一種高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車工業(yè)的迅速發(fā)展和不可再生的石油資源逐漸減少的矛盾日趨突出，降低汽車自身的重量越發(fā)重要。另一個(gè)途徑是進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率，眾所周知，提高發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱溫度可提高燃油效率，所以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多有鑄鐵等黑色金屬作為發(fā)動(dòng)機(jī)用合金材料，但黑色金屬密度較高，不利于降低車身重量，因此近年來越來越多的汽車制造商采用鋁合金替代鑄鐵作為發(fā)動(dòng)機(jī)用材料。鋁合金背身的熔點(diǎn)低，高溫容易發(fā)生蠕變，導(dǎo)致材料性能失效。因此，只能采用降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的方法犧牲一部分燃油效率。
[0003]1988年美國的Poon研究組和日本的Inoue研究組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)鋁基非晶合金以來，2009年中國學(xué)者用直接噴鑄法成功制備了尺寸為Imm的鋁基非晶合金。鋁基非晶合金的拉伸強(qiáng)度可達(dá)1500MPa。
[0004]鋁基非晶合金的熱穩(wěn)定性較差，一般晶化溫度在100°C-300°C之間。因此，鋁基非晶合金的一般高溫力學(xué)性能不穩(wěn)定，且強(qiáng)度比較低。本發(fā)明采用高溫塑性變形熱處理，制備納米鋁/非晶非晶復(fù)合材料，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，在耐熱高溫鋁合金領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:
本發(fā)明的目的在于提供一種聞溫聞強(qiáng)度招基非晶復(fù)合材料及其制備方法，突破了招基非晶合金應(yīng)用的溫度限制，該鋁基非晶合金的使用溫度可達(dá)300°C以上，使鋁基非晶復(fù)合材料作為耐高溫鋁合金的的應(yīng)用成為可能。
[0006]技術(shù)方案:
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的:
一種高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料，其特征在于:該鋁基非晶復(fù)合材料由下述元素組成按原子百分比計(jì):過渡族金屬元素2-10%,稀土元素2-10%, Al余量。
[0007]過渡族金屬元素為Fe、Co、Ni中的一種或多種；稀土元素為Y、Ce、La中的一種或多種。
[0008]所述非晶復(fù)合材料的組成元素純度分別為Al及過渡族金屬元素> 99.9%，稀土元素〉99%ο
[0009]一種如上所述高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:制備方法步驟如下:
(I)母合金的熔煉，過渡族金屬元素，稀土元素和鋁采用電弧爐或電感應(yīng)爐熔煉母合金，熔煉過程先抽真空，然后采用惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)熔煉； (2)熔煉的母合金，采用銅模澆鑄或熔體急冷甩帶的方法制備塊體或條帶非晶樣品或部分非晶樣品；
(3)動(dòng)態(tài)熱塑性變形處理，溫度在10(TC-40(TC，采用壓縮、拉伸或熱擠壓方式，在空氣、真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，拉伸處理應(yīng)變大于3%，壓縮處理壓縮變形率大于3%，熱擠壓處理擠壓比在1.2以上。
[0010]制備過程中，需要高溫塑性變形使非晶合金發(fā)生動(dòng)態(tài)晶化，形成納米鋁/非晶復(fù)合材料。
[0011]步驟(3)中塑性變形過程應(yīng)變速率小于5X 10_2。
[0012]步驟(2)中合金為完全非晶或部分非晶。
[0013]優(yōu)點(diǎn)和效果:
現(xiàn)在耐熱鋁合金一般為時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，隨溫度升高其晶粒長大，高溫力學(xué)性能迅速降低。本發(fā)明采用非晶及納米復(fù)合材料，塑形變形過程是其析出大量的納米鋁晶體，且鋁晶粒不宜長大，有較高的熱穩(wěn)定性，高溫力學(xué)性能顯著提高，300°C仍保持高的強(qiáng)度。
