CN110038899A - 一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法 - Google Patents

一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于累积叠轧制备fcc‑Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，按以下步骤进行：(1)以Al、Ni、Y、Co金属为原料，利用真空电弧熔炼制备不同成分的母合金；（2）选择熔体结构转变后的温度制备非晶薄带；(2)将非晶薄带及铝合金表面清洗后，将非晶薄带分别置于两层铝板之间并铺满，用铆钉铆紧后进行轧制；(4)将轧制复合后的板材沿垂直于轧制方向切成大小相等的两块，再次叠放在一起，不断重复上述过程获得层状复合材料。本发明从制备非晶的熔体结构转变入手，先制备好具有最宽晶化温度的非晶薄带，后续与1060铝累积叠轧获得的层状复合材料力学性能得到很大提高，进而为薄带铝基非晶材料提供了应用前景。

Description

一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料 的方法
技术领域
本发明涉及铝合金复合材料，特别涉及一种通过累积叠轧制备的fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法。
背景技术
近年来，随着航空、航天及交通运输工具轻型化的快速发展，降能节耗，倡导低碳生活已成为时代主题，这使得对高强韧性低密度材料的研究和开发得到了高度重视，如Al基非晶合金材料。当通过合理的制备工艺形成Al基非晶纳米晶复合材料，使得非晶基体上析出适量的纳米尺度fcc-Al颗粒时，不仅可以使材料的强度进一步提高(高达3200MPa)，能堪比陶瓷材料，并且能保持良好的韧性以及高的耐腐蚀性。
非晶部分晶化是制备纳米晶复合材料最快捷有效的方法，但是此方法又严重限制了其尺寸大小。若能作为增强层与韧性层Al合金进行叠加复合，制备出兼具韧性和强度的材料，也就是仿贝壳珍珠层结构的性能优良的层状复合材料，将会拓宽铝基非晶材料的应用。层状复合材料能集各组元相的优异性能，在满足强度基础上，韧性也有很大提高，体现了良好的综合力学性能。制备层状材料方法中成本低、设备简单以及能改善界面结合强度的最好的方法便是累积复合叠轧工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于累积叠轧制备的fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，首先制备具有宽的晶化温度范围的非晶薄带，再将薄带材料置于两块铝板中间铆钉固定，然后在一定的温度及压力下轧制一次后，将试样切割后叠放继续轧制，轧制多道次，制成高强度及高塑性的复合材料。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、以纯度不低于99.9％wt.％的Al、Ni、Y、Co金属按一定的原子比例制备不同成分的合金，放入真空电弧熔炼炉内熔炼得到母合金。
2、利用四电极法测试母合金熔体结构转变区间，选择结构转变后的温度制备非晶薄带。
3、将非晶薄带及铝合金表面丙酮清洗脱脂，酸洗去除氧化皮，将Al86Ni8Y6和Al85Ni5Y8Co2非晶薄带分别置于两层铝板之间并铺满，用铆钉铆紧。为提高界面之间结合力，将两种试样在280-300℃预热5min，压下量为50％。
4、将轧制复合后的板材沿垂直于轧制方向切成大小相等的两块，再次叠放在一起，不断重复上述过程。每道次轧制之前都用钢丝刷对表面进行清洁以保证板材间良好的复合，轧制道次为4道次，获得层状复合材料。
5、对比试样选择76mm×26mm×2mm长方形铝块，中间层无薄带，轧制Al/Al板材4道次，轧制条件同上述过程。
优选地，步骤1制备的非晶为将Al86Ni8Y6和Al85Ni5Y8Co2两种成分。
优选地，步骤1制备非晶薄带时要控制熔体温度。
优选地，上述熔体温度的选择过程如下：(1)真空电弧熔炼母合金后，将母合金破碎，部分置于瓷舟内，在真空管式炉内加热至1673K，测试熔体的电阻率-温度曲线，获得熔体结构转变区间；将另外部分母合金置于石英管中，选择熔体结构转变后的温度，在红外测温仪的监测下，利用真空感应熔炼炉内制备非晶薄带。
优选地，步骤2选择的轧制温度的选择依据是要位于非晶的第一晶化和第二晶化温度区间，使得在轧制过程中无金属间化合物析出。
优选地，步骤2中的铝板是1060铝，其硬度为31.4HV，抗拉强度为70MPa,延伸率为15.5％。
优选地，步骤3中轧制的次数是经过多次比较的，道次是5时材料发生断裂。
优选地，为了突出fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的优势，与同样实验条件下的铝合金层状材料比较力学性能。
本发明所具有的实质性特点和有益效果：
1、本发明首次公开了一种fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的制备方法，其可以将增强层fcc-Al纳米晶非晶复合材料和韧性层铝合金利用累积叠轧的方式制备成复合材料，使得纯铝的抗拉强度从70Mp提高到225Mp,延伸率从15％提高到19.8％，硬度从31.4HV提高到49.4HV，力学性能得到综合提高，制备工艺较简单，经济。
2、本发明从制备非晶的熔体结构转变入手，先制备好具有最宽晶化温度的非晶薄带，为后续层状材料的轧制提供了较大的退火温度区间，进而为薄带铝基非晶材料提供了应用前景。
附图说明
图1是实施例1中的熔体Al85Ni5Y8Co2熔体电阻率-温度曲线
图2是实施例1中fcc-Al增强非晶/铝系层状板4道次后界面的微观照片
图3是实施例1和例2中fcc-Al增强非晶/铝系层状板4道次与Al-Al层状板4道次的应力-应变曲线图
具体实施方式
实施例1：
1、将Al、Ni、Y、Co金属按照Al85Ni5Y8Co2的化学计量比称量，放入真空电弧炉内反复熔炼4次，将母合金锭砸碎，部分置于石英瓷舟内，按一定间距放入石墨四电极，用钨丝引出与恒流源以及纳伏表连接，采用K型热电偶标定温度，上述电极及热电偶采用瓷套隔开防止连接短路影响电流。随后将绑定好的试样置于真空管式电阻炉内，抽真空度至8×10-2Pa，以后充入氩气，将炉温以5K/min的升温速率升至1573K 保温30min,使得金属熔化充满瓷舟底部，凝固成一定形状，随后随炉冷却到室温。取出试样，侵入30℃的水中，去除覆盖剂，随后吹干再置于真空电阻炉内，输入稳定交流电流500mA,按上述步骤升温至1673K，采集温度及电压，获得电流-电压曲线获得熔体结构转变温度区间为1135-1357K，如图1所示。
2、将另外一部分母合金置于石英管内，放入带有红外测温仪的真空甩带炉内。选择结构转变后的温度1573K，加热到规定温度后甩出30μm厚的薄带。
3、将铝板剪切成76mm×26mm×2mm长方形铝块，将Al85Ni5Y8Co2非晶薄带分别置于两层铝板之间并铺满，用铆钉铆紧。将两种试样在300℃预热5min，经过第一道次轧制达到50％的变形量，然后将轧制复合后的板材沿垂直于轧制方向切成大小相等的两块，再次叠放在一起，不断重复上述过程。每道次轧制之前都用钢丝刷对表面进行清洁以保证板材间良好的复合。获得层状板的微观组织和力学性能曲线如图2 和图3所示。硬度达到49.4HV，抗拉强度为250MPa,延伸率达到19.8％。
4、对比试样仍选择76mm×26mm×2mm长方形铝块，中间层无薄带，轧制Al/Al板材4道次，轧制条件同上述过程，材料的硬度为42.7HV，抗拉强度为145MPa,延伸率为6％。
实施例2：
方法同实施例1，不同点在于：
1、非晶合金的成分是Al86Ni8Y6合金，其熔体结构转变区间为1121K-1387K。
2、选择熔体温度是1600K制备获得非晶薄带。
3、与1060Al板轧制时选择的加热温度是280℃，预热5min后累积叠轧。层状材料的硬度为48.5HV，抗拉强度为155MPa,延伸率为12.5％。

