专利名称：一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金及其制备方法
技术领域：
本发明公开了一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金及其制备方法，属于金属材料 领域。
背景技术：
铝基非晶态合金具有优异的力学性能、耐腐蚀性能，经部分晶化处理后，其比强度 是传统的晶态2024T3和7075T6铝合金的2 4倍，还表现出良好的耐磨性能，是航空航天 及交通运输领域优先发展的重要结构材料，自1988年He [Y. He, S. J. Poon, G. J. Shiflet. Science241 (1988) 1640-1642] ；Inoue[A.Inoue, K.Ohtera, A. -P. Tsai, Τ. Masumoto. Jpn J Appl Phys 27 (1988) L280-L282 ;L479_L482 ;L736_L739]采用快速凝固方法制备出铝 基非晶态合金以来，得到了广泛的关注。但目前发现的铝基非晶态合金非晶形成能力有 限，采用合金熔体凝固方法制备的Al基非晶态合金的厚度一般只有几十微米，厚的也只有 780 μ m[W. S. Sanders, J. S. Warner, D. B. Miracle. Intermetallics 14(2006)348—351]，限 制了 Al基非晶态合金的工程应用。为了制备块体铝基非晶态合金材料，开展了许多研究工 作，主要包括两个方面，一是研究新的制备方法，如粉末冶金方法制备大块铝基非晶[刘祖 铭，刘咏，黄伯云，黄劲松，郭晟，杜勇.粉末冶金技术，2008，26 (2) 115-120] ；二是提高铝 基合金的非晶形成能力，发展新型合金体系，希望获得能制备大块铝基非晶的合金成分。中 国专利，CN03111967. 0，一种铝基非晶合金及其制备方法，公开了一种由Al-Mg-Ce系铝基 非晶态合金，制备非晶的线速度为30m/s 55m/s ；中国专利，200310118908. 4，铝基非晶合 金及其制备方法，公开了一种原子百分比组成为Ni8 10%，Zr3 7%，Cul 5%，Y1 3%，其余为Al的铝基非晶态合金，在熔体喷射压力为0. 03 0. 05MPa，最低制备线速度为 23m/s的条件下，制备出了铝基非晶合金。这些研究成果拓展了铝基非晶的合金体系，对铝 基非晶态合金的发展有重要意义。但由于铝合金的非晶形成能力较差，熔体凝固直接制备 块体铝基非晶态合金材料还很困难。因此，提高铝基合金的非晶形成能力，是亟待解决的关 键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有合金之不足而提供一种组分配比合理、具有强非晶形 成能力的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金及其制备方法。本发明一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金，其成分为=Al84Ni(1。_x) Ce6Prx (at. % ) >Al(84_y)Ni10Ce6Pry(at. % )或 Al84Ni10Ce (6_z)Prz (at. %)，其中 x = 0 4，y = 1 4, ζ = 1 6。本发明一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金的制备方法，包括以下步骤第一步配料选用纯金属Al、Ni、Ce和Pr作原料，按照名义成分Al84Ni(1Q_X)Ce6Prx (χ = 0 4， at. % ), Al(84_y)Ni10Ce6Pry(y = 1 4，at. % )或 Al84Ni1(1Ce(6_z)Prz (ζ = 1 6，at. % )配料；第二步制备母合金将第一步配好的合金原料用真空电弧炉熔炼3 6次，同时进行电磁搅拌，制得熔炼均勻的母合金；或用真空感应熔炼炉在Ar保护气氛中熔炼制得母合金；第三步甩带制备非晶带将第二步制备的母合金经表面机械打磨和清洗后，置于下端磨孔的石英管中加热重熔，待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到旋转的铜辊表面冷却制得非晶带；加热重 熔和甩带过程在Ar气氛中进行，石英管下端与铜辊表面相距Imm 2mm ；铜辊最小线速度 为5m/s，熔体喷射压力为0. 07MPa 0. 08MPa，真空度为2Pa lO—Pa。本发明的优点和积极效果(1)本发明提出了一种新型Al-Ni-Ce-Pr四元系铝基非晶态合金，通过添加大原子尺寸金属Ce和Pr，提高合金体系无序密堆结构的致密程度，增加合金熔体黏度、降低原 子扩散系数，使原子重排困难，抑制凝固过程中晶核的形成，提高合金的非晶形成能力。Pr 还能提高合金熔体抗氧化能力；(2)本发明提出的一种Al-Ni-Ce-Pr合金体系，非晶形成能力强，冷却速率低，铜 辊最低线速度为5m/s的条件下，甩带制备出完全非晶态合金；(3)本发明提出的一种Al-Ni-Ce-Pr四元系铝基非晶态合金，成分和制备方法简 单，真空度要求低；(4)可采用工业纯金属Al、Ni、Ce和Pr作为原料，原材料的纯度要求低。综上所述，本发明组分配比合理、具有强非晶形成能力，制备方法简单，冷却速率 要求低。
