一种具有周期性层片组织特征的合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型材料制备领域，尤其是一种具有周期性层片组织特征的合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]固态扩散偶中有四种结构:简单层片型结构、棒状束集型结构、网联束集型结构和周期性显微组织。周期性显微组织作为一种新鲜发现的扩散偶结构在1982年从Fe(15wt.%Si)-Zn体系中观察到。通过一系列实验发现，这种周期结构无论是固固扩散偶还是固液扩散偶都能出现，并且在更多体系的扩散偶中发现了这种周期结构。周期分为空间排列的周期性以及形成时间上的周期性。生长特点即为:(I)扩散偶反应层片厚度随时间延长呈抛物线增加；(2)形成的层片结构是双相的；(3)新层片对形成后旧层片对停止生长。
[0003]文献Per1dic layered structure in Ni 3Si/Zn diffus1n couples 中，以大块状进行扩散反应，无法得到全部周期结构的合金，用颗粒作得到全部周期结构样品，在利用此周期性合金的独特性质可以研发新型材料。近年来，随着扩散偶技术的广泛研宄，我们可以采用扩散偶方法来解决的实际问题，特别是新金属材料的创造与发明、合金界面反应及力学性能改善等。
[0004]目前，发现了苏旭平课题组等人在周期结构的研宄工作，对周期结构的认知、从热力学和动力学上对其做出定性分析、提出周期层片型结构出现的理论机制。周期结构作为一种新的物质形态，对于材料连接、复合材料和镀层中应用等新材料设计上的探索具有重要意义。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种具有周期性层片组织特征的合金，利用该合金探索新型材料的制备方法以及材料连接、界面反应的改善。
[0006]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]一种具有周期性层片组织特征的合金，M-F-N合金，是将F扩散入M-N合金中形成的具有周期性层片组织的合金，所述M为Cu、Co、Fe、Mn、N1、Ti ;F为Sn、Al、Mg、Zn、Bi ;N为Si,Wo
[0008]所述具有周期性层片组织特征的合金的制备方法，包括如下步骤:
[0009](I)称量M和N，采用真空熔炼制备MxNy型金属间化合物或M-N固溶体；
[0010](2)将MxNy型金属间化合物或M-N固溶体放入石英管中，在真空环境下进行高温均匀化退火；
[0011](3)将步骤(2)制备的样品，取出后先通过预磨去除表层氧化皮，再采用研钵对其进行研磨，将样品磨成颗粒状，直径范围在0.5mm?1mm之间；
[0012](4)将步骤(3)处理的样品，与Sn块一起放入石英管中密封，控制加热方式，温度和反应时间，进行扩散偶反应；反应结束后，采用水淬的方法进行快速冷却，即可得到周期性层片组织结构。
[0013]所述步骤⑴中，真空熔炼采用无自耗真空磁控电弧炉。
[0014]所述步骤⑴中，MxNy型金属间化合物为线性化合物，x与y的比值2?5.5。
[0015]所述步骤(2)中，样品均匀化退火温度300-1100°C，退火时间为5-30d。
[0016]所述步骤(4)中，通过控制不同的温度使F元素以固态、液态、气态分别与制成样品进行扩散偶反应:
[0017]a、F是固态时，温度应控制在F熔点之下，采用夹具法将F块与样品夹住，放入石英管在真空中进行扩散反应；
[0018]b、F是液态时，直接将F与样品放入石英管在真空中进行扩散反应，温度在F的燃点和熔点之间；
[0019]c、F是气态时，温度应控制在F燃点之上，先将F块放入石英管底部，再将合金颗粒均匀放在刚玉坩祸底部不封口，连同刚玉坩祸放入F块上部在真空中进行扩散反应。
[0020]所述步骤(4)中，扩散反应时间为10min-180d。
