CN104178707A - 一种Al-Ni-Er-Co-La铝基非晶合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶合金材料及其制备方法，属于有色金属技术领域。所述合金材料中各组分的摩尔原子含量百分比为：Al：80-90％，Ni：1-8％，Co：0.5-3％，La：0.5-3％，Er：1-6％。所述合金材料的制备方法，以金属Al、Ni、Co、La、Er为合金元素，通过铜模真空喷铸方式制备的Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金。所述合金材料具有非晶形成能力强、抗压强度高，塑性良好，成分成本低，并且制备方法简单，在新型轻质结构材料领域具有广阔的应用前景。

Description

一种Al-Ni-Er-Co-La铝基非晶合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶合金材料及其制备方法，属于有色金属技术领域。

背景技术

铝合金在日常的生产和生活中有着广泛的应用，尤其是近些年来随着社会日益依赖的矿石能源的枯竭和由CO₂引起的全球范围内“温室”效应的加剧，人们环保节能减排意识日益增强，因此对汽车、飞机、轮船、卫星等运载工具轻型化提出了迫切的要求，这使得低密度、高强度轻质铝合金的研究和开发出现了一个高潮。作为一种新型的铝合金，铝基非晶合金自20世纪90年代出现以来就以其高的比强度，良好的耐蚀性和优异的耐磨性能受到科研人员的广泛关注。研究表明，含Al原子百分比为84～86％的非晶合金，其抗拉强度强度可达1000MPa，超过晶体材料中的超高强铝合金700MPa的数量级，是一般传统铝合金抗拉强度的2～4倍。

然而在惊诧于铝基非晶合金优异性能的同时，科研人员也发现铝基非晶合金仍然存在一些不可回避的问题——脆性问题和尺寸问题。首先，铝基非晶合金与多数其他体系非晶合金一样，在变形过程中表现出明显的脆性，应变量为2％左右时即发生脆性断裂。其次，铝基非晶合金的临界尺寸基本都在微米级别，只能制备成条带和丝状样品。衡量非晶形成能力最直接的方法之一是测量非晶合金的临界尺寸(厚度或直径)。非晶合金的临界尺寸越大，也就意味着该合金的非晶形成能力越强。尺寸无法突破则意味着铝基非晶合金在实际工程应用受到严重的制约。近年来，研究人员尝试了很多提高非晶合金玻璃形成能力的方法，如微合金化，寻找深共晶点等，这些对多数具有强玻璃形成能力的非晶合金的成分设计具有一定的指导意义，然而并不适用于铝基非晶合金。因此，提高铝基非晶的玻璃形成能力和临界尺寸，改善铝基非晶塑性变形能力是是目前亟待解决的重点问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有非晶形成能力良好，抗压强度高和塑性良好的Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶合金材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金材料，所述合金材料中各组分的摩尔原子含量百分比如下：

Al：80-90％，

Ni：1-8％，

Co：0.5-3％，

La：0.5-3％，

Er：1-6％。

本发明的一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：配料

将金属Al、Ni、Co、La、Er进行氧化皮脱离和清洗后，将下述原子含量百分比换算为质量百分比后进行配料并混合，得到母合金原料；

Al：80-90％，

Ni：1-8％，

Co：0.5-3％，

La：0.5-3％，

Er：1-6％；

第二步：制备母合金

在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第一步配好的母合金原料采用电弧熔炼3～6次以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却至室温，得到熔炼均匀的母合金；

第三步：喷铸制得非晶合金

将第二步制得的母合金进行氧化皮脱离处理并清洗后，在真空度低于2.5×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1100-1400K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到内径小于1mm的铜模内，自然冷却至室温，得到非晶合金样品。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金，合金成分成本低，制备方法简单，可以采用工业纯金属Al、Ni、Co、Er和La作为原料。

(2)本发明提出的一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金，非晶形成临界尺寸为1mm，远高于传统Al基非晶合金的100～800μm的非晶形成临界尺寸范围。

(3)本发明提出的一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金，抗压强度高达1525MPa，将铝基非晶合金的强度提高了30％，是一般传统铝合金强度的3～6倍。

(4)本发明提出的一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金，断裂应变量高达8％，具有良好的塑性变形能力，使其在形成轻质铝合金材料领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金XRD图谱分析结果图；