附图1是本发明实施例1、2、3制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的X射 线衍射分析(XRD)结果。附图2是本发明实施例4、5、6制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的X射 线衍射分析(XRD)结果。附图3是本发明实施例7、8、9制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的X射 线衍射分析(XRD)结果。附图4是本发明实施例1、2、3制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的热稳 定性分析(DSC)结果，升温速率为20K/min。附图1中曲线1为实施例1制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果；曲线2为实施例2制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果。曲线3为实施例3制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果。根据附图1的XRD物相分析结果本发明实施例1、2、3制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝 基非晶态合金带材均为非晶态结构。附图2中曲线4为实施例4制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果；
曲线5为实施例5制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果。曲线6为实施例6制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果。根据附图2的XRD物相分析结果本发明实施例4、5、6制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝 基非晶态合金带材均为非晶态结构。附图3中 曲线7为实施例7制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果；曲线8为实施例8制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果。曲线9为实施例9制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的XRD结果。根据附图3的XRD物相分析结果本发明实施例7、8、9制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝 基非晶态合金带材均为非晶态结构。附图4中曲线10为实施例1制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的DSC结果，铜辊 线速度为20m/s ；曲线11为实施例2制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的DSC结果，铜辊 线速度为20m/s ；曲线12为实施例3制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材的DSC结果，铜辊 线速度为20m/s。根据附图4的示差扫描量热仪进行的热稳定性分析结果，表明本发明实施例1、2、 3制备的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相 区 ΔΤχ。
具体实施例方式本发明采用纯金属为原料，制备出多种成分的Al-Ni-Ce-Pr系非晶态合金。下面 结合典型实例对本发明做进一步说明。实施例1 =Al84Ni9Ce6Pr1 (x = 1, at. % )非晶态合金第一步配料选用工业纯金属，按照成分Al84Ni9Ce6Pr1U = 1，at. % )配料。配料时应机械打 磨除去纯金属原料表面的污染层，后用酒精和丙酮混合溶液清洗并风干；第二步制备母合金将第一步配好的合金原料用真空电弧炉熔炼3 6次，同时进行电磁搅拌，制得熔 炼均勻的母合金，真空度为10_3Pa ；或用真空感应熔炼炉在Ar保护气氛中熔炼制得母合金， 真空度为KT2Pa ；第三步甩带制备非晶带将第二步制备的母合金经表面机械打磨和清洗后，置于Ar下端磨口的石英管中 加热重熔，真空度为2Pa KT1Pa,待母合金完全熔化后，将母合金熔体喷射到旋转的铜辊 表面冷却制得非晶带；加热重熔和甩带过程在Ar气氛中进行，石英管下端与铜辊表面相距 Imm 2mm ；铜辊线速度为20m/s，熔体喷射压力为0. 07MPa 0. 08MPa ；第四步利用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，结果表明带材为非晶态结构；利 用示差扫描量热仪进行热稳定性分析，结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤχ。实施例2 =Al84Ni8Ce6Pr2 (χ = 2, at. % )非晶态合金按照名义成分Al84Ni8Ce6Pr2U = 2, at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤制 备得到成分为Al84Ni8Ce6 Pr2非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结构；DSC分析 结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤχ。 实施例3 =Al83Ni10Ce6Pr1 (y = 1, at. % )非晶态合金按照名义成分Al83NiltlCe6Pr1 (y = l,at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤制 备得到成分为Al83NiltlCe6Pr1非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结构；DSC分析 结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤΧ。实施例4 =Al84Ni10Ce6 (χ = 0, at. % )非晶态合金按照名义成分Al84NiltlCe6(χ = 0，at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根据 每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤制备 得到成分为Al84Ni6Ce6Pr4非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结构；DSC分析结果 表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区Δ Tx。