专利名称：块状纳米晶镍铝合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及镍铝合金的制备方法。
背景技术：
NiAl基金属间化合物具有使用温度高、耐氧化、密度低的优点，因而可以作为下一 代高温结构材料的候选材料广泛应用于航空航天及涡轮叶片等领域。晶粒细化是改善金属 间化合物的性能的有效方法，材料晶粒尺寸的纳米化能大幅度的改善材料的力学性能。现 有的制备纳米材料的方法有电沉积、热压烧结、大塑性变形法，其中的电沉积法只能制备薄 膜材料，无法制备大块纳米晶材料，目前电沉积法制备的薄膜最大厚度为几百微米；而热 压烧结法由于升温时间和保温时间较长，使能源消耗大，生产效率低，生产成本高，同时在 保证致密度和组织均勻基础上，不利于晶粒的细化。大塑性变形法对模具、设备、变形工艺 有严格要求，因而限制了它的应用范围。至今没有一种低成本、高效率的大块纳米材料的制 备方法，严重制约了纳米材料的应用范围。
发明内容
本发明是为了解决现有的纳米材料的电沉积法只能制备薄膜材料、而热压烧结法 能源消耗大、生产效率低、生产成本高、大塑性变形法对模具、设备、变形工艺要求严格的缺 点，而提供块状纳米晶镍铝合金的制备方法。本发明的块状纳米晶镍铝合金的制备方法按以下步骤进行一、按镍与铝的原子 比1:1称取镍粉和铝粉并混合均勻得到混合粉末，再按混合粉末体积的3% 5%量取无 水乙醇；二、将经步骤一制备的混合粉末和经步骤一量取的无水乙醇加入到搅拌式高能球 磨机中，再通入氩气保护，在温度为10°C 40°C、转速为280转/分 320转/分的条件 下球磨20h 24h，得到镍铝合金粉末；三、将经步骤二制备的镍铝合金粉末装入石墨模具 中，再将石墨模具装入脉冲电流烧结炉中，先将脉冲电流烧结炉抽真空至1.0X ICT2Pa 1. 5XlCT2Pa,通电，以450W 550W的功率预热25min 35min ；四、通入强度为13A/mm2 15A/mm2、占空比为0. 75的脉冲电流进行烧结，在通入脉冲电流的同时对粉体进行加压，压 力逐渐增加，使压力与烧结温度同时达到最大值，压力的最大值为45MPiT55MPa，烧结温度 的最大值为1000°C 1200°C，在最大压力和最高温度的条件下保持4min 6min，然后随炉 冷却至室温，得到块状纳米晶镍铝合金。本发明先将镍粉和铝粉高能球磨，得到完全合金化且晶粒细化的镍铝合金粉末， 然后再将粉末在逐渐加压的同时逐渐升温烧结，升温和加压同步，可以保证升温过程中，粉 末中吸附的气体的排出，提高致密度，避免因为一开始压力过大，导致气体排出的通道被堵 死，最后气体形成空洞。同时，由于烧结过程中粉的体积收缩，逐步加压可以保证上下压头 和粉末始终接触，保证了放电的进行。本发明的方法制备的块状纳米晶镍铝合金的致密度 ^ 99. 7%，块体材料的厚度> 10mm，该方法能耗小，仅为热压烧结法的10% 20%，使生产效 率提高生产成本降低、不需要复杂的设备且工艺简单。该方法制备的块状纳米晶镍铝合金具有致密度高、组织均勻的特点，其在室温时，应变量高达17%，压缩强度高达2400MPa，在 3000C以上，材料不再碎裂，呈均勻的塑性变形，在900°C时，压缩强度高达400MPa，1200°C 时，其压缩强度高达150MPa。
图1是具体实施方式
十八制备的纳米晶镍铝合金块体材料X射线衍射谱图；图2是具体实施方式
十八制备的纳米晶镍铝合金块体材料的透射电镜照片；图3是具体实施方 式十八制备的纳米晶镍铝合金块体材料的硬度点光学照片；图4是具体实施方式
十八制备 的纳米晶镍铝合金块体材料的应力与应变的关系曲线。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的块状纳米晶镍铝合金的制备方法按以下步骤进 行一、按镍与铝的原子比1:1称取镍粉和铝粉并混合均勻得到混合粉末，再按混合粉末体 积的3% 5%量取无水乙醇；二、将经步骤一制备的混合粉末和经步骤一量取的无水乙醇 加入到搅拌式高能球磨机中，再通入氩气保护，在温度为10°C 40°C、转速为280转/分 320转/分的条件下球磨20h 24h，得到镍铝合金粉末；三、将经步骤二制备的镍铝合金 粉末装入石墨模具中，再将石墨模具装入脉冲电流烧结炉中，先将脉冲电流烧结炉抽真空 至1. OXlCT2Pa 1. 5XlCT2Pa,通电，以450W 550W的功率预热25min 35min ；四、通入 电流强度为13A/mm2 15A/mm2、占空比为0. 75的脉冲电流进行烧结，在通入脉冲电流的 同时对粉体进行加压，压力逐渐增加，使压力与烧结温度同时达到最大值，压力的最大值为 45MPa 55MPa，烧结温度的最大值为1000°C 1200°C，在最大压力和最高温度的条件下保持 4min 6min，然后随炉冷却至室温，得到块状纳米晶镍铝合金。本实施方式先将镍粉和铝粉高能球磨，得到完全合金化且晶粒细化的镍铝合金 粉末，然后再将粉末在逐渐加压的同时逐渐升温烧结，(升温和加压同步，可以保证升温过 程中，粉末中吸附的气体的排出，提高致密度，避免因为一开始压力过大，导致气体排出的 通道被堵死，最后气体形成空洞。同时，由于烧结过程中粉的体积收缩，逐步加压可以保 证上下压头和粉末始终接触，保证了放电的进行。本实施方式的方法制备的块状纳米晶 镍铝合金的致密度>99. 7%，块体材料的厚度> 10mm，该方法能耗小，仅为热压烧结法的 109Γ20%，使生产效率提高生产成本降低、不需要复杂的设备且工艺简单。该方法制备的块 状纳米晶镍铝合金具有致密度高、组织均勻的特点，其在室温时，应变量高达17%，压缩强度 高达2400MPa，在300°C以上，材料不再碎裂，呈均勻的塑性变形，在900°C时，压缩强度高达 400MPa, 1200°C时，其压缩强度高达150MPa。