CN104651758A - 一种高温高强度铝基非晶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，特别是涉及一种高温高强度铝基非晶复合材料及其制备方法。采用纳米晶/非晶复合材料，具有很高的高温强度和热稳定性，其制备过程中合金在塑性变形时诱发动态晶化，使得材料强度和热稳定性进一步提高。本发明克服了单相铝基非晶合金耐高温性能差，容易高温晶化而导致的力学性能降低及脆化的问题，可替代现在的耐热铝合金。

Description

一种高温高强度铝基非晶复合材料及其制备方法
技术领域
 本发明涉及一种高温高强度铝基非晶复合材料及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
汽车工业的迅速发展和不可再生的石油资源逐渐减少的矛盾日趋突出，降低汽车自身的重量越发重要。另一个途径是进一步提高发动机的燃油效率，众所周知，提高发动机耐热温度可提高燃油效率，所以汽车发动机多有铸铁等黑色金属作为发动机用合金材料，但黑色金属密度较高，不利于降低车身重量，因此近年来越来越多的汽车制造商采用铝合金替代铸铁作为发动机用材料。铝合金背身的熔点低，高温容易发生蠕变，导致材料性能失效。因此，只能采用降低发动机工作温度的方法牺牲一部分燃油效率。
1988年美国的Poon研究组和日本的Inoue研究组分别独立发现铝基非晶合金以来，2009年中国学者用直接喷铸法成功制备了尺寸为1mm的铝基非晶合金。铝基非晶合金的拉伸强度可达1500MPa。
铝基非晶合金的热稳定性较差，一般晶化温度在100oC-300oC之间。因此，铝基非晶合金的一般高温力学性能不稳定，且强度比较低。本发明采用高温塑性变形热处理，制备纳米铝/非晶非晶复合材料，具有优异的高温力学性能，在耐热高温铝合金领域具有应用前景。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于提供一种高温高强度铝基非晶复合材料及其制备方法，突破了铝基非晶合金应用的温度限制，该铝基非晶合金的使用温度可达300oC以上，使铝基非晶复合材料作为耐高温铝合金的的应用成为可能。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案实施的：
一种高温高强度铝基非晶复合材料，其特征在于：该铝基非晶复合材料由下述元素组成按原子百分比计：过渡族金属元素2-10%，稀土元素2-10%，Al余量。
过渡族金属元素为Fe、Co、Ni中的一种或多种；稀土元素为Y、Ce、La中的一种或多种。
所述非晶复合材料的组成元素纯度分别为Al及过渡族金属元素> 99.9%，稀土元素> 99%。
一种如上所述高温高强度铝基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：制备方法步骤如下：
（1）母合金的熔炼，过渡族金属元素，稀土元素和铝采用电弧炉或电感应炉熔炼母合金，熔炼过程先抽真空，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼；
（2）熔炼的母合金，采用铜模浇铸或熔体急冷甩带的方法制备块体或条带非晶样品或部分非晶样品；
（3）动态热塑性变形处理，温度在100℃-400℃，采用压缩、拉伸或热挤压方式，在空气、真空或惰性气体保护气氛中进行，拉伸处理应变大于3%，压缩处理压缩变形率大于3%，热挤压处理挤压比在1.2以上。
制备过程中，需要高温塑性变形使非晶合金发生动态晶化，形成纳米铝/非晶复合材料。
步骤（3）中塑性变形过程应变速率小于5×10-2。
步骤（2）中合金为完全非晶或部分非晶。
优点和效果：
现在耐热铝合金一般为时效强化铝合金，随温度升高其晶粒长大，高温力学性能迅速降低。本发明采用非晶及纳米复合材料，塑形变形过程是其析出大量的纳米铝晶体，且铝晶粒不宜长大，有较高的热稳定性，高温力学性能显著提高，300℃仍保持高的强度。
附图说明
图1 采用该方法制备的条带Al88Ni4Y8非晶复合材料不同温度的拉伸强度图；
图2采用该方法制备的条带Al88Ni4Y8非晶复合材料不同温度的工程应力-应变曲线图，图2（a）100℃，图2（b）300℃。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明：
本发明提出了一种高温高强度铝基非晶复合材料，其特征在于：该铝基非晶合金由下述元素组成（原子百分比）：过渡族金属元素（Fe、Co、Ni ）2-10%，稀土元素（Y、Ce、La）2-10%，Al余量。
过渡族金属元素为Fe、Co、Ni中的一种或多种；稀土元素为Y、Ce、La中的一种或多种。
所述非晶复合材料的组成元素纯度分别为Al及过度金属元素均> 99.9%，稀土元素> 99%。
一种如上所述高温高强度铝基非晶复合材料的制备方法，该方法步骤如下：
（1）母合金的熔炼，将上述过渡族金属元素、稀土元素和铝采用电弧炉或电感应炉熔炼母合金，熔炼过程先抽真空，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼；
（2）熔炼的母合金，采用铜模浇铸（喷铸或吸铸方式）或熔体急冷甩带的方法制备块体或条带非晶样品或部分非晶样品；
（3）动态热塑性变形处理，温度在100℃-400℃，采用压缩、拉伸或热挤压方式，可在空气、真空或惰性气体保护气氛中进行，拉伸处理应变大于3%，压缩处理压缩变形率大于3%，热挤压处理挤压比在1.2以上。
铜模浇铸制备块体或熔体急冷制备条带为单相非晶合金或含有一定量纳米铝晶体的非晶材料。
其制备过程中，需要高温塑性变形使非晶合金发生动态晶化，形成纳米铝/非晶复合材料。
步骤（3）中塑性变形过程应变速率小于5×10-2。
步骤（3）中高温塑性变形方式为拉伸塑性变形、压缩塑性变形或热挤压塑性变形，拉伸变形应变不小于3%，压缩变形应变不小于3%，热挤压变形处理挤压比在1.2以上。
步骤（2）中合金组织为完全非晶或部分非晶。
热挤压过样品发生动态晶化，晶化类型为初晶型晶化，晶化产物为纳米铝/非晶复合材料，也可含有少量其他金属间化合物，动态晶产物使复合材料中的纳米铝相含量显著增多。
实施例1
按比例配置Al88Ni4Y8合金，采用电弧熔炼方法制备母合金，1000℃重熔母合金，进行熔体急冷方法甩带，滚速控制在30m/s，制备条带厚度为20-40μm，经XRD、TEM等验证，样品为完全非晶态。
在200oC做均匀拉伸变形处理，应变为5%，冷却至室温，将所获的样品进行高温拉伸测试，样品在不同温度强度如图1所示。典型的应力应变曲线（100℃和300℃）如图2所示。
实施例2
按比例配置Al86Ni7Y4.5Co1La1.5合金，采用电弧熔炼方法制备母合金，1050℃重熔母合金，采用铜模铸造法制备Φ1.5mm，长度为10mm棒状样品，经XRD、TEM等验证，样品为部分非晶态，即纳米铝非晶复合材料。
在250℃做均匀压缩变形处理，应变为10%，冷却至室温，将所获的样品进行高温拉伸测试，样品在不同温度均获得高的力学性能。
实施例3
按比例配置Al88Ni2YLa10合金，采用电弧熔炼方法制备母合金，1000℃重熔母合金，进行熔体急冷方法甩带，滚速控制在35m/s，制备条带厚度为20-40μm，经XRD、TEM等验证，样品为部分非晶态。
在100℃做均匀拉伸变形处理，应变为3%，冷却至室温，获耐热高性能非晶复合材料。
实施例4
按比例配置Al88Fe10Y2合金，采用电弧熔炼方法制备母合金，1000℃重熔母合金，进行熔体急冷方法甩带，滚速控制在35m/s，制备条带厚度为20-40μm，经XRD、TEM等验证，样品为部分非晶态。
在400℃做均匀拉伸变形处理，应变为5%，冷却至室温，获耐热高性能非晶复合材料。
实施例5
按比例配置Al87Co8Ce5合金，其它条件同实施例1。
实施例6
按比例配置Al89Fe4Ni1Y4.5Ce1.5合金，其它条件同实施例2。
实施例7
按比例配置Al88Fe6Co1Ce1.5La3.5合金，其它条件同实施例2。
实施例8
按比例配置Al86Fe5Ni2Co1Y3Ce1La2合金，其它条件同实施例2。

