CN101962742B

CN101962742B - 一种含Li和Ca的轻质Al基非晶合金

Info

Publication number: CN101962742B
Application number: CN2010105302048A
Authority: CN
Inventors: 惠希东; 贺莹莹; 胡磊; 王树申; 赵岩峰; 戚玉凤; 陈国良
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: CN101962742A

Abstract

本发明涉及非晶合金领域，具体涉及一种新型轻质的Al-Li-Ca-Ni-La非晶合金。该非晶合金的化学成分(原子百分比)为：Al77％～82％、Li5％～12％、Ca6％～10％、Ni3％～7％、La0％～3％。该材料采用单辊快淬法形成薄带状试样，薄带厚度均匀，通过调整辊速大小，可形成厚度不同的薄带，在辊速为17m/s下，所得薄带最大厚度可达100μm。过渡族元素Ni和稀土元素La的添加能够提高该合金的非晶形成能力，并且提高了合金的晶化温度。

Description

一种含Li和Ca的轻质Al基非晶合金

技术领域：

本发明涉及非晶合金领域，具体涉及一种新型轻质的Al-Li-Ca-Ni-La非晶合金。

背景技术：

非晶合金是近年来出现的有望作为结构和功能应用的新一代金属材料。由于具有不同于晶体的特殊原子排列结构，非晶合金表现出传统晶态材料无法比拟的超高比强度、大弹性变形能力、低热膨胀系数、超高耐蚀性及良好的软磁性等优异性能。因此，非晶态合金目前已引起了科学界和工业界的广泛关注，成为当今材料界最为活跃的研究领域之一。

自20世纪80年代以来，随着铁磁性非晶合金研究的逐渐成熟，以及航天航空及运输工具轻型化的迅速发展，人们开始把注意力转向高强度低密度材料的研究工作，尤其是对Al基快凝合金的研究。首先用喷枪技术在Al-Si，Al-Ge和Al-M(M＝Cu，Ni，Cr和Pd)系中发现了非晶和晶体共存结构。1981年第一次在含Al超过50％的Al-Fe-B和Al-Co-B三相合金系中得到单一非晶相，之后相继得到了Al-Fe-Si、Al-Fe-Ce和Al-Mn-Si非晶合金。但是这些非晶合金非常脆，因此并没有引起很多注意。1984年，Shechtman等在快凝Al-Mn合金中发现具有五次对称的二十面体准晶相，之后在多种Al-过渡金属合金中相继发现存在着准晶相；在1987年，Inoue在含Al 80％的Al-Ni-Si和Al-Ni-Ge合金系中发现了韧性良好的非晶合金。1988年，He等发现了含Al量达90at％的高强度低密度的Al-TM-Re非晶合金；1990年，Inoue等利用快凝技术得到新型的Al-TM-Re纳米复合材料(纳米晶体均匀弥散分布在非晶基体上)。自此以后，大量具有韧性的Al基非晶合金在三元合金系中被发现，例如Al-Zr-Cu，Al-Zr-Ni和Al-Nb-Ni，从而形成了Al-EM-LM系非晶合金。随后，用RE代替TM的Al-RE-TM如Al-Y-M，Al-La-M和Al-Ce-M(M＝Fe，Co，Ni，Cu)，二Al-RE(RE＝Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Yb)非晶合金系也先后被发现，其中EM表示IV～VI族的过渡族金属元素，LM表示VII和VIII族过渡族元素，TM表示过渡族金属或类金属，Re为稀土元素。

目前，尚未有关于Al-Li基的非晶合金的文献报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种以最轻质元素Li(密度为0.53g/cm³)作为主元素加入合金中能够显著降低合金的密度，Ca(密度为1.55g/cm³)的加入一方面可以降低合金的密度，另一方面由于Al-Ca之间存在共价键结合，这种组元间的有方向性的共价键结合能够大幅度地降低原子在过冷液相区的运动，有助于提高非晶形成能力的新型轻质的Al-Li-Ca-Ni-La非晶合金。

本发明的技术方案是：一种含Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其化学成分为：以原子百分比Al77％～82％、Li5％～12％、Ca6％～10％、Ni3％～7％、La0％～3％。