【附圖說明】
[0014]圖1采用該方法制備的條帶A188Ni4Y8非晶復(fù)合材料不同溫度的拉伸強(qiáng)度圖；
圖2采用該方法制備的條帶A188Ni4Y8非晶復(fù)合材料不同溫度的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，圖 2 (a)100°C，圖 2 (b) 300°C。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:
本發(fā)明提出了一種高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料，其特征在于:該鋁基非晶合金由下述元素組成(原子百分比):過渡族金屬元素(Fe、Co、Ni )2-10%，稀土元素(Y、Ce、La)2-10%，Al余量。
[0016]過渡族金屬元素為Fe、Co、Ni中的一種或多種；稀土元素為Y、Ce、La中的一種或多種。
[0017]所述非晶復(fù)合材料的組成元素純度分別為Al及過度金屬元素均> 99.9%，稀土元素〉99%ο
[0018]一種如上所述高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料的制備方法，該方法步驟如下:
(1)母合金的熔煉，將上述過渡族金屬元素、稀土元素和鋁采用電弧爐或電感應(yīng)爐熔煉母合金，熔煉過程先抽真空，然后采用惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)熔煉；
(2)熔煉的母合金，采用銅模澆鑄(噴鑄或吸鑄方式)或熔體急冷甩帶的方法制備塊體或條帶非晶樣品或部分非晶樣品；
(3)動(dòng)態(tài)熱塑性變形處理，溫度在10(TC-40(TC，采用壓縮、拉伸或熱擠壓方式，可在空氣、真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，拉伸處理應(yīng)變大于3%，壓縮處理壓縮變形率大于3%，熱擠壓處理擠壓比在1.2以上。
[0019]銅模澆鑄制備塊體或熔體急冷制備條帶為單相非晶合金或含有一定量納米鋁晶體的非晶材料。
[0020]其制備過程中，需要高溫塑性變形使非晶合金發(fā)生動(dòng)態(tài)晶化，形成納米鋁/非晶復(fù)合材料。
[0021]步驟(3)中塑性變形過程應(yīng)變速率小于5X 10_2。
[0022]步驟(3)中高溫塑性變形方式為拉伸塑性變形、壓縮塑性變形或熱擠壓塑性變形，拉伸變形應(yīng)變不小于3%，壓縮變形應(yīng)變不小于3%，熱擠壓變形處理擠壓比在1.2以上。
[0023]步驟(2)中合金組織為完全非晶或部分非晶。
[0024]熱擠壓過樣品發(fā)生動(dòng)態(tài)晶化，晶化類型為初晶型晶化，晶化產(chǎn)物為納米鋁/非晶復(fù)合材料，也可含有少量其他金屬間化合物，動(dòng)態(tài)晶產(chǎn)物使復(fù)合材料中的納米鋁相含量顯有；曰夕。
[0025]實(shí)施例1
按比例配置Al88Ni4Y8合金，采用電弧熔煉方法制備母合金，1000°C重熔母合金，進(jìn)行熔體急冷方法甩帶，滾速控制在30m/s，制備條帶厚度為20-40 μ m,經(jīng)XRD、TEM等驗(yàn)證，樣品為完全非晶態(tài)。
[0026]在200°C做均勻拉伸變形處理，應(yīng)變?yōu)?%，冷卻至室溫，將所獲的樣品進(jìn)行高溫拉伸測(cè)試，樣品在不同溫度強(qiáng)度如圖1所示。典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線(100°c和300°C)如圖2所
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[0027]實(shí)施例2
按比例配置Al86Ni7Y45Co1Lah5合金，采用電弧熔煉方法制備母合金，1050°C重熔母合金，采用銅模鑄造法制備Φ1.5mm，長度為1mm棒狀樣品，經(jīng)XRD、TEM等驗(yàn)證，樣品為部分非晶態(tài)，即納米鋁非晶復(fù)合材料。
[0028]在250°C做均勻壓縮變形處理，應(yīng)變?yōu)?0%，冷卻至室溫，將所獲的樣品進(jìn)行高溫拉伸測(cè)試，樣品在不同溫度均獲得高的力學(xué)性能。
[0029]實(shí)施例3
按比例配置Al88Ni2YLaltl合金，采用電弧熔煉方法制備母合金，1000°C重熔母合金，進(jìn)行熔體急冷方法甩帶，滾速控制在35m/s，制備條帶厚度為20-40 μ m,經(jīng)XRD、TEM等驗(yàn)證，樣品為部分非晶態(tài)。
