Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃及其製備方法
2023-05-05 13:23:11
專利名稱：Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃及其製備方法
技術領域：
本發明涉及塊體金屬玻璃領域，特別是涉及一種以稀土為基體的塊體金屬玻璃材料及其製備方法。
背景技術：
通常情況下，固態金屬及其合金都以結晶狀態存在。1960年Duwez發現，在快速冷卻的條件下，AuSi系液態合金在凝固過程中形成非晶態，引起材料科學界的高度重視。在 20世紀80年代末製備出三維尺寸都大於Imm的塊體金屬玻璃是非晶合金髮展中的一個重要裡程碑。與傳統的利用快淬甩帶法製備的非晶薄帶不同，塊體金屬玻璃主要是通過合金的成分設計，而不是依靠快速冷卻的工藝獲得的。目前，在常規的鑄造技術所能夠達到的冷卻速度條件下，已有幾十餘種合金體系可以製備出塊體金屬玻璃。近幾年的研究結果表明， 稀土基塊體金屬玻璃，例如Gd6tlCo26Al 14，Ho30Y26Al24Co20，Er50Al24Co20 Y6等，具有大的磁熵變和相對製冷量，非常適合作為磁致冷工質使用。然而，有限的非晶形成能力和較低的熱穩定性成為稀土基塊體金屬玻璃在工程應用上巨大阻礙。因此，要進一步推動稀土基塊體金屬玻璃在磁製冷領域的應用，還必須繼續提高合金的非晶形成能力及其熱穩定性，製備出更大尺寸的非晶合金。此外，塊體金屬玻璃的研究為材料科學與凝聚態物理中若干重大科學問題也提供了新的機遇。已有的研究結果表明，採用水冷銅模吸鑄的方法，可以將成分為Gd52.5Co18.5Alffl的合金形成最大圓柱體直徑為3mm的塊體金屬玻璃，並且該合金還具有大的磁熵變和相對製冷量。因此，在該合金體系中探尋出一種方法製備出具有更好非晶形成能力的Gd-Co-Al金屬玻璃具有非常重要的意義。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，採用合金化的方法，通過在Gd-Co-Al塊體金屬玻璃成分的基礎上採用鐿替代部分鋁的方法，提供一種具有更好非晶形成能力和熱穩定性的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃及其製備方法，使其更適合作為磁致冷工質使用。本發明是通過以下技術方案來實現的，具體為
本發明所述的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃其組成及原子百分數為GdaCobAl。Yd，其中 51. O 彡 a 彡 53. 2,17. O ^ b ^ 18. 5,25. O 彡 c 彡 29. O、1. O 彡 d 彡 4. 0，且 a+b+c+d=100。本發明所述的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，其組分及其原子百分數最好為 Gd51.7Co18.2Α126· 6Υ3. 5。本發明所述的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，其組分及其原子百分數還可以為 Gd53. 2^017. ΙΑ128. 7Υ1· 0ο本發明所述的Gd-Co-Al-Y大塊金屬玻璃，其最大直徑為8毫米，最大過冷液相區寬度為77Κ。本發明所述的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃的製備方法，其包含以下步驟(1)按Gd51.^2Co17.^5Al25.^tlY1.「』化學式稱料；其中釓、鈷、鋁、鐿原材料的純度在 99.5% (質量百分比)以上；
(2)將按步驟(1)配製好的原料放入非自耗真空電弧爐中，抽真空至3X10—5乇以上；用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在1大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次，熔煉溫度以原料熔化為止；
(3)將按步驟(2)熔煉好的母合金放入真空電弧爐吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成圓柱狀樣品。本發明的優點在於本發明所提供的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，可以形成直徑為 4mm以上的單一的非晶結構，其最大臨界直徑可以達到8mm，其遠大於Gd-Co-Al金屬玻璃形成的非晶結構的直徑。並且發明所提供的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃具有較高的熱穩定性， 過冷液相區寬度最大可以達到77K，其相比Gd-Co-Al金屬玻璃具有更高的熱穩定性。另外本發明提供的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃的製備方法，具有製備工藝簡單、材料顯微組織結構為單一非晶結構等優點。