采用市售纯金属Al、Li、Ca、Ni和La(纯度高于99.9％，重量百分比)为原材料，对于四元合金，首先在经过钛纯化的氩气气氛下电弧熔炼原子配比为Al₈₅Ni₁₅二元合金作为中间合金，再将Al₈₅Ni₁₅中间合金与Al、Li和Ca等元素材料在惰性气氛下感应熔炼成母合金锭，合金的成分(原子百分比)为Al₈₀Li_10-xCa₁₀Ni_x(x＝0，2，4)、Al_80+xLi₆Ca_10-xNi₄(x＝2，4，5，6，7)、Al_80+xLi_6-xCa₁₀Ni₄(x＝1，2，3，4，5)和Al₈₀Li₆Ca_10-xNi_4+x(x＝1，2，3，4)。对于五元合金，首先在经过钛纯化的氩气气氛下电弧熔炼原子配比为Al₈₅Ni₁₅二元合金作为中间合金，再将Al₈₅Ni₁₅中间合金与Al、Li、Ca和La等元素材料在惰性气氛下感应熔炼成母合金锭，合金的成分(原子百分比)为[Al₈₀Li₆Ca₈Ni₆]_100-xLa_x(x＝0，1，2，3，4)和[Al₈₀Li₆Ca₇Ni₇]_100-yLa_y(y＝2，3)的母合金。采用单辊旋淬法，调节不同辊速在氩气保护下制得厚度为50μm～100μm的快凝合金薄带，所得薄带厚度均匀，表面光洁，不同辊速下所得不等。

采用X射线衍射分析仪扫描得到X射线图谱。采用示差扫描量热分析仪对样品进行热稳定性分析，确定样品的晶化温度T_X1和T_X2，所采用的保护气氛是流动的高纯氩气，加热速率为20K/min。

本发明在Al₈₀Li₆Ca₈Ni₆的基础上添加稀土元素La，La与Al有较大的混合热值为-38kJ/mol，原子半径为0.188nm，使得组元之间的原子半径过渡更为平滑，且增加了组元数目，增大了混合熵，这些因素均有利于提高非晶合金的形成能力。设计成分如下：[Al₈₀Li₆Ca₈Ni₆]_100-xLa_x(x＝1，1.5，2，3，4，5)和[Al₈₀Li₇Ca₇Ni₆]_100-yLa_y(y＝2，3，4，5)。在这两个体系中，当La含量增加到4％或以上时，会降低非晶合金的形成能力，而La处于1％～3％时，合金具有良好的非晶形成能力。

本发明采用单辊旋淬法首次合成了Al-Li-Ca-Ni-La轻质非晶合金薄带，其中[Al₈₀Li₇Ca₇Ni₆]_100-yLa_y(y＝2，3)的薄带具有最佳厚度为100μm。少量的La和Ni的加入能够提高合金的非晶形成能力并提高合金的晶化温度，同时改变合金的晶化过程，使得合金从一个晶化阶段变转变为两个晶化阶段。

本发明的优点是：由于采用上述技术方案，

1.通过添加Li和Ca，降低了非晶合金的密度。

2.通过添加La和Ni，提高了合金的非晶形成能力和晶化温度。

附图说明

图1是不同辊速下采用单辊旋淬法制备的合金[Al₈₀Li₆Ca₈Ni₆]_100-xLa_x(x＝0，1，2，3)和[Al₈₀Li₆Ca₇Ni₇]_100-yLa_y(y＝2，3)的X射线衍射谱。横坐标为2θ角度；纵坐标为衍射强度。

图2是单辊旋淬法制备的[Al₈₀Li₆Ca₈Ni₆]_100-xLa_x(x＝0，1，2，3)合金的连续加热DSC晶化曲线(加热速率为20K/min)。横坐标为温度；纵坐标为热量。

图3是单辊旋淬法制备的[Al₈₀Li₆Ca₇Ni₇]₉₈La₂合金的连续加热DSC晶化曲线(加热速率为20K/min)。横坐标为温度；纵坐标为热量。

图4是单辊旋淬法制备的[Al₈₀Li₆Ca₇Ni₇]₉₇La₃合金的连续加热DSC晶化曲线(加热速率为20K/min)。横坐标为温度；纵坐标为热量。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实例1

