度及强度影响不明显。
表1为本发明实施例中部分合金成分的力学性能参数。
表1
表1列出了部分块体急冷Al合金的合金成分以及急冷区域的显微硬度，式样压缩强度值，压缩应变率以及杨氏模量。利用阿基米德方法测定了合金的密度，并计算了急冷合金的比强度。通过对比可知，该块体急冷Al合金较普通Al合金具有超高的硬度和强度，类似的模量，较低的密度以及超过大多数合金的比强度。相对于Ti合金，非晶合金及其复合材料，此类合金的比强度具有明显的优势。
尽管为说明目的公开了本发明的多个实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (2)
1.一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金，其特征在于其成分由以下公式表示：Al100-x-yMxREy，其中M为过渡金属Fe或Ni的一种，RE表示稀土元素La、或Ce、或Y、或Gd、或Yb中的一种或多种的组合，其成分变化范围为原子百分比2≤X≤10，2≤Y≤10，其余为Al；
所述的块体铝合金组织具有急冷凝固组织，其凝固组织为非晶态、或纳米级晶粒的一种或两种组合；所述的块体铝合金最小尺寸大于等于1毫米；
所述的块体铝合金在室温压缩具有1～1.2GPa最高强度，真实应变率超过150％；
所述具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金的制备方法，步骤如下：
(1)将Al、Fe或Ni及稀土元素按照所述的原子百分比配比，放置于有惰性保护的炉体内加热至完全熔化，并多次熔炼使母合金成分均匀；
(2)将其母合金再次熔化后利用惰性气流或压力差注入到冷模腔体中，经快速凝固制备形成；
所述步骤(2)中的注入方法为喷铸，或吸铸，或浇注，或压力铸造；
所述步骤(2)中的冷模为金属模，或石墨模，或金属模和石墨模的组合。
2.根据权利要求1所述的具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金，其特征在于：所述的块体铝合金为Al89Ni4Y7，或Al89Ni5Y6，或Al89Ni6Y5，或Al90Ni4Y6。
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