一種提高鋁基非晶合金強度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高鋁基非晶合金強度的方法，具體涉及一種通過添加第二相非晶顆粒提高鋁基非晶合金強度的方法，屬于非晶材料領域。
【背景技術】
[0002]鋁基非晶合金由于具有密度低、強度高的特點，受到了廣大科研工作者的極大關注。研究表明，含鋁原子百分數(shù)為84?86%的非晶合金，其拉伸強度要遠遠超過傳統(tǒng)鋁合金的抗拉強度(約600MPa)。
[0003]由于鋁基非晶合金的非晶形成能力低，利用快速凝固技術獲得非晶試樣的最大尺寸僅為1_，遠不能滿足應用需求，而粉末冶金技術為制備大塊鋁基非晶合金提供了新的途徑。放電等離子燒結(SPS)具有升溫速率快、燒結時間短、組織結構可控、節(jié)能環(huán)保等特點，非常適合非晶合金粉末的燒結，可用來進一步突破非晶合金的尺寸限制，制備出相對密度高的塊體非晶合金。目前，通過放電等離子燒結技術可以制備出大尺寸的鋁基非晶合金，但是放電等離子燒結技術制備鋁基非晶合金的溫度很難控制，燒結溫度過低，鋁基非晶合金不容易致密；而燒結溫度過高，鋁基非晶合金容易發(fā)生晶化現(xiàn)象，從而使制備得到的鋁基非晶合金的強度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對利用放電等離子燒結技術制備的鋁基非晶合金強度較低的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種提高鋁基非晶合金強度的方法，所述方法通過放電等離子燒結技術獲得第二相非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金，所述方法最高能夠使鋁基非晶合金的強度提高66% ;所述方法具有操作簡單、耗費時間少、成本低、重復性好的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。
[0006]—種提高鋁基非晶合金強度的方法，所述方法步驟如下:
[0007]步驟1.將純度彡99.9%的Al、N1、Er、Co和La金屬塊體按摩爾比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度2.5X 10 3?8.0X 10 4Pa下，以氬氣作為保護氣體，并在攪拌下熔煉6?lOmin，得到合金液；將合金液隨爐冷卻，得到合金錠；將得到的合金錠翻轉，重復熔煉4次以上，得到Al-N1-Er-Co-La非晶合金的母合金錠；將得到的母合金錠裝入真空金屬霧化制粉爐中，在過熱度為100?200°C，霧化氣壓8?lOMPa條件下進行霧化，并對霧化后的粉末顆粒粒徑進行篩選，得到粒徑為20?50 μ m的球形鋁基非晶合金粉末；
[0008]步驟2.將Fe、Si和B粉末按原子百分比92:3:5或Zr、Cu和Ti金屬粉末按照原子百分比50:40:10或T1、Fe和Ni金屬粉末按照原子百分比50:25:25裝入球磨罐中，球料比為10?20:1 ;在Ar氣氛的手套箱中向球磨罐中注入甲苯作為工程控制劑，并封罐；從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，球磨轉速為600?800r/min，球磨時間為20?30h，得到第二相非晶顆粒粉末；
[0009]步驟3.將步驟1得到的鋁基非晶合金粉末和步驟2得到的第二相非晶顆粒粉末按質量比1:0.66?1.5裝入球磨罐中，并在Ar氣氛的手套箱中封罐，從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，不加球磨介質，在球磨機轉速為600?800r/min下混合8?10h后，得到鋁基非晶合金/第二相非晶顆?；旌戏勰?；
[0010]步驟4.將步驟3得到的鋁基非晶合金/第二相非晶顆粒混合粉末裝入硬質合金模具中，利用放電等離子燒結技術，在升溫速率為50?100°C /min，燒結溫度為500?520°C，壓強為50?150MPa下進行燒結，保溫1?3min后降到室溫，得到第二相非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金；
[0011]其中，甲苯在Fe、Si和B粉末或Zr、Cu和Ti金屬粉末或T1、Fe和Ni金屬粉末中的含量為2?4mL/g。
