专利名称：一种块体铝基合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于合金材料及技术加工领域；尤其涉及一种应用于结构材料的具有高玻璃 形成能力的高强韧性Al基合金及其制备方法。
背景技术：
通过快速凝固制备得到的非晶合金因不具备长程原子有序结构而导致了独特的力学 性能、磁学性能、耐蚀性能和电性能，因此，非晶合金材料的研究成为材料研究的一个 重要领域。Al基非晶相/纳米相复合材料为目前比强度最高的金属材料(比强度3.5xl05 N-m/kg)，是用于航空、航天器结构件的理想材料。铝合金作为轻质合金成为目前应用 最为广泛的金属材料之一，由于其轻质高比强的特性可作为飞行器覆盖件，其成熟的工 艺和廉价的成本也使之作为饮料包装材料而被广泛使用。而在高强度工程应用条件下， 超硬铝合金的屈服强度只有500 600MPa，相比较其它合金，较低的屈服强度成为铝合 金的应用瓶颈。
非晶态金属材料是目前材料界最活跃的研究领域之一，高性能的轻质合金材料的发 展是国家国防和经济建设的重大需求。而A1基非晶合金始终没有突破尺寸的束缚，目前 为止的研究和发明专利大多限于Al基非晶条带，拉伸断裂强度可以达到1200MPa的量 级，复合了纳米fcc-Al的非晶条带可以达到1500MPa的量级，但是迄今还不能制备出毫 米级块体AI基非晶合金，这样从尺寸上严重限制了 Al基合金的研究开发， 一直是其作 为结构材料应用的最大障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一系列
块体铝基合金的成分体系和制备方法，在临界尺寸在0.001 2mm范围内时，可以得到完 全的非晶组织，具有lGPa以上的屈服强度，通过控制铸造工艺参数，可以得到高强度和 高塑性的铝基非晶/纳米晶复相材料，组织由非晶基体和均匀分散的铝纳米颗粒组成，具 备lGPa以上的压縮屈服强度，和大于2%的压縮塑性。在铸造尺寸大于2mm时，其组 织是典型的急冷凝固合金组织，具有0.3GPa以上的屈服强度。本发明同时提供制备以上 诸类合金的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种块体铝基合金，其特征在于合
3金的成分由以下公式表示AlaSibTMcYdREe，且a+b+c+d+e^00，TM为过渡金属Ni、 Co 和Ag的一种或多种的组合，RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc、 Zr、 Ca、 Ti和La 系稀土元素中的La、 Gd、 Ce中的一种或多种的组合；其中，b的原子百分数为0.2~5， c 的原子百分数为2 10， d的百分数为4 10， e的原子百分数为0 5,a为余量。
所述的合金能够制得非晶体积分数5%以上的块体合金和厚度在0.001mm 2mm的纯 非晶合金。
所述的合金制备成块体时，在室温压縮时具有0.3MPa以上的屈服强度，真实应变率 在50%以上，塑性应变为0 20%。
上述块体铝基合金的制备方法，包括配比配料；熔炼制备母合金；制备块体铝基合 金；其特征在于采用凝固法结合铸造模具制备块体合金。
所述的凝固法可以是喷铸，或吸铸，或浇注，或高压铸造，或冰型铸造，或砂型铸造。
所述的铸造模具为铜模、钢模模具的一种或两种的组合。
所述熔炼制备母合金过程为将称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真 空度至l-5xlO-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼 温度1000-1600°C、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得母合金。
本发明与现有技术相比所具有的优点是
(1) 本发明的块体铝基合金突破了传统的非晶态铝合金的的尺寸限制，首次在铝基 非晶中报道出块体尺寸级别的成分体系，块体毫米级快速凝固Al非晶或非晶/纳米晶复 相合金的出现大大拓宽了具有高比强Al合金的应用领域；
(2) 本发明的块体铝基合金的强度和塑性可依铸造温度改变，其初晶析出产物为 fcc-Al，通过改变铸造温度及其它工艺参数，可以得到完全的非晶/纳米晶复合材料，使 塑性依复合的体积分数比而改变，提高合金的综合力学性能指标，可以得到0~20%甚至 更大的塑性应变，大大提高了合金的工程应用价值。
(3) 本发明的块体铝基合金生产制备方法简单，设备成本低，易于与传统制备工艺 相对接，其合金成本控制具有优势。
