一種銅鋯基非晶合金及其製備方法
2023-12-07 23:40:56 1
專利名稱：一種銅鋯基非晶合金及其製備方法
技術領域：
本發明屬於非晶合金或金屬玻璃領域，具體地說是涉及一種銅鋯基非晶合金，及其製備方法。
背景技術：
非晶合金或金屬玻璃通常是金屬合金從液態冷卻到玻璃轉變溫度以下，在形核及晶化前凝固形成的。然而受金屬合金非晶形成能力的限制，要獲得大尺寸的塊狀非晶，必須有足夠高的冷卻速度。通過將熔化的金屬或合金噴到導熱非常好的傳導基底上可獲得高的冷卻速率，但是採用這種方法只能得到薄帶或粉末。
近十多年，通過合金成分優化設計和製備技術的改進，人們突破了高速冷卻條件的限制，找到了一系列具有更強的抑制結晶能力的非晶合金，即在低的冷卻速率下，通過普通工藝方法如金屬模鑄造、水淬、遏制非均勻形核、定向凝固、粉末冶金、噴鑄成形、壓實成型等製備多種合金體系的塊狀非晶合金或金屬玻璃。與傳統的晶態合金材料相比，大塊非晶合金具有優異的力學性能、良好的加工性能、優良的化學活性和磁學性能，因而已在民用及軍事等許多領域得到應用。
在已經發現的大塊非晶合金系中，主要是以單一元素為主的多組元合金系，而有關複合基合金系的製備和研究還不多。大塊非晶合金大多具有較高的強度等優異的性能，譬如在銅基或鋯基中達到1500MPa以上，遠大於普通鋼的強度，並且很快用在高爾夫球頭面板、其它精密光學儀器部件、耐腐蝕器皿、子彈或穿甲彈彈芯上。但是大塊非晶合金最大的缺點就是沒有塑性形變，更沒有加工硬化特性。這一性能缺點大大地限制了太塊非晶合金在工程中的應用。我們希望通過恰當的合金成分設計，使抑制結晶開始所需的臨界冷卻速率進一步降低，從而獲得更大尺寸的塊狀非晶，滿足工業應用的需要。
發明內容
本發明的目的在於克服現有非晶合金的抑制結晶能力低，使用已有技術得到的非晶合金尺寸非常小的缺陷，從而提供一種具有高玻璃形成能力、抑制結晶能力強、可以在很低的冷卻速率下製得更大尺寸的、具有超高塑性和很高強度的銅鋯基非晶合金。
本發明的另一目的在於提供所述銅鋯基非晶合金的製備方法。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的本發明提供一種銅鋯基非晶合金，是以銅和鋯為主要成分，其它金屬元素作為合金元素，其組成可用如下公式表示(Cu1-xZrx)aAlbMc其中，0.40≤x≤0.60，80≤a≤100，0≤b≤14，0≤c≤20，且a+b+c＝100；金屬元素M為Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ti、Ag、Ga、Hf、Ta、Nb、Ni、Co、或Fe。
所述的銅鋯基大塊非晶合金包含不低於70％體積百分比的非晶相，該非晶相的比例是通過計算熱焓來確定的。
本發明提供一種上述銅鋯基非晶合金的製備方法，包括如下的步驟1)配料按照通式(Cu1-xZrx)aAlbMc所需要的比例將上述組分中的Cu、Zr、Al和金屬元素M配料；2)鑄錠在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中，將步驟1)中的各組分配料混合均勻，熔煉，冷卻後得到母合金鑄錠；3)吸鑄使用常規的金屬型鑄造法，將步驟2)製得的母合金鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置，將母合金的熔體吸入水冷金屬模，得到銅鋯基非晶合金(Cu1-xZrx)aAlbMc。
所述步驟1)中各元素Cu、Zr、Al和M原料的純度均不低於99.9wt％(重量百分比)。
本發明提供的上述銅鋯基大塊非晶合金具有高玻璃形成能力，其晶化溫度在660～783K，玻璃轉變溫度在629～706K，過冷液相區的寬度在30～86K。該合金具有優良的力學性能和超高塑性，其強度可達到2265MPa，同時具有加工硬化和18％塑性形變的特點。
本發明提供的銅鋯基大塊非晶合金與現有的非晶合金，其優點在於1、本發明的銅鋯基非晶合金具有優良的力學性能，在室溫具有超高的塑性形變，加工硬化以及很高的強度等性能。因此銅鋯基非晶合金具有潛在的應用前景。
2、本發明的銅鋯基大塊非晶合金具有較高的玻璃形成能力和熱穩定性，其玻璃轉變溫度在629～739K，晶化溫度在660～783K，過冷液相區的寬度在30～87K。
3、本發明形成的銅鋯基大塊非晶合金所需臨界冷卻速率低，抑制結晶能力較強，易於形成大尺寸的非晶合金，其尺寸在各個維度不小於1毫米，臨界直徑尺寸不小於1毫米。
4、本發明的銅鋯基大塊非晶合金具有高的玻璃轉變溫度和晶化溫度，對應高的熱穩定性，有利於其在更寬的溫度範圍得到應用。
5、製備本發明的銅鋯基大塊非晶合金所需的原料銅或鋯的純度為99.9wt％，可以是工業用的原材料，而且銅或鋯的礦產資源相當豐富，因而其成本與其它貴金屬基的合金相比，要低廉很多，所以發展銅鋯基大塊非晶合金非常適合於我國資源特點。