Claims (7)

1.一种高温高强度铝基非晶复合材料，其特征在于：该铝基非晶复合材料由下述元素组成按原子百分比计：过渡族金属元素2-10%，稀土元素2-10%，Al余量。
2.根据权利要求1所述的高温高强度铝基非晶复合材料，其特征在于：过渡族金属元素为Fe、Co、Ni中的一种或多种；稀土元素为Y、Ce、La中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高温高强度铝基非晶复合材料，其特征在于：所述非晶复合材料的组成元素纯度分别为Al及过渡族金属元素> 99.9%，稀土元素> 99%。
4.一种如权利要求1所述高温高强度铝基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：制备方法步骤如下：
（1）母合金的熔炼，过渡族金属元素，稀土元素和铝采用电弧炉或电感应炉熔炼母合金，熔炼过程先抽真空，然后采用惰性气体或氮气保护熔炼；
（2）熔炼的母合金，采用铜模浇铸或熔体急冷甩带的方法制备块体或条带非晶样品或部分非晶样品；
（3）动态热塑性变形处理，温度在100℃-400℃，采用压缩、拉伸或热挤压方式，在空气、真空或惰性气体保护气氛中进行，拉伸处理应变大于3%，压缩处理压缩变形率大于3%，热挤压处理挤压比在1.2以上。
5.根据权利要求4所述的高温高强度铝基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：制备过程中，需要高温塑性变形使非晶合金发生动态晶化，形成纳米铝/非晶复合材料。
6.根据权利要求4所述的高温高强度铝基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中塑性变形过程应变速率小于5×10-2。
7.根据权利要求4所述的高温高强度铝基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中合金为完全非晶或部分非晶。
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