一種具有周期性層片組織特征的合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型材料制備領(lǐng)域，尤其是一種具有周期性層片組織特征的合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)擴(kuò)散偶中有四種結(jié)構(gòu):簡單層片型結(jié)構(gòu)、棒狀束集型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)聯(lián)束集型結(jié)構(gòu)和周期性顯微組織。周期性顯微組織作為一種新鮮發(fā)現(xiàn)的擴(kuò)散偶結(jié)構(gòu)在1982年從Fe(15wt.%Si)-Zn體系中觀察到。通過一系列實驗發(fā)現(xiàn)，這種周期結(jié)構(gòu)無論是固固擴(kuò)散偶還是固液擴(kuò)散偶都能出現(xiàn)，并且在更多體系的擴(kuò)散偶中發(fā)現(xiàn)了這種周期結(jié)構(gòu)。周期分為空間排列的周期性以及形成時間上的周期性。生長特點即為:(I)擴(kuò)散偶反應(yīng)層片厚度隨時間延長呈拋物線增加；(2)形成的層片結(jié)構(gòu)是雙相的；(3)新層片對形成后舊層片對停止生長。
[0003]文獻(xiàn)Per1dic layered structure in Ni 3Si/Zn diffus1n couples 中，以大塊狀進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，無法得到全部周期結(jié)構(gòu)的合金，用顆粒作得到全部周期結(jié)構(gòu)樣品，在利用此周期性合金的獨特性質(zhì)可以研發(fā)新型材料。近年來，隨著擴(kuò)散偶技術(shù)的廣泛研宄，我們可以采用擴(kuò)散偶方法來解決的實際問題，特別是新金屬材料的創(chuàng)造與發(fā)明、合金界面反應(yīng)及力學(xué)性能改善等。
[0004]目前，發(fā)現(xiàn)了蘇旭平課題組等人在周期結(jié)構(gòu)的研宄工作，對周期結(jié)構(gòu)的認(rèn)知、從熱力學(xué)和動力學(xué)上對其做出定性分析、提出周期層片型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的理論機(jī)制。周期結(jié)構(gòu)作為一種新的物質(zhì)形態(tài)，對于材料連接、復(fù)合材料和鍍層中應(yīng)用等新材料設(shè)計上的探索具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種具有周期性層片組織特征的合金，利用該合金探索新型材料的制備方法以及材料連接、界面反應(yīng)的改善。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0007]一種具有周期性層片組織特征的合金，M-F-N合金，是將F擴(kuò)散入M-N合金中形成的具有周期性層片組織的合金，所述M為Cu、Co、Fe、Mn、N1、Ti ;F為Sn、Al、Mg、Zn、Bi ;N為Si,Wo
[0008]所述具有周期性層片組織特征的合金的制備方法，包括如下步驟:
[0009](I)稱量M和N，采用真空熔煉制備MxNy型金屬間化合物或M-N固溶體；
[0010](2)將MxNy型金屬間化合物或M-N固溶體放入石英管中，在真空環(huán)境下進(jìn)行高溫均勻化退火；
[0011](3)將步驟(2)制備的樣品，取出后先通過預(yù)磨去除表層氧化皮，再采用研缽對其進(jìn)行研磨，將樣品磨成顆粒狀，直徑范圍在0.5mm?1mm之間；
[0012](4)將步驟(3)處理的樣品，與Sn塊一起放入石英管中密封，控制加熱方式，溫度和反應(yīng)時間，進(jìn)行擴(kuò)散偶反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，采用水淬的方法進(jìn)行快速冷卻，即可得到周期性層片組織結(jié)構(gòu)。
[0013]所述步驟⑴中，真空熔煉采用無自耗真空磁控電弧爐。
[0014]所述步驟⑴中，MxNy型金屬間化合物為線性化合物，x與y的比值2?5.5。
[0015]所述步驟(2)中，樣品均勻化退火溫度300-1100°C，退火時間為5-30d。
[0016]所述步驟(4)中，通過控制不同的溫度使F元素以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)分別與制成樣品進(jìn)行擴(kuò)散偶反應(yīng):
[0017]a、F是固態(tài)時，溫度應(yīng)控制在F熔點之下，采用夾具法將F塊與樣品夾住，放入石英管在真空中進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)；
[0018]b、F是液態(tài)時，直接將F與樣品放入石英管在真空中進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，溫度在F的燃點和熔點之間；
