专利名称：一种具有超细组织的铝镓合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料及其制备方法。
背景技术：
受燃料电池和CO2减排两大驱动力的推动，清洁能源(氢能)将成为 人类社会实现可持续发展的基础。目前现行工业用氢都采用化石燃料制氢和电解水制氢 为主要的制氢方法，这样的造氢效率不高，需要消耗大量能源，并对环境污染较大。同 时，至今没有有效地解决氢气贮存的问题，制约了燃料电池的发展。近来，铝水反应制 氢技术受到了广泛的关注，然而铝与水反应的最大障碍是表面形成的致密氧化膜，这将 导致反应不能持续进行。利用金属镓具有的破坏铝表面氧化膜的作用，制成铝镓合金可 有效的解决这一问题。将水与铝镓合金接触时，铝通过吸收氧气分解水，在此过程中产 生氢气，镓是惰性的不参与反应，正是由于镓的存在，保证了铝不被氧化并形成氧化铝 膜，从而保证了铝的活性，与水反应生成氧化铝和氢气。由于铝金属和金属镓的熔点相 差很大，如金属铝的熔点为660.4°C，而金属镓的熔点低至29.78°C，导致采用冶炼方法 制备合金十分困难。尽管已有通过冶炼方法制备铝镓合金的范例，但是所获得的铝镓合 金不仅晶粒组织粗大，同时成分偏析比较严重。此外，为降低铝镓合金的成本，需要降 低金属镓的用量，然而，从铝镓相图可知，在金属镓含量小于20%时，铝和镓是固溶状 态，冶炼方法很难获得铝镓两相组织，而相互固溶的铝镓合金不具备与水反应制氢的功 能。发明内容本发明的目的在于提供一种合金组织晶粒细小、分布均勻并且低镓含 量时仍具有两相组织的一种具有超细组织的铝镓合金及其制备方法。本发明主要是金 属镓与铝在惰性气体保护下，采用摩擦搅拌加工方法制备具有超细化组织且金属镓均勻 分布的铝镓合金。本发明的铝镓合金是晶粒尺寸为1 μ m 15 μ m金属镓占合金比例5 50%， 铝占合金比例95 50%的铝镓两相组织。本发明合金的制备方法如下本发明产品的加工方法1)在铝板材，最好采用工业级纯铝板材，表面上沿加工方向加工出沟槽或在距 表面1 2mm处钻平行于板面的孔，孔径小于所用搅拌头上探针的直径。2)根据所制备合金的成分比例计算出应加的金属镓的重量，最好镓的纯度大于 99%,把金属镓置于烧杯中，并把烧杯置于70-100°C水浴中，待金属镓熔化。3)把熔化的金属镓均勻灌入纯铝板的沟槽或孔洞中，待金属镓冷却凝固。4)在专用摩擦搅拌加工设备上，在惰性气体保护下采用专门设计的搅拌头，对 添有金属镓的开槽或开孔区域纯铝合金进行摩擦搅拌加工。最好采用如下加工参数搅 拌头转速为200 1000转/分钟、行进速度为40 200mm/秒、搅拌头倾角为0 3°。本发明的工作原理通过高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的温升使被加工区 金属软化，并带动被加工金属产生高应变速率的塑性流动，使得搅拌区的组织发生动态 连续和不连续再结晶过程，导致组织细化。同时由于搅拌作用导致金属镓可以和铝产生 均勻的混合，最终获得的组织不仅铝基体得到细化，同时金属镓也被细化并弥散分布于铝基体上。本发明与现有技术相比具有如下优点1)铝镓合金制造成本和工艺难度都大大降低；2)铝镓合金组织得到显著细化，不仅产氢效率高，而且避免了熔炼方法存在的 组织偏析问题。3)由于是固态加工，避免了熔炼方法不能获得低镓含量时具有两相组织的问 题。
图1是本发明制备方法的立体示意简图。图2a是本发明例1制备的铝镓合金组织形貌电子显微镜图。图2b是图2a中铝元素面分能谱图。图2c是图2a中镓元素面分能谱图。
具体实施例方式在图1所示的具有超细组织的铝镓合金制备方法的立体示意简图中，沟槽1内设 有金属镓的铝板2上置有向下施力并转动的搅拌头3，该搅拌头的下端面中心设有与搅拌 头同轴线的探针4，该探针长度与铝板厚度相当并置于铝板的沟槽内。搅拌头经过的区域 5为铝镓合金区。在图2a所示的本发明例1制备的铝镓合金组织形貌电子显微镜图中，白 色部分为金属镓，灰色基体为金属铝，从图中可以看出，铝和镓的组织混合的较均勻， 而且金属镓更加弥散和细小。从图2b和图2c所示的铝元素和镓元素面分能谱图，可进 一步证实所制备的合金是由铝和镓两种元素构成的。