一种Al基非晶合金块体材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Al基非晶合金块体材料及其制备方法。该材料的设计原理如下：利用Al、Ni、Ti、Zr、Y和Nb等元素间较大的原子尺寸错配度及混合热绝对值，通过各成分的优化组合、机械合金化制备、结构与物性表征等综合试验，确定了最优的合金组成，其名义成分为(at.％)：Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3，晶化起始温度及过冷液相区宽度分别达到686K以上及80K以上。通过真空高温高压烧结，获得了尺寸达φ10×2mm的块体材料，其显微硬度高达995～1215Hv，高于所有已报道的同类材料的硬度值。
【专利说明】
一种AI基非晶合金块体材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种高硬、高稳定性A1基非晶合金块体材料及其制备方法。依据混合法则设计出具有强非晶形成能力的A1基非晶合金组成，通过机械合金化先获得高稳定性的非晶合金粉末，再通过高温高压烧结制备出具有全非晶组织的块体材料，其硬度远远高于晶体结构的A1合金。【背景技术】
[0002]A1基非晶块体材料因具有其独特的微观结构而显示出许多优异的性能，如高比强度、高比刚度及高耐蚀性，在航空航天、交通运输和武器装备等领域有广泛的应用前景。但是，由于A1基非晶材料玻璃形成能力很低，在用传统的液态快冷工艺时难以制备出全非晶组织的块体材料，或者说要得到全非晶组织的块体材料，必须采用极快的冷却速度。A1基非晶合金的这一内禀特性，给大尺寸非晶块体材料的制备提出了极大的挑战，同时也严重制约了 A1基非晶块体材料的实际应用。因此，获得具有实际应用价值的大尺寸A1基非晶块体材料，一直是非晶物理和材料科学领域追求的目标之一。
[0003]为了突破除了因玻璃形成能力低对液态快冷法制备A1基非晶块体材料的限制，目前已经发展了一系列固相制备方法。该方法先通过机械合金化等工艺获得非晶合金粉末， 然后在过冷液相区内将非晶合金粉末进行热压或温挤，使之通过冶金结合形成全非晶块体材料。相比于液态快冷工艺，固相途径无需考虑控制异质形核的问题，不仅适用于更广泛的合金体系，而且可最大限度地突破玻璃形成能力或临界冷速的限制，有利于获得几何尺寸更大的块体材料。
[0004]研究表明，以过渡族元素和稀土元素组成的A1基非晶合金(A1-TM-RE)具有较高的非晶形成能力以及良好的力学性能，被认为是最有应用前景的A1基非晶合金材料。目前研究较多的A1 基非晶合金主要是 Al-C〇-M、Al-Cu-M 和 Al-Fe-M(M:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、W和 Mo等)系，利用这些合金及快速凝固技术已经制备出了毫米量级的非晶薄带，其硬度高达 821?927Hv。如果以这些A1基非晶合金体系为基础，采用上述固态烧结的方法将有可能制备出几何形状更复杂、尺度更大的块体材料。基于这一分析，本发明首先依据非晶合金获得宽过冷液相区、强玻璃形成能力应满足的基本条件，即1)由三种或者三种以上的元素组成； 2)组元的原子半径比大于13% ;3)元素之间的混合热为负值，对A1基非晶合金的组成进行了设计，得到了组成为Al72NisTisZr6Nb3Y3的非晶合金体系，然后利用机械合金化工艺对元素粉末进行合金化和非晶化加工，最好通过高温高压烧结工艺制备出具有全非晶组织的块体材料。根据XRD、DSC分析，该合金球磨140小时后可完全非晶化，其玻璃化转变温度达686K 以上，过冷液相区宽度达80K以上，晶化起始温度达760K以上，具有很高的稳定性。显微硬度测试表明，该非晶合金块体材料的硬度高达995?1215HV，高于所有已报道的结果。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种具有尚稳定性、尚硬度的A1基非晶合金块体材料及其制备方法，其特征在于:
