专利名称：一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种非晶/晶体复合结构材料的制备方法，特别是指一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法。属于金属材料技术领域。
背景技术：
由于结构特殊，非晶态合金具有优异的物理、化学和力学性能，并具有广泛的应用前景。尽管非晶态合金材料具有良好的强度，但是缺乏塑性，易产生脆性断裂失效，在单轴向张力作用下塑性几乎可以忽略(0.5%，拉伸时)[C. C. Hays, C. P. Kim, W. L. Johnson, Phys. Rev. Lett. 84 Q000)四01_2904]，限制了非晶态合金材料的结构应用。制备具有非晶 /晶化相复合结构组织的材料，不仅可以提高其塑性，还可以进一步提高强度，改善其综合力学性能，对于一些功能应用的非晶态合金材料还可以进一步提高其物理性能[F. Szuecs, C. P. Kim,W. L. Johnson,Acta Mater. 49(2001) 1507-1513]。因此，发展非晶 / 晶体复合结构材料制备方法，对推广非晶态合金的应用具有重要意义。目前发展的非晶/晶体复合结构材料制备方法，主要包括以下几种(1)渗流铸造法预先制备网状多孔骨架，采用渗铸的方法将合金熔体注入网状多孔骨架，凝固形成非晶，从而得到具有非晶/晶体复合结构的合金材料。但是，多孔骨架作为异质相，会使合金产生非均勻形核，并影响合金熔体的凝固速度，降低合金的非晶形成能力，限制所制备的非晶/晶体复合结构材料的尺寸，同时使得合金的凝固过程难以控制； 所制备的材料的性能受熔体凝固组织与多孔骨架之间的界面结合状态、多孔骨架材料的性能影响，会使材料的性能降低；网状多孔骨架的制备比较复杂，成本高；(2)非晶晶化法先制备出完全非晶态合金，然后进行热处理，使合金的非晶组织部分晶化，获得非晶/晶体复合组织。这种方法需要进行一系列的热力学分析和工艺试验， 且加热温度和保温时间对于合金的晶化程度影响很大，工艺周期比较长；(3)第二相引入法在非晶合金中引入第二相，从而制备出具有非晶+第二相复合组织的合金材料。但是外加的第二相易成为熔体冷却过程中结晶的晶核从而降低熔体的非晶形成能力，合金的凝固过程和第二相的分布难以控制，很难制备体积较大的材料；(4)粉末冶金法首先在非晶粉末中添加其它第二相粉末或一维材料，然后混合、 成形和烧结，这种方法不受合金非晶形成能力的限制，可以制备大尺寸材料。但是，为实现粉末界面的冶金结合，需要进行烧结处理，这会使非晶晶化，降低材料的性能。同时，粉末冶金方法制备的块体材料强度受原始粉末界面结合强度和非晶与第二相材料界面结合状态、 第二相分布均勻性的影响，与快速凝固制备的非晶态合金相比强度较低。因此，开发新的制备非晶/晶体复合结构合金材料的方法，是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便的非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法。本发明通过在合金的凝固过程中，对合金熔体施加稳恒磁场，控制合金的凝固过程和组织形成，从而直接制备出具有非晶/晶体复合结构的合金材料，不需要改变原有的非晶制备工艺，实施方法简单。本发明一种非晶/晶体复合结构铝基合金，其成分为A1(84_x)NiltlCe6Prx(at. % )， 或 Al(84_x)NiltlCe6Zrx (at. % )，其中 χ = 1 4。本发明一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法，包括下述步骤第一步制备母合金根据设计的铝基合金组份配比，选用各组分纯金属，按照名义成分配料，然后真空熔炼制得母合金；第二步甩带制备非晶/晶体复合结构铝基合金在甩带机铜辊轴线与下端磨孔的石英管轴线构成的平面内设置一恒磁场，所述恒磁场的磁场方向垂直于所述石英管轴线，所述恒磁场的的中心位于所述石英管端部与所述甩带机铜辊表面之间；将第一步制备的母合金经打磨和清洗后，置于下端磨孔的石英管中加热重熔，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到旋转的铜辊表面冷却制得非晶/晶体复合结构铝基合金带。本发明一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法中，所述恒磁场的磁场强度为900 1200 ；所述石英管下端与铜辊表面相距Imm 2mm ；铜辊最小线速度为5m/s， 熔体喷射压力为0. 07MPa 0. 08MPa。本发明一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法中，所述熔炼采用真空电弧炉或真空感应熔炼炉。