專利名稱：一種含Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶合金領(lǐng)域，具體涉及一種新型輕質(zhì)的Al-Li-Ca-Ni-La非晶合金。
背景技術(shù)：
非晶合金是近年來出現(xiàn)的有望作為結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的新一代金屬材料。由于具有 不同于晶體的特殊原子排列結(jié)構(gòu)，非晶合金表現(xiàn)出傳統(tǒng)晶態(tài)材料無法比擬的超高比強(qiáng)度、 大彈性變形能力、低熱膨脹系數(shù)、超高耐蝕性及良好的軟磁性等優(yōu)異性能。因此，非晶態(tài)合 金目前已引起了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)今材料界最為活躍的研究領(lǐng)域之一。自20世紀(jì)80年代以來，隨著鐵磁性非晶合金研究的逐漸成熟，以及航天航空及運(yùn) 輸工具輕型化的迅速發(fā)展，人們開始把注意力轉(zhuǎn)向高強(qiáng)度低密度材料的研究工作，尤其是 對(duì)Al基快凝合金的研究。首先用噴槍技術(shù)在Al-Si,Al-Ge和Al-M(M = Cu，Ni，Cr和Pd)系 中發(fā)現(xiàn)了非晶和晶體共存結(jié)構(gòu)。1981年第一次在含Al超過50%的Al-Fe-B和Al-Co-B三 相合金系中得到單一非晶相，之后相繼得到了 Al-Fe-Si、Al-Fe-Ce和Al-Mn-Si非晶合金。 但是這些非晶合金非常脆，因此并沒有引起很多注意。1984年，Shechtman等在快凝Al-Mn 合金中發(fā)現(xiàn)具有五次對(duì)稱的二十面體準(zhǔn)晶相，之后在多種Al-過渡金屬合金中相繼發(fā)現(xiàn)存 在著準(zhǔn)晶相；在1987年，Inoue在含Al 80%的Al-Ni-Si和Al-Ni-Ge合金系中發(fā)現(xiàn)了韌性 良好的非晶合金。1988年，He等發(fā)現(xiàn)了含Al量達(dá)90at%的高強(qiáng)度低密度的Al-TM-Re非晶 合金；1990年，Inoue等利用快凝技術(shù)得到新型的Al-TM-Re納米復(fù)合材料(納米晶體均勻 彌散分布在非晶基體上)。自此以后，大量具有韌性的Al基非晶合金在三元合金系中被發(fā) 現(xiàn)，例如Al-Zr-Cu，Al-Zr-Ni和Al-Nb-Ni，從而形成了 A1-EM-LM系非晶合金。隨后，用RE 代替 TM 的 Al-RE-TM 如 Al-Y-M，Al-La-M 和 Al_Ce_M(M = Fe，Co，Ni，Cu)，二 Al-RE (RE = Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm, Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Yb)非晶合金系也先后被發(fā)現(xiàn)，其中EM表示IV VI族的過渡族金屬元素，LM表示VII和VIII族過渡族元素，TM表示過渡族金屬或類金屬， Re為稀土元素。目前，尚未有關(guān)于Al-Li基的非晶合金的文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種以最輕質(zhì)元素Li (密度為0. 53g/cm3)作為主元素加 入合金中能夠顯著降低合金的密度，Ca(密度為1.55g/cm3)的加入一方面可以降低合金 的密度，另一方面由于Al-Ca之間存在共價(jià)鍵結(jié)合，這種組元間的有方向性的共價(jià)鍵結(jié) 合能夠大幅度地降低原子在過冷液相區(qū)的運(yùn)動(dòng)，有助于提高非晶形成能力的新型輕質(zhì)的 Al-Li-Ca-Ni-La 非晶合金。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種含Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其化學(xué)成分為以原 子百分比 A177% 82%、Li5% 12%、Ca6% 10%、Ni3% 7%、LaO% 3%。采用市售純金屬Al、Li、Ca、Ni和La(純度高于99.9%，重量百分比)為原材料， 對(duì)于四元合金，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉原子配比為Al85Ni15 二元合金作為中間合金，再將Al85Ni15中間合金與Al、Li和Ca等元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔煉成 母合金錠，合金的成分(原子百分比)為 Al8tlLi 1Q_xCaiQNix(X = 0,2,4)、Al80+xLi6Ca10_xNi4(x =2，4，5，6，7)、Al80+xLi6_xCa10Ni4(x = 1,2,3,4,5)禾口 Al80Li6Ca10_xNi4+x (χ = 1,2,3,4) 對(duì) 于五元合金，首先在經(jīng)過鈦純化的氬氣氣氛下電弧熔煉原子配比為Al85Ni15 二元合金作 為中間合金，再將Al85Ni15中間合金與Al、Li、Ca和La等元素材料在惰性氣氛下感應(yīng)熔 煉成母合金錠，合金的成分(原子百分比)為[Al80Li6Ca8Ni6J100^xLax(χ = 0,1,2,3,4)和 [Al80Li6Ca7Ni7] 100_yLay(y = 2,3)的母合金。采用單輥旋淬法，調(diào)節(jié)不同輥速在氬氣保護(hù)下 制得厚度為50 μ m 100 μ m的快凝合金薄帶，所得薄帶厚度均勻，表面光潔，不同輥速下所 得不等。采用X射線衍射分析儀掃描得到X射線圖譜。