[0012]所述2101沖6、附、11、5丨、8粉末純度多99.5%，粒徑彡50 μm。
[0013]所述第二相非晶顆粒優(yōu)選機械合金化制備的Fe-S1-B。
[0014]有益效果:
[0015](1)利用本發(fā)明所述方法得到的第二相非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金，其相對密度多98%，通過準靜態(tài)壓縮試驗發(fā)現(xiàn)其抗壓強度多l(xiāng)lOOMpa，與未添加第二相非晶顆粒的招基非晶合金相比，強度最尚可提升66%。
[0016](2)本發(fā)明所述方法中第二相非晶顆粒采用機械合金化球磨制得，得到的非晶粉末形狀極不規(guī)則，具有較高的表面活性；而通過氬氣霧化法制備得到的鋁基非晶合金粉末為球形，表面幾乎無氧化現(xiàn)象，這兩種粉末按照一定質量分數(shù)混合后具有較好的燒結性能；放電等離子燒結過程中，采用硬質合金模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨模具，可提高燒結時的壓強，有利于提高燒結試樣的相對密度。
[0017](3)本發(fā)明所述方法關鍵是控制放電等離子燒結的燒結溫度，為保證鋁基非晶合金的高致密性，選擇500?520°C的燒結溫度；在此燒結溫度下，雖然鋁基非晶會發(fā)生晶化，但是加入的第二相非晶顆粒晶化溫度均高于500°C且自身的強度較高，從而使制備的鋁基非晶合金具有良好的致密性和較高的強度。
[0018](4)本發(fā)明所述方法操作簡單、耗費時間少、成本低、重復性好。
【附圖說明】
[0019]圖1為實施例1制備的Fe-S1-B非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金的X射線衍射(XRD)圖。
[0020]圖2為實施例1制備的Fe-S1-B非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金的低倍掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0021]圖3為實施例1制備的Fe-S1-B非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金的高倍掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0022]圖4為實施例1制備的Fe-S1-B非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金的應力_應變曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述。
[0024]以下實施例中:
[0025]所用儀器設備:
[0026]球磨機:SPEX8000D，高能球磨機，美國；
[0027]電弧熔煉爐:DHL-400，高真空非自耗電弧熔煉爐，中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司；
[0028]真空金屬霧化制粉爐:自制真空金屬霧化制粉爐，能夠制備出具有較好球形度的金屬合金粉末；
[0029]放電等離子燒結爐:Model1050，日本 Sumitomo Coal Mining ；
[0030]硬質合金模具:型號YG15硬質合金模具。
[0031]對所制備的第二相非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金進行的表征:
[0032](1)物相分析:采用德國Bruker AXS公司D8 advance X射線衍射儀進行物相分析，工作電壓和電流分別為40KV和40mA，X射線源為CuK α ( λ = 0.1542nm)射線，掃描速度為 0.2sec/step，掃描步長為 0.02。/step;
[0033](2)形貌表征:米用日本日立公司的HITACHI S4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行微觀形貌表征，二次電子成像，工作電壓為15kV ；
[0034](3)準靜態(tài)壓縮試驗:采用CMT4305型微機電子萬能試驗機進行室溫軸向準靜態(tài)壓縮試驗，測試試樣依據(jù)金屬材料室溫壓縮試驗方法GB-T 7314-2005中的有關規(guī)定制成直徑為4_、高度4_的圓柱形試樣，測試所采用的試驗機應變率為10 3s \測得試樣的抗壓強度；
