CN105568023B - 一种Al6Mn准晶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Al‑Mn准晶的制备方法，它主要是按照原子配比6:1将纯Al粉末和Mn粉末均匀混合装入硬质合金模具中，在液压压片机中加压制得预备块体，将上述预备块体装入氮化硼坩埚中并将预烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于超高压环境中，设定压力控制在3‑5GPa等静压，控制温度加热至700℃‑850℃，保温30‑60min；待温度降至480℃‑580℃，保温1‑3h。本发明工艺简单、能耗低、效率高，制得的准晶含量较高。

Description

一种Al6Mn准晶的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种准晶的制备方法。
背景技术
1984年以色列科学家D.Shechtman首次在甩带急速冷却的Al-Mn合金中发现了二十面体准晶，这是一种全新的晶体学结构：具有长程取向序但无平移周期序(Phys.Rev.Lett.(物理评论快报)53(1984)1951)。迄今为止人们在几百种合金系中发现了准晶存在，其中既包含二十面体准晶，也含有8次、10次、12次和18次旋转对称性的准晶。这种非晶体学的对称元素与经典晶体学理论所要求的布拉菲点阵的平移周期性不相容，因此激发了大量理论和实验研究。研究发现准晶特殊的结构使其具有一些优异的性能，如高硬度、高抗腐蚀性、低摩擦系数、低界面能等。准晶的发现者D.Shechtman也于2011年获得诺贝尔化学奖。作为第一种发现的准晶：Al6Mn一直受研究者所重视。合成准晶是进行结构和性能研究的基础，目前已知的合成Al-Mn体系准晶的其他方法有：甩带急冷法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、离子束辐照、快速高压法(Nature(自然)320(1986)153)和低压凝固法(Script Metall.21(1987)13)等。除后两种方法之外，前几种传统制备Al-Mn体系准晶的方法都耗时较长，并且合成的样品不致密、易产生气孔等缺陷。快速高压法和低压凝固法虽然能克服上述缺点，但根据报道，其中加压仅仅是轴向加压。因此，样品在各个方向受力并不均匀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、高效省时、能合成高质量Al6Mn准晶的制备方法。本发明主要是对纯Al粉末和Mn粉末均匀混合之后进行简单压制成坯，然后用六面顶压机加压加温从而直接制得准晶块体材料。
本发明的技术方案如下：
(1)按照原子配比高纯Al粉：Mn粉＝6:1的比例，将高纯Al粉末和Mn粉末研磨均匀混合之后装入硬质合金模具中，在液压压片机中2-4MPa下加压100-200s，制得预备块体。
(2)将石墨炉管状炉体两端用叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚两端用氮化硼片密封，同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片，然后将上述管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为150-200℃的烘干箱中烘干2-4小时以上备用。
(3)将步骤(1)制得的预备块体装入氮化硼坩埚中并将步骤(2)烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于六面顶压机中，设定压力控制在3-6GPa等静压，控制温度加热至700-850℃，保温30-60min；待温度降至480-580℃，保温1-3h。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、工艺简单、能耗低，只需采用常规高压设备。
2、效率高，不需要对原材料过多的处理就可以直接使用原材料来合成准晶。
3、制得的准晶致密没有气孔，质量性能优良。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的准晶SEM图像
图2为本发明实施例1在图1采样点的EDS能谱成分分析图。
图3为本发明实施例1清洁样品表面后测得XRD图。
图4为本发明实施例1制得的Al6Mn准晶TEM透射电镜5重对称轴方向衍射图。
图5为本发明实施例2制得Al6Mn准晶的SEM扫描图。
图6为本发明实施例3制得Al6Mn准晶的XRD图。
具体实施方式
实施例1
称取高纯Al粉1.1946g，高纯Mn粉0.4052g，将纯Al粉末和Mn粉末放置于研钵中充分研磨混合均匀装于的硬质合金模具中，硬质合金模具内径为Φ10.6mm，在液压压片机中2MPa下加压100s，制得直径为Φ10.6mm厚度为7.6mm的预备块体。
石墨炉为高16.6mm外径Φ14mm内径Φ12.1mm管状炉体，两端用Φ12.06mm厚3.3mm叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚高10mm外径Φ12mm内径Φ10.8mm，两端用直径Φ10.75mm厚1.2mm氮化硼片密封，同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片规格为直径Φ14厚1.6mm。将上述管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为180℃的烘干箱中烘干3小时备用。
