一種銅基塊狀非晶合金的製作方法

2023-12-07 23:35:01 1

專利名稱：一種銅基塊狀非晶合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及Cu基塊狀非晶合金，特別提供了一種新型的Cu基塊狀非晶合金。
背景技術：
由於塊狀金屬玻璃具有優異的力學性能(高強度，高硬度，高耐腐蝕性等)、磁學性能及腐蝕性能，因此塊狀金屬玻璃一經發現，就成為世界材料界研究的熱點之一。相對於Zr基，Mg基等塊狀金屬玻璃，Cu基塊狀金屬玻璃的發現比較晚。1995年，美國加州理工學院率先製備出Cu基塊狀金屬玻璃，即Cu47Zr12Ti33Ni8塊狀金屬玻璃。後來，研究者發現Cu-Ti-Zr-Si-B合金和Cu-Ti-Zr-Ni-Sn合金也具有較高的塊狀金屬玻璃形成能力，但是在這些合金系中金屬Cu的含量大約只為40at％。高Cu含量的塊狀金屬玻璃是在2001年由日本東北大學Inoue小組首先報導成分為Cu60Zr30Ti10的合金具有很高的玻璃形成能力，其最大臨界澆注直徑達4mm。在此合金基礎上，研究者發現少量元素Y、元素Be、元素Sn的加入增大了Cu60Zr30Ti10合金的玻璃形成能力，最大非晶態樣品直徑達5mm。與Cu-Zr-Ti合金系類似，Cu-Hf-Ti合金系也具有較高的玻璃形成能力。另外，研究者發現Cu-Zr-Al合金系、Cu-Hf-Al合金系利用銅模鑄造的方法可以得到2～3mm的塊狀金屬玻璃。

發明內容
本發明的目的在於得到一種Cu基塊狀非晶合金，它的玻璃形成能力較原有的合金有很大提高；與傳統的銅合金相比，機械性能得到提高；與其它合金體系相比，價格低廉。
本發明提供了一種Cu基塊狀非晶合金，其特徵在於該塊狀非晶合金主要由Cu、Zr、Al、Gd四種元素組成，各元素的具體含量為40～50％原子的Zr、3～10％原子的Al、0.2～10％原子的Gd，餘量的Cu。較佳的各元素組成範圍為44.5～45.5％原子的Zr、6.5～7.5％原子的Al、1.5～2.5％原子的Gd，餘量的Cu。
本發明還提供了上述Cu基塊狀非晶合金的製備方法，其特徵在於——將表面無氧化、無油脂的純度大於99.9％的Cu、Zr、Al、Gd四種元素進行稱量混合，裝入帶有吸氧劑的電弧爐內的銅坩堝中，在高純惰性氣氛中進行反覆熔煉，獲得母合金；——將所述母合金裝入帶有噴嘴的石英管內，放入感應爐內進行感應熔煉，在高純惰性氣氛中，用壓力將熔融的母合金金屬液噴入帶有圓孔的紫銅模具中，圓孔直徑為2～10mm。
本發明Cu基塊狀非晶合金的製備方法中，所述吸氧劑最好為海綿Ti，高純惰性氣為氬氣。
本發明Cu基塊狀非晶合金的製備方法中，最好反覆熔煉4次，壓力為1±0.3MPa。
本發明Cu基塊狀非晶合金的製備方法中，應將原料表面氧化皮去掉；再放入石油醚中進行超聲清洗去除其表面油脂。
本發明採用銅模澆鑄法製備大尺寸的Cu基塊狀非晶合金，使得原有的Cu45Zr47Al7合金非晶形成能力大大提高。經X衍射和等溫差熱分析可以證實，獲得的直徑為8mm非晶棒材的衍射曲線具有典型的非晶特徵。通過差熱分析進一步獲得了該塊狀非晶的玻璃轉變點和熱穩定性參數。熱分析的溫度範圍為150～1200℃；升溫速率為20K/min。所獲得DSC曲線出現明顯的與玻璃轉變相關的吸熱現象。對所獲得直徑為2.5mm的非晶棒進行力學性能的測量，實驗條件為室溫；壓縮速率1×10-4·s-1。另外通過SEM對壓縮斷口進行分析。
性能指標為形成尺寸～8mm玻璃轉變溫度(Tg)650700K初始晶化溫度(Tx)720～800K塊狀非晶合金的熔化溫度(Tm)960～1120K塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1150～1200K屈服強度1600～1700MPa斷裂壓縮強度1800～2100MPa本發明具有以下優點1.與Zr基非晶合金相比較，價格低廉。
2.非晶形成能力高，具有較寬的過冷液相區，熱穩定性好。
3.與傳統的Cu-Be合金相比較，具有更高的壓縮斷裂強度。


