CN101451208A - 一种块体铝基合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种块体铝基合金，其特征在于：合金的成分由以下公式表示：Al_aSi_bTM_cY_dRE_e，且a+b+c+d+e＝100，TM为过渡金属Ni、Co和Ag的一种或多种的组合，RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一种或多种的组合；其中，b的原子百分数为0.2～5，c的原子百分数为2～10，d的百分数为4～10，e的原子百分数为0～5，a为余量。采用配比配料；熔炼制备母合金；采用凝固法结合铸造模具制备块体铝基合金。本发明的块体铝基合金具有500MPa以上的高强度，强度可达到1000MPa～1300MPa的高强度，且塑性变形在0～20％，可作为精密结构器件。

Description

一种块体铝基合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料及技术加工领域；尤其涉及一种应用于结构材料的具有高玻璃形成能力的高强韧性Al基合金及其制备方法。

背景技术

通过快速凝固制备得到的非晶合金因不具备长程原子有序结构而导致了独特的力学性能、磁学性能、耐蚀性能和电性能，因此，非晶合金材料的研究成为材料研究的一个重要领域。Al基非晶相/纳米相复合材料为目前比强度最高的金属材料(比强度3.5×10⁵N·m/kg)，是用于航空、航天器结构件的理想材料。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。

非晶态金属材料是目前材料界最活跃的研究领域之一，高性能的轻质合金材料的发展是国家国防和经济建设的重大需求。而Al基非晶合金始终没有突破尺寸的束缚，目前为止的研究和发明专利大多限于Al基非晶条带，拉伸断裂强度可以达到1200MPa的量级，复合了纳米fcc-Al的非晶条带可以达到1500MPa的量级，但是迄今还不能制备出毫米级块体Al基非晶合金，这样从尺寸上严重限制了Al基合金的研究开发，一直是其作为结构材料应用的最大障碍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一系列块体铝基合金的成分体系和制备方法，在临界尺寸在0.001～2mm范围内时，可以得到完全的非晶组织，具有1GPa以上的屈服强度，通过控制铸造工艺参数，可以得到高强度和高塑性的铝基非晶/纳米晶复相材料，组织由非晶基体和均匀分散的铝纳米颗粒组成，具备1GPa以上的压缩屈服强度，和大于2％的压缩塑性。在铸造尺寸大于2mm时，其组织是典型的急冷凝固合金组织，具有0.3GPa以上的屈服强度。本发明同时提供制备以上诸类合金的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种块体铝基合金，其特征在于：合金的成分由以下公式表示：Al_aSi_bTM_cY_dRE_e，且a+b+c+d+e＝100，TM为过渡金属Ni、Co和Ag的一种或多种的组合，RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一种或多种的组合；其中，b的原子百分数为0.2～5，c的原子百分数为2～10，d的百分数为4～10，e的原子百分数为0～5，a为余量。

所述的合金能够制得非晶体积分数5％以上的块体合金和厚度在0.001mm～2mm的纯非晶合金。

所述的合金制备成块体时，在室温压缩时具有0.3MPa以上的屈服强度，真实应变率在50％以上，塑性应变为0～20％。

上述块体铝基合金的制备方法，包括配比配料；熔炼制备母合金；制备块体铝基合金；其特征在于：采用凝固法结合铸造模具制备块体合金。

所述的凝固法可以是喷铸，或吸铸，或浇注，或高压铸造，或冰型铸造，或砂型铸造。

所述的铸造模具为铜模、钢模模具的一种或两种的组合。

所述熔炼制备母合金过程为：将称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得母合金。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)本发明的块体铝基合金突破了传统的非晶态铝合金的的尺寸限制，首次在铝基非晶中报道出块体尺寸级别的成分体系，块体毫米级快速凝固Al非晶或非晶/纳米晶复相合金的出现大大拓宽了具有高比强Al合金的应用领域；

(2)本发明的块体铝基合金的强度和塑性可依铸造温度改变，其初晶析出产物为fcc-Al，通过改变铸造温度及其它工艺参数，可以得到完全的非晶/纳米晶复合材料，使塑性依复合的体积分数比而改变，提高合金的综合力学性能指标，可以得到0～20％甚至更大的塑性应变，大大提高了合金的工程应用价值。

(3)本发明的块体铝基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是Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁的直径为1mm的非晶棒材的X射线衍射图谱；

图2是Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁的非晶合金的热分析DSC曲线；

图3为Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁的非晶棒材在铸造直径为1mm时的应力—应变曲线；

图4为Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁的非晶棒材在铸造直径为2mm时的应力—应变曲线；

图5为Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁的非晶棒材在铸造直径为3mm时的应力—应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1

本实施例选择TM为过渡金属Ni和Co的组合；原子所占百分数分别为4和3；RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc，原子所占百分数为1；Si原子所占的百分数为0.5；Y原子所占的百分数为6；其余为Al原子所占的百分数为85.5，所得块体铝基合金的分子式为Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁。