[0021]当M为钴Co，N为钨W，F为铝Al时，步骤(4)中，所述扩散反应的反应时间为5min_180do
[0022]M-F-N 合金中 M 为 Cu、Co、Fe、Mn、N1、Ti 扩散慢元素;F 为 Sn、Al、Mg、Zn、Bi 扩散快元素#为S1、W基本不扩散元素，可形成Cu-Sn-Si合金、Co-Al-W合金等。
[0023]例如Cu-Sn-Si合金体系中，Cu和Si形成金属间化合物或固溶体与Sn发生反应。在扩散过程中，利用不同组元扩散速率的不同，通过调整元素配比和反应的动力学过程，获得具有周期结构特征的合金。
[0024]本发明的有益效果是:
[0025](I)本发明利用元素扩散速度差别在一定温度下得到新型结构合金，制备工艺简单、能耗小，得到的合金创新性的得到新的一种组织结构；
[0026](2)本发明提供了一种制备方法，能够制备具有周期性层片组织特征的合金，为新型复合材料的制备、异相材料的连接提供新的途径。
【附图说明】
[0027]图1为扩散组织特征示意图；
[0028]图2为周期性层片组织示意图；
[0029]图3为(Cu-Sn-Si)合金的周期性层片组织显微图像；
[0030]附图标记说明如下:
[0031]图1中A为简单层片型结构出棒状束集型结构；(:网联束集型结构；D周期性层片结构。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0033]实施例1
[0034]制备具有周期性层片组织特征的(Cu-Sn-Si)合金。
[0035](I)将Cu块和Si粒按摩尔比19:6配比，利用无自耗真空磁控电弧炉熔炼Cul9Si6
合金；
[0036](2)在 1000退火 2O 天；
[0037](3) Cu19Si6^金取出样品后通过预磨去除表面氧化皮后，放在刚玉研钵内研磨成直径小于5mm的小颗粒；
[0038](4)将Cu19Si6颗粒平铺在刚玉坩祸的底部，颗粒间相互接触不重叠；将Sn块用线切割切成20mmxl0mmxl0mm的小块，预磨去除表面氧化皮后放入石英管底部；将装有颗粒的坩祸放在Sn块上；将石英管在惰性气体氩气的保护下抽真空密封；
[0039](5)放入管式炉中，在350°C下扩散20天，采用水淬法快速冷却取出合金。
[0040]在热处理过程中，Sn以气体状态与合金进行扩散反应，在合金表面形成层片结构，随着反应的进行层片结构交替出现向合金内部生长，使得合金越来越小最终合金消失完全成为周期性层片结构。其扫面电镜显微图像如图3所示，层片中灰色部分是γ相、白色部分是T相。通过固气的方法制得了具有周期性层片组织的Cu-Sn-Si合金，该方法得到的周期性层片组织层片对均匀，层片厚度在2-4 μ m左右。
[0041]实施例2
[0042]制备具有周期性层片组织特征的(Cu-Sn-Si)合金。
[0043](I)将Cu块和Si粒按摩尔比15:4配比，利用无自耗真空磁控电弧炉熔炼Cul5Si4
合金；
[0044](2)在 800°C 退火 25 天；
[0045](3) Cu15Si4^金取出样品后通过预磨去除表面氧化皮后，放在刚玉研钵内研磨成直径小于5mm的小颗粒；
[0046](4)将Cu15Si4颗粒平铺在刚玉坩祸的底部，颗粒间相互接触不重叠；将Sn块用线切割切成20mmxl0mmxl0mm的小块，通过气相沉积的方法将Sn沉积在合金表面；
[0047](5)放入管式炉中，在200°C下扩散20天，采用水淬法快速冷却取出合金。
[0048]通过该方法制备了具有周期性层片结构的Cu-Sn-Si合金。
[0049]实施例3
[0050]制备具有周期性层片组织特征的(Cu-Sn-Si)合金。
[0051](I)将Cu块和Si粒按摩尔比7:3配比，利用无自耗真空磁控电弧炉熔炼(Cu-30at.% Si)固溶体；
[0052](2)在 800°C 退火 15 天；
[0053](3) (Cu-30at.% Si)固溶体取出样品后通过预磨去除表面氧化皮后，放在刚玉研钵内研磨成直径小于5_的小颗粒；