实施例1在1千克工业级纯铝板材表面上沿加工方向加工出沟槽。取250克纯度大于99% 的金属镓，把其置于烧杯中，并把烧杯置于70-100°C水浴中，待金属镓熔化。把熔化的 金属镓均勻灌入纯铝板的沟槽或孔洞中，待金属镓冷却凝固。将上述金属板置于专用摩 擦搅拌加工设备上，在氩气保护下采用专门设计的搅拌头，对添有金属镓的开槽或开孔 区域纯铝合金进行摩擦搅拌加工，其具体参数如下搅拌头转速为400转/分钟、行进速 度为IOOmm/秒、搅拌头倾角为2.5°。得到的铝镓合金是晶粒尺寸为Iym 3μιη 金属镓占合金比例20%，铝占合金比例80%的铝镓两相组织。实施例2在1千克工业级纯铝板材表面上在距表面2mm处钻平行于板面的孔，孔径小于 所用搅拌头上探针的直径。取53克纯度大于99%的金属镓，把其置于烧杯中，并把烧杯 置于70-100°C水浴中，待金属镓熔化。把熔化的金属镓均勻灌入纯铝板的孔洞中，待金 属镓冷却凝固。将上述金属板置于专用摩擦搅拌加工设备上，在氩气保护下采用专门设 计的搅拌头，对添有金属镓的开槽或开孔区域纯铝合金进行摩擦搅拌加工，其具体参数 如下搅拌头转速为200转/分钟、行进速度为40mm/秒、搅拌头倾角为0°。得到的 铝镓合金是晶粒尺寸为IOym 15ym金属镓占合金比例5%，铝占合金比例95%的 铝镓两相组织。
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实施例3在1千克工业级纯铝板材表面上沿加工方向加工出沟槽。取1千克纯度大于99% 的金属镓，把其置于烧杯中，并把烧杯置于70-100°C水浴中，待金属镓熔化。把熔化的 金属镓均勻灌入纯铝板的沟槽中，待金属镓冷却凝固。将上述金属板置于专用摩擦搅拌 加工设备上，在氩气保护下采用专门设计的搅拌头，对添有金属镓的开槽或开孔区域纯 铝合金进行摩擦搅拌加工，其具体参数如下搅拌头转速为1000转/分钟、行进速度为 200mm/秒、搅拌头倾角为3°。得到的铝镓合金是晶粒尺寸为5 μ m 8 μ m金属镓 占合金比例50%，铝占合金比例50%的铝镓两相组织。
权利要求
1.一种具有超细组织铝镓合金，其特征在于它是晶粒尺寸为Iym 15 μ m，金属 镓占合金比例5 50%，铝占合金比例95 50%的铝镓两相组织。
2.权利要求1的具有超细组织铝镓合金的制备方法，其特征在于1)在铝板材表面上沿加工方向加工出沟槽或在距表面1 2mm处钻平行于板面的 孔，孔径小于所用搅拌头上探针的直径，2)根据所制备合金的成分比例计算出应加的金属镓的重量，把金属镓置于烧杯中， 并把烧杯置于70-100°C水浴中，待金属镓熔化，3)把熔化的金属镓均勻灌入纯铝板的沟槽或孔洞中，待金属镓冷却凝固，4)在专用摩擦搅拌加工设备上，在惰性气体保护下采用专门设计的搅拌头，对添有 金属镓的开槽或开孔区域纯铝合金进行摩擦搅拌加工。
3.根据权利要求2所述的一种具有超细组织铝镓合金的制备方法，其特征在于采 用如下加工参数搅拌头转速为200 1000转/分钟、行进速度为40 200mm/秒、搅 拌头倾角为0 3°。
4.根据权利要求2或3所述的一种具有超细组织铝镓合金的制备方法，其特征在于 采用工业级纯铝板材，
5.根据权利要求2或3所述的一种具有超细组织铝镓合金的制备方法，其特征在于 镓的纯度大于99%。
全文摘要
一种具有超细组织铝镓合金，它是晶粒尺寸为1μm～15μm，金属镓占合金比例5～50％，铝占合金比例95～50％的铝镓两相组织。上述合金的制备方法主要是1)在铝板材表面上沿加工方向加工出沟槽或在距表面2mm处钻孔，2)把金属镓置于烧杯中，并把烧杯置于70-100℃水浴中，待金属镓熔化，3)把熔化的金属镓均匀灌入纯铝板的沟槽或孔洞中，待金属镓冷却凝固，4)在专用摩擦搅拌加工设备上，在惰性气体保护下采用专门设计的搅拌头，对添有金属镓的开槽或开孔区域纯铝合金进行摩擦搅拌加工。本发明的铝镓合金组织显著细化，避免了熔炼方法存在的组织偏析问题以及熔炼方法不能获得低镓含量时具有两相组织的问题。
文档编号C22C21/00GK102011031SQ20101058355
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者付瑞东 申请人:燕山大学