图2本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金的TEM照片；

图3本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金的电子衍射花样图；

图4本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金的HRTEM照片；

图5本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金的DSC曲线分析结果图；

图6本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金工程应力-应变曲线；

图7本发明实施例2得到的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金压缩试验后样品的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明。

实施例1：Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁圆锥形非晶合金的制备

1)选用市售纯Al、Ni、Er、Co、La金属块体作原料，先将纯金属块体表面进行氧化皮脱离和超声波表面清洗，按照原子百分比含量Al86％，Ni7％，Er5％，Co1％，La1％，进行配料，使用电子天平称取质量分别为Al24.6494g，Ni4.3649g，Er8.8839g，Co0.6260g，La1.4756g之后将合金块混合；

2)在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第1)步配好的母合金原料采用电弧熔炼6次，以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却至室温，制备得到熔炼均匀的母合金；

3)将第2)步制得的母合金经表面机械打磨和清洗后，在真空度为2.3×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1400K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射进内腔为长度33mm、内径由0～3mm过渡的圆锥形的铜模中，自然冷却至室温，制得圆锥状非晶合金，熔体喷射压力为0.03MPa。

按照上述方法制备的圆锥形合金试样可以准确的定位得到非晶与晶体的分界线，进而确定该非晶合金的临界形成尺寸。通过对试样抛光和腐蚀后，经金相显微镜观察可以发现圆锥状试样纵截面方向非晶与晶体分界线长度为1mm，也就是说从试样圆锥尖端到圆锥直径为1mm处都为非晶成分，即尺寸小于1mm都可以形成非晶，而尺寸大于1mm部分则形成晶体，进而确定该组分Al基非晶形成临界尺寸为1mm，远高于传统Al基非晶合金的100～800μm的非晶形成临界尺寸范围。

实施例2：Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁非晶合金的制备

1)选用市售纯Al、Ni、Er、Co、La金属块体作原料，先将纯金属块体表面进行氧化皮脱离和超声波表面清洗，按照原子百分比含量Al86％，Ni7％，Er5％，Co1％，La1％，进行配料，使用电子天平称取质量分别为Al24.6494g，Ni4.3649g，Er8.8839g，Co0.6260g，La1.4756g之后将合金块混合；

2)在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第1)步配好的母合金原料采用电弧熔炼6次，以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却至室温，得到熔炼均匀的母合金；

3)将第2)步制得的母合金经表面机械打磨和清洗后，在真空度为2.3×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1400K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射进内腔为长度80mm、内径1mm的圆柱形的铜模中，自然冷却至室温，得到柱状非晶合金，加热重熔和喷铸过程在氩气气氛保护下进行，熔体喷射压力为0.03MPa。

按照上述方法制备的直径为1mm的Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁柱状合金试样经X射线衍射图谱(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、差示扫描量热仪(DSC)和准静态力学压缩测试分析。对于晶体材料而言，XRD图谱特征为具有一组尖锐峰的谱线；而非晶材料而言，XRD图谱则为具有“馒头峰”特征的谱线。通过透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析可知，TEM图像中并无晶体材料中的衬度；HRTEM图像也显示原子为混乱无序状态，而不是晶体材料存在着规则有序的原子排列，并且电子衍射花样也为非晶材料所特有的由几个同心“晕环”组成，每个晕环的边界很模糊。通过XRD、TEM和HRTEM分析可知，Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁样品为非晶合金材料；通过DSC分析，Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁样品晶化温度T_x＝528K，具有很好的热稳定性。通过力学性能测试分析，Al₈₆Ni₇Er₅Co₁La₁柱状样品的抗压强度高达1525MPa，是一般传统铝合金强度的3～6倍；同时断裂应变为8％，显示出明显的应变硬化效应，具有良好的塑性变形能力。

实施例3：Al₈₆Ni₈Er₄Co₁La₁非晶合金的制备

1)选用市售纯Al、Ni、Er、Co、La金属块体作原料，先将纯金属块体表面进行氧化皮脱离和超声波表面清洗，按照原子百分比含量Al86％，Ni8％，Er4％，Co1％，La1％，进行配料，使用电子天平称取质量分别为Al25.3812g，Ni5.1366g，Er7.3181g，Co0.6446g，La1.5193g之后将合金块混合；

2)在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第1)步配好的母合金原料采用电弧熔炼6次，以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却，制备得到熔炼均匀的母合金；