Claims (7)

1.一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1) 以Al、Ni、Y、Co金属为原料，按一定的原子比例制备不同成分的合金，放入真空电弧熔炼炉内熔炼得到母合金;
(2) 利用四电极法测试母合金熔体结构转变区间，选择结构转变后的温度制备非晶薄带;
(3) 将非晶薄带及铝合金表面丙酮清洗脱脂，酸洗去除氧化皮，将非晶薄带分别置于两层铝板之间并铺满，用铆钉铆紧, 为提高界面之间结合力，将两种试样在280-300℃预热5min，压下量为50%;
(4) 将轧制复合后的板材沿垂直于轧制方向切成大小相等的两块，再次叠放在一起，不断重复上述过程，每道次轧制之前都用钢丝刷对表面进行清洁以保证板材间良好的复合，轧制多道次后获得层状复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于：金属 Al的纯度为99.999 wt%，Ni为99.99 wt %，Y 为99.95 wt%和Co99.99 wt %。
3.根据权利要求1所述的一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）中真空感应熔炼非晶薄带时需要红外测温仪监控熔体温度。
4.根据权利要求1所述的一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）所述熔体温度的选择过程如下：真空电弧熔炼母合金后，将母合金破碎，部分置于瓷舟内，在真空管式炉内加热至1673K，测试熔体的电阻率-温度曲线，获得熔体结构转变区间；将另外部分母合金置于石英管中，选择熔体结构转变后的温度，在红外测温仪的监测下，利用真空感应熔炼炉内制备非晶薄带。
5.根据权利要求1所述的一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）选择的轧制温度的选择依据是要位于非晶的第一晶化和第二晶化温度区间，使得在轧制过程中无金属间化合物析出。
6.根据权利要求1所述的一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）中的铝板是1060铝，其硬度为31.4HV，抗拉强度为70MPa, 延伸率为15.5%。
7.根据权利要求1所述的一种基于累积叠轧制备fcc-Al增强非晶/铝系层状复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）中的轧制道次经过实验验证4次最佳，第5道次轧制时材料出现断裂，最后获得材料的硬度为49.4HV，抗拉强度为225MPa, 延伸率为19.8%。
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