本实施例中块体合金Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁的制备方法如下：

步骤一：按Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁化学成分配比进行配料；

按Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁计算出与之相对应的原料质量并称量；

步骤二：熔炼制备Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁母合金；

将步骤一称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至1-5×10^-3pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁母合金；

步骤三：制Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁块体合金：

将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10^-3pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、感应温度600-1000℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁块体合金；将本实施例制备的Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁铸造成直径为1mm的非晶棒材，该非晶棒材的X射线衍射图谱如图1所示，图谱说明合金棒材主要由非晶组成，具体含有90％以上体积分数的非晶组织，其余为微米/纳米级晶粒。该非晶合金的热力学参数见附图2的DSC(热分析)曲线，初级晶化温度为237.9℃，初熔温度为630℃，液相线温度为817.8℃。其直径为1mm的圆棒的压缩力学性能曲线见附图3中曲线所示，此时屈服强度1125MPa，塑性变形量7％；将本实施例所制备的Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁铸造成直径为2mm的圆棒的压缩力学性能曲线如图4中曲线所示，对应的屈服强度为795MPa；将本实施例所制备的Al_85.5Si_0.5Ni₄Co₃Y₆Sc₁铸造成直径为3mm的圆棒的压缩力学性能曲线如图5中曲线所示，对应的屈服强度549MPa。

实施例2

本实施例选择TM为过渡金属Ni和Ag的组合；原子所占百分数分别为1和1；Si原子所占的百分数为5；Y原子所占的百分数为10；其余为Al原子所占的百分数为83，所得块体铝基合金的分子式为Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀。

本实施例中块体合金Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀的制备方法如下：

步骤一：按Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀化学成分配比进行配料；

按Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀计算出与之相对应的原料质量并称量；

步骤二：熔炼制备Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀母合金；

将步骤一称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至1-5×10^-3pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀母合金。

步骤三：制备Al₈₃Si₅Ni₁Ag₁Y₁₀块体合金：

将步骤二制得的母合金放置于吸铸腔体内，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，利用熔炼腔与模具腔的压力差将熔融合金吸入模具腔内的钢模具中。得到的直径为1mm的圆棒的屈服强度为1135MPa，塑性为10％，直径为2mm的圆棒的屈服强度为920MPa，直径为3mm的圆棒的屈服强度为592MPa。

实施例3

本实施例选择TM为过渡金属Ni、Co和Ag的组合；原子所占百分数分别为3、3和2；RE是元素Y在周期表中的相邻元素Ca和La系稀土元素中的La的组合，原子所占百分数分别为2和3；Si原子所占的百分数为1；Y原子所占的百分数为6；其余为Al原子所占的百分数为80，所得块体铝基合金的分子式为Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃。

本实施例中块体合金Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃的制备方法如下：

步骤一：按Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃化学成分配比进行配料；

按Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃计算出与之相对应的原料质量并称量；

步骤二：熔炼制备Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃母合金；

将步骤一称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至1-5×10^-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃母合金；

步骤三：制备Al₈₀Si₁Ni₃Co₃Ag₂Y₆Ca₂La₃块体合金：

采用高压铸造法制备，首先将步骤二制得的母合金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熔点以上100℃左右，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，将熔融合金压铸到钢模具铸型中。压铸结束后并保压，使合金与铸型腔体贴和更为紧实，可以得到临界尺寸大于等于1mm的纯非晶组织。得到的直径为1mm的圆棒的屈服强度为1152MPa，直径为2mm的圆棒的屈服强度为945MPa，直径为3mm的圆棒的屈服强度为560MPa。

Claims (7)

1、一种块体铝基合金，其特征在于：合金的成分由以下公式表示：Al_aSi_bTM_cY_dRE_e，且a+b+c+d+e＝100，TM为过渡金属Ni、Co和Ag的一种或多种的组合，RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一种或多种的组合；其中，b的原子百分数为0.2～5，c的原子百分数为2～10，d的百分数为4～10，e的原子百分数为0～5，a为余量。

2、根据权利要求1所述的铝基合金，其特征在于：所述的合金能够制得非晶体积分数5％以上的块体合金和厚度在0.001mm～2mm的纯非晶合金。

3、根据权利要求1所述的铝基合金，其特征在于：当制备成块体时，在室温压缩时具有0.3MPa以上的屈服强度，真实应变率在50％以上，塑性应变为0～20％。

4、一种块体铝基合金的制备方法，包括配比配料；熔炼制备母合金；制备块体铝基合金；其特征在于：采用凝固法结合铸造模具制备块体合金。

5、根据权利要求4所述的一种块体铝基合金的制备方法，其特征在于：所述的凝固法可以是喷铸，或吸铸，或浇注，或高压铸造，或冰型铸造，或砂型铸造。

6、根据权利要求4所述的一种块体铝基合金的制备方法，其特征在于：所述的铸造模具为铜模、钢模模具的一种或两种的组合。

7、根据权利要求4所述的一种块体铝基合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼制备母合金过程为：将称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得母合金。

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