[发明专利]一种铝基非晶/纳米晶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝基非晶/纳米晶复合材料及其制备方法，具体涉及一种首先通过机械合金化获得非晶合金粉末，然后通过放电等离子烧结获得非晶/纳米晶复合材料的方法，属于非晶材料领域。

背景技术

为了减少能源消耗，随着航天、航空及其他运输工业的迅速发展，科学工作者的注意力开始更加集中于高强度、低密度材料的研究工作中。铝基非晶合金具有密度低，强度高的特点，因此受到了广大科研工作者的极大关注。研究表明，含Al原子百分数为84％～86％的非晶合金，其拉伸强度可达1000MPa以上，最高可达1250MPa，是传统铝合金抗拉强度(约600MPa)的2～4倍。铝基非晶合金弹性模量约为90GPa，远远高于铝基晶态合金。铝基非晶合金具有良好的耐磨性能，Al_88.5Ni₈Mn_3.5非晶合金与Al₈₅Ni₅Y₁₀非晶合金的耐磨性能明显优于Al-17wt.％Si晶态合金。

当铝基非晶基体中弥散分布少量α-Al纳米粒子时，其强度高达1560MPa，是单相非晶态合金强度的1.5倍，适当的α-Al纳米粒子的弥散分布可进一步提高非晶铝合金的强度和塑性。而且铝基非晶态合金在纳米晶化后表现出疲劳强度(300MPa～350MPa)与拉伸强度(900MPa)的良好结合。纳米晶体弥散分布的铝基非晶合金强度可达到或超过钢材的强度，密度却不到钢材的40％，在600K以下具有很好的高温强度，能满足多种航空结构件的需要，可取代传统的价格昂贵的钛合金。通过对铝基非晶合金晶化可以得到非晶/纳米晶复合材料，这些材料拥有比铝基非晶材料更高的强度，更好的热稳定性，因而具有更广阔的应用前景。

截止到目前，大块非晶合金的制备主要是通过快速冷却的方式实现，其宏观几何尺寸还远没有达到实际工程应用的要求，尤其对于那些形成能力相对较差的合金体系，其形状和尺寸必然受到更加严重的制约。铝基非晶合金的玻璃形成能力低，急冷技术获得非晶试样最大尺寸仅为1mm，远不能满足应用需求，而铝基非晶合金粉末的固结技术为制备大块铝基非晶合金提供了新的途径。放电等离子烧结(SPS)具有升温速率快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等特点，非常适合非晶合金粉末的烧结，可用来进一步突破非晶合金的尺寸限制，制备出高相对密度的块体非晶合金。但是，目前放电等离子烧结采用的模具一般都为石墨模具，在烧结过程中施加的压力最多为50MPa，这会使较低温度下铝基非晶合金烧结试样的相对密度较低，效果不理想。

发明内容

为了获得一种新的铝基非晶/纳米晶复合材料，并解决目前铝基非晶/纳米晶复合材料相对密度较低的问题，本发明的目的之一在于提供一种铝基非晶/纳米晶复合材料，所述材料具有非晶/纳米晶复合结构，相对密度高，压缩强度大；本发明的目的之二在于提供一种所述铝基非晶/纳米晶复合材料的制备方法，所述制备方法通过机械合金化球磨Al-Cu-Ti粉末所获得的非晶粉末的非晶化程度高；在放电等离子烧结中采用硬质合金钢模具代替传统的石墨模具，提高了烧结时的压强，有利于提高烧结试样的相对密度。能够提高粉末的烧结速率，缩短烧结时间，减少烧结过程中的非晶晶化现象，制备出压缩强度高、相对密度高的块体非晶合金。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种铝基非晶/纳米晶复合材料，所述材料中Al、Cu和Ti金属元素的原子百分比依次为65∶16.5∶18.5，所述材料具有非晶/纳米晶复合结构，其中非晶体积分数为70～90％，纳米晶体积分数为30～10％，所述纳米晶为单一的金属间化合物Al₆₇Cu₈Ti₂₅。

本发明所述的一种铝基非晶/纳米晶复合材料的制备方法步骤如下：

(1)将纯度大于等于99.5％、粒径小于等于50μm的Al、Cu和Ti金属粉末按原子百分比65∶16.5∶18.5放入球磨罐中，球料比为10∶1～20∶1，在惰性气氛中向球磨罐中注入6～10ml甲苯作为工程控制剂，并封罐，以除去氧气，球磨转速为600～800r/min，球磨时间为25～35h，即制备出Al₆₅Cu_16.5Ti_18.5非晶粉末。