CN105256260B - 一种提高铝基非晶合金强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种通过添加第二相非晶颗粒提高铝基非晶合金强度的方法，属于非晶材料领域。所述方法步骤：将Al、Ni、Er、Co和La金属块体配成原始材料，在真空下，氩气作为保护气体，进行合金化熔炼，得到Al‑Ni‑Er‑Co‑La非晶合金的母合金锭；将得到的母合金锭进行雾化，筛选得到粒径为20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；将Fe、Si和B或Zr、Cu和Ti或Ti、Fe和Ni粉末装入球磨罐，在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入甲苯，封罐后从手套箱中取出进行球磨，得到第二相非晶颗粒粉末；将得到的铝基非晶合金粉末和第二相非晶颗粒粉末进行球磨混合后，装入硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术进行烧结，得到第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金。

Description

一种提高铝基非晶合金强度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高非晶材料强度的方法，特别涉及一种提高铝基非晶合金强度的方法，属于非晶材料领域。

背景技术

铝基非晶合金由于具有密度低、强度高的特点，受到了广大科研工作者的极大关注。研究表明，含铝原子百分数为84～86%的非晶合金，其拉伸强度要远远超过传统铝合金的抗拉强度（约600MPa）。

由于铝基非晶合金的非晶形成能力低，利用快速凝固技术获得非晶试样的最大尺寸仅为1mm，远不能满足应用需求，而粉末冶金技术为制备大块铝基非晶合金提供了新的途径。放电等离子烧结（SPS）具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等特点，非常适合非晶合金粉末的烧结，可用来进一步突破非晶合金的尺寸限制，制备出相对密度高的块体非晶合金。目前，通过放电等离子烧结技术可以制备出大尺寸的铝基非晶合金，但是放电等离子烧结技术制备铝基非晶合金的温度很难控制，烧结温度过低，铝基非晶合金不容易致密；而烧结温度过高，铝基非晶合金容易发生晶化现象，从而使制备得到的铝基非晶合金的强度较低。

发明内容

针对利用放电等离子烧结技术制备的铝基非晶合金强度较低的问题，本发明的目的在于提供一种提高铝基非晶合金强度的方法，所述方法通过放电等离子烧结技术获得第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金，所述方法最高能够使铝基非晶合金的强度提高66%；所述方法具有操作简单、耗费时间少、成本低、重复性好的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种提高铝基非晶合金强度的方法，所述方法步骤如下：

步骤1.将纯度≥99.9%的Al、Ni、Er、Co和La金属块体按摩尔比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度2.5×10^-3～8.0×10^-4Pa下，以氩气作为保护气体，并在搅拌下熔炼6～10min，得到合金液；将合金液随炉冷却，得到合金锭；将得到的合金锭翻转，重复熔炼4次以上，得到Al-Ni-Er-Co-La非晶合金的母合金锭；将得到的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中，在过热度为100～200℃，雾化气压8～10MPa条件下进行雾化，并对雾化后的粉末颗粒粒径进行筛选，得到粒径为20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；

步骤2.将Fe、Si和B粉末按原子百分比92:3:5或Zr、Cu和Ti金属粉末按照原子百分比50:40:10或Ti、Fe和Ni金属粉末按照原子百分比50:25:25装入球磨罐中，球料比为10～20:1；在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入甲苯作为工程控制剂，并封罐；从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，球磨转速为600～800r/min，球磨时间为20～30h，得到第二相非晶颗粒粉末；

步骤3.将步骤1得到的铝基非晶合金粉末和步骤2得到的第二相非晶颗粒粉末按质量比1:0.66～1.5装入球磨罐中，并在Ar气氛的手套箱中封罐，从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，不加球磨介质，在球磨机转速为600～800r/min下混合8～10h后，得到铝基非晶合金/第二相非晶颗粒混合粉末；

步骤4.将步骤3得到的铝基非晶合金/第二相非晶颗粒混合粉末装入硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术，在升温速率为50～100℃/min，烧结温度为500～520℃，压强为50～150MPa下进行烧结，保温1～3min后降到室温，得到第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金；

