一种金属间化合物AlLa3增韧的La基非晶复合材料

一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料
技术领域
1.本发明属于非晶合金领域，具体涉及一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料。


背景技术：

2.la基非晶具有较好的玻璃形成能力和较宽的成分范围，相比于zr基、ni基和co基非晶合金，la基非晶合金具有更低的玻璃转变温度，能够在较低的温度下进行压缩、拉伸、扭曲、压印等塑性加工和变形。la基非晶合金在较低的温度能够进入粘流态，在较低应力下，不需要高温和高能量就可以实现微米甚至纳米尺度高精度压印成型，甚至能够在微米级尺度上进行图形和器件制作，这是其他非晶体系所不能比拟的。la基非晶合金作为块体非晶的一个特别的系列，具备了稀土基块体非晶独特物理、化学、力学特性，使其成为材料领域非常具有理论研究和应用价值的材料。
3.在晶态材料中加入第二相可以达到强韧化的效果，通过多种方式在非晶合金中引入第二晶体相，提升了合金室温压缩塑性。获得枝晶相尺寸大小合适，分布均匀的锆基、钛基非晶合金基复合材料，室温下的拉伸塑性大于10％。由于这些晶体相的存在，使得非晶复合材料具备晶态合金优异的力学性能之外，同时也具有其他良好的物理及化学性能。然而，对非晶及其复合材料的认知还是初步的，许多规律，理论，机制等相关研究尚不完善。因此，开发并对更多的非晶及其复合体系进行研究，对非晶合金及其复合材料的发展有重要意义。
4.而目前关于la基非晶复合材料的相关研究主要集中在内生晶体相为α-la枝晶的复合材料，以及其在低温、高温下力学行为。然而α-la枝晶增韧的la基非晶合金的强度和塑性仍然较低，远不能满足要求。


