[发明专利]一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金及其制备方法，具体为一种具有高强度高延韧性快速凝固块 体铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金作为轻质合金成为目前应用最为广泛的金属材料之一，由于其轻质高比强的 特性可作为飞行器覆盖件，其成熟的工艺和廉价的成本也使之作为饮料包装材料而被广 泛使用。而在高强度工程应用条件下，超硬铝合金的屈服强度只有500～600MPa，相比 较其它合金，较低的屈服强度成为铝合金的应用瓶颈。

非晶合金作为快速凝固合金发展的前沿，由于其超高的屈服强度、比强度、良好的 弹性成为金属领域研究的热点。Al基非晶合金与其他非晶合金类似，具有高的硬度和屈 服强度，其硬度值达到了300～350Hv，拉伸断裂强度最大接近1300MPa。另外，由于Al 具有低的密度，Al基非晶合金具有很高的比强度。但是Al基非晶合金始终没有突破尺 寸的束缚，美国D.B.Miracle教授利用锲型Cu模喷铸法制备得到最大尺寸的Al基非 晶合金Al₈₉Ni₆La₅为780微米厚，目前为止还不能制备出毫米级块体Al基非晶合金。其 低的非晶形成能力严重限制了Al基合金的研究开发，同时非晶合金的拉伸脆性也一直 是其作为结构材料应用的最大障碍。

日本东北大学的井上明久教授等利用Al基非晶粉末热挤压法(Hot Extrusion)制 备得到了具有纳米级晶粒的Al基合金，其具备一定的硬度(250Vickers)和相对较高 的断裂强度(900MPa)，但其生产制备工艺包括熔炼、制粉、热压成形等手段，相对比 较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金及其制备方法，其 具备急冷凝固合金组织，超过1GPa压缩屈服强度，良好的韧性，且制备工艺简单。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种高强度高延韧性快速凝固块体 铝合金的成分可用下列公式表示：Al_100-X-yM_xRE_y，其中M为过渡金属Fe或Ni的一种，RE 表示稀土金属La、Ce、Y、Gd、Yb中的一种或多种的组合。其成分变化范围为 2≤X≤10，2≤Y≤10，其余为Al。Al含量的变化为80at.％到96at.％(原子百分比)，并且合 金的力学性能随合金成分的变化而变化。部分合金的成分以及主要力学性能见图1。优 选的Al89Ni4Y7，Al89Ni5Y6，Al89Ni6Y5，Al90Ni4Y6。合金在室温压缩具有1～1.2GPa 最高强度，真实应变率超过150％。

快速凝固块体铝合金具有急冷凝固合金组织，其组织具体为非晶态或纳米级晶粒的 一种或两种组合。当块体合金最小一维尺寸小于1mm时，铝合金的组织可能全部为非晶 态或纳米晶，或非晶态和纳米晶态的复合态。当合金最小一维尺寸大于1mm时，合金部 分金相组织为急冷凝固组织，主要为纳米级晶粒。此时，合金的急冷组织主要存在于合 金与模具直接接触的表层，随合金尺寸变化，其急冷组织的范围也随之变化。例如合金 Al90Ni4Y6为1mm棒材时具有急冷凝固合金组织，其区域为距离模具接触面厚度为200～ 400um的急冷层。急冷组织主要是尺寸为纳米级和亚微米级的fcc-Al的固熔体以及亚 稳态金属间化合物Al₁₉Ni₅Y₃。

快速凝固块体Al合金具有出色的力学性能。合金急冷组织具有超高的显微硬度，达 到400～450Hv，远远超过了硬铝合金，甚至超过Al基非晶合金30％以上。高的显微硬 度对应着高的强度，其压缩强度最高达到了1400MPa，是普通硬铝合金的2～3倍，和 Al基非晶条带的最优的拉伸断裂强度基本持平。同时，快速凝固块体Al合金具有良好 的塑性。优选的，Al89Ni4Y7合金的压缩最高强度为1176MPa，同时压缩真实应变率达 到150％以上。见图2。

一种具有高强度高延韧性快速凝固块体铝合金制备方法，步骤如下：

(1)将Al、Fe或Ni及稀土元素按照权利要求1所述的原子百分比配比，放置于有 惰性保护的炉体内加热至完全熔化，并多次熔炼使母合金成分均匀；

(2)将其母合金再次熔化后利用惰性气流或压力差注入到冷模腔体中，经快速凝固 制备形成。