其中，甲苯在Fe、Si和B粉末或Zr、Cu和Ti金属粉末或Ti、Fe和Ni金属粉末中的含量为2～4mL/g。

所述Zr、Cu、Fe、Ni、Ti、Si、B粉末纯度≥99.5%，粒径≤50μm。

所述第二相非晶颗粒优选机械合金化制备的Fe-Si-B。

有益效果：

（1）利用本发明所述方法得到的第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金，其相对密度≥98%，通过准静态压缩试验发现其抗压强度≥1100Mpa，与未添加第二相非晶颗粒的铝基非晶合金相比，强度最高可提升66%。

（2）本发明所述方法中第二相非晶颗粒采用机械合金化球磨制得，得到的非晶粉末形状极不规则，具有较高的表面活性；而通过氩气雾化法制备得到的铝基非晶合金粉末为球形，表面几乎无氧化现象，这两种粉末按照一定质量分数混合后具有较好的烧结性能；放电等离子烧结过程中，采用硬质合金模具代替传统的石墨模具，可提高烧结时的压强，有利于提高烧结试样的相对密度。

（3）本发明所述方法关键是控制放电等离子烧结的烧结温度，为保证铝基非晶合金的高致密性，选择500～520℃的烧结温度；在此烧结温度下，虽然铝基非晶会发生晶化，但是加入的第二相非晶颗粒晶化温度均高于500℃且自身的强度较高，从而使制备的铝基非晶合金具有良好的致密性和较高的强度。

（4）本发明所述方法操作简单、耗费时间少、成本低、重复性好。

附图说明

图1为实施例1制备的Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金的X射线衍射（XRD）图。

图2为实施例1制备的Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金的低倍扫描电子显微镜（SEM）图。

图3为实施例1制备的Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金的高倍扫描电子显微镜（SEM）图。

图4为实施例1制备的Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金的应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述。

以下实施例中：

所用仪器设备：

球磨机：SPEX8000D，高能球磨机，美国；

电弧熔炼炉：DHL-400，高真空非自耗电弧熔炼炉，中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司；

真空金属雾化制粉炉：自制真空金属雾化制粉炉，能够制备出具有较好球形度的金属合金粉末；

放电等离子烧结炉：Model 1050，日本Sumitomo Coal Mining；

硬质合金模具：型号YG15硬质合金模具。

对所制备的第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金进行的表征：

（1）物相分析：采用德国Bruker AXS公司D8advance X射线衍射仪进行物相分析，工作电压和电流分别为40KV和40mA，X射线源为CuKα（λ=0.1542nm）射线，扫描速度为0.2sec/step，扫描步长为0.02°/step；

（2）形貌表征：采用日本日立公司的HITACHI S4800型冷场发射扫描电子显微镜进行微观形貌表征，二次电子成像，工作电压为15kV；

（3）准静态压缩试验：采用CMT4305型微机电子万能试验机进行室温轴向准静态压缩试验，测试试样依据金属材料室温压缩试验方法GB-T 7314-2005中的有关规定制成直径为4mm、高度4mm的圆柱形试样，测试所采用的试验机应变率为10^-3s^-1，测得试样的抗压强度；

（4）相对密度测试：利用阿基米德排水法测得试样的相对密度；

未添加第二相非晶颗粒的铝基非晶合金的制备：除了不添加第二相非晶颗粒，与第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金的制备方法、参数相同。

实施例1

（1）将纯度≥99.9%的Al、Ni、Er、Co和La金属块体按摩尔比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度2.5×10^-3Pa下，以氩气作为保护气体，并在搅拌下熔炼10min，得到合金液；将合金液随炉冷却，得到合金锭；将得到的合金锭翻转，重复熔炼4次，得到Al-Ni-Er-Co-La非晶合金的母合金锭；将制备好的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中，在过热度为200℃，雾化气压9MPa条件下进行雾化，利用振动筛分机获得粒径分布在20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；

（2）将纯度≥99.5%，粒径≤50μm的3g Fe、Si和B混合粉末，装入球磨罐中，其中Fe、Si和B的原子百分比为92:3:5，球料比为10:1，在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入6ml甲苯，并封罐；从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，在600r/min的转速下球磨25h，得到Fe-Si-B非晶颗粒粉末；

