[发明专利]一种调控铝基非晶形成能力的合金成分设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝基非晶态合金技术领域，具体涉及一种调控铝基非晶形成能力的合金成分设计方法。

背景技术

目前，轻质化材料的开发对于节约能源、提高各类装备效率具有重要的推进作用。因此，在各类汽车、飞机、舰船、武器装备等领域已成为研发重点。例如，近年来各类轻质材料在武器型号中的应用比例呈快速上升趋势。其中铝合金，特别是高强铝合金由于具有质轻、高比强度、高比刚度的优点，广泛应用于国民经济建设和国防建设的各个领域，在航空工业更是得到大量使用。与传统的铝合金相比，非晶态铝合金具有高的比强度、良好的韧性和优异的耐腐蚀性能，其抗拉强度可超过1000MPa，已超过目前高强钢的水平，比强度可与陶瓷媲美，并保持了良好的塑性和高温稳定性。它的出现为发展轻质超高强金属结构材料提供了一条新的途径。然而，目前限制该类材料应用的主要因素是Al基非晶合金的玻璃形成能力很差，目前获得的最大非晶临界尺寸为1mm，仍无法满足实际工程应用的需要。因此，提高铝基非晶合金的形成能力是扩大其应用范围的首要因素。

为确定具有最佳非晶形成能力的铝基合金成分，需对影响Al基非晶形成能力的结构本质进行分析。其中，Al基金属玻璃的原子结构对其非晶形成能力有重要的决定性作用，有效团簇堆积(Efficient Cluster Packing,ECP)模型和准等价团簇密堆模型揭示了Al-TM-RE三元体系非晶形成能力的结构本质。但基于硬球假设，以RE(TM)原子为中心的团簇共享Al原子，且按照fcc方式排满整个空间。而这种有序的晶体结构在无序的金属玻璃中是不存在的，并没有考虑化学作用对金属玻璃稳定性的影响。因此，应用该模型预测Al-TM-RE三元体系时，实验值和预测值约有4.6-19.8at.％的偏差。值得注意的是，微合金化对于Al基金属玻璃合金体系的发展和设计起到至关重要的作用，例如：在Al₈₆Ni₈Y₆合金基础上仅仅2at.％的Co和La替换Ni和Y就能使非晶形成能力提升两倍，最终成功获得直径为1mm的Al基块体金属玻璃棒材；0.5at.％的Ti或者V添加到Al₈₈Y₇Fe₅合金中就可以显著提高其非晶形成能力。微合金化效应可以增加液态相的稳定性，抑制晶体相的形成，从而提高非晶形成能力。但是，微合金化对于四元和五元Al基非晶形成能力影响的结构本源仍不清楚。前人试图从原子结构角度揭示微合金化对Al基非晶形成能力影响的结构本源，例如：利用X射线吸收光谱法研究La和Co元素添加到Al₈₆Ni₈Y₆合金中，利用扩展X射线吸收精细结构法研究La和Hf元素添加到Al₈₈Y₇Fe₅合金中，但研究结果均表明微合金化前后Al基非晶合金原子结构没有差异。

根据金属玻璃电子结构原理，Al基金属玻璃体系中存在强烈的电子轨道杂化效应，对结构具有重要的影响，但常规手段无法对这一结果进行分析，所以应深入理解铝基非晶合金电子结构层次对非晶形成能力的作用机制，以期寻求适用于铝基非晶合金的成分设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铝基非晶形成能力的合金成分设计方法，解决了以往铝基非晶合金成分设计复杂化问题，设计出了临界尺寸为1.5mm的完全非晶合金，是目前国际上制备的最大尺寸铝基块体非晶合金，扩大了轻质高强铝基非晶合金作为结构材料的应用范围。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种调控铝基非晶形成能力的合金成分设计方法，该方法是根据在Al-TM-RE三元非晶合金体系中微量添加TM与RE元素不同的电子作用机制，制定公式(1)，公式(1)中呈现的规律为：当δ值趋近于0时，体系的总能量趋于最低，非晶形成能力则增强；根据公式(1)中规律对所述Al-TM-RE三元非晶合金体系的非晶形成能力进行调控，从而制备大尺寸的铝基非晶合金；

δ＝|K_P-2K_F|(1)；

公式(1)中：2K_F是费米面的直径，2K_F的计算方式如公式(2)；K_P是伪布里渊区的直径，K_P的计算方式如公式(3)；