一種製備大塊非晶合金的噴鑄－吸鑄方法及設備的製作方法

2023-12-07 23:36:46 1

專利名稱：一種製備大塊非晶合金的噴鑄－吸鑄方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於大塊非晶合金的噴鑄-吸鑄技術領域，特別是提供了一種大塊非晶合金的真空噴鑄-吸鑄製備方法及其相應設備。
背景技術：
大塊非晶合金材料是二十世紀九十年代迅速發展起來的一類先進材料。與傳統晶態合金材料相比，大塊非晶合金具有更為優異的力學性能、抗多種介質腐蝕的能力、良好的軟磁、硬磁性能以及獨特的膨脹特性等物理性能，這使得大塊非晶合金具有十分誘人的應用前景。九十年代初，A.Inoue，T Zhang and T.Masumoto.Mater.Trans.，JIM，30(1989)，965和美國A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342通過合金成分設計，突破了傳統非晶合金製備中所要求的高速冷卻(＞106K/s)的限制，使得在常規鑄造技術所能夠達到的冷卻速度條件下(101-10-2K/s)能製備出大塊非晶合金材料，從而結束了非晶態合金主要只能以粉、絲、薄帶等低維形式存在的時代，使得非晶態合金的研究與應用跨入了一個嶄新的時代。
大塊非晶合金近十餘年致力於開發新的大塊非晶合金體系和製備方法。迄今為止，已經開發出Zr基、Ln基、Ti基、Cu基、Fe基、Mg基和Pd基等大塊非晶合金系，最具有代表性的合金有C.Fan，A.Takeuchi and A.Inoue.Mater.Trans.，JIM，40(1999)，42製備的Zr60Al10Cu20Pd10大塊非晶合金；A.Leonhard，L.Q.Xing，M.Heilmaier and SchultzNanostructure Materials，10(1998)，805製備的Zr57Al10Ni8Cu20Ti5大塊非晶合金；A.Pekerand W.L.Johnson Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342製備的Zr40Ti14Ni11Cu10Be25大塊非晶合金。
探索新的大塊非晶的製備方法也是其發展方向之一。當前製備大塊非晶的方法主要有壓力模型鑄造法、霧化非晶粉末擠壓法、定向凝固法、水淬法和真空吸鑄法等幾種。例如A.Inoue.Mater.Trans.，JIM，36(1995)，866利用壓力模型鑄造法製備出塊體的Mg-Ln-TM非晶、Ln-Al-TM非晶和Zr基塊體非晶合金等。這種方法的基本原理為母合金在氬氣的保護下通過高頻感應加熱熔化，活塞在液壓作用下一定的速率和壓力向前移動，把金屬液擠壓入銅模中，依靠強水冷而形成大體積非晶。A.Inoue，Zhang Tao，US5740854提出了電弧熔煉加吸鑄的方法製備塊體非晶，其基本工作原理是首先利用電弧熔煉的方法熔化母合金，銅模分上下兩腔，銅模下腔處於封閉的真空狀態。母合金熔化後，打開上下銅模間的擋板，液態合金在真空吸力作用下被吸入下面的水冷銅模中，依靠水冷銅模的強冷作用製備塊體非晶，這種設備的缺點是銅模製造複雜，既考慮樣品的形狀，又要考慮銅模的真空密封問題。

發明內容
本發明的目的提出一種新的噴鑄-吸鑄相結合的大塊非晶合金的製備方法，設計出一套新的適合製備大尺寸非晶合金材料的能控制熔體溫度的雙室噴鑄-吸鑄設備，並利用該設備製備出大尺寸非晶合金樣件。
本發明將熔體噴鑄與吸鑄技術相結合，提供了採用熔體控溫技術加雙室真空噴鑄-吸鑄技術製備大尺寸非晶合金的方法和設備，真空噴鑄-吸鑄設備原理圖如附圖1。設備主要由下列部分構成機械泵1，羅茨泵2，分子泵3，閥門4，爐蓋5，爐蓋鎖緊機構6，上爐室7，鉬片發熱體8，熱電偶9，導電銅排10，電源變壓器11，下室爐門12，下爐室13，水冷銅模14，石墨套15，輻射屏16，石墨坩堝17，拔塞杆18。