（3）将步骤（1）得到的铝基非晶合金粉末和步骤（2）得到的Fe-Si-B非晶颗粒粉末按照1:1的质量比装入球磨罐中，并在Ar气氛的手套箱中封罐，从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，不加球磨介质，在球磨机转速为600r/min下混合10h后得到铝基非晶合金/Fe-Si-B非晶颗粒混合粉末；

（4）将步骤（3）得到的铝基非晶合金/Fe-Si-B非晶颗粒混合粉末装入YG15硬质合金模具中，然后利用放电等离子烧结技术，在升温速率为50℃/min，烧结温度为520℃，压强为150MPa下进行烧结，保温1min，然后降到室温，得到Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金。

对本实施例制备得到的Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金进行的表征如下：

图1为所制备的铝基非晶合金的XRD图谱，其中α-Al、Al₁₇Er₂和AlErNi₄是制备过程中铝基非晶发生晶化现象而产生的晶化相，Fe₃Si为铁基非晶发生晶化现象而产生的晶化相。图2和图3为所制备的铝基非晶合金在不同放大倍数下的SEM图，可以看到材料组织结构为明显的两相，Al基非晶合金基体相和Fe-Si-B非晶颗粒，其中Al基非晶合金几乎完全致密化且晶化严重，而Fe-Si-B非晶颗粒仍然保持不规则状，两相界面结合良好。从图3高倍SEM图中，可以发现在两相之间存在明显的过渡层，厚度约为5μm。从过渡层的能谱线扫描结果中可以看出在过渡层中明显存在铝原子和铁原子的扩散。利用阿基米德排水法测得铝基非晶合金的相对密度为98.6%。图4为所制备的Al基非晶合金的应力应变曲线，可知所述铝基非晶合金的抗压强度达到1285MPa，而未添加第二相非晶颗粒的铝基非晶合金的强度为758MPa，所述方法能够使铝基非晶合金的强度提高66%。

实施例2

（1）将纯度≥99.9%的Al、Ni、Er、Co和La金属块体按摩尔比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度1.0×10^-3Pa下，以氩气作为保护气体，并在搅拌下熔炼8min，得到合金液；将合金液随炉冷却，得到合金锭；将得到的合金锭翻转，重复熔炼4次，得到Al-Ni-Er-Co-La非晶合金的母合金锭；将制备好的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中，在过热度为150℃，雾化气压10MPa条件下进行雾化，利用振动筛分机获得粒径分布在20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；

（2）将纯度≥99.5%，粒径≤50μm的3g Fe、Si和B混合粉末装入球磨罐中，其中Fe、Si和B的原子百分比为92:3:5，球料比为15:1，在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入10ml甲苯，并封罐；从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，在600r/min的转速下球磨20h，得到Fe-Si-B非晶颗粒粉末；

（3）将步骤（1）得到的铝基非晶合金粉末和步骤（2）得到的Fe-Si-B非晶颗粒粉末按照1:0.66的质量比装入球磨罐中，并在Ar气氛的手套箱中封罐，从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，不加球磨介质，在球磨机转速为600r/min下混合8h后得到铝基非晶合金/Fe-Si-B非晶颗粒混合粉末；

（4）将步骤（3）得到的铝基非晶合金/Fe-Si-B非晶颗粒混合粉末装入YG15硬质合金模具中，然后利用放电等离子烧结技术，在升温速率为100℃/min，烧结温度为510℃，压强为50MPa下进行烧结，保温2min，然后降到室温，得到Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金。

对本实施例制备得到的Fe-Si-B非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金进行的表征如下：

由所制备的铝基非晶合金的XRD图谱可知，其中α-Al、Al₁₇Er₂和AlErNi₄是制备过程中铝基非晶发生晶化现象而产生的晶化相，Fe₃Si为铁基非晶发生晶化现象而产生的晶化相。根据铝基非晶合金的SEM图可知，材料组织结构为明显的两相，Al基非晶合金基体相和Fe-Si-B非晶颗粒，其中Al基非晶合金几乎完全致密化且晶化严重，而Fe-Si-B非晶颗粒仍然保持不规则状，两相界面结合良好。从高倍SEM图中，可以发现在两相之间存在明显的过渡层，厚度约为5μm。从两相及过渡层的能谱线扫描结果中可以看出在过渡层中明显存在铝原子和铁原子的扩散。利用阿基米德排水法测得铝基非晶合金的相对密度为98.4%。通过准静态压缩试验可知所述铝基非晶合金的抗压强度为1250MPa，而未添加第二相非晶颗粒的铝基非晶合金的强度为756MPa，所述方法能够使铝基非晶合金的强度提高65%。