圖1 是本發明實施例 1、2、3、4 製備的 GcU2C0iUAI28^Yh Gd51.5C0l8.QAl28.5Y2.Q、 Gd51.7Co18.2Α126· 6Υ3.5、Gd52 5匚〇18· 5ΑΙ25· C1Y4-O塊體金屬玻璃的X射線衍射譜；
圖 2 是本發明實施例 1、2、3、4 製備的 GcU2C0iUAI28^Yh Gd5L5Co18.0Al28.5Y2.0, Gd51.7Co18.2Α126· 6Υ3.5、Gd52 5匚〇18· 5ΑΙ25· ο Y4.0塊體金屬玻璃的示差熱分析曲線。
具體實施例方式實施例1 :6(153.2&)17.4128. Ju塊體金屬玻璃的製備與熱穩定性
將純度大於99. 5%(重量百分比)的釓、鈷、鋁、鐿原料按GCU2CO1UAI28. Ju化學式稱料，將配製好的原料放入鈦吸附的氬氣氛非自耗真空電弧爐中，利用機械泵和擴散泵兩級真空裝置抽真空至3X 10_5乇以上；利用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在一個標準大氣壓或略高於1標準大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次製成母合金；將按上述步驟熔煉好的母合金放入真空電弧爐水冷吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成直徑為4毫米的柱狀樣品。X射線衍射分析表明合金的衍射譜中未發現任何晶體衍射峰，說明合金由非晶相組成。示差掃描熱分析表明合金的玻璃化轉變溫度(Tg)是598開爾文，合金的初始晶化溫度(Tx)為666開爾文，合金的過冷液相區寬度(Δ T= Tx-Tg)為77開爾文。實施例2 =Gc^5C0mciAl28. J2^塊體金屬玻璃的製備與熱穩定性
將純度大於99. 5%(重量百分比)的釓、鈷、鋁、鐿原料按Gc^5C0mciAl28. Α』化學式稱料，將配製好的原料放入鈦吸附的氬氣氛非自耗真空電弧爐中，利用機械泵和擴散泵兩級真空裝置抽真空至3X 10_5乇以上；利用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在一個標準大氣壓或略高於1標準大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次製成母合金；將按上述步驟熔煉好的母合金放入真空電弧爐水冷吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成直徑為4毫米的柱狀樣品。X射線衍射分析表明合金的衍射譜中未發現任何晶體衍射峰，說明合金由非晶相組成。示差掃描熱分析表明合金的玻璃化轉變溫度(Tg)是615開爾文，合金的初始晶化溫度(Tx)為676開爾文，合金的過冷液相區寬度(Δ T= Tx-Tg)為61開爾文。
實施例3 :Gd51.7Co18.2A126.6Y3.5塊體金屬玻璃的製備與熱穩定性
將純度大於99. 5%(重量百分比)的釓、鈷、鋁、鐿原料按Gd51.5Co18Al28.5Y3.5化學式稱料， 將配製好的原料放入鈦吸附的氬氣氛非自耗真空電弧爐中，利用機械泵和擴散泵兩級真空裝置抽真空至3X 10_5乇以上；利用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在一個標準大氣壓或略高於1標準大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次製成母合金；將按上述步驟熔煉好的母合金放入真空電弧爐水冷吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成直徑為8毫米的柱狀樣品。X射線衍射分析表明合金的衍射譜中未發現任何晶體衍射峰，說明合金由非晶相組成。示差掃描熱分析表明合金的玻璃化轉變溫度(Tg)是593開爾文，合金的初始晶化溫度 (Tx)為663開爾文，合金的過冷液相區寬度(Δ T= Tx-Tg)為70開爾文。實施例4 Gd^Co^Al^Yu塊體金屬玻璃的製備與熱穩定性