本設備的發明點是該設備由上爐室7和下爐室13兩個爐室組成，上爐室與下爐室由一層水冷板隔開，上爐室在加熱過程中保持5×10-3～5×10-4Pa負壓狀態，噴鑄時則變為1atm的正壓狀態。下爐室始終處於5×10-3～5×10-4Pa的負壓狀態。發熱體6由1層鉬片和6層反射屏組成，加熱溫度可達1600℃，並可在該溫度下保溫120小時。模具17放在發熱體內，採用石英玻璃或石墨製造，模具的外徑尺寸為10～50mm，高度為200～500mm，模具穿過水冷隔板，在水冷隔板處採用U形圈密封，模具的下部設計有直徑2～10mm的圓孔，熔煉合金時該孔用石英玻璃或石墨塞堵住，充填室利用拔塞機構18將塞拔出。水冷銅模14採用紫銅製造，結構為組合式，園形內孔直徑為2～30mm，板狀內腔尺寸為1mm×5mm×10mm～10mm×50mm×100mm，冷卻介質為5～30℃的水。
本發明的工藝方法是首先在電弧爐內將大塊非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7種元素按下列比例配料(原子百分比)Zr40～80％、Ti5～10％、Cu5～50％、Al3～20％、Be5～25％、Nb2～15％、Ta1～10％、W1～10％、Co1～10％、Ni5～50％、C1～10％、P5～20％、B1～10％、Pd5～60％，熔配過程中採用高純氬氣保護。將母合金裝入石墨坩堝17內並安放於上爐室7內，鎖緊6和12。順序開機械泵1和羅茨泵2，至1×10-2Pa真空度後再打開分子泵3，同時關閉閥門4-1，打開閥門4-3，抽上、下爐室真空至高真空度5×10-3～5×10-4Pa；開電源，按照設定程序加熱母合金，同時利用熱電偶進行測溫和控溫，至800～1000℃溫度後迅速加熱使母合金熔化並過熱100～200℃至900～1200℃，關閥門4-4，使下真空室13持續抽高真空至5×10-3～5×10-4Pa，打開閥門4-5給上真空室7充入1大氣壓的純度為99.8％的氬氣，同時利用拔塞機構提起拔塞杆18，熔體由於受到上下真空室壓差的作用，快速充型進入水冷銅模14，同時關閉電源，打開閥門4-4繼續對上下真空室抽真空；當爐溫降至80～100℃以下時，停止抽真空，打開放氣閥使空氣進入真空室，打開下真空室爐門12取出試樣。
本發明的優點在於；1、本發明將熔體噴鑄與吸鑄技術相結合，實現了熔體的高速充填和緻密成形；2、採用熔體控溫技術，能夠控制母合金的熔化、過熱溫度、過熱時間，有利於控制影響非晶形成能力的諸多因素；3、本發明使得整個工藝過程都在高真空環境下進行，採用石墨坩堝，減少了熔體的氧化和坩堝材料的汙染，因而用普通純度的材料就可以制出大塊非晶合金材料，大大降低了製造成本；4、由於真空室的增大，所以特別適合大尺寸塊體非晶合金材料的製備。


圖1是本發明的雙室真空噴鑄-吸鑄設備示意圖，其中機械泵1，羅茨泵2，分子泵3，閥門4，爐蓋5，爐蓋鎖緊機構6，上爐室7，鉬片發熱體8，熱電偶9，導電銅排10，電源變壓器11，下室爐門12，下爐室13，水冷銅模14，石墨套15，輻射屏16，石墨坩堝17，拔塞杆18。
圖2為本發明製備的各種尺寸的Zr40Ti14Ni11Cu10Be25大塊非晶合金棒材。
圖3為Zr40Ti14Ni11Cu10Be25大塊非晶合金棒材的X射線衍射圖。
圖4為Zr40Ti14Ni11Cu10Be25大塊非晶合金棒材的TEM圖象。
具體實施例方式選用高純度的5種純金屬，即Zr(99.99wt％)，Ti(99.995wt％)，Cu(99.95wt％)，Ni(99.95wt％)，Be(99.999wt％)。將原子百分比為Zr為40，Cu為10，Ni為11，Ti為5，Be為25的比例調配，在純度為99.8％的氬氣保護下，應用液態母合金的純化技術，利用電弧熔煉法而製得母合金。為了確保母合金中各組元的均勻性，母合金被重熔三次。母合金錠子的表面被機械打磨拋光去掉表面的氧化皮，然後被壓碎成小塊並用酒精清洗表面。這些母合金小塊破放入石墨坩堝中，利用如附圖1所示的裝置，按照如上所述的工作原理，製備出如附圖2所示的Zr40Ti14Ni11Cu10Be25棒材。利用X射線衍射儀檢驗，該棒材衍射譜如附圖3所示，曲線上只有一個寬大的衍射峰，而沒有明顯的與結晶相相對應的衍射峰存在，因此可以確認該棒材為非晶態合金。