技术实现要素：

5.为进一步解决α-la枝晶增韧la基非晶复合材料强度塑性较低问题，本发明提供了一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料。
6.为实现上述目的，本发明提供一种la基非晶复合材料，该复合材料化学成分按原子百分比为：la：69～71.5％，al：18.5～21％，cu：4～6％，ni：4～6％。
7.较佳的，该复合材料化学成分按原子百分比为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
8.较佳的，该复合材料内生晶体相主要为金属间化合物alla3，其晶体结构为非理想排列密排六方(hcp)结构，alla3尺寸范围为1～25μm，其含量为55～75％。
9.较佳的，复合材料室温静态压缩强度为450～650mpa，压缩塑性为5～10％。
10.本发明还提供上述la基非晶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)按照所述复合材料所需的la、al、cu、ni原料表面处理后按照化学式中原子分数称取所需质量；
12.(2)将步骤(1)所述原材料在真空熔炼炉中熔炼制成母合金锭；
13.(3)将步骤(2)所述母合金锭破碎，采用真空石英管水淬法或真空铜模铸造法制备所述非晶复合材料。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
15.(1)该非晶复合材料内生晶体相主要为金属间化合物alla3，且alla3含量、尺寸随成分变化而变化。一定含量和尺寸的金属间化合物alla3在非晶复合材料塑性变形过程中产生大量位错缠结，可以有效阻碍非晶基体中剪切带扩展，促进剪切带的增殖，为复合材料提供良好的室温塑性。
16.(2)本发明所提供的la基非晶复合材料中的alla3，其晶体结构为非理想排列密排六方(hcp)结构，其尺寸范围为1～25μm，其含量为55～75％。复合材料室温静态压缩强度为450～650mpa，压缩塑性为5～10％。明显优于其他金属间化合物增韧的非晶复合材料塑性。
17.(3)本发明采用水淬法或铜模铸造法制备非晶复合材料操作简单易实施，获得非晶复合材料成分均匀，力学性能优异。
附图说明
18.图1为实施例1所制备的la基非晶复合材料的sem组织图像。
19.图2为实施例1所制备的la基非晶复合材料的dsc曲线。
20.图3为实施例5所制备的la基非晶复合材料的sem组织图像。
21.图4为实施例5所制备的la基非晶复合材料的dsc曲线。
22.图5为实施例6所制备的la基非晶复合材料的sem组织图像。
23.图6为实施例12所制备的la基非晶复合材料的sem组织图像。
24.图7为实施例13所制备的la基非晶复合材料的sem组织图像。
具体实施方式
25.下面将对本发明的实施例进行详细完善的描述，以使本发明的优点和特征更能易于被本领域技术人员理解，从而对本发明做出更为清楚明确的界定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.本发明技术方案设计了一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，该体系合金包含la、al、cu、ni四种元素，制备所得la基非晶复合材料具有较好的室温力学性能。
27.本发明提供一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按原子百分比计为：la：69～71.5％，al：18.5～21％，cu：4～6％，ni：4～6％。该复合材料内生晶体相主要为金属间化合物alla3，在室温静态压缩中表现出良好的压缩性能，具有较好的室温强度和塑性。
28.实施例1：
29.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：69％，al：19％，cu：6％，ni：6％。
30.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
31.制备金相试样观察微观组织，如图1所示，该复合材料微观组织由均匀分布非晶基体、金属间化合物alla3组成。非晶基体含量约达25％，具有规则六边形形貌alla3含量约为75％。其中金属间化合物alla3相尺寸差异较大，其范围分布于5～18μm。dsc测试曲线如图2所示，该非晶复合材料特征温度为：tg＝121℃，t
x
＝157.8℃，tm＝377℃，t
l
＝528℃。
32.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为490mpa，361mpa，9.5％。
33.实施例2：
34.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：71％，al：21％，cu：4％，ni：4％。
35.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
36.制作金相试样观察微观组织，该复合材料组织为典型非晶复合材料组织，由均匀分布非晶基体、金属间化合物alla3组成。其中非晶基体含量约达27％，alla3含量约达73％。具有规则六边形形貌的alla3尺寸约为22
±
3μm。dsc测试结果表明材料特征温度为：tg＝120.5℃，t
x
＝160℃，tm＝378℃，t
l
＝529℃。
37.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为517mpa、394mpa、5％。
38.实施例3：
39.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：71％，al：19％，cu：5％，ni：5％。
40.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
41.制备金相试样观察微观组织，该复合材料微观组织由均匀分布非晶基体、金属间化合物alla3组成，非晶基体含量约达36.3％，alla3含量约达63.7％。其中具有规则六边形形貌的金属间化合物alla3尺寸约为8
±
2μm。dsc测试结果表明特征温度为：tg＝120.3℃，t
x
＝161.9℃，tm＝381℃，t
l
＝491℃。
42.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为601mpa，357mpa，8.5％。
43.实施例4：
44.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：69％，al：21％，cu：5％，ni：5％。
45.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
46.制备金相试样观察微观组织，该复合材料微观组织由均匀分布非晶基体与金属间化合物alla3组成，非晶基体含量约达43％，alla3含量约达57％。其中金属间化合物alla3整体表现为枝晶状形貌。dsc测试结果表明该复合材料特征温度为：tg＝145.1℃，t
x
＝183.4℃，tm＝379℃，t
l
＝498℃。
47.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为543mpa，491mpa，5.5％。
48.实施例5：
49.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
50.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
51.在la-al-m(m为cu、ni、co等金属元素)赝三元相图中，本实施例所描述成分位于实施例1-4中间。制备金相试样观察微观组织，如图3所示，该非晶复合材料内生晶体相几乎全部为金属间化合物alla3，含量约达62.3％，非晶基体含量约达37.7％。其中金属间化合物alla3尺寸约为12
±
3μm。alla3具有非理想排列的密排六方(hcp)晶体结构，其晶格参数为c/a＝0.765，α＝β＝90
°
，γ＝120
°
。dsc测试曲线如图4所示，特征温度为：tg＝119.8℃，t
x
＝157.5℃，tm＝381.9℃，t
l
＝503℃。
52.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为621mpa，418mpa，9％。hcp结构alla3在非晶复合材料塑性变形中产生大量位错变形，为复合材料提供较好塑性。alla3中位错变形与非晶基体中剪切变形是复合材料塑性变形主要机制。
53.实施例6：
54.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
55.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在500℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
