CN101469379B - 块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法。根据目标产物，选择由金属粉末、非金属粉末及金属氧化物粉末中的一种、两种或三种类型的粉末构成混合物作为原料，利用高能球磨机将上述原料进行混合，混合好的粉末装入钢模，在压力机上进行压制，压制好的坯料放入坩锅，置入微波炉加热，产物冷却至室温后取出。本发明工艺简单，微波合成过程用时短，能量集中，耗能少，无污染，产物全致密，无孔隙，晶粒细小且均匀，最终晶粒尺度可以控制在10nm；块体纳米晶合金其硬度、强度以及塑性大幅提高，获得的块体纳米晶合金还具有优异的光、电、声、磁等特殊的物理性能。

Description

块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法

技术领域

本发明涉及一种块体纳米晶合金的制备方法，特别是一种块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法。 

背景技术

块体纳米晶材料主要指由晶粒尺寸在纳米级(5～100nm)的晶粒构成的具有三维尺度的块体材料。纳米晶金属和合金与相应的微米晶材料相比，具有更高的硬度和耐磨性能、超高的屈服强度和断裂强度，而且在较低温度和较高应变率下具有良好的塑性变形能力，同时还兼具有声、光、电、磁等特殊的物理性能，因此在工程应用上有光明的前景。目前，从零维尺度到二维尺度的纳米材料，即纳米颗粒、纳米线和纳米管、纳米薄膜的制备技术已较为成熟，但块体纳米晶材料的制备技术仍处于探索之中。而高质量的三维大尺寸纳米晶材料的制备技术已成为促进其理论研究，拓宽其应用范围的最关键问题。 

已有的块体纳米晶材料的制备方法主要分为两大类：一类是将纳米颗粒固结为块体材料，如粉末冶金法，机械合金化等，这类方法包括纳米粉末的制备和烧结两个过程，王轶、姚可夫等人在文献《块体纳米晶材料制备的研究进展》(热加工工艺，2003(2)：48～80)中指出：这类方法最大的问题是纳米颗粒在烧结过程中的晶粒长大，产物的致密度不理想。另一类是直接制备出纳米晶材料，如严重塑性变形法、深过冷法和非晶晶化法等。利用严重塑性变形法制备纳米晶材料成本高，获得的晶粒度范围较大，而且不适用于塑性变性能力较差的金属或合金，特别是室温脆性严重的金属间化合物。深过冷法制备的纳米材料，存在着组织的不均匀性，热稳定性也不够理想，一般热稳定的温度很窄。而非晶晶化法依赖于非晶态固体的获得，张立德、牟季美在专著《纳米材料和纳米结构》中指出，它只适用于非晶形成能力较强的合金系，适用对象极为有限，而且产物的塑性对晶粒尺寸十分敏感。而微波燃烧合成，可以克服上述制备技术中的问题，制成全致密、无污染、完全弛豫，晶粒细小且均匀的大块纳米晶合金。 

到目前为止，微波燃烧合成主要用于陶瓷或金属氧化物的烧结。由于金属是良导体，长期以来一直认为金属及合金不能吸收微波，不能用微波技术进行制备。而美国宾西法尼亚大学的研究者在文献《Sintering and Mechanical Properties of PM Copper Steel》(Powder Metallurgy，2001，44(4)：355-362)中的研究表明：金属粉末是很好 的微波吸收体，可以被有效的加热。这为块体纳米晶合金的微波燃烧合成提供了可能。利用微波可快速点燃金属原料粉末，使它们之间发生反应生成合金、金属间化合物，通过合理工艺控制，最终可获得大尺度的块体纳米合金。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单，用于制备全致密、无污染、成分均匀、完全弛豫的块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法。 

一种块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法，用于合成该块体纳米晶合金的原料粉末按照原子百分比计为： 

Al为24.4％，B为0.5％，Cu为2％，其余为Fe；或者，Al为21.3％，B为5％，Cu为10％，其余为Fe；或者，Al为17.5％，B为10％，Cu为20％，其余为Fe； 

合成方法的步骤为： 

1.1、根据要获得的目标产物，称取高纯原料粉末； 

1.2、利用高能球磨机将上述原料粉末进行混合，15小时后取出； 

1.3、将混合好的粉末装入钢模，在压力机上进行压制，压制压强为100MPa； 

1.4、将压制好的坯料放入坩锅，并置入微波炉加热点燃，加热功率为800瓦，加热时间为4分钟； 

1.5、产物冷却至室温后取出，得到块体纳米晶金属合金。 

本发明的原理是：通过选择和设计反应时释放高热量的化学反应体系，利用微波可以在物体较大体积区域内实现零梯度加热，加热速率快的特点，快速点燃金属粉末，使它们之间发生反应生成合金、金属间化合物。反中应释放的高热量使产物处于高温熔融状态，可保证产物在冷却过程中获得较大过冷度，配以高导热系数的材料做坩锅或基底，又可获得高的冷却速度，使得熔体中晶核的生长受到限制，停留在纳米尺度，最终获得大尺度的块体纳米合金。 

