專利名稱：Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種非晶合金及其制備方法，具體涉及一種Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金及其制備方法。
背景技術：
自 P. O. L. Duwez 等人于 1960 年(W. Kl ement, R. H. Wi 11 ens andP. O. L. Duwezj Non-Crystalline Structure in Solidified Gold-Silicon Alloys, Nature，I960, Vol. 7，p869 - 870)發表了 Au-Si非晶態合金以來，非晶態合金的制備與性能研究成為人們的研究重點之一。在 1988 年，Y. He (Y. He, S. J. Poon and G. J. Shiflet, Synthesisand Properties of Metallic Glasses that Contain Aluminum, Science, 1988, Vol. 241,1640-1642)和 A. Inoue (A. Inoue, K. Ohtera, A. -P. Tsai and T. Masumoto, Aluminum-BasedAmorphous Alloys with Tensile Strength above 980MPa(100kg/mm2), Japanese Journalof Applied Physics, 1988，Vol. 27，pL479_L482)等人開發出鋁含量超過 80% (摩爾分數)、強度高、韌性較好的鋁基非晶合金，而且由于鋁基非晶合金具有高比強度、低密度等系列優點，使得鋁基非晶合金作為一種潛力巨大的工程材料受到廣泛重視。目前制約鋁基非晶合金應用的主要限制是非晶合金的非晶形成能力較弱，制備得到的鋁基非晶合金尺寸較小。對于 Al 基 Al-Ni-Ce 合金，H. Yang (H. Yang, J. Q. Wang and Y. Li, Glass Formationand Microstructure Evolution in Al-Ni-RE(RE=La, Ce, Pr, Nd and misch metal)Ternary Systems, Philosophical Magazine, 2007, Vol. 87, 4211 - 4228)發現形成非晶的最佳成分位于Al85NiltlCe5，制備的非晶薄帶厚度只有80 - 90mm。C. T. Rios (C. TrivenoRios, S. Surinach, M. D. Baro, C. Bolfarini, ff. J. Botta and C. S. Kiminami, GlassForming Ability of the Al-Ce-Ni System,Journal of Non-Crystal lineSolids, Vol. 354，4874-4877)發現形成非晶的最佳成分位于Al85Ni8Ce7。
發明內容
本發明的目的在于克服現有Al基合金非晶形成能力不足以制備尺寸較大的非晶合金，提供了一種Al-Ni-Ce系三元鋁基非晶態合金及其制備方法，本發明提供的合金具有非晶形成能力強的優點，在新型輕質結構材料領域具有廣闊的應用前景。本發明是通過以下的技術方案實現的，第一方面，本發明涉及一種Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金，所述合金的各組分以及各組分的摩爾百分比含量為A1 85 87%，Ni 8 10%，Ce 5 7%。優選地，所述合金的各組分以及各組分的摩爾百分比含量為Al 85. 5%, Ni 9.5%，Ce 5% ο第二方面，本發明涉及一種制備上述Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，包括以 下步驟步驟一，以純金屬塊體Al、Ni和Ce為原料，按照上述的各組分的摩爾百分比含量配料；步驟二，在以鈦為吸氧劑、以惰性氣體為保護氣條件下，采用電弧爐反復熔煉直至所述原料熔煉均勻，然后在惰性氣體氣氛保護下自然冷卻，制得母合金錠；步驟三，將所述母合金錠切成合金塊體，在以鈦為吸氧劑、以惰性氣體為保護氣的電弧爐中通過電弧熔煉方法熔化所述合金塊體，待完全熔化后獲得合金熔體，通過真空吸鑄方式將所述合金熔體吸鑄到事先烘干的楔形銅模中，即得。 優選地，所述惰性氣體為氬氣。進一步優選地，步驟二中，所述反復熔煉具體為每次熔煉前均用純鈦耗氧，熔煉電流為200A,每次熔煉時間為lmin。
