專利名稱：一種鋁基非晶/納米晶復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基非晶/納米晶復合材料及其制備方法，具體涉及一種首先通過機械合金化獲得非晶合金粉末，然后通過放電等離子燒結(jié)獲得非晶/納米晶復合材料的方法，屬于非晶材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了減少能源消耗，隨著航天、航空及其他運輸工業(yè)的迅速發(fā)展，科學工作者的注意力開始更加集中于高強度、低密度材料的研究工作中。鋁基非晶合金具有密度低，強度高的特點，因此受到了廣大科研工作者的極大關(guān)注。研究表明，含Al原子百分數(shù)為84% 86%的非晶合金，其拉伸強度可達IOOOMPa以上，最高可達1250MPa，是傳統(tǒng)鋁合金抗拉強度(約600MPa)的2 4倍。鋁基非晶合金彈性模量約為90GPa，遠遠高于鋁基晶態(tài)合金。鋁基非晶合金具有良好的耐磨性能，Al88.5Ni8Mn3.5非晶合金與Al85Ni5Yltl非晶合金的耐磨性能明顯優(yōu)于Al-17wt. % Si晶態(tài)合金。當鋁基非晶基體中彌散分布少量a -Al納米粒子時，其強度高達1560MPa，是單相非晶態(tài)合金強度的I. 5倍，適當?shù)腶 -Al納米粒子的彌散分布可進一步提高非晶鋁合金的強度和塑性。而且鋁基非晶態(tài)合金在納米晶化后表現(xiàn)出疲勞強度(300MPa 350MPa)與拉伸強度(900MPa)的良好結(jié)合。納米晶體彌散分布的鋁基非晶合金強度可達到或超過鋼材的強度，密度卻不到鋼材的40%，在600K以下具有很好的高溫強度，能滿足多種航空結(jié)構(gòu)件的需要，可取代傳統(tǒng)的價格昂貴的鈦合金。通過對鋁基非晶合金晶化可以得到非晶/納米晶復合材料，這些材料擁有比鋁基非晶材料更高的強度，更好的熱穩(wěn)定性，因而具有更廣闊的應(yīng)用前景。截止到目前，大塊非晶合金的制備主要是通過快速冷卻的方式實現(xiàn)，其宏觀幾何尺寸還遠沒有達到實際工程應(yīng)用的要求，尤其對于那些形成能力相對較差的合金體系，其形狀和尺寸必然受到更加嚴重的制約。鋁基非晶合金的玻璃形成能力低，急冷技術(shù)獲得非晶試樣最大尺寸僅為1_，遠不能滿足應(yīng)用需求，而鋁基非晶合金粉末的固結(jié)技術(shù)為制備大塊鋁基非晶合金提供了新的途徑。放電等離子燒結(jié)(SPS)具有升溫速率快、燒結(jié)時間短、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等特點，非常適合非晶合金粉末的燒結(jié)，可用來進一步突破非晶合金的尺寸限制，制備出高相對密度的塊體非晶合金。但是，目前放電等離子燒結(jié)采用的模具一般都為石墨模具，在燒結(jié)過程中施加的壓力最多為50MPa，這會使較低溫度下鋁基非晶合金燒結(jié)試樣的相對密度較低，效果不理想。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得一種新的招基非晶/納米晶復合材料，并解決目如招基非晶/納米晶復合材料相對密度較低的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種鋁基非晶/納米晶復合材料，所述材料具有非晶/納米晶復合結(jié)構(gòu)，相對密度高，壓縮強度大；本發(fā)明的目的之二在于提供一種所述鋁基非晶/納米晶復合材料的制備方法，所述制備方法通過機械合金化球磨Al-Cu-Ti粉末所獲得的非晶粉末的非晶化程度高；在放電等離子燒結(jié)中采用硬質(zhì)合金鋼模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨模具，提高了燒結(jié)時的壓強，有利于提高燒結(jié)試樣的相對密度。能夠提高粉末的燒結(jié)速率，縮短燒結(jié)時間，減少燒結(jié)過程中的非晶晶化現(xiàn)象，制備出壓縮強度高、相對密度高的塊體非晶合金。本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實現(xiàn) —種鋁基非晶/納米晶復合材料，所述材料中Al、Cu和Ti金屬元素的原子百分比依次為65 16.5 18. 5，所述材料具有非晶/納米晶復合結(jié)構(gòu)，其中非晶體積分數(shù)為70 90%，納米晶體積分數(shù)為30 10%，所述納米晶為單一的金屬間化合物Al67Cu8Ti25。本發(fā)明所述的一種鋁基非晶/納米晶復合材料的制備方法步驟如下(I)將純度大于等于99. 5%、粒徑小于等于50 ii m的Al、Cu和Ti金屬粉末按原子百分比65 16.5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 I 20 1，在惰性氣氛中向球磨罐中注入6 IOml甲苯作為工程控制劑，并封罐，以除去氧氣，球磨轉(zhuǎn)速為600 800r/min，球磨時間為25 35h，即制備出Al65Cu16.5Ti18.5非晶粉末。(2)將上述Al65Cu16.5Ti18.5非晶粉末裝入模具中，將所述非晶粉末壓實；然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100 150°C /min，熱壓溫度為350 450°C，壓強為300 400MPa下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫3 5min，然后降到室溫，得到一種鋁基非晶/納米晶復合材料。其中，步驟(I)中所述惰性氣氛為氦氣或氬氣中的一種；步驟(2)中所述模具材料為硬質(zhì)合金鋼。有益效果I.本發(fā)明所述的復合材料具有非晶/納米晶復合結(jié)構(gòu)，其中納米晶為單一的金屬間化合物Al67Cu8Ti25,晶粒尺寸在幾十納米以下，能夠增強機械性能；所述的非晶/納米晶復合材料相對密度能夠達到92%以上，壓縮強度能夠達到1371MPa以上。2.本發(fā)明所述的制備方法通過機械合金化球磨Al-Cu-Ti粉末所獲得的非晶粉末的非晶化程度高，非晶體積分數(shù)達96%以上。3.本發(fā)明所述的制備方法在放電等離子燒結(jié)中采用硬質(zhì)合金鋼模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨模具，使燒結(jié)時壓強可達300 400MPa，有利于提高燒結(jié)試樣的相對密度。


圖I為本發(fā)明實施例I中Al65Cu16.5Ti18.5非晶粉末的X射線衍射圖。圖2為本發(fā)明實施例I制備的鋁基非晶/納米晶復合燒結(jié)試樣X射線衍射圖。圖3為本發(fā)明實施例I制備的鋁基非晶/納米晶復合燒結(jié)試樣的高分辨掃描電子顯微鏡圖。圖4為本發(fā)明實施例2制備的鋁基非晶/納米晶復合燒結(jié)試樣X射線衍射圖。圖5為本發(fā)明實施例2制備的鋁基非晶/納米晶復合燒結(jié)試樣的高分辨掃描電子顯微鏡圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例來詳述本發(fā)明，但不限于此。