实施例3

（1）将纯度≥99.9%的Al、Ni、Er、Co和La金属块体按摩尔比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度8.0×10^-4Pa下，以氩气作为保护气体，并在搅拌下熔炼6min，得到合金液；将合金液随炉冷却，得到合金锭；将得到的合金锭翻转，重复熔炼4次，得到Al-Ni-Er-Co-La非晶合金的母合金锭；将制备好的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中，在过热度为150℃，雾化气压8MPa条件下进行雾化，利用振动筛分机获得粒径分布在20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；

（2）将纯度≥99.5%，粒径≤50μm的3g Zr、Cu和Ti混合粉末装入球磨罐中，其中Zr、Cu和Ti的原子百分比50:40:10，球料比为10:1，在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入8ml甲苯，并封罐；从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，在600r/min的转速下球磨30h，得到Zr-Cu-Ti非晶颗粒粉末；

（3）将步骤（1）得到的铝基非晶合金粉末和步骤（2）得到的Zr-Cu-Ti非晶颗粒粉末按照1:1.5的质量比装入球磨罐中，并在Ar气氛的手套箱中封罐，从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，不加球磨介质，在球磨机转速为600r/min下混合10h后得到铝基非晶合金/Zr-Cu-Ti非晶颗粒混合粉末；

（4）将步骤（3）得到的铝基非晶合金/Zr-Cu-Ti非晶颗粒混合粉末装入YG15硬质合金模具中，然后利用放电等离子烧结技术，在升温速率为75℃/min，烧结温度为520℃，压强为150MPa下进行烧结，保温1min，然后降到室温，得到Zr-Cu-Ti非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金。

对本实施例制备得到的Zr-Cu-Ti非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金进行的表征如下：

由所制备的铝基非晶合金的XRD图谱可知，其中α-Al、Al₁₇Er₂和AlErNi₄是制备过程中铝基非晶发生晶化现象而产生的晶化相，Zr₂Cu、CuTi₂为锆基非晶发生晶化现象而产生的晶化相。根据铝基非晶合金的SEM图可知，材料组织结构为明显的两相，Al基非晶合金基体相和Zr-Cu-Ti非晶颗粒，其中Al基非晶合金几乎完全致密化且晶化严重，而Zr-Cu-Ti非晶颗粒仍然保持不规则状，两相界面结合良好。从高倍SEM图中，可以发现在两相之间存在明显的过渡层，厚度约为5μm。从两相及过渡层的能谱线扫描结果中可以看出在过渡层中明显存在铝原子和铜原子的扩散。利用阿基米德排水法测得铝基非晶合金的相对密度为98.1%。通过准静态压缩试验可知所述铝基非晶合金的抗压强度为1128MPa，而未添加第二相非晶颗粒的铝基非晶合金的强度为767MPa，所述方法能够使铝基非晶合金的强度提高47%。

实施例4

（1）将纯度≥99.9%的Al、Ni、Er、Co和La金属块体按摩尔比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度2.5×10^-3Pa下，以氩气作为保护气体，并在搅拌下熔炼8min，得到合金液；将合金液随炉冷却，得到合金锭；将得到的合金锭翻转，重复熔炼4次，得到Al-Ni-Er-Co-La非晶合金的母合金锭；将制备好的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中，在过热度为100℃，雾化气压9MPa条件下进行雾化，利用振动筛分机获得粒径分布在20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；

（2）将纯度≥99.5%，粒径≤50μm的3g Ti、Fe和Ni混合粉末装入球磨罐中，其中Ti、Fe和Ni的原子百分比为50:25:25，球料比为20:1，在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入10ml甲苯，并封罐；从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，在600r/min的转速下球磨30h，得到Ti-Fe-Ni非晶颗粒粉末；

（3）将步骤（1）得到的铝基非晶合金粉末和步骤（2）得到的Ti-Fe-Ni非晶颗粒粉末按照1:1的质量比装入球磨罐中，并在Ar气氛的手套箱中封罐，从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，不加球磨介质，在球磨机转速为600r/min下混合9h后得到铝基非晶合金/Ti-Fe-Ni非晶颗粒混合粉末；

