一种Al‑Ni‑Co‑Sm系铝基非晶合金薄带及其制备方法

摘要

本发明属于铝合金技术领域，公开了一种Al‑Ni‑Co‑Sm系铝基非晶合金薄带及其制备方法。所述Al‑Ni‑Co‑Sm系铝基非晶合金薄带的原子百分比成分组成为Al

说明书

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带及其制备方法。

背景技术

铝合金在日常的生产和生活中有着广泛的应用，尤其是近些年来随着社会日益依赖的矿石能源的枯竭和由引起的全球范围内“温室”效应的加剧，人们环保节能减排意识日益增强，因此对汽车、飞机、轮船、卫星等运载工具轻型化提出了迫切的要求，这使得低密度、高强度轻质铝合金的研究和开发出现了一个高潮。作为一种新型的铝合金，铝基非晶合金由于其超高的比强度、高韧性和良好的耐蚀性而引起较大的关注，这使它们适用于作为新型结构材料的应用领域如：航空航天和微电机械系统(MEMS)等。近年来，研究者主要研究具有高Al含量的Al-TM-RE(TM＝过渡金属，RE＝稀土元素)合金(Al>80at.％)。然而，这些合金低的非晶形成能力和低的热稳定性阻碍了大块非晶合金的制备，使这些材料在工程上的应用受到限制。近年来，科研人员尝试了很多提高非晶合金玻璃形成能力的方法，如寻找深共晶点等，这些对多数具有强玻璃形成能力的非晶合金的成分设计具有一定的指导意义，然而并不适用于铝基非晶合金。因此，提高铝基非晶合金的玻璃形成能力和提高热稳定性是目前亟待解决的重点问题。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带。

本发明的另一目的在于提供上述Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的制备方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带，其原子百分比成分组成为Al_85.5Ni_xCo_9.5-xSm₅或Al_87.5Ni_yCo_8-ySm_4.5，其中0≤x≤9.5，0≤y≤8。

优选地，所述Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的原子百分比成分组成为Al_85.5Ni_1.5Co₈Sm₅、Al_85.5Ni_3.5Co₆Sm₅、Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅、Al_85.5Ni_7.5Co₂Sm₅、Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅、Al_87.5Ni₀Co₈Sm_4.5、Al_87.5Ni₂Co₆Sm_4.5、Al_87.5Ni₄Co₄Sm_4.5、Al_87.5Ni₆Co₂Sm_4.5或Al_87.5Ni₈Co₀Sm_4.5。

更优选地，所述Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的原子百分比成分组成为Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅、Al_85.5Ni_7.5Co₂Sm₅或Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅。

优选地，所述Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的晶化激活能(E_p)为200～421kJ/mol。

优选地，所述Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的玻璃形成能力(ΔT_x)的范围为16.7～18.1K。

上述Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的制备方法，包括以下制备步骤：

按照Al_85.5Ni_xCo_9.5-xSm₅或Al_87.5Ni_yCo_8-ySm_4.5的原子百分比称取金属单质原料，然后在海绵钛吸氧剂及惰性气体保护下熔炼混合均匀，冷却后得到母合金，将所得母合金通过甩带机制备成薄带，得到Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带。

优选地，所述金属单质原料分别为纯度为99.9％的Al块、纯度为99.95％的Ni块、纯度为99.9％的Co块和纯度为99.9％的Sm块，所述金属单质原料在使用前先经表面氧化皮去除和清洗处理。

优选地，所述熔炼过程在非自耗真空熔炼炉中进行，熔炼次数为4～6次。

优选地，所述冷却是指在氩气气氛保护下，水冷却至室温。

优选地，所述母合金在制备成薄带前先经表面氧化皮去除和清洗处理。

优选地，所述甩带机是指单辊甩带机，单辊的旋转表面线速度为30～40m/s。

本发明具有如下优点及有益效果：

(1)本发明所得Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金有效提高了铝基非晶合金的热稳定性和非晶形成能力。

(2)本发明所得Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金通过XRD测试均表现为典型非晶态的馒头峰现象。

(3)本发明所得Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金的晶化激活能(E_p)为200～421kJ/mol。

(4)本发明所得Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅、Al_85.5Ni_7.5Co₂Sm₅和Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅展现出明显的玻璃转变温度(T_g),，其玻璃形成能力(ΔT_x)的范围为16.7～18.1K。

(5)本发明所得Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅非晶合金通过高分辨透射电镜证明非晶为全非晶特性。

(6)本发明所得Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金可用Ni取代Co元素，能有效的降低原材料成本。

附图说明

图1为实施例1所得Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅非晶合金薄带的XRD图；

图2为实施例1所得Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅非晶合金薄带的透射电子显微镜(a)和高分辨投射电子显微镜(b)形貌表征图；

图3为实施例1所得Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅非晶合金薄带的DSC测试结果图；

图4为实施例1所得Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅非晶合金薄带的晶化激活能拟合曲线图；

图5为实施例2所得Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅非晶合金薄带的透射电子显微镜和高分辨投射电子显微镜形貌表征图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅非晶合金薄带的制备，具体制备步骤如下：

(1)选择市售高纯Al块、Ni块、Co块和Sm块作为原材料，先将纯金属块体进行表面氧化皮脱离，按照原子比含量为85.5％、5.5％、4％和5％进行配比，使用天平称取质量分别为Al 3.1888g、Co 0.3258g、Ni 0.4462g和Sm 1.0392g。