優選地，步驟一中，純金屬塊體Al、Ni和Ce使用之前進行預處理，具體為將表面氧化皮去除并用超聲波清洗。優選地，步驟二和/或步驟三中，所述電弧爐中的惰性氣體純度大于99. 999%、氣壓為I. I I. 2個標準大氣壓。優選地，步驟三中，所述合金塊體在熔煉前先去除其表面的氧化皮。優選地，步驟三中，所述熔煉的電流為200A。優選地，步驟三中，所述楔形銅模的夾角為5°。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果與現有鋁基非晶合金相比，本發明以鋁為主要成分、鎳和鈰為合金元素，通過楔形銅模真空吸鑄方式制備的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金，具有非晶形成能力強的優點，該系列鋁基非晶合金的強非晶形成能力使其在新型輕質結構材料領域具有廣闊的應用前景。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯圖I是本發明提供的Al87Ni8Ce5合金楔形試樣的金相照片圖；圖2是本發明提供的Al87Ni8Ce5楔形試樣上非晶部分的XRD圖譜分析結果圖；圖3是本發明提供的Al87Ni8Ce5楔形試樣非晶部分的DSC曲線和Al87Ni8Ce5非晶薄帶的DSC曲線的分析結果圖；圖4是本發明提供的Al87Ni8Ce5楔形試樣非晶部分的選區電子衍射和明場相的高分辨照片；圖5是本發明提供的Al85.5Ni9.5Ce5合金楔形試樣的金相照片；圖6是本發明提供的Al85Ni8Ce7合金楔形試樣的金相照片；圖7是本發明提供的Al85Ni9Ce6合金楔形試樣的金相照片；圖8是本發明提供的Al85NiltlCe5合金楔形試樣的金相照片。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
本發明的實施例采用純金屬塊體Al、Ni、Ce為原料，制備出多種成分的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金。本發明采用的原料均為市售的高純塊狀金屬，按照質量分數其純度為Al 99. 999%), Ni 99. 99%), Ce (彡 99. 9%)。實施例I本實施例涉及一種Al87Ni8Ce5合金及其制備方法。采用市售高純Al、Ni、Ce塊狀金屬為原始材料，先將高純金屬塊體進行表面清理，并按照摩爾百分比含量Al 87%、Ni 8%、Ce 5%稱取相應金屬塊體，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將Al、Ni和Ce三種金屬塊體熔煉成母合金錠。為使得母合金錠成分均勻，每組試樣均熔煉6次。然后從母合金錠上切取2g左右合 金，并去除表面氧化膜，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將其熔化，并迅速通過真空吸鑄方法將合金熔體吸鑄到事先烘干的楔形銅模中，即得Al87Ni8Ce5合金楔形試樣。實施例2本實施例涉及一種Al85.5Ni9.5Ce5合金及其制備方法。采用市售高純Al、Ni、Ce塊狀金屬為原始材料，先將高純金屬塊體進行表面清理，并按照摩爾百分比含量Al 85. 5%, Ni 9.5%、Ce 5%稱取相應金屬塊體，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. 15個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將Al、Ni和Ce三種金屬塊體熔煉成母合金錠。為使得母合金錠成分均勻，每組試樣均熔煉6次。然后從母合金錠上切取2g左右合金，并去除表面氧化膜，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. 15個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將其熔化，并迅速通過真空吸鑄方法將合金熔體吸鑄到事先烘干的楔形銅模中，即得Al85.5Ni9.5Ce5合金楔形試樣。實施例3本實施例涉及一種Al85Ni8Ce7合金及其制備方法。采用市售高純Al、Ni、Ce塊狀金屬為原始材料，先將高純金屬塊體進行表面清理，并按照摩爾百分比含量Al 85%、Ni 8%、Ce 7%稱取相應金屬塊體，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將Al、Ni和Ce三種金屬塊體熔煉成母合金錠。為使得母合金錠成分均勻，每組試樣均熔煉6次。然后從母合金錠上切取2g左右合金，并去除表面氧化膜，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將其熔化，并迅速通過真空吸鑄方法將合金熔體吸鑄到楔形銅模中，即得Al85Ni8Ce7合金楔形試樣。實施例4本實施例涉及一種Al85Ni9Ce6合金及其制備方法。采用市售高純Al、Ni、Ce塊狀金屬為原始材料，先將高純金屬塊體進行表面清理，并按照摩爾百分比含量Al 85%、Ni 9%, Ce 6%稱取相應金屬塊體，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將Al、Ni和Ce三種金屬塊體熔煉成母合金錠。為使得母合金錠成分均勻，每組試樣均熔煉6次。然后從母合金錠上切取2g左右合金，并去除表面氧化膜，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將其熔化，并迅速通過真空吸鑄方法將合金熔體吸鑄到楔形銅模中，即得Al85Ni9Ce6合金楔形試樣。