[0035](4)相對密度測試:利用阿基米德排水法測得試樣的相對密度；
[0036]未添加第二相非晶顆粒的鋁基非晶合金的制備:除了不添加第二相非晶顆粒，與第二相非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金的制備方法、參數(shù)相同。
[0037]實施例1
[0038](1)將純度彡99.9%的Al、N1、Er、Co和La金屬塊體按摩爾比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度2.5X 10 3Pa下，以氬氣作為保護氣體，并在攪拌下熔煉lOmin，得到合金液；將合金液隨爐冷卻，得到合金錠；將得到的合金錠翻轉，重復熔煉4次，得到Al-N1-Er-Co-La非晶合金的母合金錠；將制備好的母合金錠裝入真空金屬霧化制粉爐中，在過熱度為200°C，霧化氣壓9MPa條件下進行霧化，利用振動篩分機獲得粒徑分布在20?50 μ m的球形鋁基非晶合金粉末；
[0039](2)將純度彡99.5%，粒徑<50μπι的3g Fe、Si和B混合粉末，裝入球磨罐中，其中Fe、Si和B的原子百分比為92:3:5，球料比為10:1，在Ar氣氛的手套箱中向球磨罐中注A6ml甲苯，并封罐；從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，在600r/min的轉速下球磨25h，得到Fe-S1-B非晶顆粒粉末；
[0040](3)將步驟⑴得到的鋁基非晶合金粉末和步驟(2)得到的Fe-S1-B非晶顆粒粉末按照1:1的質量比裝入球磨罐中，并在Ar氣氛的手套箱中封罐，從手套箱中取出球磨罐后裝入球磨機中，不加球磨介質，在球磨機轉速為600r/min下混合10h后得到鋁基非晶合金/Fe-S1-B非晶顆?；旌戏勰?；
[0041](4)將步驟(3)得到的鋁基非晶合金/Fe-S1-B非晶顆粒混合粉末裝入YG15硬質合金模具中，然后利用放電等離子燒結技術，在升溫速率為50°C /min，燒結溫度為520°C，壓強為150MPa下進行燒結，保溫lmin，然后降到室溫，得到Fe-S1-B非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金。
[0042]對本實施例制備得到的Fe-S1-B非晶顆粒增強強度的鋁基非晶合金進行的表征如下:
[0043]圖1為所制備的鋁基非晶合金的XRD圖譜，其中α -Al、Al17ErjP AlErNi 4是制備過程中鋁基非晶發(fā)生晶化現(xiàn)象而產(chǎn)生的晶化相，F(xiàn)e3Si為鐵基非晶發(fā)生晶化現(xiàn)象而產(chǎn)生的晶化相。圖2和圖3為所制備的鋁基非晶合金在不同放大倍數(shù)下的SEM圖，可以看到材料組織結構為明顯的兩相，A1基非晶合金基體相和Fe-S1-B非晶顆粒，其中A1基非晶合金幾乎完全致密化且晶化嚴重，而Fe-S1-B非晶顆粒仍然保持不規(guī)則狀，兩相界面結合良好。從圖3高倍SEM圖中，可以發(fā)現(xiàn)在兩相之間存在明顯的過渡層，厚度約為5 μπι。從過渡層的能譜線掃描結果中可以看出在過渡層中明顯存在鋁原子和鐵原子的擴散。利用阿基米德排水法測得鋁基非晶合金的相對密度為98.6%。圖4為所制備的Α1基非晶合金的應力應變曲線，可知所述鋁基非晶合金的抗壓強度達到1285MPa，而未添加第二相非晶顆粒的鋁基非晶合金的強度為758MPa，所述方法能夠使鋁基非晶合金的強度提高66%。
[0044]實施例2
[0045](1)將純度彡99.9%的Al、N1、Er、Co和La金屬塊體按摩爾比86:7:5:1:1配成原始材料，在真空度1.0X 10 3Pa下，以氬氣作為保護氣體，并在攪拌下熔煉8min，得到合金液；將合金液隨爐冷卻，得到合金錠；將得到的合金錠翻轉，重復熔煉4次，得到Al-N1-Er-Co-La非晶合金的母合金錠；將制備好的母合金錠裝入真空金屬霧化制粉爐中，在過熱度為150°C，霧化氣壓lOMPa條件下進行霧化，利用振動篩分機獲得粒徑分布在20?50 μπι的球形鋁基非晶合金粉末；
[0046](2)將純度彡99.5%，粒徑彡50 μπι的3g Fe、Si和B混合粉末裝入球磨罐中，其中Fe、Si和B的原子百分比為92:3