[0030]在100°C做均勻拉伸變形處理，應(yīng)變?yōu)?%，冷卻至室溫，獲耐熱高性能非晶復(fù)合材料。
[0031]實(shí)施例4
按比例配置Al88FeltlY2合金，采用電弧熔煉方法制備母合金，1000°C重熔母合金，進(jìn)行熔體急冷方法甩帶，滾速控制在35m/s，制備條帶厚度為20-40 μ m,經(jīng)XRD、TEM等驗(yàn)證，樣品為部分非晶態(tài)。
[0032]在400°C做均勻拉伸變形處理，應(yīng)變?yōu)?%，冷卻至室溫，獲耐熱高性能非晶復(fù)合材料。
[0033]實(shí)施例5
按比例配置Al87Co8Ce5合金，其它條件同實(shí)施例1。
[0034]實(shí)施例6
按比例配置Al89Fe4Ni1Y45Ceu合金，其它條件同實(shí)施例2。
[0035]實(shí)施例7
按比例配置Al88Fe6C0lCeh5Lai5合金，其它條件同實(shí)施例2。
[0036]實(shí)施例8
按比例配置Al86Fe5Ni2Co1Y3Ce1La2合金，其它條件同實(shí)施例2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種聞溫聞強(qiáng)度招基非晶復(fù)合材料，其特征在于:該招基非晶復(fù)合材料由下述兀素組成按原子百分比計(jì):過渡族金屬元素2-10%,稀土元素2-10%, Al余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料，其特征在于:過渡族金屬元素為Fe、Co、Ni中的一種或多種；稀土元素為Y、Ce、La中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料，其特征在于:所述非晶復(fù)合材料的組成元素純度分別為Al及過渡族金屬元素〉99.9%，稀土元素〉99%。
4.一種如權(quán)利要求1所述高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:制備方法步驟如下: (1)母合金的熔煉，過渡族金屬元素，稀土元素和鋁采用電弧爐或電感應(yīng)爐熔煉母合金，熔煉過程先抽真空，然后采用惰性氣體或氮?dú)獗Ｗo(hù)熔煉； (2)熔煉的母合金，采用銅模澆鑄或熔體急冷甩帶的方法制備塊體或條帶非晶樣品或部分非晶樣品； (3)動(dòng)態(tài)熱塑性變形處理，溫度在10(TC-40(TC，采用壓縮、拉伸或熱擠壓方式，在空氣、真空或惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行，拉伸處理應(yīng)變大于3%，壓縮處理壓縮變形率大于3%，熱擠壓處理擠壓比在1.2以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:制備過程中，需要高溫塑性變形使非晶合金發(fā)生動(dòng)態(tài)晶化，形成納米鋁/非晶復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中塑性變形過程應(yīng)變速率小于5X 10_2。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中合金為完全非晶或部分非晶。
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫高強(qiáng)度鋁基非晶復(fù)合材料及其制備方法。采用納米晶/非晶復(fù)合材料，具有很高的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，其制備過程中合金在塑性變形時(shí)誘發(fā)動(dòng)態(tài)晶化，使得材料強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。本發(fā)明克服了單相鋁基非晶合金耐高溫性能差，容易高溫晶化而導(dǎo)致的力學(xué)性能降低及脆化的問題，可替代現(xiàn)在的耐熱鋁合金。
【IPC分類】C22C45-08
【公開號(hào)】CN104651758
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310585249
【發(fā)明人】楊紅旺, 羅磊, 王瑞春, 李晨希, 李榮德
【申請(qǐng)人】沈陽工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年11月20日