实施例5 =Al84Ni6Ce6Pr4(χ = 4，at. % )非晶态合金按照名义成分Al84Ni6Ce6Pr4 (χ = 4，at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤制 备得到成分为Al84Ni6Ce6Pr4非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结构；DSC分析结 果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤΧ。实施例6 =Al82Ni10Ce6Pr2 (y = 2，at. % )非晶态合金按照名义成分Al82NiltlCe6Pr2 (y = 2, at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤制 备得到成分为Al82MltlCe6Pr2非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结构；DSC分析 结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤΧ。实施例7 =Al84Ni10Ce4Pr2(ζ = 2，at. % )非晶态合金按照名义成分Al84NiltlCe4Pr2 (z = l,at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤以 5m/s线速度制备得到成分为Al84MltlCe4Pr2非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结 构；DSC分析结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤΧ。实施例8 =Al84Ni10Ce2Pr4(ζ = 4，at. % )非晶态合金按照名义成分Al84NiltlCe2Pr4 (ζ = 4, at. % )，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤以 5m/s线速度制备得到成分为Al84NiltlCe2Pr4非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结 构；DSC分析结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤΧ。实施例9 =Al84Ni10 Ce1Pr5(ζ = 5，at. % )非晶态合金按照名义成分Al84Niltl CeiPr5(z = 5,at. ，将合金成分原子比换算成质量比，根 据每个母合金锭子总质量计算出所需每种纯金属的质量，然后按照实例1的方法和步骤以5m/s线速度制备得到成分为Al84Mltl Ce1Pr5非晶带。XRD物相分析结果表明带材为非晶态结构；DSC分析结果表明本发明带材具有明显的玻璃转变温度Tg和宽的过冷液相区ΔΤΧ。
权利要求
一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金，其成分为Al84Ni(10-x)Ce6Prx(at.％)、Al(84-y)Ni10Ce6Pry(at.％)或Al84Ni10Ce(6-z)Prz(at.％)，其中x＝0～4，y＝1～4，z＝1～6。
2.制备如权利要求1所述的Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金的方法，包括以下步骤第一步配料选用纯金属AUNiXe和Pr作原料，按照名义成分Al84Ni10^xCe6Prx (χ = 0 4，at. % )、 Al84^yNi10Ce6Pry (y = 1 4，at. % )或 Al84Ni10Ce(6_z)Prz (ζ = 1 6，at. % )配料；第二步制备母合金将第一步配好的合金原料用真空电弧炉熔炼3 6次，同时进行电磁搅拌，制得熔炼均 勻的母合金；或用真空感应熔炼炉在Ar保护气氛中熔炼制得母合金；第三步甩带制备非晶带将第二步制备的母合金经打磨和清洗后，置于下端磨孔的石英管中加热重熔，待母合 金完全熔化后，将母合金熔体喷射到旋转的铜辊表面冷却制得非晶带。
3.根据权利要求2所述的一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金的制备方法，其特征 在于所述石英管下端与铜辊表面相距Imm 2mm ；铜滚最小线速度为5m/s，熔体喷射压力 为0. 07MPa 0. 08MPa。
全文摘要
一种Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金，其成分为Al84Ni(10-x)Ce6Prx(at.％)、Al(84-y)Ni10Ce6Pry(at.％)或Al84Ni10Ce(6-z)Prz(at.％)，其中x＝0～4，y＝1～4，z＝1～6。制备所述Al-Ni-Ce-Pr系铝基非晶态合金的方法，是按照合金名义成分配料后经真空电弧熔炼或真空感应熔炼制备母合金；在Ar气氛中甩带制备非晶带，甩带时铜辊最小线速度为5m/s，熔体喷射压力为0.07MPa～0.08MPa，真空度为2Pa～10-1Pa。本发明组分配比合理、具有强的非晶形成能力，制备方法简单，真空度要求低。
文档编号B22D27/04GK101838778SQ20101019583
公开日2010年9月22日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者刘咏, 刘祖铭, 吴宏, 朱艺添, 杜勇, 陈芝霖, 黄伯云, 黄立清, 黄群 申请人:中南大学