圖1為不同直徑Cu46Zr45Al7Gd2塊狀非晶合金的XRD曲線；圖2為Cu46Zr45Al7Gd2塊狀非晶合金的低溫和在738K等溫的DSC曲線；圖3為Cu46Zr45Al7Gd2塊狀非晶合金的高溫DSC曲線；圖4為Cu46Zr45Al7Gd2塊狀非晶合金的壓縮曲線；圖5為Cu46Zr45Al7Gd2塊狀非晶合金壓縮試樣的宏觀斷口形貌；
圖6為Cu46Zr45Al7Gd2塊狀非晶合金壓縮試樣的微觀斷口形貌。
具體實施例方式實施例1當以2at.％Gd替換Zr元素的時候，該合金形成塊狀非晶的最大尺寸為8mm，玻璃轉變溫度(Tg)為680K，初始晶化溫度(Tx)為752K，塊狀非晶合金的熔化溫度(Tm)為980K，塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1178K，過冷液相區寬度(ΔTx＝Tx-Tg)為72K，形成能力指數(γ＝Tx/(Tg+Tl))為0.405。
實施例2當以3at.％Gd替換Zr元素的時候，該合金形成塊狀非晶的最大尺寸為6mm，玻璃轉變溫度(Tg)為640K，初始晶化溫度(Tx)為748K，塊狀非晶合金的熔化溫度(Tm)為990K，塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1176K，過冷液相區寬度(ΔTx＝Tx-Tg)為108K，形成能力指數(γ＝Tx/(Tg+Tl))為0.412。
實施例3當以5at.％Gd替換Zr元素的時候，該合金形成塊狀非晶的最大尺寸為＜6mm，玻璃轉變溫度(Tg)為646K，初始晶化溫度(Tx)為744K，塊狀非晶合金的熔化溫度(Tm)為1058K，塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1160K，過冷液相區寬度(ΔTx＝Tx-Tg)為98K，形成能力指數(γ＝Tx/(Tg+Tl))為0.412。
實施例4當以7at.％Gd替換Zr元素的時候，該合金形成塊狀非晶的最大尺寸為＜6mm，玻璃轉變溫度(Tg)為676K，初始晶化溫度(Tx)為746K，塊狀非晶合金的熔化溫度(Tm)為1056K，塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1155K，過冷液相區寬度(ΔTx＝Tx-Tg)為70K，形成能力指數(γ＝Tx/(Tg+Tl))為0.407。
相關比較例1採用銅模澆鑄法製備Cu54Ti18Zr22Ni6塊狀非晶合金[S.Y.Shin，J.H.Kim，D.M.Lee，J.K.Lee，H.J.Kim，H.G.Jeong，J.C.Bae，New Cu-based bulk metallic glasseswith high strength of 2000MPa，Mater.Sci.Forum，449-452(2004)945]。該合金形成塊狀非晶的最大尺寸為6mm，玻璃轉變溫度(Tg)為712K，初始晶化溫度(Tx)為769K，塊狀非晶合金的熔化溫度(Tm)為1240K，塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1287K，過冷液相區寬度(ΔTx＝Tx-Tg)為57K，形成能力指數(γ＝Tx/(Tg+Tl))為0.385。斷裂壓縮強度為2130MPa，總變形量3.3％。
相關比較例2採用銅模澆鑄法製備Cu50Zr45Al5塊狀非晶合金[A.Inoue，W.Zhang，Formation，thermal stability and mechanical properties of Cu-Zr-Al bulk glassy alloys，Mater.Tran.，43(2001)2921]。該合金形成塊狀非晶的最大尺寸為3mm，玻璃轉變溫度(Tg)為723K，初始晶化溫度(Tx)為797K，塊狀非晶合金的液相溫度(Tl)1166K，過冷液相區寬度(ΔTx＝Tx-Tg)為74K，形成能力指數(γ＝Tx/(Tg+Tl))為0.422。斷裂壓縮強度為2210MPa，屈服變形量0.2％。。
權利要求
1.一種Cu基塊狀非晶合金，其特徵在於該塊狀非晶合金主要由Cu、Zr、Al、Gd四種元素組成，各元素的具體含量為40～50％原子的Zr、3～10％原子的Al、0.2～10％原子的Gd，餘量的Cu。
2.按照權利要求1所述Cu基塊狀非晶合金，其特徵在於各元素組成範圍為44.5～45.5％原子的Zr、6.5～7.5％原子的Al、1.5～2.5％原子的Gd，餘量的Cu。
3.一種權利要求1所述Cu基塊狀非晶合金的製備方法，其特徵在於——將表面無氧化、無油脂的純度大於99.9％的Cu、Zr、Al、Gd四種元素進行稱量混合，裝入帶有吸氧劑的電弧爐內的銅坩堝中，在高純惰性氣氛中進行反覆熔煉，獲得母合金；——將所述母合金裝入帶有噴嘴的石英管內，放入感應爐內進行感應熔煉，在高純惰性氣氛中，用壓力將熔融的母合金金屬液噴入帶有圓孔的紫銅模具中，圓孔直徑為2～10mm。
4.按照權利要求3所述Cu基塊狀非晶合金的製備方法，其特徵在於所述吸氧劑為海綿Ti，高純惰性氣為氬氣。
5.按照權利要求3所述Cu基塊狀非晶合金的製備方法，其特徵在於反覆熔煉次數為4次，壓力為1±0.3MPa。
6.按照權利要求3所述Cu基塊狀非晶合金的製備方法，其特徵在於將原料表面氧化皮去掉；再放入石油醚中進行超聲清洗去除其表面油脂。
全文摘要
一種Cu基塊狀非晶合金，該塊狀非晶主要成分為Cu、Zr、Al和Gd四種元素。通過以Gd元素替換Cu
文檔編號C22C30/00GK1847424SQ20051004625
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月15日 優先權日2005年4月15日
發明者張海峰, 付華萌, 王愛民, 胡壯麒 申請人:中國科學院金屬研究所