（4）将步骤（3）得到的铝基非晶合金/Ti-Fe-Ni非晶颗粒混合粉末装入YG15硬质合金模具中，然后利用放电等离子烧结技术，在升温速率为50℃/min，烧结温度为500℃，压强为100MPa下进行烧结，保温3min，然后降到室温，得到Ti-Fe-Ni非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金。

对本实施例制备得到的Ti-Fe-Ni非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金进行的表征如下：

由所制备的铝基非晶合金的XRD图谱可知，其中α-Al、Al₁₇Er₂和AlErNi₄是制备过程中铝基非晶发生晶化现象而产生的晶化相，β-Ti、TiFe₂为钛基非晶发生晶化现象而产生的晶化相。根据铝基非晶合金的SEM图可知，材料组织结构为明显的两相，Al基非晶合金基体相和Ti-Fe-Ni非晶颗粒，其中Al基非晶合金几乎完全致密化且晶化严重，而Ti-Fe-Ni非晶颗粒仍然保持不规则状，两相界面结合良好。从高倍SEM图中，可以发现在两相之间存在明显的过渡层，厚度约为5μm。从两相及过渡层的能谱线扫描结果中可以看出在过渡层中明显存在铝原子和铁原子的扩散。利用阿基米德排水法测得铝基非晶合金的相对密度为98.5%。通过准静态压缩试验可知所述铝基非晶合金的抗压强度为1183MPa，而未添加第二相非晶颗粒的铝基非晶合金的强度为746MPa，所述方法能够使铝基非晶合金的强度提高58%。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高铝基非晶合金强度的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤1.将纯度≥99.9％的Al、Ni、Er、Co和La金属块体按摩尔比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度2.5×10^-3～8.0×10^-4Pa下，以氩气作为保护气体，并在搅拌下熔炼6～10min，得到合金液；将合金液随炉冷却，得到合金锭；将得到的合金锭翻转，重复熔炼4次以上，得到Al-Ni-Er-Co-La非晶合金的母合金锭；将得到的母合金锭装入真空金属雾化制粉炉中，在过热度为100～200℃，雾化气压8～10MPa条件下进行雾化，并对雾化后的粉末颗粒粒径进行筛选，得到粒径为20～50μm的球形铝基非晶合金粉末；

步骤2.将Fe、Si和B粉末按原子百分比92:3:5或Zr、Cu和Ti金属粉末按照原子百分比50:40:10或Ti、Fe和Ni金属粉末按照原子百分比50:25:25装入球磨罐中，球料比为10～20:1；在Ar气氛的手套箱中向球磨罐中注入甲苯，并封罐；从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，球磨转速为600～800r/min，球磨时间为20～30h，得到第二相非晶颗粒粉末；

步骤3.将步骤1得到的铝基非晶合金粉末和步骤2得到的第二相非晶颗粒粉末按质量比1:0.66～1.5装入球磨罐中，并在Ar气氛的手套箱中封罐，从手套箱中取出球磨罐后装入球磨机中，不加球磨介质，在球磨机转速为600～800r/min下混合8～10h后，得到铝基非晶合金/第二相非晶颗粒混合粉末；

步骤4.将步骤3得到的铝基非晶合金/第二相非晶颗粒混合粉末装入硬质合金模具中，利用放电等离子烧结技术，在升温速率为50～100℃/min，烧结温度为500～520℃，压强为50～150MPa下进行烧结，保温1～3min后降到室温，得到第二相非晶颗粒增强强度的铝基非晶合金；

其中，甲苯在Fe、Si和B粉末或Zr、Cu和Ti金属粉末或Ti、Fe和Ni金属粉末中的含量为2～4mL/g。

2.根据权利要求1所述的一种提高铝基非晶合金强度的方法，其特征在于：所述Zr、Cu、Fe、Ni、Ti、Si、B粉末纯度≥99.5％，粒径≤50μm。

3.根据权利要求1所述的一种提高铝基非晶合金强度的方法，其特征在于：所述第二相非晶颗粒为机械合金化制备的Fe-Si-B。