將純度大於99. 5%(重量百分比)的釓、鈷、鋁、鐿原料按Gd52. Wom5Al2MY4.^化學式稱料，將配製好的原料放入鈦吸附的氬氣氛非自耗真空電弧爐中，利用機械泵和擴散泵兩級真空裝置抽真空至3X 10_5乇以上；利用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在一個標準大氣壓或略高於1標準大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次製成母合金；將按上述步驟熔煉好的母合金放入真空電弧爐水冷吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成直徑為3毫米的柱狀樣品。X射線衍射分析表明合金的衍射譜中未發現任何晶體衍射峰，說明合金由非晶相組成。示差掃描熱分析表明合金的玻璃化轉變溫度(Tg)是599開爾文，合金的初始晶化溫度(Tx)為653開爾文，合金的過冷液相區寬度(Δ T= Tx-Tg)為M開爾文。實施例5 10 =Gd53.0Co17.0A129. J1.0、Gd52.5Co18.5A127. J1.5、Gd52.5Co18.5A126.5Y2.5、 Gd52. 7^017. 0-^-128. 3^2. 0 ^d52 2匚〇18. 5Α_126. 3Υ3. 0 、Gd51 0Coi8_ O-A-128. 0 Y3.0塊體金屬玻璃的製備與熱穩定性
將純度大於99. 5% (重量百分比)的釓、鈷、鋁、鐿原料分別按Gd53.0Co17. /I29.0YL。、 Gd52. 5COi8. 5·Α127· 5Y1· 5、Gd52 5CO18· 26. 5^2. 5 、Gd52. 7Coi7_ O-A-I 28. 3 Y2- O Gd52 2CO18· 26. 3Υ3· 0 、
Gd5UCo18./I28-J3. ^化學式稱料，將配製好的原料放入鈦吸附的氬氣氛非自耗真空電弧爐中，利用機械泵和擴散泵兩級真空裝置抽真空至3X 10_5乇以上；利用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在一個標準大氣壓或略高於1標準大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次製成母合金；將按上述步驟熔煉好的母合金放入真空電弧爐水冷吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成柱狀樣品。X射線衍射分析表明合金的衍射譜中未發現任何晶體衍射峰，說明合金由非晶相組成。其柱狀樣品的直徑以及通過示差掃描熱分析表明合金的玻璃化轉變溫度(Tg)，合金的初始晶化溫度(Tx)，合金的過冷液相區寬度(ΔΤ= Tx-Tg)如表1。表1: Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃的熱物性參數
權利要求
1.一種Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，其特徵在於其組成及原子百分數為GdaCobAl。Yd，其中 51. O ≤a ≤53. 2,17. O ≤b ≤18. 5,25. O ≤c ≤29. O、1. O ≤d ≤4. 0，且 a+b+c+d=100。
2.根據根據權利要求1所述的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，其特徵在於組分及其原子百分數為Gd51.7Co18.2Al26.6Y3.5。
3.根據根據權利要求1所述的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，其特徵在於組分及其原子百分數為 Kd^ComAliA.。。
4.根據根據權利要求1所述的Gd-Co-Al-Y大塊金屬玻璃，其特徵在於塊體金屬玻璃最大直徑為8毫米，最大過冷液相區寬度為77K。
5.根據權利要求1所述Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃的製備方法，其特徵是包含以下步驟(1)按Gd51.^2Co17.^5Al25.^tlY1.「』化學式稱料；其中釓、鈷、鋁、鐿原材料的純度在 99.5% (質量百分比)以上；(2)將按步驟(1)配製好的原料放入非自耗真空電弧爐中，抽真空至3X10—5乇以上；用高純氬氣清洗方法清洗廣2次後，在1大氣壓的高純氬氣保護下反覆翻轉熔煉4飛次，熔煉溫度以原料熔化為止；(3)將按步驟(2)熔煉好的母合金放入真空電弧爐吸鑄銅坩堝內，將合金熔化後吸鑄成圓柱狀樣品。
全文摘要
本發明涉及一種Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃及其製備方法。該合金以釓為主要組元，其組成可用公式表示為GdaCobAlcYd，其中51.0≤a≤53.2、17.0≤b≤18.5、25.0≤c≤29.0、1.0≤d≤4.0，且a+b+c+d=100。該合金是將純度均不低於99.5%(質量百分比)的Gd、Co、Al、Y按規定原子百分比配料，在鈦吸附的氬氣氛電弧熔中將合金反覆熔化至成分均勻，獲得母合金鑄錠，然後採用水冷銅模吸鑄法獲得最大直徑為8毫米的塊體金屬玻璃。本發明提供的Gd-Co-Al-Y塊體金屬玻璃，具有很高的非晶形成能力和熱穩定性，在磁致冷功能材料及結構材料方面有廣闊的應用前景。
文檔編號C22C1/02GK102304678SQ201110295609
公開日2012年1月4日 申請日期2011年10月8日 優先權日2011年10月8日
發明者付浩, 王明軒, 祖小濤, 鄭強 申請人:電子科技大學