圖1是本發明實施例1製備的Cu55Zr45非晶合金的X射線衍射圖；圖2是本發明實施例1製備的Cu55Zr45大塊非晶合金的示差掃描量熱(DSC)和差熱分析(DTA)曲線圖(加熱速率為10K/min)；圖3是本發明實施例4至7製備的直徑都為8毫米(Cu0.5Zr0.5)aAl7Gd93-a(a＝92；91；90；88)銅鋯基非晶合金的X射線衍射圖；圖4是本發明實施例4至8製備的直徑都為8毫米(Cu0.5Zr0.5)aAl7Gd93-a(a＝92；91；90；88；86)銅鋯基大塊非晶合金的DSC曲線圖(加熱速率為20K/min)；圖5是本發明實施例11製備的(Cu0.5Zr0.5)90Ti10銅鋯基非晶合金的X射線衍射圖；圖6是本發明實施例11製備的(Cu0.5Zr0.5)90Ti10銅鋯基大塊非晶合金的DSC曲線圖(加熱速率為20K/min)；圖7是本發明實施例2製備的直徑為2毫米的(Cu0.5Zr0.5)95Al5和Cu50Zr50銅鋯基非晶合金在應變速率為8×10-4s-1的應力應變曲線。
具體實施例方式
實施例1、製備Cu55Zr45大塊非晶合金將原料的純度為99.9％(重量百分比)的Cu及Zr組分按摩爾量比為55∶45配好後，在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中混合均勻並熔煉，冷卻後得到Cu55Zr45二元合金的母合金鑄錠；然後使用常規的金屬型鑄造方法，將此鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置，將母合金熔體吸入水冷銅模，即可得到成分為Cu55Zr45，直徑為1毫米的塊體非晶合金。
從如圖1所示的X射線衍射(XRD)可以證明Cu55Zr45合金是完全的非晶態合金。圖2為Cu55Zr45大塊非晶合金的熱分析(DSC和DTA)圖，從圖中可以看出其玻璃化轉變溫度(Tg)，晶化開始溫度(Tx)，熔化開始溫度(Tm)以及過冷區液相的寬度(ΔT＝Tx-Tg)分別為689K，725K，1151K和36K。此外，該合金還具有較高的約化玻璃溫度(Trg)和玻璃化指數(γ)，它們分別為0.58和0.386。Trg和γ值通常可以用來判斷非晶合金的玻璃形成能力，因此可見Cu55Zr45非晶合金具有較大的玻璃形成能力。
實施例2～34、製備各種配比的銅鋯基大塊非晶合金按實施例1的方法製備各種配比的銅鋯基大塊非晶合金，其組成和熱物性參數列於表1中。
表l、本發明的銅鋯基大塊非晶合金的組成和熱物性
注1)表中符號含義如下D——本實驗條件下的臨界直徑尺寸；Tg——玻璃化轉變溫度；Tx——晶化開始溫度；Tl——熔化結束溫度；ΔT＝Tx-Tg——過冷區液相的寬度；Trg——約化玻璃溫度；γ——玻璃化指數；R——各成分樣品測量時所用的加熱速率。
2)Trg＝Tg/Tl；γ＝Tx/(Tg+Tl)。
權利要求
1.一種銅鋯基非晶合金，是以銅和鋯為主要成分，其組成用如下公式表示(Cu1-xZrx)aAlbMc其中，0.40≤x≤0.60，80≤a≤100，0≤b≤14，0≤c≤20，且a+b+c＝100；金屬元素M為Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ti、Ag、Ga、Hf、Ta、Nb、Ni、Co、或Fe。
2.一種權利要求1所述的銅鋯基非晶合金的製備方法，包括如下的步驟1)配料按照通式(Cu1-xZrx)aAlbMc所需要的比例將上述組分中的Cu、Zr、Al和金屬元素M配料；2)鑄錠在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中，將步驟1)中的各組分配料混合均勻，熔煉，冷卻後得到母合金鑄錠；3)吸鑄使用常規的金屬型鑄造法，將步驟2)製得的母合金鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置，將母合金的熔體吸入水冷金屬模，得到本發明的銅鋯基非晶合金(Cu1-xZrx)aAlbMc。
3.如權利要求2所述的銅鋯基非晶合金的製備方法，其特徵在於所述步驟1)中各元素Cu、Zr、Al和M原料的純度均不低於99.9wt％。
全文摘要
本發明涉及一種銅鋯基非晶合金，是以銅和鋯為主要成分，是以銅和鋯為主要成分，其組成用如下公式表示(Cu
文檔編號B22D37/00GK1958831SQ200510117160
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月1日 優先權日2005年11月1日
發明者湯美波, 餘鵬, 趙德乾, 潘明祥, 汪衛華 申請人:中國科學院物理研究所