一种高硬度铝基纳米晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高硬度铝基纳米晶合金及其制备方法，合金的成分表达式为Al

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度铝基纳米晶合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高硬度高热稳定性铝基纳米晶合金及其制备方法，属于铝基非晶结构材料领域。

技术介绍

[0002]铝合金因其具有密度低、耐腐蚀等优异性能而广泛应用于航空航天、汽车等领域。但是铝为较软的金属材料，采用现有技术制造的铝合金的硬度仍然无法满足生产需求。随着铝基非晶合金的发展，通过急冷得到的铝基非晶合金内部呈现长程无序的结构，不存在晶界、位错等结构缺陷，能够使铝基非晶合金材料在保持传统铝合金优异性能的同时还具有较高的强度和硬度，但铝基非晶合金的热稳定性较差，晶化温度普遍在100-300℃之间，在高温下各项性能都不稳定，严重限制了该类材料的应用范围。
[0003]考虑到日益严峻的能源问题，研制具有更高的强度、耐腐蚀性、耐高温性，及抗氧化性等优异性能的材料成为科研工作者关注的焦点。研究表明，当铝基非晶基体中弥散分布着纳米粒子时，通过弥散强化作用，可以显著提高其强度和塑性，并且表现出疲劳强度于拉伸强度的良好结合。纳米晶体弥散分布的铝基非晶合金的强度可达到或超过普通钢材的强度，密度却不到钢材的50％，能满足多种航空结构器件的需要，可取代传统的价格昂贵的钛合金。然而，铝基非晶合金的玻璃形成能力相对较低，因此需要选取适当的元素配比来设计非晶合金成分，以进一步提高其热稳定性。另外，由于非晶合金晶化过程中由于组织结构不易控制，极易产生其他尺寸较大的晶粒，无法得到均匀弥散的纳米晶/非晶复合结构。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高硬度高热稳定性铝基纳米晶合金及其制备方法，目的是为提高铝基合金的硬度及热稳定性，改善传统铝合金硬度低，以及铝基非晶合金热稳定性差的缺点。本专利技术借鉴了高熵合金的成分特征，在成分设计过程中引入了多种其他元素，通过选取适当的元素进行添加，开发了具有较高非晶形成能力的铝基多组元非晶合金。并且通过设计适当的热处理方式，得到了fcc-Al纳米晶粒均匀弥散分布在非晶基体中的复合结构，这种复合结构的材料拥有比铝基非晶合金材料更高的强度，更好的热稳定性，因而具备更广阔的应用前景。
[0005]本专利技术的技术目的是通过下述技术方案予以实现的。
[0006]一种高硬度铝基纳米晶合金，其成分有如下表达式Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
M1，其中M为Cu、V、Nb、Mo、Cr、Mn，纳米晶fcc-Al相均匀分散非晶基体中。
[0007]在上述技术方案中，所述表达式为Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Cu1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
V1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Nb1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Mo1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Cr1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Mn1。
[0008]上述技术方案中，各个元素的角标(即摩尔数)之和为100。
[0009]所述的一种高硬度高热稳定性铝基纳米晶合金的制备方法，按照下述步骤予以制备：
[0010]步骤1，按照上述铝基纳米晶合金的成分表达式配制原料并混合均匀；
[0011]在步骤1中，原料纯度＞99.9％；原料Al为粒状，≤25mm；原料Y为块状，≤100mm；原料Ni为粒状，≤5mm；原料Fe为粒状，≤25mm；原料Co为粒状，≤25mm；原料Cu为粒状，≤25mm；原料V为粒状，≤25mm；原料Nb为粒状，≤25mm；原料Mo为粒状，≤25mm；原料Cr为粒状，≤25mm；原料Mn为粒状，≤25mm。
[0012]步骤2，将步骤1配制的原料在惰性保护气体保护下，采用真空电弧炉将步骤1配制的原料正反面交替熔炼，直至其完全均匀后，熔炼成母合金锭，并冷却至室温；
[0013]在步骤2中，惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气。
[0014]在步骤2中，将步骤1配制的原料经4—6次正反面交替熔炼，直至其完全均匀后，熔炼成母合金锭，并冷却至室温20—25℃。
[0015]步骤3，将步骤2制得的母合金锭再次熔化，在惰性保护气体保护下，采用单辊急冷法制备合金条带试样；
[0016]在步骤3中，惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气。
[0017]在步骤3中，所述单辊急冷法制备合金条带试样的工艺参数为：喷射压力为0.02—0.04MPa，喷射温度为600℃—800℃，铜辊转动线速度为40—60m/s，制得的合金条带厚度为0.01—0.03mm。
[0018]在步骤3中，所述单辊急冷法制备合金条带试样的工艺参数优选为：喷射压力为0.03—0.04MPa，喷射温度为700℃—800℃，铜辊转动线速度为50—60m/s，制得的合金条带厚度为0.01—0.03mm。