本发明的优点和积极效果本发明提出了一种直接制备非晶/晶体复合结构组织的方法，通过在熔体凝固过程中施加磁场，不改变原有的制备工艺，获得在非晶基体中均勻分布晶体相的复合组织，具有如下优点和积极效果(1)材料中的晶体相是在熔体中原位形成的自生相，与非晶基体的结合为原子“共格”或“部分共格”，解决了渗流铸造法、第二相引入法和粉末冶金法出现的材料性能受界面结合状态控制的关键问题；(2)所形成的晶体相尺寸和分布均勻，解决了渗流铸造法、第二相引入法和粉末冶金法出现的第二相分布难以控制问题；(3)合金组织容易控制，解决了渗流铸造法、第二相引入法等方法因第二相的添加对非晶形成的影响，以及凝固过程难以控制问题；(4)本发明不改变原有的制备工艺，晶体相在制备过程中与非晶同步形成，不需要进行晶化热处理(非晶晶化法)，也不需要粉末冶金法的烧结过程，工艺过程简单；总之，本发明提出了一种直接制备非晶/晶体复合结构组织的方法，不改变原有的制备工艺，工艺过程简单，避免了现有制备方法存在的问题
附图1是本发明实施例1所制备的Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )铝基合金带材A样品和 B样品的X射线衍射分析(XRD)结果。
4
附图2是本发明实施例2所制备的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 铝基合金带材C样品和 D样品的X射线衍射分析(XRD)结果。附图3是实施例2中未实施本发明所制备的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金带材C样品的扫描电镜分析(SEM)结果。附图4是实施例2中实施本发明所制备的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金带材的D样品的扫描电镜的分析(SEM)结果.其中附图1中曲线1为实施例1中未实施本发明所制备的Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )合金带材A样品的XRD结果。曲线2为实施例1中实施本发明所制备的Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )合金带材B样品的XRD结果。根据附图1的XRD物相分析结果实施例1中A样品为非晶态结构；实施例1中B 样品为部分晶化的非晶/晶体复合组织。附图2中曲线3为实施例2中未实施本发明所制备的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金带材C样品的XRD结果。曲线4为实施例2中实施本发明所制备的Al8ciNiltlCe6Zr4 (at. 合金带材D样品的XRD结果。根据附图2的XRD物相分析结果实施例2中C样品为非晶态结构；D样品为在非晶基体中均勻分布晶化相的非晶/晶体复合组织。附图3中实施例2中C样品的SEM结果表明，未观察到晶化相。附图4中实施例2中D样品的SEM结果表明，在Al8tlNiltlCe6Zr4(at. % )非晶态合金基体中观察到均勻分布的晶化相，合金组织为非晶/晶体的复合组织。根据附图1、2的XRD和附图3、4的扫描电镜分析结果本发明可以使合金在凝固过程中形成非晶基体和部分晶化相，所制备合金材料的非晶基体中晶化相均勻分布，具有非晶/晶体复合结构组织。
具体实施例方式本发明在合金熔体的快速凝固过程中对熔体施加稳恒磁场作用，对合金的凝固过程进行控制，制备出多种具有非晶/晶体复合结构的合金。下面结合典型实例对本发明做进一步说明。实施例1 =Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )非晶/晶体复合结构材料第一步配料选用工业纯金属，按照成分Al83NiltlCe6Zr1 (at. % )配料。配料时应机械打磨除去纯金属原料表面的污染层，后用酒精和丙酮混合溶液清洗并风干；第二步制备母合金将第一步配好的合金原料用真空电弧炉熔炼，制得熔炼均勻的母合金；