采用示差掃描量熱分析儀對(duì)樣品進(jìn) 行熱穩(wěn)定性分析，確定樣品的晶化溫度Txi和Tx2，所采用的保護(hù)氣氛是流動(dòng)的高純氬氣，加 熱速率為20K/min。本發(fā)明在Al8tlLi6Ca8Ni6的基礎(chǔ)上添加稀土元素La，La與Al有較大的混合熱值 為-38kJ/mol，原子半徑為0. 188nm，使得組元之間的原子半徑過渡更為平滑，且增加了 組元數(shù)目，增大了混合熵，這些因素均有利于提高非晶合金的形成能力。設(shè)計(jì)成分如下 [Al80Li6Ca8Ni6J100^xLax(χ = 1,1.5,2,3,4,5)和[Al80Li7Ca7Ni6] 100_yLay (y = 2,3,4,5) 0 在這 兩個(gè)體系中，當(dāng)La含量增加到4%或以上時(shí)，會(huì)降低非晶合金的形成能力，而La處于1 % 3 %時(shí)，合金具有良好的非晶形成能力。本發(fā)明采用單輥旋淬法首次合成了 Al-Li-Ca-Ni-La輕質(zhì)非晶合金薄帶，其中 [Al80Li7Ca7Ni6] 100_yLay(y = 2,3)的薄帶具有最佳厚度為100 μ m。少量的La和Ni的加入能 夠提高合金的非晶形成能力并提高合金的晶化溫度，同時(shí)改變合金的晶化過程，使得合金 從一個(gè)晶化階段變轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)晶化階段。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于采用上述技術(shù)方案，1.通過添加Li和Ca，降低了非晶合金的密度。2.通過添加La和Ni，提高了合金的非晶形成能力和晶化溫度。


圖1是不同輥速下采用單輥旋淬法制備的合金[Al8tlLi6Ca8Ni6] 1QQ_xLax(χ = 0,1,2, 3)和[Al8tlLi6Ca7Ni7] 1(l(l_yLay(y = 2,3)的X射線衍射譜。橫坐標(biāo)為2 θ角度；縱坐標(biāo)為衍射 強(qiáng)度。圖2是單輥旋淬法制備的[Al80Li6Ca8Ni6J100^xLax(χ = 0，1,2,3)合金的連續(xù)加熱 DSC晶化曲線(加熱速率為20K/min)。橫坐標(biāo)為溫度；縱坐標(biāo)為熱量。圖3是單輥旋淬法制備的[Al8tlLi6Ca7Ni7]98La2合金的連續(xù)加熱DSC晶化曲線(加 熱速率為20K/min)。橫坐標(biāo)為溫度；縱坐標(biāo)為熱量。圖4是單輥旋淬法制備的[Al8tlLi6Ca7Ni7]97La3合金的連續(xù)加熱DSC晶化曲線(加 熱速率為20K/min)。橫坐標(biāo)為溫度；縱坐標(biāo)為熱量。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
實(shí)例1含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A180 %、Li6 %、 Ca8%、Ni6%。利用單輥旋淬法甩帶制成厚度為60 μ m的薄帶后，樣品的X射線衍射譜證實(shí) 整個(gè)試樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，見圖1上曲線；從連續(xù)加熱的DSC晶化曲線中，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn) 變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)，見圖2上曲線，樣品的初始晶化溫 度為474K。實(shí)例2含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A179. 2 %、 Li5. 94%,Ca7. 92%,Ni5. 94%、Lal%。利用單輥旋淬法甩帶制成厚度為60 μ m的薄帶后， 樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，見圖1上曲線；從連續(xù)加熱的DSC晶化曲 線中，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)，見圖2上 曲線，隨著La的加入，樣品的初始晶化溫度增高為491K。實(shí)例3含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A178. 4 %、 Li5. 88%,Ca7. 84%,Ni5. 88%、La2%。利用單輥旋淬法甩帶制成厚度為80 μ m的薄帶后， 樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，見圖1上曲線；從連續(xù)加熱的DSC晶化曲 線中，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)，見圖2上 曲線，隨著La的繼續(xù)增加，樣品的初始晶化溫度增高為516K。實(shí)例4含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A177. 6 %、 Li5. 82%,Ca7. 76%,Ni5. 82%、La3%。利用單輥旋淬法甩帶制成厚度為80 μ m的薄帶后， 樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，見圖1上曲線；從連續(xù)加熱的DSC晶化曲 線中，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)，見圖2上 曲線，樣品的初始晶化溫度降低為482K。該樣品的晶化曲線中出現(xiàn)了兩個(gè)放熱峰，即晶化過 程是兩步完成的，這與之前的幾個(gè)樣品的晶化過程不同，第二晶化峰的初始溫度為562K。