實施例1將純度為99. 7%、粒徑彡10 ii m的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50 y m的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入8ml甲苯作為工程控制劑，然后封罐，球磨轉(zhuǎn)速為800r/min，球磨時間為30h，制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。所述粉末的X射線衍射圖如圖I所示，由圖I可知球磨30h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為I. 9%，非晶體積分數(shù)則為98. I %。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100°c /min下，選擇3500C的熱壓溫度，在300MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫3min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。所述燒結(jié)試樣的X射線衍射圖如圖2所示，通過對X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為87%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中,對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在12nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。所述燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖如圖3所示，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為92%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1371MPa。實施例2將純度為99. 7%、粒徑彡IOiim的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50iim的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入6ml甲苯作為工程控制劑，然后封罐，球磨轉(zhuǎn)速為800r/min，球磨時間為30h，制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨30h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為2. 1%，非晶體積分數(shù)則為97. 9%。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金 鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為150°C /min下，選擇4000C的熱壓溫度，在300MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。所述燒結(jié)試樣的X射線衍射圖如圖4所示，通過對X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為81%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入Origin8. 0軟件中，對衍射峰進行Lorentz ian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在17nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。所述燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖如圖5所示，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為94%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1411MPa。實施例3將純度為99. 7%、粒徑彡IOiim的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50iim的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入IOml甲苯作為工程控制劑,然后封罐,球磨轉(zhuǎn)速為800r/min,球磨時間為30h,制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨30h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDIjade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為I. 7%，非晶體積分數(shù)則為98. 3%。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為120°C /min下，選擇4500C的熱壓溫度，在300MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。通過對所述燒結(jié)試樣X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為74%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導A 0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在21nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。通過分析燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖可知，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為96%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1452MPa。實施例4