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中无水乙醇的 量为镍粉和铝粉混合粉末体积的3. 5% 4. 5%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中无水乙 醇的量为镍粉和铝粉混合粉末体积的4. 0%。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤二中高 能球磨机的温度为15°c 35°C、转速为290转/分 310转/分、球磨时间为21h 23h。 其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤二中高 能球磨机的温度为20°C、转速为300转/分、球磨时间为22h。其它与具体实施方式
一至四 之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤三中脉 冲电流烧结炉的真空度为1. 1 X IO-2Pa 1. 4X IO-2Pa0其它与具体实施方式
一至五之一相 同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤三中脉 冲电流烧结炉的真空度为1.3X10_2Pa。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤三 中电 功率为460W 530W、预热时间为28min 33min。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤三中电 功率为500W、预热时间为30min。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是步骤四中脉 冲电流的电流强度为13. 5A/mm2 14. 5A/mm2。其它与具体实施方式
一至九之一相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一至十之一不同的是步骤四中 脉冲电流的电流强度为14A/mm2。其它与具体实施方式
一至十之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一至十一之一不同的是步骤四 中压力的最大值为47MPa 53MPa。其它与具体实施方式
一至十一之一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十二之一不同的是步骤四 中压力的最大值为50MPa。其它与具体实施方式
一至十二之一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一至十三之一不同的是步骤四 中烧结温度的最大值为1030°C 1180°C。其它与具体实施方式
一至十三之一相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一至十四之一不同的是步骤四 中烧结温度的最大值为1100°C。其它与具体实施方式
一至十四之一相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一至十五之一不同的是步骤四 中在最大压力和最高温度的条件下保持4. 5min 5. 5min。其它与具体实施方式
一至十五 之一相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一至十六之一不同的是步骤四 中在最大压力和最高温度的条件下保持5min。其它与具体实施方式
一至十六之一相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
一至十七之一不同的是步骤一 中镍粉和铝粉的细度为200目 400目。其它与具体实施方式
一至十七之一相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
一至十八之一不同的是步骤一 中镍粉和铝粉的细度为325目。其它与具体实施方式
一至十八之一相同。
具体实施方式
二十本实施方式的块状纳米晶镍铝合金的制备方法按以下步骤进 行一、按镍与铝的原子比1:1称取300目的镍粉和300目的铝粉并混合均勻得到混合粉 末，再按混合粉末体积的4%量取无水乙醇；二、将经步骤制备的混合粉末和经步骤一称取 的无水乙醇加入到搅拌式高能球磨机中，再按占通入氩气保护，在温度为20°C、转速为300 转/分的条件下球磨22h，得到完全合金化且晶粒细化的镍铝铁合金粉末；三、将经步骤二 制备的镍铝铁合金粉末装入石墨模具中，再将石墨模具装入脉冲电流烧结炉中，先设定脉冲电流烧结炉的脉冲电流为14A/mm2，脉冲电流的占空比为0. 75 ；四、先将脉冲电流烧结炉 抽真空至1. 3X10_2Pa，通电，以500W的功率预热30min ；然后再通入的脉冲电流烧结，在通 入的脉冲电流的同时对粉体进行加压，压力逐渐增加，使压力与烧结温度同时达到最大值， 压力的最大值为50MPa，烧结温度的最大值为1100°C，在最大压力和最高温度的条件下保 持5min，然后随炉冷却至室温，得到块状纳米晶镍铝合金。本实施方式得到的块状纳米晶镍铝合金利用RigakuD型的X射线衍射分析仪进 行 分析，得到的X射线衍射谱图如图1所示，从图1可以看出，块状纳米晶镍铝合金完全由 3 -NiAl相构成；
