一种Al-Pd-Mn准晶的制备方法

摘要

一种Al-Pd-Mn准晶的制备方法，其Al-Pd-Mn准晶的化学成分的原子配比为：Al？70-72％、Pd？18-21％、Mn？7-12％，将高纯Al粉、Pd粉、Mn粉混合均匀之后装入硬质合金模具中，在液压压片机中2-4MPa下加压100-300s，制得预备块体；将上述预备块体装入氮化硼坩埚中并将预烘干的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于六面顶压机中，设定压力控制在3-6GPa等静压，控制温度加热至850℃-950℃之间，保温30-60min；待温度降至650-850℃，保温2-6h。本发明工艺简单、能耗低、效率高，从原料到准晶一步到位、只需采用常规设备，制得的准晶质量性能优良，具有良好的力学性能，可以广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，特别一种准晶的制备方法。

背景技术

1984年在美国国家标准局工作的以色列科学家D.Shechtman在快速凝固 的Al-Mn二元合金中发现了一种奇特的具有金属性质的相—二十面体相，这是 一种新的晶体学结构。这种新相的电子衍射斑点相当明锐,并且显示出晶体结构 所不允许的五次旋转对称性，因此无法用任何一种布拉菲点阵去标定。这种新 相是一种具有长程准周期平移有序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，很快 被称之为准晶相。准晶特殊的结构引起了人们浓厚的兴趣，并促使研究者在相 关体系中寻找准晶。最初几年，研究体系主要集中在二元体系并很快发现这些 准晶都是亚稳相。很快研究体系扩展到三元体系，并发现了一些稳定的准晶相， 其中Al-Pd-Mn就是典型体系之一。最初，二十面体Al-Pd-Mn体系准晶相是通 过单辊熔淬装置(singlerollermeltspinningapparatus)快速凝固技术实现的(简 称甩带法)。截止目前，获得Al-Pd-Mn体系准晶相的其他方法有：提拉法 (Czochralskimethod)、布里奇曼法(Bridgmanmethod)、自助熔剂法(self-flux method)和浮区法(Floatingzonemethod)。通过甩带法获得的准晶体不致密， 易出现孔隙等缺陷。后几种方法可以获得高质量的单晶，但是需要极其严格的 样品预处理并且要对加热温度和时间等精确控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种工艺简单、高效、准晶相含量高的Al-Pd-Mn准 晶的制备方法。本发明主要是采用高压法制备Al-Pd-Mn准晶，直接将压力作 用于均匀混合并处于加热熔融状态的Al、Pd、Mn混合原料之上，按照设定温 度、压力、反应时长启动六面顶压机可直接制得单相、含大尺寸晶粒的准晶块 体。

本发明的技术方案如下：

(1)Al-Pd-Mn准晶的化学成分的原子配比为：Al70-72％、Pd18-21％、 Mn7-12％，所述Al、Pd、Mn为高纯金属粉；最优化成分为Al₇₁Pd₂₀Mn₉。

(2)将高纯Al粉、Pd粉、Mn粉充分研磨混合均匀之后装入硬质合金模 具中，在液压压片机中2-4MPa下加压100-300s，制得预备块体；

(3)将石墨炉管状炉体两端用叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚， 坩埚两端用氮化硼片密封，同时石墨炉两端用石墨片作为包裹及导电，然后将 上述管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶 压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为100-200℃的烘干箱中烘干2-4 小时以上备用。

(4)将步骤(2)的预备块体装入氮化硼坩埚中并将步骤(3)预烘干的管 状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于六面 顶压机中，设定压力控制在3-6GPa等静压，控制温度加热至850℃-950℃之间， 保温30-60min；待温度降至650-850℃，保温2-6h。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、工艺简单、能耗低、效率高，从原料到准晶一步到位、只需采用常规高 压设备。

2、制得的准晶相含量高，质量优良。

说明书附图

图1为本发明实施例1所得到准晶XRD图。

图2为本发明实施例1中Al₇₁Pd₂₀Mn₉准晶2重对称轴方向衍射花样图。

图3为本发明实施例1中Al₇₁Pd₂₀Mn₉准晶3重对称轴方向衍射花样图。

图4为本发明实施例1中Al₇₁Pd₂₀Mn₉准晶5重对称轴方向衍射花样图。

图5为本发明实施例2所得到准晶TEM的高分辨图。

图6为本发明实施例2所得到准晶SEM图。

图7为本发明实施例3所得到准晶SEM图。

具体实施方式

实施例1

(1)按原子配比计算称取高纯Al粉、Pd粉、Mn粉原料，其重量分别为 1.0076g、1.1194g、0.2601g(按照Al₇₁Pd₂₀Mn₉称取)，，将上述粉料放置于研钵 中充分研磨混合均匀装于内径为Φ10.6mm的硬质合金模具中，在液压压片机中 加压4Mpa为时120s，获得直径Φ10.6mm厚度7.6mm的简单机械压合高压预备 块体。