将上述预备块体装入氮化硼坩埚中并将上述烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于六面顶压机中，设定压力为3GPa等静压，温度加热至810℃，保温30min；待温度降至560℃，保温2h。
保温结束后直接断开电流停止加热，取出准晶块体对其进行表面清洁处理。首先对准晶进行SEM扫描电镜观察同时进行EDS能谱测试分析成分，如图1和图2所示，图1可观察到明显的五边形生长形貌，对应图1中所取监测区域，从图2结果可知Al和Mn的原子比约为6：1，因此基本可以确定块体样品为Al6Mn。
对准晶进行XRD扫描测试，确定成分。如图3所示，可以看到尖锐的Al6Mn 衍射峰。
对准晶进行透射电镜衍射花样观察，确定准晶合成。如图4所示，可以看到准晶所具有的典型五重对称衍射花样。
实施例2
称取高纯Al粉1.3141g，高纯Mn粉0.4457g，将纯Al粉末和Mn粉末放置于研钵中充分研磨混合均匀装于的硬质合金模具中，硬质合金模具内径为Φ10.6mm，在液压压片机中4MPa下加压200s，制得直径为Φ10.6mm厚度为8.2mm的预备块体。
石墨炉为高16.6mm外径Φ14mm内径Φ12.1mm管状炉体，两端用Φ12.06mm厚3.3mm叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚高10mm外径Φ12mm内径Φ10.8mm，两端用直径Φ10.75mm厚1.2mm氮化硼片密封，同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片规格为直径Φ14厚1.6mm。将上述管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为150℃的烘干箱中烘干4小时备用。
将上述预备块体装入氮化硼坩埚中并将上述烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于八面顶压机中，设定压力为6GPa等静压，温度加热至700℃，保温60min；待温度降至480℃，保温3h。
如图5所示，可以看到生长于基体上的准晶颗粒，图中可以观察到一些灰色的小尺寸空洞，这种现象在其他准晶的生长过程中也被其他研究组发现过。此外,衍射图谱、扫描电镜和透射电镜结果与实施例1基本一致。
实施例3
称取高纯Al粉1.0751g，高纯Mn粉0.3647g，将纯Al粉末和Mn粉末放置于研钵中充分研磨混合均匀装于的硬质合金模具中，硬质合金模具内径为 Φ10.6mm，在液压压片机中3MPa下加压180s，制得直径为Φ10.6mm厚度为6.8mm的预备块体。
石墨炉为高16.6mm外径Φ14mm内径Φ12.1mm管状炉体，两端用Φ12.06mm厚3.3mm叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚高10mm外径Φ12mm内径Φ10.8mm，两端用直径Φ10.75mm厚1.2mm氮化硼片密封，同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片规格为直径Φ14厚1.6mm。将上述管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为200℃的烘干箱中烘干2小时备用。
将上述预备块体装入氮化硼坩埚中并将上述烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于八面顶压机中，设定压力为5GPa等静压，温度加热至850℃，保温40min；待温度降至580℃，保温1h。
如图6所示，可以看到准晶体衍射峰，且该衍射峰对应Al6Mn衍射峰,扫描和透射电镜结果与实施例1基本一致。

Claims (1)

1.一种Al-Mn准晶的制备方法，，其特征在于：
(1)按照原子配比高纯Al粉：高纯Mn粉＝6:1的比例，将高纯Al粉末和高纯Mn粉末研磨均匀混合之后装入硬质合金模具中，在液压压片机中2-4MPa下加压100-200s，制得预备块体；
(2)将石墨炉管状炉体两端用叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚两端用氮化硼片密封，同时石墨炉两端包裹导电用的石墨片，然后将上述管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为180℃的烘干箱中烘干3小时以上备用；
(3)将步骤(1)制得的预备块体装入氮化硼坩埚中并将步骤(2)烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于六面顶压机中，设定压力控制在3-5GPa等静压，或置于八面顶和具有八个以上顶锤的可产生超高压的压机时，压力调整至5-25GPa，控制温度加热至700-850℃，保温30-60min；待温度降至480-580℃，保温1-3h。
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