3)将第2)步制得的母合金经表面机械打磨和清洗后，在真空度为2.1×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1200K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射进内腔为长度80mm、内径1mm的圆柱形的铜模中，自然冷却至室温，得到柱状非晶合金，熔体喷射压力为0.02MPa。按照上述方法制备的Al₈₆Ni₈Er₄Co₁La₁合金经XRD、TEM、HRTEM、DSC检测验证是非晶材料。通过力学性能测试分析，Al₈₆Ni₈Er₄Co₁La₁柱状样品的抗压强度高达1488Mpa，同时断裂应变为7.8％，具有优异的力学性能和良好塑性变形能力。

实施例4：Al_86.5Ni₇Er_4.5Co₁La₁非晶合金的制备

1)选用市售纯Al、Ni、Er、Co、La金属块体作原料，先将纯金属块体表面进行氧化皮脱离和超声波表面清洗，按照原子百分比含量Al86.5％，Ni7％，Er4.5％，Co1％，La1％，进行配料，使用电子天平称取质量分别为Al25.2633g，Ni4.4478g，Er8.1473g，Co0.6379g，La1.5035g，之后将合金块混合；

2)在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第1)步配好的母合金原料采用电弧熔炼6次，以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却，制备得到熔炼均匀的母合金；

3)将第2)步制得的母合金经表面机械打磨和清洗后，在真空度为2.2×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1100K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射进内腔为长度80mm、内径1mm的圆柱形的铜模中，自然冷却至室温，得到柱状非晶合金，熔体喷射压力为0.02MPa。按照上述方法制备的Al_86.5Ni₇Er_4.5Co₁La₁合金经XRD、TEM、HRTEM、DSC检测验证是非晶材料。通过力学性能测试分析，Al_86.5Ni₇Er_4.5Co₁La₁柱状样品的抗压强度高达1481Mpa，同时断裂应变为8.2％，具有优异的力学性能和良好塑性变形能力。

实施例5：Al₈₆Ni₇Er_4.5Co₁La_1.5非晶合金的制备

1)选用市售纯Al、Ni、Er、Co、La金属块体作原料，先将纯金属块体表面进行氧化皮脱离和超声波表面清洗，按照原子百分比含量Al86％，Ni7％，Er4.5％，Co1％，La1.5％，进行配料，使用电子天平称取质量分别为Al24.7426g，Ni4.3814g，Er8.0257g，Co0.6284g，La2.2217g，之后将合金块混合；

2)在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第1)步配好的母合金原料采用电弧熔炼6次，以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却，制备得到熔炼均匀的母合金；

3)将第2)步制得的母合金经表面机械打磨和清洗后，在真空度为2.0×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1150K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射进内腔为长度80mm、内径1mm的圆柱形的铜模中，自然冷却至室温，得到柱状非晶合金，熔体喷射压力为0.01MPa。按照上述方法制备的Al₈₆Ni₇Er_4.5Co₁La_1.5合金经XRD、TEM、HRTEM、DSC检测验证是非晶材料。通过力学性能测试分析，Al₈₆Ni₇Er_4.5Co₁La_1.5柱状样品的抗压强度高达1579Mpa，同时断裂应变为7.6％，具有优异的力学性能和良好塑性变形能力。

Claims (2)

1.一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金材料，其特征是：所述合金材料中各组分的摩尔原子含量百分比如下：

Al：80-90％，

Ni：1-8％，

Co：0.5-3％，

La：0.5-3％，

Er：1-6％。

2.一种Al-Ni-Er-Co-La系铝基非晶态合金材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步：配料

将金属Al、Ni、Co、La、Er进行氧化皮脱离和清洗后，将下述原子含量百分比换算为质量百分比后进行配料并混合，得到母合金原料；

Al：80-90％，

Ni：1-8％，

Co：0.5-3％，

La：0.5-3％，

Er：1-6％；

第二步：制备母合金

在以钛为吸氧剂，以氩气为保护气的条件下，将第一步配好的母合金原料采用电弧熔炼3～6次以保证合金成分均匀，然后在氩气气氛保护下自然冷却至室温，得到熔炼均匀的母合金；

第三步：喷铸制得非晶合金

将第二步制得的母合金进行氧化皮脱离处理并清洗后，在真空度低于2.5×10^-3Pa环境条件下充入氩气保护气后，将母合金加热重熔至1100-1400K，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到内径小于1mm的铜模内，自然冷却至室温，得到非晶合金样品。