利用透射電鏡(TEM)觀察樣品的微觀結構。TEM樣品用離子減薄製備，製備溫度為250K。該棒材的TEM圖象如附圖4所示，可以看到，圖象中顯示的組織幾乎完全是由單一的非晶相組成，這與X射線衍射譜結果上完全一致的。
權利要求
1.一種製備大塊非晶合金的真空噴鑄-吸鑄方法，其特徵在於首先在電弧爐內將大塊非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7種元素按下列原子百分比配料Zr40～80％、Ti5～10％、Cu5～50％、Al3～20％、Be5～25％、Nb2～15％、Ta1～10％、W1～10％、Co1～10％、Ni5～50％、C1～10％、P5～20％、B1～10％、Pd5～60％，熔配過程中採用高純氬氣保護，將母合金裝入石墨坩堝(17)內並安放於上爐室(7)內，鎖緊爐蓋鎖緊機構(6)和下室爐門(12)；順序開機械泵(1)和羅茨泵(2)，至1×10-2Pa真空度後再打開分子泵(3)，同時關閉閥門(4-1)，打開閥門(4-3)，抽上、下爐室真空至高真空度5×10-3～5×10-4Pa；開電源，按照設定程序加熱母合金，同時利用熱電偶(9)進行測溫和控溫，至800～1000℃溫度後加熱使母合金熔化並過熱100～200℃至900～1200℃，關閥門(4-4)，使下真空室(13)持續抽高真空至5×10-3～5×10-4Pa，打開閥門(4-5)給上真空室(7)充入1大氣壓的純度為99.8％的氬氣，同時利用拔塞機構提起拔塞杆(18)，熔體由於受到上下真空室壓差的作用，快速充型進入水冷銅模(14)，同時關閉電源，打開閥門(4-4)繼續對上下真空室抽真空；當爐溫降至80-100℃時，停止抽真空，打開放氣閥使空氣進入真空室，打開下真空室爐門(12)取出試樣。
2.一種按照權利要求1所述的製備大塊非晶合金真空噴鑄-吸鑄的設備，由(1)機械泵，(2)羅茨泵，(3)分子泵，(4)閥門，(5)爐蓋，(6)爐蓋鎖緊機構，(7)上爐室，(8)鉬片發熱體，(9)熱電偶，(10)導電銅排，(11)電源變壓器，(12)下室爐門，(13)下爐室，(14)水冷銅模，(15)石墨套，(16)輻射屏，(17)石墨坩堝，(18)拔塞杆組成；其特徵在於該設備由上爐室(7)和下爐室(13)兩個爐室組成，上爐室與下爐室由一層水冷板隔開，上爐室在加熱過程中保持5×10-3～5×10-4Pa負壓狀態，噴鑄時則變為1atm的正壓狀態，下爐室始終處於5×10-3～5×10-4Pa的負壓狀態，發熱體(6)由1層鉬片和6層反射屏組成；模具(17)放在發熱體內，採用石英玻璃或石墨製造，模具的外徑尺寸為10～50mm，高度為200～500mm，模具穿過水冷隔板，在水冷隔板處採用U形圈密封，模具的下部設計有直徑2～10mm的圓孔，熔煉合金時該孔用石英玻璃或石墨塞堵住，充填室利用拔塞機構(18)將塞拔出；水冷銅模(14)採用紫銅製造，結構為組合式，園形內孔直徑為2～30mm，板狀內腔尺寸為1mm×5mm×10mm～10mm×50mm×100mm。
全文摘要
本發明提供了一種新型採用控溫技術加雙室噴鑄－吸鑄設備以及利用該設備製備大塊非晶合金的方法。其設備的特徵在於該設備由上爐室(7)和下爐室(13)兩個爐室組成，上爐室與下爐室由一層水冷板隔開，發熱體(6)由1層鉬片和6層反射屏組成；模具(17)放在發熱體內，採用石英玻璃或石墨製造，模具穿過水冷隔板，在水冷隔板處採用U形圈密封，模具的下部設計有圓孔，熔煉合金時該孔用石英玻璃或石墨塞堵住，充填室利用拔塞機構(18)將塞拔出；水冷銅模(14)採用紫銅製造。本發明的優點在於將熔體噴鑄與吸鑄技術相結合，實現了熔體的高速充填和緻密成形，特別適合大尺寸大塊非晶的製備。
文檔編號B22D18/06GK1442254SQ03121418
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月28日 優先權日2003年3月28日
發明者惠希東, 寇宏超, 陳俊, 崔新發, 陳國良 申請人:北京科技大學