實(shí)例5含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A178. 4 %、 Li5. 88%,Ca6. 86%,Ni6. 86%,La2%0利用單輥旋淬法甩帶制成厚度為IOOym的薄帶后， 樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，見圖1上曲線；從連續(xù)加熱的DSC晶化曲 線中，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)，見圖3上 曲線，樣品的初始晶化溫度為493K。該樣品的晶化曲線中出現(xiàn)了兩個(gè)放熱峰，即晶化過程是 兩步完成的，第二晶化峰的初始溫度為508K，兩個(gè)晶化階段幾乎合并成一個(gè)晶化峰。實(shí)例6含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A177. 6 %、 Li5. 82%,Ca6. 79%、Ni6. 79%,La3%0利用單輥旋淬法甩帶制成厚度為100 μ m的薄帶后， 樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，見圖1上曲線；從連續(xù)加熱的DSC晶化曲 線中，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)，見圖4上 曲線，樣品的初始晶化溫度為533K。該樣品的晶化曲線中出現(xiàn)了兩個(gè)放熱峰，即晶化過程是 兩步完成的，第二晶化峰的初始溫度為575K。
實(shí)例7含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A178%、Lil2%、 CalO %、Ni7 %、La3 %。利用單輥旋淬法甩帶制成薄帶后，樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試 樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；利用DSC加熱晶化，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化 轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)。實(shí)例8含有Li和Ca的Al基非晶合金，其化學(xué)成分(原子百分比)為A182%、Lil2%、 CalO%、Ni7%、Lal %。利用單輥旋淬法甩帶制成薄帶后，樣品的X射線衍射譜證實(shí)整個(gè)試 樣為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；利用DSC加熱晶化，沒有觀察到玻璃轉(zhuǎn)變信號(hào)，但可以觀察到典型的晶化 轉(zhuǎn)變引起的放熱反應(yīng)。
權(quán)利要求
一種含Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于該非晶合金的化學(xué)成分為以原子百比為Al77％～82％、Li5％～12％、Ca6％～10％、Ni3％～7％、La0％～3％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A180%、Li6%、Ca8%、Ni6%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A179. 2%,Li5. 94%,Ca7. 92%,Ni5. 94%,Lal%0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A178. 4%,Li5. 88%,Ca7. 84%,Ni5. 88%,La2%0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A177. 6%,Li5. 82%,Ca7. 76%,Ni5. 82%,La3%0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A178. 4%,Li5. 88%,Ca6. 86%,Ni6. 86%,La2%0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A177. 6%,Li5. 82%,Ca6. 79%,Ni6. 79%,La3%0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A178%,Lil2%,Cal0%,Ni7%,La3%o
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Li和Ca的輕質(zhì)Al基非晶合金，其特征在于，所述化學(xué)成分 為以原子百比為 A182%,Lil2%,Cal0%,Ni7%,Lal%o
全文摘要
本發(fā)明涉及非晶合金領(lǐng)域，具體涉及一種新型輕質(zhì)的Al-Li-Ca-Ni-La非晶合金。該非晶合金的化學(xué)成分(原子百分比)為Al77％～82％、Li5％～12％、Ca6％～10％、Ni3％～7％、La0％～3％。該材料采用單輥快淬法形成薄帶狀試樣，薄帶厚度均勻，通過調(diào)整輥速大小，可形成厚度不同的薄帶，在輥速為17m/s下，所得薄帶最大厚度可達(dá)100μm。過渡族元素Ni和稀土元素La的添加能夠提高該合金的非晶形成能力，并且提高了合金的晶化溫度。
文檔編號(hào)C22C45/08GK101962742SQ20101053020
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者惠希東, 戚玉鳳, 王樹申, 胡磊, 賀瑩瑩, 趙巖峰, 陳國(guó)良 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)