本实施方式得到的块状纳米晶镍铝合金利用FEITECNHIG2F30透射电镜分析仪进行分 析，所得的透射电镜照片如图2所示，从图2可以看出，在透射明场相中，晶粒为近等轴晶， 晶粒平均尺寸约为lOOnm ；
本实施方式得到的块状纳米晶镍铝合金利用型号为HVS-5硬度测试机，载荷为lOOOg， 保压时间为10s，测量5个点取平均值，得到其维氏硬度平均值为HV=627. 20，其中硬度测试 的硬度点光学照片如图3所示，从图3可以看出，硬度点的对角位置，无裂纹产生。本实施方式得到的块状纳米晶镍铝合金利用在Gleeble1500D热模拟试验机测试 其压缩强度，试样尺寸为4mmX4mmX6mm，试样表面用400目砂纸打磨处理。热模拟试验机 的升温速度为10°C /s，保温时间10s。测试温度范围为室温至1200°C。得到在室温、300°C、 750°C、900°C、1000°C、1200°C的条件下应力与应变的关系曲线如图4所示，从图4可以看 出，块状纳米晶镍铝合金在室温时，应变量达17%，压缩强度达2400MPa，在300°C以上，材 料不再碎裂，呈均勻的塑性变形，在900°C时，压缩强度为400MPa，1200°C时，其压缩强度为 150MPa，材料的强度有了极大的提高，与铸态粗晶相比，室温强度提高了约1400MPa，室温应 变量也提高到了 12%。本发明的方法制备的纳米晶镍铝合金块体材料的致密度> 99. 7%，块体材料的厚 度> 10mm，该方法所需能量仅为热压烧结法13. 8%。
权利要求
块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于块状纳米晶镍铝合金的制备方法按以下步骤进行一、按镍与铝的原子比1:1称取镍粉和铝粉并混合均匀得到混合粉末，再按混合粉末体积的3%～5%量取无水乙醇；二、将经步骤一制备的混合粉末和经步骤一量取的无水乙醇加入到搅拌式高能球磨机中，再通入氩气保护，在温度为10℃～40℃、转速为280转/分～320转/分的条件下球磨20h～24h，得到镍铝合金粉末；三、将经步骤二制备的镍铝合金粉末装入石墨模具中，再将石墨模具装入脉冲电流烧结炉中，先将脉冲电流烧结炉抽真空至1.0×10-2Pa～1.5×10-2Pa，通电，以450W～550W的功率预热25min～35min；四、通入强度为13A/mm2～15A/mm2、占空比为0.75的脉冲电流进行烧结，在通入脉冲电流的同时对粉体进行加压，压力逐渐增加，使压力与烧结温度同时达到最大值，压力的最大值为45MPa~55MPa，烧结温度的最大值为1000℃~1200℃，在最大压力和最高温度的条件下保持4min～6min，然后随炉冷却至室温，得到块状纳米晶镍铝合金。
2.根据权利要求1所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤一中无水 乙醇的量为镍粉和铝粉混合粉末体积的3. 5% 4. 5%。
3.根据权利要求1或2所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤二中 高能球磨机的温度为151 351、转速为290转/分 310转/分、球磨时间为21h 23h。
4.根据权利要求3所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤三中脉冲 电流烧结炉的真空度为1. IX 10_2Pa 1. 4X 10_2Pa。
5.根据权利要求1、2或4所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤三 中电功率为460W 530W、预热时间为28min 33min。
6.根据权利要求5所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤四中脉冲 电流的电流强度为13. 5A/mm2 14. 5A/mm2。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤 四中脉冲电流的电流强度为13. 5A/mm2 14. 5A/mm2。
8.根据权利要求7所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤四中压力 的最大值为47MPa 53MPa。
9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步 骤四中烧结温度的最大值为1030°C 1180°C。
10.根据权利要求7所述的块状纳米晶镍铝合金的制备方法，其特征在于步骤四中在 最大压力和最高温度的条件下保持4. 5min 5. 5min。
全文摘要
块状纳米晶镍铝合金的制备方法，它涉及镍铝合金的制备方法。本发明解决了现有的纳米晶材料的电沉积法只能制备薄膜材料、而热压烧结法能源消耗大、生产效率低、生产成本高、大塑性变形法对模具、设备、变形工艺要求严格的缺点。本方法先将镍粉和铝粉在高能球磨机中球磨，得到镍铝合金粉末，然后再将镍铝合金粉末装入石墨模具中，在脉冲电流烧结炉中，预热后，边加压加升温，在最大压力和最高温度下保持4～6min，得到块状纳米晶镍铝合金。该块状纳米晶镍铝合金的致密度≥99.7%，块体材料的厚度≥10mm，能耗为热压烧结法的10%~20%，设备及工艺简单。可用于制备块状纳米晶镍铝合金。
文档编号C22C19/03GK101871061SQ20101021967
公开日2010年10月27日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者张凯锋, 徐桂华 申请人:哈尔滨工业大学