[发明专利]一种大块铝基非晶/纳米晶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶材料制备领域，具体涉及一种大块铝基非晶/纳米晶复合材料及其制备方法，尤其涉及采用喷射沉积成形法制备大块铝基非晶/纳米晶复合材料的方法。

背景技术

研究表明，纳米粒子弥散分布在铝基非晶基体中的复合材料具有优异的力学性能。例如，铝基非晶/纳米晶复合材料的抗拉强度可达900～1200MPa，部分晶化Al₈₈Ni₉Ce₂Fe₁复合材料薄带的抗拉强度可达1560MPa，是传统铝合金2024T3和7075T6抗拉强度(约600MPa左右)的2～4倍。在573K时铝基非晶/纳米晶复合材料的高温抗拉强度仍达到970MPa，是传统铝合金的15～20倍。

目前制备铝基非晶和纳米晶合金主要采用熔体急冷和机械合金化法，因铝合金形成非晶能力有限，对形成非晶的成分要求严格，合金化时间长，成品率低等因素，大大限制了其广泛应用。

近年来，人们利用各种成形技术尝试制备了铝基非晶/纳米晶复合材料。例如，专利（公开号：CN102618807A）介绍了一种铝基非晶/纳米晶复合材料及其制备方法。材料由Al、Cu和Ti三种元素组成，其原子百分比依次为65∶16.5∶18.5，非晶体积分数为70～90%。所述材料的制备步骤如下：（1）通过机械合金化获得非晶合金粉末；（2）利用放电等离子烧结获得铝基非晶/纳米晶复合材料，得到圆柱形烧结试样，试样的尺寸为直径10x10mm；专利（CN1431334）公开了一种高强度低密度的铝基非晶/纳米复相材料及其制备方法。材料组分的原子百分比为：镍8～10%，镧1.5～2.1%，铈2.2～4%，镨0.1～0.8%，钕0.2～1.1%，铝为余量。采用喷铸、铜模液氮冷却方法制备出了铝基非晶/纳米晶复相材料，该发明制备的复相材料厚度为1.5毫米。统计数据显示，从1988年以来，众多的科研小组研究了数百个合金体系，多达几千个合金成分，但铝基非晶的临界尺寸仍没有突破1mm的瓶颈。综上所述，这些方法获得的铝基非晶/纳米晶复合材料虽然性能优良，但尺寸有限，难以获得工程化应用。因此，研究块体铝基大块非晶合金成为了当前急待解决的科学及技术难题。

目前获得块体铝基非晶/纳米晶复合材料的方法主要是通过控制液相凝固速率，使得纳米粒子直接从熔体中析出。这种方法既可降低对铝基非晶高凝固速率的要求，又可使制备过程相对简单。该法遇到的最大困难是，当试样截面尺寸较大时，难以保证将熔体的热量“快速散出”，致使大块铝基非晶基体晶化或析出的纳米晶相尺寸长大，丧失了铝基非晶/纳米晶复合材料的优异性能。

雾化喷射沉积成形技术近年来被广泛用于研究和发展高性能的快速凝固材料。该技术最突出的创新点在于，将液态金属的雾化和雾化熔滴的沉积自然地结合在一起，是一种短流程快速凝固体材料制备新技术。喷射沉积成形块体致密件的形成，是在特定条件下的凝固过程。其基本特点是在沉积表面形成一层极薄的液膜，块体致密件的形成则是这一液膜不断凝固、推进的过程。基于喷射沉积成形块体致密件的形成为逐层凝固、推进的过程特点，只要选择好合金体系和成分，控制液相凝固速率及纳米晶相的析出和晶粒尺寸的长大，采用喷射沉积成形技术就有可能为同时解决上述两个问题找到一条新的途径。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，发明一种新的铝基非晶/纳米晶复合材料，此材料有利于制备大块铝基非晶/纳米晶复合材料，并提出一种制备方法与其配合，解决现有技术中由于其尺寸限制，难以获得工程化应用的问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案。

一种大块铝基非晶/纳米晶复合材料，所述材料由铝、硅、镍、钴、钇、镧组成，各组分的原子百分比为：铝86%、硅0.5%、镍4.06%、钴2.94%、钇6%、镧0.5，其具有纳米晶α-Al与非晶基体组成的复合结构。

本发明所述复合材料的优选方案为，所述纳米晶体积分数为5～25%，非晶相体积分数为75～95%。

本发明所述复合材料的优选方案为，所述复合材料的宏观直径为100～200mm，厚度为1～11mm。

本发明所述复合材料的优选方案为，所述纳米晶相为α-Al相，其尺寸为20-50nm。

一种大块铝基非晶/纳米晶复合材料的制备方法，包括以下的制备步骤：