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al80％、Li6％、Ca8％、Ni6％。利用单辊旋淬法甩带制成厚度为60μm的薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构，见图1上曲线；从连续加热的DSC晶化曲线中，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应，见图2上曲线，样品的初始晶化温度为474K。

实例2

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al79.2％、Li5.94％、Ca7.92％、Ni5.94％、La1％。利用单辊旋淬法甩带制成厚度为60μm的薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构，见图1上曲线；从连续加热的DSC晶化曲线中，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应，见图2上曲线，随着La的加入，样品的初始晶化温度增高为491K。

实例3

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al78.4％、Li5.88％、Ca7.84％、Ni5.88％、La2％。利用单辊旋淬法甩带制成厚度为80μm的薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构，见图1上曲线；从连续加热的DSC晶化曲线中，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应，见图2上曲线，随着La的继续增加，样品的初始晶化温度增高为516K。

实例4

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al77.6％、Li5.82％、Ca7.76％、Ni5.82％、La3％。利用单辊旋淬法甩带制成厚度为80μm的薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构，见图1上曲线；从连续加热的DSC晶化曲线中，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应，见图2上曲线，样品的初始晶化温度降低为482K。该样品的晶化曲线中出现了两个放热峰，即晶化过程是两步完成的，这与之前的几个样品的晶化过程不同，第二晶化峰的初始温度为562K。

实例5

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al78.4％、Li5.88％、Ca6.86％、Ni6.86％、La2％。利用单辊旋淬法甩带制成厚度为100μm的薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构，见图1上曲线；从连续加热的DSC晶化曲线中，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应，见图3上曲线，样品的初始晶化温度为493K。该样品的晶化曲线中出现了两个放热峰，即晶化过程是两步完成的，第二晶化峰的初始温度为508K，两个晶化阶段几乎合并成一个晶化峰。

实例6

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al77.6％、Li5.82％、Ca6.79％、Ni6.79％、La3％。利用单辊旋淬法甩带制成厚度为100μm的薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构，见图1上曲线；从连续加热的DSC晶化曲线中，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应，见图4上曲线，样品的初始晶化温度为533K。该样品的晶化曲线中出现了两个放热峰，即晶化过程是两步完成的，第二晶化峰的初始温度为575K。

实例7

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al78％、Li12％、Ca10％、Ni7％、La3％。利用单辊旋淬法甩带制成薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构；利用DSC加热晶化，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应。

实例8

含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化学成分(原子百分比)为：Al82％、Li12％、Ca10％、Ni7％、La1％。利用单辊旋淬法甩带制成薄带后，样品的X射线衍射谱证实整个试样为非晶态结构；利用DSC加热晶化，没有观察到玻璃转变信号，但可以观察到典型的晶化转变引起的放热反应。

Claims

1.一种含Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于：该非晶合金的化学成分为：以原子百比为Al77％～82％、Li5％～12％、Ca6％～10％、Ni3％～7％、La0％～3％。

2.根据权利要求1所述的Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于，所述化学成分为：以原子百比为Al80％、Li6％、Ca8％、Ni6％。

3.根据权利要求1所述的Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于，所述化学成分为：以原子百比为Al79.2％、Li5.94％、Ca7.92％、Ni5.94％、La1％。

4.根据权利要求1所述的Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于，所述化学成分为：以原子百比为Al78.4％、Li5.88％、Ca7.84％、Ni5.88％、La2％。

5.根据权利要求1所述的Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于，所述化学成分为：以原子百比为Al77.6％、Li5.82％、Ca7.76％、Ni5.82％、La3％。

6.根据权利要求1所述的Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于，所述化学成分为：以原子百比为Al78.4％、Li5.88％、Ca6.86％、Ni6.86％、La2％。

7.根据权利要求1所述的Li和Ca的轻质Al基非晶合金，其特征在于，所述化学成分为：以原子百比为Al77.6％、Li5.82％、Ca6.79％、Ni6.79％、La3％。