[0019]步骤4，将步骤3得到的合金条带在真空度小于等于1
×
10-3
Pa下进行退火，退火温度范围在300—500℃之间，以20℃为温度间隔进行退火，退火的时间为10—20分钟。
[0020]本专利技术得到的高硬度高热稳定性铝基纳米晶合金的结构表征和性能测试如下：
[0021](1)非晶结构表征。对于合金条带试样，将条带剪成1厘米左右的长度，自由面向上，取4-5段并排固定在样品台上，用X射线衍射仪(XRD)检测样品的结构。XRD衍射峰应为单一的弥散峰。
[0022](2)热学参数测量。对于合金条带试样，将约10—15mg条带试样剪碎，置于标准铝坩埚中压平实，采用差示扫描量热仪(DSC)记录合金条带的升温曲线。升温曲线有三个放热峰：第一放热峰的起始温度定义为晶化温度T
x
，而升温曲线上每个放热峰所对应的温度定义为Tp。
[0023](3)真空退火操作。将合金条带试样置于直径为5—10mm的石英管中，石英管连接真空泵系统。当真空度达到1
×
10-3
Pa后，将石英管置于退火炉中，按照设定的时间和温度进行退火，退火结束后采取空冷方式冷却到室温。
[0024](4)维氏硬度测试。采用显微维氏硬度计测量在不同温度下退火的合金条带的维氏硬度。将相同成分，不同温度下退火的合金条带分别用胶带固定两端粘在载玻片上，在条带上随机选择至少20个点测量维氏硬度，在得到的硬度值中去除最大值和最小值后求出平均值，得到所测合金条带的平均维氏硬度值，本专利技术制备得到的合金条带的维氏硬度值最高可达到580HV，显著高于同样成分的非晶条带(400HV)。
[0025](5)合金微观结构表征。根据退火后条带的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬度铝基纳米晶合金，其特征在于，其成分有如下表达式Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
M1，其中M为Cu、V、Nb、Mo、Cr或者Mn，所述表达式为Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Cu1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
V1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Nb1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Mo1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Cr1、Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Mn1；按照下述步骤予以制备：步骤1，按照上述铝基纳米晶合金的成分表达式配制原料并混合均匀；步骤2，将步骤1配制的原料在惰性保护气体保护下，采用真空电弧炉将步骤1配制的原料正反面交替熔炼，直至其完全均匀后，熔炼成母合金锭，并冷却至室温；步骤3，将步骤2制得的母合金锭再次熔化，在惰性保护气体保护下，采用单辊急冷法制备合金条带试样；步骤4，将步骤3得到的合金条带在真空度小于等于1
×
10-3
Pa下进行退火，以实现纳米晶fcc-Al相均匀分散非晶基体中，退火温度为620—640K，退火的时间为10—20分钟，优选900—1200s。2.根据权利要求1所述的一种高硬度铝基纳米晶合金，其特征在于，在步骤4中进行退火时，退火时间和退火温度优选如下：(1)Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Cu1—在640K下退火900s(2)Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
V1—在640K下退火900s(3)Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Nb1—在620K下退火900s(4)Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Mo1—在620K下退火900s(5)Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Cr1—在620K下退火900s(6)Al
84
Y9Ni4Co
1.5
Fe
0.5
Mn1—在620K下退火900s。3.根据权利要求1或者2所述的一种高硬度铝基纳米晶合金，其特征在于，在步骤1中，原料纯度＞99.9％；原料Al为粒状，≤25mm；原料Y为块状，≤100mm；原料Ni为粒状，≤5mm；原料Fe为粒状，≤25mm；原料Co为粒状，≤25mm；原料Cu为粒状，≤25mm；原料V为粒状，≤25mm；原料Nb为粒状，≤25mm；原料Mo为粒状，≤25mm；原料Cr为粒状，≤25mm；原料Mn为粒状，≤25mm。4.根据权利要求1或者2所述的一种高硬度铝基纳米晶合金，其特征在于，在步骤2中，惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气；将步骤1配制的原料经4—6次正反面交替熔炼，直至其完全均匀后，熔炼成母合金锭，并冷却至室温20—25℃。5.根据权利要求1或者2所述的一种高硬度铝基纳米晶合金，其特征在于，在步骤3中，惰性保护气体为氮气、氦...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱胜利，金颖，井上明久，崔振铎，杨贤金，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：