實施例5本實施例涉及一種Al85NiltlCe5合金及其制備方法。采用市售高純Al、Ni、Ce塊狀金屬為原始材料，先將高純金屬塊體進行表面清理，并按照摩爾百分比含量Al 85%、Ni 10%、Ce 5%稱取相應金屬塊體，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將Al、Ni和Ce三種金屬塊體熔煉成母合金錠。為使得母合金錠成分均勻，每組試樣均熔煉6次。然后從母合金錠上切取2g左右合金，并去除表面氧化膜，然后在氬氣保護性氣氛下(氣壓為I. I個標準大氣壓)，通過電弧熔煉方法將其熔化，并迅速通過真空吸鑄方法將合金熔體吸鑄到楔形銅模中，即得Al85NiltlCe5合金楔形試樣。實施結果 對于實施例I制備的Al87Ni8Ce5合金試樣，從圖I中可以發現，其存在兩個明顯不同的區域，分別對應在完全非晶區和晶體區域，其形成非晶臨界厚度平均為400 μ m ;圖2中的XRD圖譜中典型的非晶“饅頭峰”和圖4中的HRTEM圖像中無規則排列的原子也均證實了實施例I制得的Al87Ni8Ce5楔形試樣上在厚度小于臨界厚度時為完全非晶汸187附8&5楔形試樣非晶部分的DSC曲線的分析結果和Al87Ni8Ce5非晶薄帶的DSC曲線的分析結果如圖3所示。對于實施例2制備的八185.5附9.5(^5合金試樣，從圖5中可以看出，其形成非晶臨界厚度平均為510 μ m。對于實施例3制備的Al85Ni8Ce7合金試樣，從圖6中可以看出，其形成非晶臨界厚度平均為330 μ m。對于實施例4制備的Al85Ni9Ce6合金試樣，從圖7中可以看出，其形成非晶臨界厚度平均為410 μ m。對于實施例5制備的Al85NiltlCe5合金試樣，從圖8中可以看出，其形成非晶臨界厚度平均為420 μ m。綜上所述，與現有鋁基非晶合金相比，本發明以鋁為主要成分、鎳和鈰為合金元素，通過楔形銅模真空吸鑄方式制備的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金，具有非晶形成能力強的優點，該系列鋁基非晶合金的強非晶形成能力使其在新型輕質結構材料領域具有廣闊的應用前景。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金，其特征在于，所述合金的各組分以及各組分的摩爾百分比含量為A1 85 87%，Ni 8 10%，Ce 5 7%。
2.根據權利要求I所述的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金，其特征在于，所述合金的各組分以及各組分的摩爾百分比含量為=Al 85. 5%, Ni 9.5%，Ce 5%。
3.一種制備如權利要求I所述的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，以純金屬塊體Al、Ni和Ce為原料，按照權利要求I所述的各組分的摩爾百分比含量配料； 步驟二，在以鈦為吸氧劑、以惰性氣體為保護氣條件下，采用電弧爐反復熔煉直至所述原料熔煉均勻，然后在惰性氣體氣氛保護下自然冷卻，制得母合金錠； 步驟三，將所述母合金錠切成合金塊體，在以鈦為吸氧劑、以惰性氣體為保護氣的電弧爐中通過電弧熔煉方法熔化所述合金塊體，待完全熔化后獲得合金熔體，通過真空吸鑄方式將所述合金熔體吸鑄到事先烘干的楔形銅模中，即得。
4.根據權利要求3所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氬氣。
5.根據權利要求4所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，步驟二中，所述反復熔煉具體為每次熔煉前均用純鈦耗氧，熔煉電流為200A,每次熔煉時間為Imin0
6.根據權利要求3所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，步驟一中，純金屬塊體Al、Ni和Ce使用之前進行預處理，具體為將表面氧化皮去除并用超聲波清洗。
7.根據權利要求3所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，步驟二和/或步驟三中，所述電弧爐中的惰性氣體純度大于99. 999%、氣壓為I. I I. 2個標準大氣壓。
8.根據權利要求3所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，中，所述合金塊體在熔煉前先去除其表面的氧化皮。
9.根據權利要求3所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，步驟三中，所述熔煉的電流為200A。
10.根據權利要求3所述的制備Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的方法，其特征在于，步驟三中，所述楔形銅模的夾角為5°。
全文摘要
本發明涉及一種Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金及其制備方法，所述合金的各組分以及各組分的摩爾百分比含量為Al 85～87%，Ni 8～10%，Ce 5～7%；本發明還涉及該Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金的制備方法；與現有鋁基非晶合金相比，本發明以鋁為主要成分、鎳和鈰為合金元素，通過楔形銅模真空吸鑄方式制備的Al-Ni-Ce系鋁基非晶態合金，具有非晶形成能力強的優點，該系列鋁基非晶合金的強非晶形成能力使其在新型輕質結構材料領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號C22C45/08GK102965598SQ201210422079
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者李金富, 張章, 熊賢仲 申請人:上海交通大學