[0019]c、F是氣態(tài)時，溫度應(yīng)控制在F燃點之上，先將F塊放入石英管底部，再將合金顆粒均勻放在剛玉坩禍底部不封口，連同剛玉坩禍放入F塊上部在真空中進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)。
[0020]所述步驟(4)中，擴(kuò)散反應(yīng)時間為10min-180d。
[0021]當(dāng)M為鈷Co，N為鎢W，F(xiàn)為鋁Al時，步驟(4)中，所述擴(kuò)散反應(yīng)的反應(yīng)時間為5min_180do
[0022]M-F-N 合金中 M 為 Cu、Co、Fe、Mn、N1、Ti 擴(kuò)散慢元素;F 為 Sn、Al、Mg、Zn、Bi 擴(kuò)散快元素#為S1、W基本不擴(kuò)散元素，可形成Cu-Sn-Si合金、Co-Al-W合金等。
[0023]例如Cu-Sn-Si合金體系中，Cu和Si形成金屬間化合物或固溶體與Sn發(fā)生反應(yīng)。在擴(kuò)散過程中，利用不同組元擴(kuò)散速率的不同，通過調(diào)整元素配比和反應(yīng)的動力學(xué)過程，獲得具有周期結(jié)構(gòu)特征的合金。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025](I)本發(fā)明利用元素擴(kuò)散速度差別在一定溫度下得到新型結(jié)構(gòu)合金，制備工藝簡單、能耗小，得到的合金創(chuàng)新性的得到新的一種組織結(jié)構(gòu)；
[0026](2)本發(fā)明提供了一種制備方法，能夠制備具有周期性層片組織特征的合金，為新型復(fù)合材料的制備、異相材料的連接提供新的途徑。
【附圖說明】
[0027]圖1為擴(kuò)散組織特征示意圖；
[0028]圖2為周期性層片組織示意圖；
[0029]圖3為(Cu-Sn-Si)合金的周期性層片組織顯微圖像；
[0030]附圖標(biāo)記說明如下:
[0031]圖1中A為簡單層片型結(jié)構(gòu)出棒狀束集型結(jié)構(gòu)；(:網(wǎng)聯(lián)束集型結(jié)構(gòu)；D周期性層片結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0033]實施例1
[0034]制備具有周期性層片組織特征的(Cu-Sn-Si)合金。
[0035](I)將Cu塊和Si粒按摩爾比19:6配比，利用無自耗真空磁控電弧爐熔煉Cul9Si6
合金；
[0036](2)在 1000退火 2O 天；
[0037](3) Cu19Si6^金取出樣品后通過預(yù)磨去除表面氧化皮后，放在剛玉研缽內(nèi)研磨成直徑小于5mm的小顆粒；
[0038](4)將Cu19Si6顆粒平鋪在剛玉坩禍的底部，顆粒間相互接觸不重疊；將Sn塊用線切割切成20mmxl0mmxl0mm的小塊，預(yù)磨去除表面氧化皮后放入石英管底部；將裝有顆粒的坩禍放在Sn塊上；將石英管在惰性氣體氬氣的保護(hù)下抽真空密封；
[0039](5)放入管式爐中，在350°C下擴(kuò)散20天，采用水淬法快速冷卻取出合金。
[0040]在熱處理過程中，Sn以氣體狀態(tài)與合金進(jìn)行擴(kuò)散反應(yīng)，在合金表面形成層片結(jié)構(gòu)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行層片結(jié)構(gòu)交替出現(xiàn)向合金內(nèi)部生長，使得合金越來越小最終合金消失完全成為周期性層片結(jié)構(gòu)。其掃面電鏡顯微圖像如圖3所示，層片中灰色部分是γ相、白色部分是T相。通過固氣的方法制得了具有周期性層片組織的Cu-Sn-Si合金，該方法得到的周期性層片組織層片對均勻，層片厚度在2-4 μ m左右。
[0041]實施例2
[0042]制備具有周期性層片組織特征的(Cu-Sn-Si)合金。
[0043](I)將Cu塊和Si粒按摩爾比15:4配比，利用無自耗真空磁控電弧爐熔煉Cul5Si4
合金；
[0044](2)在 800°C 退火 25 天；
[0045](3) Cu15Si4^金取出樣品后通過預(yù)磨去除表面氧化皮后，放在剛玉研缽內(nèi)研磨成直徑小于5mm的小顆粒；
[0046](4)將Cu15Si4顆粒平鋪在剛玉坩禍的底部，顆粒間相互接觸不重疊；將Sn塊用線切割切成20mmxl0mmxl0mm的小塊，通過氣相沉積的方法將Sn沉積在合金表面；
[0047](5)放入管式爐中，在200°C下擴(kuò)散20天，采用水淬法快速冷卻取出合金。
[0048]通過該方法制備了具有周期性層片結(jié)構(gòu)的Cu-Sn-Si合金。
[0049]實施例3
[0050]制備具有周期性層片組織特征的(Cu-Sn-Si)合金。
[0051](I)將Cu塊和Si粒按摩爾比7:3配比，利用無自耗真空磁控電弧爐熔煉(Cu-30at.% Si)固溶體；
[0052](2)在 800°C 退火 15 天；
[0053](3) (Cu-30at.% Si)固溶體取出樣品后通過預(yù)磨去除表面氧化皮后，放在剛玉研缽內(nèi)研磨成直徑小于5_的小顆粒；