將純度為99. 7%、粒徑彡10 ii m的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50 y m的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入8ml甲苯作為工程控制劑，然后封罐，球磨轉(zhuǎn)速為800r/min，球磨時間為30h，制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨30h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為2. 4%，非晶體積分數(shù)則為97. 6%。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100°c /min下，選擇4000C的熱壓溫度，在350MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。通過對所述燒結(jié)試樣X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為80%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導A 0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在18nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。通過分析燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖可知，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為94%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1424MPa。實施例5將純度為99. 7%、粒徑彡10 ii m的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50 y m的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16.5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入8ml甲苯作為工程控制劑，然后封罐，球磨轉(zhuǎn)速為800r/min，球磨時間為30h，制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨30h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為2. 7%，非晶體積分數(shù)則為97. 3%。
將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100°c /min下，選擇4000C的熱壓溫度，在400MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。通過對所述燒結(jié)試樣X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為77%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導A 0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在20nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。通過分析燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖可知，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為97%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1466MPa。實施例6將純度為99. 7%、粒徑彡10 ii m的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50 y m的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入8ml甲苯作為工程控制劑,然后封罐,球磨轉(zhuǎn)速為600r/min,球磨時間為35h,制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨35h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為3. 1%，非晶體積分數(shù)則為96. 9%。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100°c /min下，選擇3500C的熱壓溫度，在400MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。通過對所述燒結(jié)試樣X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為83%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導A 0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在16nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。通過分析燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖可知，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為93%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1398MPa。實施例I 將純度為99. 7%、粒徑< 10 iim的Al粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為15 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入6ml甲苯作為工程控制劑,然后封罐,球磨轉(zhuǎn)速為800r/min,球磨時間為27h,制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨27h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為Ti2。利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為I. 5%，非晶體積分數(shù)則為98. 5%。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100°c /min下，選擇4000C的熱壓溫度，在300MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為OlOXlOmm。