图1是Alss.sSio.sNUCosYsSd的直径为lmm的非晶#材的X射线衍射图谱； 图2是Al85.5Sio.5Ni4Co3Y6SCl的非晶合金的热分析DSC曲线； 图3为Al^Sio.sNLjCosY^d的非晶棒材在铸造直径为lmm时的应力一应变曲线； 图4为Alss.sSio.sNLjCosYsSd的非晶棒材在铸造直径为2mm时的应力一应变曲线；图5为Al85.5Sia5Ni4Co3Y6SCl的非晶棒材在铸造直径为3mm时的应力一应变曲线。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本 发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可以 实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1
本实施例选择TM为过渡金属Ni和Co的组合；原子所占百分数分别为4和3; RE是元 素Y在周期表中的相邻元素Sc，原子所占百分数为1; Si原子所占的百分数为0.5; Y原子 所占的百分数为6;其余为Al原子所占的百分数为85.5，所得块体铝基合金的分子式为
Al85.5Si。.5Ni4C03Y6Sc,。
本实施例中块体合金Al85.5Sia5Ni4Co3Y6SCl的制备方法如下-
步骤一按Alss.sSio.sNLtCosYsSd化学成分配比进行配料；
按Al85.5SiQ.5Ni4Co3Y6SCl计算出与之相对应的原料质量并称量；
步骤二熔炼制备Al85.5Sio.5NLtC03Y6Sd母合金；
将步骤一称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至l-5xl0'3Pa，充入 压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600°C 、熔炼 5-I0min后随炉冷却取出即制得Al85.5Sio.5Ni4Co3Y6Sc,母合金；
步骤三制Al85.5Sio.sNi4C03Y6Sd块体合金
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至l-5"(T3Pa，充入 压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、感应温度600-1000°C、熔炼 0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Al85.sSi().5Ni4Co3Y6Sd块体合金；将本 实施例制备的Al85.sSio.5Ni4C03Y6Sd铸造成直径为litim的非晶棒材，该非晶棒材的X射 线衍射图谱如图l所示，图谱说明合金棒材主要由非晶组成，具体含有90%以上体积分 数的非晶组织，其余为微米/纳米级晶粒。该非晶合金的热力学参数见附图2的DSC (热 分析)曲线，初级晶化温度为237.9°C，初熔温度为630°C，液相线温度为817.8°C。其 直径为lmm的圆棒的压縮力学性能曲线见附图3中曲线所示，此时屈服强度1125MPa， 塑性变形量7%;将本实施例所制备的Al85.5Sio.sNi4Co3Y6Sd铸造成直径为2mm的圆棒的 压縮力学性能曲线如图4中曲线所示，对应的屈服强度为795MPa;将本实施例所制备的 Al85.5Sio.sNi4Co3Y6Sd铸造成直径为3mm的圆棒的压縮力学性能曲线如图5中曲线所示， 对应的屈服强度549MPa。
实施例2本实施例选择TM为过渡金属Ni和Ag的组合；原子所占百分数分别为1和1; Si原子 所占的百分数为5; Y原子所占的百分数为10;其余为A1原子所占的百分数为83，所得块 体铝基合金的分子式为AlwSisNhAgJ^
本实施例中块体合金Al83SisNi,Ag,YK)的制备方法如下 步骤一按Al83Si5NhAg!Y,o化学成分配比进行配料； 按Al83Si5NhAg,Y,o计算出与之相对应的原料质量并称量； 步骤二熔炼制备Al83Si5NhAgJn)母合金；
将步骤一称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至l-5xlO'3Pa，充入 压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600°C、熔炼 5-10min后随炉冷却取出即制得Al83SisNhAg!YK)母合金。
步骤三制备Al83Si5Ni,AgJ,o块体合金
将步骤二制得的母合金放置于吸铸腔体内，利用电弧把母合金二次熔化，待合金完 全熔化至熔点以上IO(TC左右开启吸铸开关，利用熔炼腔与模具腔的压力差将熔融合金 吸入模具腔内的钢模具中。得到的直径为lmm的圆棒的屈服强度为1135MPa，塑性为 10%，直径为2mm的圆棒的屈服强度为920MPa，直径为3mm的圆棒的屈服强度为 592MPa。
实施例3