(2)石墨炉为高16.6mm外径Φ14mm内径Φ12.1mm管状炉体，两端用 Φ12.06mm厚3.3mm叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚高10mm 外径Φ12mm内径Φ10.8mm，两端用直径Φ10.75mm厚1.2mm氮化硼片密封， 同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片规格为直径Φ14厚1.6mm。将上述管状石 墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶压机使用的 叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为180℃的烘干箱中烘干3小时以上备用。

(3)将步骤(1)制得的预备块体装入氮化硼坩埚中并将步骤(2)预烘干 的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于 六面顶压机中，设定压力为5GPa等静压；温度加热至900℃，保温30min；待 温度降至750℃，保温2h。

(4)保温结束后直接断开电流停止加热。

(5)取出块体，小心剥离样品外残留BN，清洁表面，获得Al₇₁Pd₂₀Mn₉准 晶。

对准晶经行XRD扫描测试，确定成分，如图1所示，可以看到明显的 Al₇₁Pd₂₀Mn₉衍射峰，且可以判断准晶相占主导。

如图2所示为准晶的2重对称轴方向衍射斑点；如图3所示准晶的3重对 称轴方向衍射斑点；如图4所示准晶的5重对称轴方向衍射斑点。通过图2-4 可以证明晶粒的电子衍射具有二十面体对称性，晶粒为二十面体准晶。

如图5所示为准晶五重对称方向观察到的原子排布，这从实空间确认所观 察晶粒为准晶颗粒。

如图6所示，为在SEM扫描电镜下观察到的颗粒生长形貌，规则的几何外 形特别是五边形的外形给出了准晶颗粒生长的动力学信息。

实施例2

(1)按原子配比计算称取高纯Al粉、Pd粉、Mn粉原料，其重量分别为 1.0700g、1.0551g、0.3631g(按照Al₇₂Pd₁₈Mn₁₂称取)，将上述粉料放置于研钵 中充分研磨混合均匀装于内径为Φ10.6mm的硬质合金模具中，在液压压片机中 加压2Mpa为时300s，获得直径Φ10.6mm厚度7.6mm的简单机械压合高压预备 块体。

(2)石墨炉为高16.6mm外径Φ14mm内径Φ12.1mm管状炉体，两端用 Φ12.06mm厚3.3mm叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚高10mm 外径Φ12mm内径Φ10.8mm，两端用直径Φ10.75mm厚1.2mm氮化硼片密封， 同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片规格为直径Φ14厚1.6mm。将上述用于实 验的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶 压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为100℃的烘干箱中烘干4小时以 上备用。

(3)将步骤(1)制得的预备块体装入氮化硼坩埚中并将步骤(2)预烘干 的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于 六面顶压机中，设定压力为3GPa等静压；温度加热至950℃，保温60min；待 温度降至650℃，保温6h。

(4)保温结束后直接断开电流停止加热。

(5)取出块体，小心剥离样品外残留BN，清洁表面，获得Al₇₂Pd₁₈Mn₁₂准晶。

如图5所示，可以看出明显的五重对称，因此可以确定合成了准晶相。如 图6所示，图中规则的几何外形也可以判断合成的为准晶。

实施例3

(1)按原子配比计算称取高纯Al粉、Pd粉、Mn粉原料，其重量分别为 0.9826g、1.1626g、0.2001g(按照Al₇₀Pd₂₁Mn₇称取)，将上述粉料放置于研钵中 充分研磨混合均匀装于内径为Φ10.6mm的硬质合金模具中，在液压压片机中加 压3Mpa为时100s，获得直径Φ10.6mm厚度7.6mm的简单机械压合高压预备块 体。

(2)石墨炉为高16.6mm外径Φ14mm内径Φ12.1mm管状炉体，两端用 Φ12.06mm厚3.3mm叶腊石片密封，石墨炉中套装氮化硼坩埚，坩埚高10mm 外径Φ12mm内径Φ10.8mm，两端用直径Φ10.75mm厚1.2mm氮化硼片密封， 同时石墨炉两端包裹及导电用石墨片规格为直径Φ14厚1.6mm。将上述用于实 验的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片连同六面顶 压机使用的叶腊石方块以及导电钢碗放于温度为200℃的烘干箱中烘干2小时以 上备用。

(3)将步骤(1)制得的预备块体装入氮化硼坩埚中并将步骤(2)预烘干 的管状石墨炉体、氮化硼坩埚、氮化硼片、叶腊石片以及石墨片组装，放置于 六面顶压机中，设定压力为6GPa等静压；温度加热至850℃，保温45min；待 温度降至850℃，保温4h。

(4)保温结束后直接断开电流停止加热。

(5)取出块体，小心剥离样品外残留BN，清洁表面，获得Al₇₀Pd₂₁Mn₇准 晶。

如图7所示，从图中规则的几何外形可以判断合成的为准晶样品。