[0006](1)主要化学成分为(&1%):附:8;11:8;2〇6;他:3;￥:3;其余为八1。[〇〇〇7] (2)微观组织为:全非晶相。[〇〇〇8](3)主要特征温度为:晶化起始温度多686K，过冷液相区宽度多80K。[〇〇〇9](4)典型力学性能为:显微硬度995?1215Hv。[〇〇1〇]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0011]—种A1基非晶合金块体材料，其特征在于:其是由下述百分比的化学成分构成:Ni 7-9;Ti 7-9;Zr 5-7;Nb 2-4;Y2-4,其余为A1。
[0012]—种A1基非晶合金块体材料，其特征在于:其是由下述百分比的化学成分构成: Ni8; Ti8; Zr6; Nb3; Y3，其余为 A1。[〇〇13]所述的A1基非晶合金块体材料的制备方法，其特征在于:[〇〇14] 包括以下步骤:[〇〇15](1)按百分比取各金属原料；[〇〇16](2)经高能球磨机械合金化，形成非晶合金粉末，其晶化起始温度多686K，过冷液相区宽度彡80K。
[0017](3)经真空、高温及高压烧结，得到全非晶组织的块体材料，即得。
[0018]4、一种如权利要求1所述的A1基非晶合金块体材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤:[〇〇19](1)备料:采用纯度为99 ? 99wt ? %的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末颗粒平均粒径均为50mi;
[0020](2)配料:按百分比从原料粉中称取一定重量的元素粉，称量误差0.0Olg，粉末总重200g;[0〇21](3)球磨:将上述粉末加入高能行星式球磨机不锈钢球磨罐中，同时加入2wt.%左右的硬脂酸及直径为l〇mm的轴承钢球，球料比为20:1左右;球磨过程中球磨罐内采用高纯氩气保护，球磨罐自转转速300rpm左右；
[0022](4)表征:采用X射线衍射仪、透射电镜和差式扫描量热仪对球磨后的粉体进行相组织、微结构和特征温度等表征;从球磨罐中取粉在充有高纯氩气的手套箱内进行，粉末取出后装入塑料袋后密封；[〇〇23](5)制样:采用真空、高温及高压烧结工艺制备非晶块体，压力为2GPa左右，烧结温度为673K左右，保持时间5min左右。
[0024]所述的A1基非晶合金块体材料的制备方法，包括以下步骤:[〇〇25](1)原料:采用纯度为99.99wt.%的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末颗粒平均粒径均为50mi。[〇〇26](2)配料:按Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3(at.%)的配比从原料粉中称取一定重量的元素粉，称量误差0.0oig，粉末总重200g。[〇〇27](3)球磨:将上述粉末加入高能行星式球磨机不锈钢球磨罐中，同时加入2wt.%的硬脂酸及直径为1〇_的轴承钢球，球料比为20:1。球磨过程中球磨罐内采用高纯氩气保护， 球磨罐自转转速300rpm。
[0028](4)表征:采用X射线衍射仪、透射电镜和差式扫描量热仪等仪器对球磨后的粉体进行相组织、微结构和特征温度等表征。从球磨罐中取粉在充有高纯氩气的手套箱内进行， 粉末取出后装入塑料袋后密封。
[0029](5)制样:采用真空、高温及高压烧结工艺制备非晶块体。压力2GPa，烧结温度 673K，保持时间5min。
[0030]发明效果
[0031]本发明设计和制备的A1基非晶合金粉体材料，利用元素间较大的原子错配度和混合热绝对值，获得了稳定的非晶结构，晶化起始温度及过冷液相区宽度分别达到686K及80K 以上;通过真空高温高压烧结技术，获得了大尺寸、高强度的A1基非晶块体材料，其显微硬度达995?1215Hv，高于所有已报道的同类材料的结果。【附图说明】[〇〇32]图1:球磨不同时间Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金粉末的XRD图谱。[〇〇33]图2:球磨140h后Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金粉末颗粒形貌及其选区电子衍射花样。[〇〇34]图3:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金块体材料外观形貌。