本实施例选择TM为过渡金属Ni、 Co和Ag的组合；原子所占百分数分别为3、 3和2; RE是元素Y在周期表中的相邻元素Ca和La系稀土元素中的La的组合，原子所占百分数分 别为2和3; Si原子所占的百分数为1; Y原子所占的百分数为6;其余为Al原子所占的百 分数为80，所得块体铝基合金的分子式为Al8。Si,Ni3C03Ag2Y6Ca2La3。
本实施例中块体合金Al8oSi,Ni3Co3Ag2Y6Ca2La3的制备方法如下
步骤一按AlsoShNi3Co3Ag2Y6Ca2La3化学成分配比进行配料；
按Al犯Si,NbCo3Ag2Y6Ca2La3计算出与之相对应的原料质量并称量；
步骤二熔炼制备Al8oSiiNi3Co3Ag2Y6Ca2La3母合金；
将步骤一称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至l-5xl(r3Pa，充入 压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度1000-1600°C、熔炼 5-1 Omin后随炉冷却取出即制得Al8oSi, Ni3Co3Ag2 Y6Ca2La3母合金；
步骤三制备AlsoShNi3Co3Ag2Y6Ca2La3块体合金
采用高压铸造法制备，首先将步骤二制得的母合金放置于有惰性气体保护的石英管
中，利用感应线圈二次熔化母合金至熔点以上IO(TC左右，将石英管中的熔融态合金导入压力铸造机的活塞腔体内并迅速开启活塞开关，将it融合金压铸到钢模具铸型中。压 铸结束后并保压，使合金与铸型腔体贴和更为紧实，可以得到临界尺寸大于等于lmm的 纯非晶组织。得到的直径为lmm的圆棒的屈服强度为1152MPa，直径为2mm的圆棒的 屈服强度为945MPa，直径为3mm的圆棒的屈服强度为560MPa。
权利要求
1、一种块体铝基合金，其特征在于合金的成分由以下公式表示AlaSibTMcYdREe，且a+b+c+d+e＝100，TM为过渡金属Ni、Co和Ag的一种或多种的组合，RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一种或多种的组合；其中，b的原子百分数为0.2～5，c的原子百分数为2～10，d的百分数为4～10，e的原子百分数为0～5，a为余量。
2、 根据权利要求l所述的铝基合金，其特征在于所述的合金能够制得非晶体积分 数5%以上的块体合金和厚度在0.001mm 2mm的纯非晶合金。
3、 根据权利要求1所述的铝基合金，其特征在于当制备成块体时，在室温压縮时 具有0.3MPa以上的屈服强度，真实应变率在50%以上，塑性应变为0~20%。
4、 一种块体铝基合金的制备方法，包括配比配料；熔炼制备母合金；制备块体铝基 合金；其特征在于采用凝固法结合铸造模具制备块体合金。
5、 根据权利要求4所述的一种块体铝基合金的制备方法，其特征在于所述的凝固 法可以是喷铸，或吸铸，或浇注，或高压铸造，或冰型铸造，或砂型铸造。
6、 根据权利要求4所述的一种块体铝基合金的制备方法，其特征在于所述的铸造 模具为铜模、钢模模具的一种或两种的组合。
7、 根据权利要求4所述的一种块体铝基合金的制备方法，其特征在于所述熔炼制 备母合金过程为将称得的目标成分原料放入真空电弧熔炼炉中，抽真空度至 l-5xlO-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流200-350A、熔炼温度 1000-1600°C、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得母合金。
全文摘要
一种块体铝基合金，其特征在于合金的成分由以下公式表示Al<sub>a</sub>Si<sub>b</sub>TM<sub>c</sub>Y<sub>d</sub>RE<sub>e</sub>，且a+b+c+d+e＝100，TM为过渡金属Ni、Co和Ag的一种或多种的组合，RE是元素Y在周期表中的相邻元素Sc、Zr、Ca、Ti和La系稀土元素中的La、Gd、Ce中的一种或多种的组合；其中，b的原子百分数为0.2～5，c的原子百分数为2～10，d的百分数为4～10，e的原子百分数为0～5，a为余量。采用配比配料；熔炼制备母合金；采用凝固法结合铸造模具制备块体铝基合金。本发明的块体铝基合金具有500MPa以上的高强度，强度可达到1000MPa～1300MPa的高强度，且塑性变形在0～20％，可作为精密结构器件。
文档编号C22C21/00GK101451208SQ20081024755
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者卓龙超, 涛 张, 逄淑杰 申请人:北京航空航天大学