56.制备金相试样观察微观组织，如图5所示，该非晶复合材料内生晶体相几乎全部为金属间化合物alla3组成，alla3晶体生长具有一定不均匀性，其尺寸分布大小明显不均匀，其尺寸大多数在1.5μm左右，个别大尺寸相尺寸可达5μm。alla3含量约为57％，非晶基体含量约为43％。
57.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为587mpa，350mpa，5.5％。
58.实施例7：
59.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比
计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
60.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在650℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
61.制备金相试样观察微观组织，该非晶复合材料内生晶体相几乎全部为金属间化合物alla3组成，其中金属间化合物alla3尺寸在7.5～10μm之间，其含量约为59.4％，非晶基体含量约为40.6％。
62.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为452mpa，280mpa，8.5％。
63.实施例8：
64.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
65.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在850℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
66.制备金相试样观察微观组织，850℃淬火温度下仍然得到内生晶体相仍然几乎全部为金属间化合物alla3的la基非晶复合材料。非晶基体含量约为35％。金属间化合物alla3仍为规则六边形形貌，尺寸较大，约达25μm，其含量约为65％。
67.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为492mpa，420mpa，5.2％。
68.实施例9：
69.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
70.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为3mm棒状非晶复合材料试样。
71.制备金相试样观察微观组织，该非晶复合材料内生晶体相仍然几乎全部为金属间化合物alla3组成，其中金属间化合物alla3尺寸在10μm左右，其含量约为60.7％，非晶基体含量约为39.3％。
72.按照压缩实验国家标准，采用线切割法制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为3mm，长度为6mm的棒材。进行室温静态压缩实验，试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为590mpa，365mpa，8％。
73.实施例10：
74.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。
75.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为13mm棒状非晶
复合材料试样。
76.制备金相试样观察微观组织，该非晶复合材料内生晶体相仍然几乎全部为金属间化合物alla3组成，其中金属间化合物alla3尺寸在13μm左右，其含量约为59.5％，非晶基体含量约为40.5％。
77.按照压缩实验国家标准，采用线切割法制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为567mpa，353mpa，6.7％。
78.实施例11：
79.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：70％，al：20％，cu：5％，ni：5％。通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，采用真空铜模铸造法制备直径为6mm的非晶复合材料棒材试样。
80.制备金相试样观察微观组织，该非晶复合材料内生晶体相仍然几乎全部为金属间化合物alla3组成。非晶基体含量约为40％，金属间化合物alla3含量约为60％，其相尺寸在8.5μm左右。
81.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为588mpa，370mpa，8％。
82.实施例12：
83.一种内生生晶体相为α-la枝晶的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：67％，al：15％，cu：9％，ni：9％。
84.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
85.制备金相试样观察微观组织，如图6所示，该复合材料微观组织仅由非晶基体与α-la枝晶组成。其中α-la枝晶含量约为33％，非晶基体含量约达67％。dsc测试结果表明其特征温度为：tg＝157.48℃，t
x
＝217.4℃，tm＝384℃，t
l
＝430℃。
86.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为647mpa，564mpa，1.6％。
87.实施例13：
88.一种内生晶体相为金属间化合物alla3和α-la相的la基非晶复合材料，其化学成分按照原子百分比计为：la：75％，al：15％，cu：5％，ni：5％。
89.通过真空熔炼炉在真空和氩气保护条件下熔炼制备母合金锭，将所得母合金锭机械破碎，后放入石英管中真空封装，在750℃下保温30min后水淬，得到直径为6mm棒状非晶复合材料试样。
90.制备金相试样观察微观组织，如图7所示，该复合材料微观组织由均匀分布非晶基体、金属间化合物alla3和α-la枝晶组成。其中非晶基体含量约为31％，α-la枝晶含量约为37.6％，金属间化合物alla3含量约为31.4％。alla3尺寸约为10μm。dsc测试结果表明其特征温度为：tg＝161℃，t
x
＝210.3℃，tm＝385.2℃，t
l
＝503℃。
91.按照压缩实验国家标准，制备标准高径比为2:1的压缩试样，试样为直径为6mm，长度为12mm的棒材。进行室温静态压缩实验。试样室温压缩抗压强度、屈服强度、室温压缩塑性分别为405mpa，324mpa，2.7％。
92.本发明提供的金属间化合物alla3增韧的la非晶复合材料并不限于上述实施方案，实施例并不构成对本发明的保护范围的限制，对本发明的任何改进，对本发明产品各元素的等效替换及辅助成分的添加、制备方法的改变等，均在本发明保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种金属间化合物alla3增韧的la基非晶复合材料，其特征在于，该复合材料化学成分按原子百分比为：la：69~71.5%，al：18.5~21%，cu：4~6%，ni：4~6%。2.如权利要求1所述的la基非晶复合材料，其特征在于，该复合材料化学成分按原子百分比为：la：70%，al：20%，cu：5%，ni：5%。3.如权利要求1所述的la基非晶复合材料，其特征在于，该复合材料内生晶体相主要为金属间化合物alla3，其晶体结构为非理想排列密排六方结构，alla3尺寸范围为1~25μm，其含量为55~75%。4.如权利要求1所述的la基非晶复合材料，其特征在于，复合材料室温静态压缩强度为450~650mpa，压缩塑性为5~10%。5.如权利要求1-4任一所述的la基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）按照所述复合材料所需的la、al、cu、ni原料表面处理后按照化学式中原子分数称取所需质量；（2）将步骤（1）所述原材料在真空熔炼炉中熔炼制成母合金锭；（3）将步骤（2）所述母合金锭破碎，采用真空石英管水淬法或真空铜模铸造法制备所述非晶复合材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，采用真空石英管水淬法或真空铜模铸造法制备所述非晶复合材料，其中复合材料直径为1~16mm。

技术总结
本发明提供了一种金属间化合物AlLa3增韧的La基非晶复合材料，属于非晶合金领域。该La基非晶复合材料化学成分按原子百分比为：La：69~71.5%，Al：18.5~21%，Cu：4~6%，Ni：4~6%。该系列非晶复合材料内生晶体相主要为金属间化合物AlLa3，通过真空熔炼后水淬法和铜模铸造法可制得直径为1~16mm的非晶复合棒材，该非晶复合材料具有良好的室温力学性能，室温压缩抗压强度为450~650MPa，压缩塑性为5~10%。压缩塑性为5~10%。压缩塑性为5~10%。


技术研发人员：孔见 彭晓婷 董可伟 杨洋
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.02.22
技术公布日：2023/9/7