[0035]图4: A172Ni 8T i 8Zr6Nb3 Y3合金块体材料的XRD图谱。[〇〇36]图5:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金块体材料微观组织形貌及其选区电子衍射花样。[〇〇37]图6:Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金块体材料显微硬度随载荷的变化。【具体实施方式】
[0038]实施例:一种A1基非晶合金块体材料的制备方法高吸能本领、高吸能效率和高承载能力的孪生诱发塑性钢，其主要化学成分为(wt.% ):Mn: 29.5; A1:2.75 % ; S1: 3.10 % ; C: 〇.05;其余为Fe。制备方法如下:
[0039](1)按目标成分进行配料，在高能行星式球磨机内进行球磨。球磨140h后在真空手套箱内、氩气保护下将粉末从球磨罐中取出装入密封试样袋。
[0040](2)采用X射线衍射仪、透射电镜和差式扫描量热仪分别对上述粉末相结构和特征温度等进行表征，确认所得粉末为全非晶组织，同时获得该粉末的晶化起始温度和过冷液相区宽度。当测量时升温速率为15K/min时，两者分别为686K和81K;当升温速率为30K/min 时，两者分别为714K和69K。[〇〇41](3)将非晶合金粉末放入压力机的圆形压模型腔内，密封后抽真空，真空度达lO-ta 后， 利用压力机压头对粉末施压直至压力达到2GPa， 同时对模具进行加热 ，当其温度达到673K时进行保温，保温5min后卸压，然后将块体材料从模具内取出，得到尺寸为￠10 X 2mm的块体材料。[〇〇42](4)将块体材料进行研磨、抛光后，在显微硬度计上测试其硬度，获得不同载荷下块体材料的维氏硬度值。结果表明，块体材料的显微硬度随施加载荷增加而下降。当载荷为 100?500g时，块体材料的显微硬度为1215?995HV。
【主权项】
1.一种A1基非晶合金块体材料，其特征在于:其是由下述百分比的化学成分构成:Ni 7-9;Ti 7-9;Zr 5-7;Nb 2-4;Y2-4,其余为A1。2.根据权利要求1所述的一种A1基非晶合金块体材料，其特征在于:其是由下述百分比 的化学成分构成:Ni8; Ti8; Zr6; Nb3; Y3，其余为A1。3.—种如权利要求1所述的A1基非晶合金块体材料的制备方法，其特征在于:包括以下步骤:(1)按百分比取各金属原料；(2)经高能球磨机械合金化，形成非晶合金粉末，其晶化起始温度多686K，过冷液相区 宽度多80K;(3)经真空、高温及高压烧结，得到全非晶组织的块体材料，即得。4.根据权利要求3所述的A1基非晶合金块体材料的制备方法，其特征在于包括以下步 骤:(1)备料:采用纯度为99.99 wt.%的N1、T1、Zr、Nb、Y和A1等元素粉，粉末颗粒平均粒径 均为50wii;(2)配料:按百分比从原料粉中称取一定重量的元素粉，称量误差0.0Olg，粉末总重200g；(3)球磨:将上述粉末加入高能行星式球磨机不锈钢球磨罐中，同时加入2wt.%左右的 硬脂酸及直径为l〇mm的轴承钢球，球料比为20:1左右;球磨过程中球磨罐内采用高纯氩气 保护，球磨罐自转转速300rpm左右；(4)表征:采用X射线衍射仪、透射电镜和差式扫描量热仪对球磨后的粉体进行相组织、 微结构和特征温度等表征;从球磨罐中取粉在充有高纯氩气的手套箱内进行，粉末取出后 装入塑料袋后密封；(5)制样:采用真空、高温及高压烧结工艺制备非晶块体，压力为2GPa左右，烧结温度为 673K左右，保持时间5min左右。
【文档编号】C22C45/08GK106011695SQ201610614457
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】韩福生, 吴宇, 王新福
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院