通過對所述燒結(jié)試樣X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為79%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導A 0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在19nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。通過分析燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖可知，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為96%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1427MPa。實施例8將純度為99. 7%、粒徑彡10 ii m的Al粉，純度為99. 5%、粒徑彡50 y m的Cu粉，純度為99. 5%、粒徑< 50 iim的Ti粉按原子百分比65 16.5 18. 5放入球磨罐中，球料比為20 1，將球磨罐放入手套操作箱中，對手套操作箱抽真空后，充入氬氣，向球磨罐中注入8ml甲苯作為工程控制劑，然后封罐，球磨轉(zhuǎn)速為800r/min，球磨時間為25h，制備出Al65Cu16.5Ti18.5粉末。由X射線衍射圖可知球磨25h后的X射線衍射圖除了在35°存在強度特別小的晶體峰外，不含有任何晶體的衍射峰，在30-50°范圍內(nèi)非晶漫散射峰光滑均勻，為典型的非晶態(tài)衍射峰，由此可知所述粉末幾乎為完全的非晶粉末。對于35°存在的晶體峰利用MDIjade軟件進行物相檢索，采用單峰搜索法在PDF卡片庫中搜索在35°區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)衍射峰的物相列表，然后從列表中的物相中排除雜質(zhì)元素成分最后檢出物相為TiH2。利用MDIjade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. 0軟件中，對衍射峰進行Guassian多峰擬合，得到非晶漫散射峰以及TiH2晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，采用物相定量分析中的直接對比法來計算出TiH2晶體積分數(shù)為2. 3%，非晶體積分數(shù)則為97. 7%。將所述非晶粉末裝入圓柱形硬質(zhì)合金鋼模具中，所述硬質(zhì)合金鋼型號為YG15。將所述非晶粉末壓實，然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100°c /min下，選擇4500C的熱壓溫度，在350MPa的壓強下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫5min，然后降到室溫，得到圓柱形燒結(jié)試樣，試樣的尺寸為ΦΙΟΧΙΟπιπι。通過對所述燒結(jié)試樣X射線衍射圖進行分析，在30-50°范圍內(nèi)為寬化的漫散射峰，表明粉末成分主要為非晶相，在非晶漫散射峰中分布有尖銳的晶體峰，利用MDI jade軟件進行物相檢索，采用化學元素限定法確定晶體為Al67Cu8Ti25。利用MDI Jade軟件得到各相的積分強度，并由此計算出各相所占的體積分數(shù)，其中非晶體積分數(shù)為75%，利用MDI jade軟件將X射線衍射圖扣除背底，將數(shù)據(jù)導入0rigin8. O軟件中，對衍射峰進行Lorentzian多峰擬合,得到非晶漫散射峰以及晶體衍射峰的數(shù)據(jù)，利用謝樂公式計算晶體的晶粒尺寸在25nm以下，由此可知所述燒結(jié)試樣為一種鋁基非晶/納米晶復合材料。通過分析燒結(jié)試樣的掃描電鏡圖可知，燒結(jié)狀態(tài)良好，殘存很少的氣孔。利用阿基米德排水法計算得到所述燒結(jié)試樣的相對密度為96%，通過準靜態(tài)壓縮實驗測得其壓縮強度為1402MPa。 本發(fā)明包括但不限于以上實施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進行的任何等同替換或局部改進，都將視為在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋁基非晶/納米晶復合材料，其特征在于所述材料中Al、Cu和Ti金屬元素的原子百分比依次為65 : 16.5 : 18. 5，所述材料具有非晶/納米晶復合結(jié)構(gòu)，其中非晶體積分數(shù)為70 90%，納米晶體積分數(shù)為30 10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁基非晶/納米晶復合材料的制備方法，其特征在于所述納米晶為單一的金屬間化合物Al67Cu8Ti25。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種鋁基非晶/納米晶復合材料的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下 (1)將純度大于等于99.5%、粒徑小于等于50 μ m的Al、Cu和Ti金屬粉末按原子百分比65 16. 5 18. 5放入球磨罐中，球料比為10 I 20 1，在惰性氣氛中向球磨罐中注入6 IOml甲苯作為工程控制劑，并封罐，球磨轉(zhuǎn)速為600 800r/min,球磨時間為25 35h，即制備出Al65Cu16.5Ti18.5非晶粉末。
(2)將上述Al65Cu16.5Ti18.5非晶粉末裝入模具中，將所述非晶粉末壓實；然后利用放電等離子燒結(jié)方法，在升溫速率為100 150°C /min,熱壓溫度為350 450°C，壓強為300 400MPa下進行燒結(jié)，達到熱壓溫度后保溫3 5min，然后降到室溫，得到一種鋁基非晶/納米晶復合材料； 其中，步驟(I)中所述惰性氣氛為氦氣或氬氣中的一種；步驟(2)中所述模具材料為硬質(zhì)合金鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁基非晶/納米晶復合材料及其制備方法，屬于非晶材料領(lǐng)域。所述材料中Al、Cu和Ti金屬元素的原子百分比依次為65∶16.5∶18.5，所述材料具有非晶/納米晶復合結(jié)構(gòu)，其中非晶體積分數(shù)為70～90％，納米晶體積分數(shù)為30～10％。所述材料的制備方法步驟如下(1)通過機械合金化獲得非晶合金粉末；(2)通過放電等離子燒結(jié)獲得非晶/納米晶復合材料。所述非晶/納米晶復合材料相對密度高，壓縮強度大。所述制備方法通過機械合金化球磨Al-Cu-Ti粉末所得的非晶粉末的非晶化程度高；在放電等離子燒結(jié)中采用硬質(zhì)合金鋼模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨模具，提高了燒結(jié)的壓強，有利于提高燒結(jié)試樣的相對密度。
文檔編號C22C45/08GK102618807SQ20111045029
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者吳金波, 張龍, 王魯, 薛云飛, 談?wù)?申請人:北京理工大學