(2)在以海绵钛为吸氧剂，以高纯氩气作为保护气体的条件下，将步骤(1)配好的母合金原料至于非自耗真空熔炼炉(MAM-1)的水冷铜坩埚，重复熔炼5次，以保证母材料的均匀性。

(3)将步骤(2)制得的母合金打磨除去其表面氧化皮，酒精清洗并吹干后，放入单辊甩带机(WK-Ⅱ)的石英试管中，调节单辊的表面线速度为30m/s，制得非晶合金薄带。

本实施例所得非晶合金薄带，采用Bruker D8Advanced Cu靶进行XRD测试，结果如图1所示，初步判断Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅为非晶态。采用透射电子显微镜(TEM)(a)和高分辨投射电子显微镜(HRTEM)(b)对非晶合金薄带进行形貌表征，结果如图2所示，TEM图像中并无晶体材料中的衬度，HRTEM图像也显示原子为混乱无序状态，而不是晶体材料存在着规则有序的原子排列，并且电子衍射花样(SAED)也为非晶材料所特有的由几个同心“晕环”组成，通过XRD、TEM和HRTEM-SAED分析可知，Al_85.5Ni_5.5Co₄Sm₅合金为全非晶态。采用同步热分析仪(NETZSCH>g)为539.6K，晶化开始温度(T_x)为557.7K，第一晶化峰温度(T_p1)为560.3K。采用同步热分析仪(NETZSCH>p1)为288kJ/mol。

实施例2

本实施例Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅非晶合金薄带的制备，具体制备步骤如下：

(1)选择市售高纯Al块、Ni块和Sm块作为原材料，先将纯金属块体进行表面氧化皮脱离，按照原子比含量为85.5％、9.5％和5％进行配比，使用天平称取质量分别为Al3.6607g、Ni 0.8848g和Sm 1.1930g。

(2)在以海绵钛为吸氧剂，以高纯氩气作为保护气体的条件下，将步骤(1)配好的母合金原料至于非自耗真空熔炼炉(MAM-1)的水冷铜坩埚，重复熔炼5次，以保证母材料的均匀性。

(3)将步骤(2)制得的母合金打磨去除其表面氧化皮，酒精清洗并吹干后，放入单辊甩带机(WK-Ⅱ)的石英试管中，调节单辊的表面线速度为30m/s，制得非晶合金薄带。

本实施例所得非晶合金薄带，采用Bruker D8Advanced Cu靶进行XRD测试，初步判断Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅为非晶态。采用透射电子显微镜(TEM)和高分辨投射电子显微镜(HRTEM)对非晶合金薄带进行形貌表征，结果如图5所示，THRTEM图像也显示原子大部分为混乱无序状态，小部分存在规则有序的原子排列，通过HRTEM-SAED分析可知，Al_85.5Ni_9.5Co₀Sm₅₅合金为非晶+纳米晶复合相。采用同步热分析仪(NETZSCH>g)为507.4K，晶化开始温度(T_x)为524.1K，第一晶化峰温度(T_p1)为534.6K。采用同步热分析仪(NETZSCH>p1)为227kJ/mol。

实施例3

本实施例Al_85.5Ni_3.5Co₆Sm₅非晶合金薄带的制备，具体制备步骤如下：

(1)选择市售高纯Al块、Ni块、Co块和Sm块作为原材料，先将纯金属块体进行表面氧化皮脱离并至于无水乙醇中，防止氧化，按照原子比含量为85.5％、3.5％、6％和5％进行配比，使用天平称取质量分别为Al 3.2314g、Co0.6604g、Ni 0.1233g和Sm 1.0531g。

(2)在以海绵钛为吸氧剂，以高纯氩气作为保护气体的条件下，将步骤(1)配好的母合金原料至于非自耗真空熔炼炉(MAM-1)的水冷铜坩埚，重复熔炼5次，以保证母材料的均匀性。

(3)将步骤(2)制得的母合金打磨去除其表面氧化皮，酒精清洗并吹干后，放入单辊甩带机(WK-Ⅱ)的石英试管中，调节单辊的表面线速度为40m/s，制得非晶合金薄带。

本实施例所得非晶合金薄带，采用Bruker D8Advanced Cu靶进行XRD测试，初步判断Al_85.5Ni_3.5Co₆Sm₅为非晶态。采用同步热分析仪(NETZSCH>g)，测得合金的晶化开始温度(T_x)为577.9K，第一晶化峰温度(T_p1)为579.3K。采用同步热分析仪(NETZSCH>p1)为421kJ/mol。

按照实施例1～3中Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金薄带的制备方法，调整原子百分比成分组成配比，得到不同成分组成的Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金，并对合金的热参数进行测试，结果如表1所示。

表1.Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金的热参数

由表1结果可以看出，本发明采用单辊快淬法制备的Al-Ni-Co-Sm系铝基非晶合金，通过添加Ni元素来部分取代Co元素提高了非晶形成能力，降低原材料成本，同时使非晶形成能力增大至18.1K，同时使热稳定性(T_x)最高增大至586.9K。有效提高了铝基非晶合金的热稳定性和非晶形成能力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。