第三步甩带制备非晶带将第二步制备的母合金分为两份，经表面机械打磨和清洗后，将其中一份置于下端磨口的石英管中加热重熔，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到以5m/s线速度旋转的铜辊表面冷却制得非晶带，样品标记为A ；所述石英管下端与铜辊表面相距Imm 2mm; 熔体喷射压力为0. 07MPa 0. 08MPa。第四步在甩带机铜辊轴线与下端磨孔的石英管轴线构成的平面内设置一磁场强度为1200 的恒磁场，所述恒磁场的磁场方向垂直于所述石英管轴线，所述恒磁场的的中心位于所述石英管端部与所述甩带机铜辊表面之间；然后将第二步制备的母合金的另一份，按照第三步制备完全非晶确定的工艺参数，甩带制备薄带，样品标记为B ；第五步利用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，结果表明A样品为非晶态结构 (图1曲线1)，B样品含有晶化相(图1曲线2)；利用扫描电镜分别对A、B样品的观察，结果表明利用本发明所制备的A样品没有观察到晶化相，B样品为在非晶基体中均勻分布晶体相的非晶/晶体复合结构组织。实施例2 =Al80Ni10Ce6Zr4(at. % )非晶/晶体复合结构材料将名义成分Al8(1Ni1(1Ce6Zr4(at. % )的合金，按照实例1的方法和步骤，在磁场强度为900Gs的恒磁场作用下，以20m/s线速度制备得到凝固过程中施加强磁场作用的D样品和未加强磁场作用的C样品；利用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，结果表明C样品为非晶态结构(图2曲线3)，D样品为含有晶化相(图2曲线4)；利用扫描电镜分别对C、D样品的观察，结果表明C样品没有观察到晶化相(图3)，D样品为在非晶基体中均勻分布晶化相的非晶/晶体复合结构组织(图4)。实施例3 =Al83Ni10Ce6Pr1 (at. % )非晶/晶体复合结构材料将名义成分Al83NiltlCe6Pr1 (at. % )的合金，按照实例1的方法和步骤，在磁场强度为1000 的恒磁场作用下，以10m/S线速度制备得到凝固过程中施加强磁场作用的F样品和未加强磁场作用的E样品；利用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，结果表明E样品的带材为非晶态结构，F样品含有晶化相；利用扫描电镜分别对E、F样品的观察，结果表明备E 样品没有观察到晶化相，F样品为在非晶基体上均勻分布晶体相的非晶/晶体复合结构组织。
权利要求
1.一种非晶/晶体复合结构铝基合金，其成分为Al(84_x)Ni1(1Ce6Prx(at. % )，或Al(84_x) Ni10Ce6Zrx(at. % )，其中 χ = 1 4。
2.制备如权利要求1所述一种非晶/晶体复合结构铝基合金的方法，包括下述步骤第一步制备母合金根据设计的铝基合金组份配比，选用各组分纯金属，按照名义成分配料，然后真空熔炼制得母合金；第二步甩带制备非晶/晶体复合结构铝基合金在甩带机铜辊轴线与下端磨孔的石英管轴线构成的平面内设置一恒磁场，所述恒磁场的磁场方向垂直于所述石英管轴线，所述恒磁场的的中心位于所述石英管端部与所述甩带机铜辊表面之间；将第一步制备的母合金经打磨和清洗后，置于下端磨孔的石英管中加热重熔，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到旋转的铜辊表面冷却制得非晶/晶体复合结构铝基合金带。
3.根据权利要求2所述的一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法，其特征在于 所述恒磁场的磁场强度为900 1200(}S。
4.根据权利要求3所述的一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法，其特征在于 所述石英管下端与铜辊表面相距Imm 2mm;铜辊最小线速度为5m/s，熔体喷射压力为 0.07MPa 0. 08MPa。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法，其特征在于所述熔炼采用真空电弧炉或真空感应熔炼炉。
全文摘要
本发明公开了一种非晶/晶体复合结构铝基合金的制备方法。在成分为Al(84-x)Ni10Ce6Prx(at.％)，或Al(84-x)Ni10Ce6Zrx(at.％)，其中x＝1～4的铝基合金熔体快速凝固制备非晶态合金的过程中，对熔体凝固过程施加稳恒磁场作用，控制合金凝固组织结构的形成，得到非晶/晶体复合结构材料。所施加的稳恒磁场的强度为900Gs～1200Gs；所选用的合金成分为可形成完全非晶态组织的合金，按照名义成分配料后，经真空电弧熔炼或真空感应熔炼制备母合金，然后对熔体凝固过程施加稳恒磁场，并按照该合金熔体快速凝固制备非晶的制备工艺，制备非晶/晶体复合结构组织材料。本发明提出了一种直接制备非晶/晶体复合结构组织的方法，制备的非晶/晶体复合结构中晶体相分布均匀，制备过程不改变原有的制备工艺，工艺过程简单。
文档编号B22D11/06GK102168231SQ20111005768
公开日2011年8月31日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者刘咏, 刘祖铭, 张刘杰, 李飞, 陈芝霖, 黄立清, 黄群 申请人:中南大学