本发明与现有的制备块体纳米晶合金的技术相比，其显著优点是：1、成本低廉，工艺简单，微波合成过程用时短，仅需几分钟；2、能量集中，耗能少，无污染，是环境友好型制备技术，符合可持续发展的要求；3、产物全致密，无孔隙，晶粒细小且均匀，最终晶粒尺度可以控制在10nm；4、与同种微米晶晶材料相比，用本发明制备的块体纳米晶合金，其硬度、强度以及塑性大幅提高。而且可以明显改善金属间化合物的室温脆性；5、获得的块体纳米晶合金还具有优异的光、电、声、磁等特殊的物理性能。 

附图说明

附图是本发明的块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法的流程示意图。 

具体实施方式

下面附图通过实施例进一步说明本发明。 

实施例1.利用微波燃烧合成Fe-Al块体纳米合金。 

根据成分设计，按表1分别称取高纯Al粉与高纯Fe粉，利用高能球磨机将上述粉末分别进行混合，8小时后取出粉末装入钢模进行冷压，压强100Mpa。将压制好的坯料分别装入坩锅，置入微波炉加热，选择微波加热功率650W，加热时间2分钟，该燃烧合成过程中发生反应： 

Fe+Al＝FeAl或 

3Fe+Al＝Fe₃Al 

产物冷却至室温后取出。 

也可采用Fe₂O。粉与高纯Al粉混合，按上述相同方法制备。微波燃烧合成过程中，发生反应： 

Fe₂O₃+4Al＝2FeAl+Al₂O₃或 

3Fe₂O₃+8Al＝2Fe₃Al+3Al₂O₃

根据热力学计算，该反应的绝热温度达到3200℃，此时反应产物均为液相，Al₂O₃因密度较小而上浮于熔融Fe₃Al，因此样品冷却至室温后，Al₂O₃位于Fe₃Al的表面，只需手工将其磨去即可。 

表1实施例1Fe-Al合金的成分 

实施例2.利用微波燃烧合成Fe-Al-B块体纳米合金。 

根据需要，原料中也可以添加所需的非金属粉末，如制备Fe-Al-B块体纳米合金， 可以在金属粉末的基础上加入B粉。按表2称取高纯Fe粉、高纯Al粉以及B粉，采用实施例1中的工艺流程，混粉时间为10小时，压制压力为100MPa，微波功率为700W，加热时间为3分钟。可制备出不同成分的Fe-Al-B块体纳米晶合金。 

表2实施例2Fe-Al-B合金的成分 

实施例3.利用微波燃烧合成Fe-Al-Cu块体纳米合金。 

根据成分设计，分别按表3称取高纯Fe粉、高纯Al粉以及Cu粉，按上述过程制备出不同成分的Fe-Al-Cu块体纳米晶合金。工艺中的混粉时间为12小时，压制压力为100MPa，微波功率为750W，加热时间为3分钟。 

表3实施例3Fe-Al-Cu合金的成分 

实施例4.利用微波燃烧合成Fe-Al系四元以上块体纳米合金。 

根据成分设计，分别按表4称取高纯原料粉末，按上述过程制备出不同成分的Fe-Al系四元以上块体纳米晶合金。混粉时间为15小时，压制压力为100MPa，微波功率为800W，加热时间为4分钟。可制备出不同成分的Fe-Al-B块体纳米晶合金。 

表4实施例4Fe.Al系四元以上合金的成分 

实施例5.利用微波燃烧合成Ni-Al块体纳米合金。 

根据成分设计，按表5分别称取适量Ni粉和Al粉，按上述过程制备出不同成分的Ni-Al块体纳米晶合金。工艺中的混粉时间为8小时，压制压力为100MPa，微波功率为650W，加热时间为2分钟。 

表5实施例5Ni-Al合金的成分 

实施例6.利用微波燃烧合成Ni-Al-B块体纳米合金。 

根据成分设计，按表6分别称取适量Ni粉、Al粉和B粉，按上述过程制备出不同成分的Ni-Al-B块体纳米晶合金。混粉时间为10小时，压制压力为100MPa，微波功率为700W，加热时间为3分钟。 

表6实施例9Ni-Al-B合金的成分 

实施例7.利用微波燃烧合成Ti-Al块体纳米合金。 

根据成分设计，按表7分别称取适量Ti粉和Al粉，按上述过程制备出不同成分的Ti-Al块体纳米晶合金。混粉时间为8小时，压制压力为100MPa，微波功率为650W，加热时间为3分钟。 

表7实施例7Ti-Al合金的成分 

Claims (1)

1.一种块体纳米晶合金的微波燃烧合成方法，用于合成该块体纳米晶合金的原料粉末按照原子百分比计为：

Al为24.4％，B为0.5％，Cu为2％，其余为Fe；或者，Al为21.3％，B为5％，Cu为10％，其余为Fe；或者，Al为17.5％，B为10％，Cu为20％，其余为Fe；

合成方法的步骤为：

1.1、根据要获得的目标产物，称取高纯原料粉末；

1.2、利用高能球磨机将上述原料粉末进行混合，15小时后取出；

1.3、将混合好的粉末装入钢模，在压力机上进行压制，压制压强为100MPa；

1.4、将压制好的坯料放入坩锅，并置入微波炉加热点燃，加热功率为800瓦，加热时间为4分钟；

1.5、产物冷却至室温后取出，得到块体纳米晶金属合金。

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