CN107287535A - 一种大塑性高强度锆基块体非晶合金及制备方法 - Google Patents

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寇生中
赵燕春
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Abstract

一种大塑性高强度锆基块体非晶合金及制备方法，以普通的金属锆、铜、镍、铝及微量稀土元素铒组成，其组成形式为（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1‑xErx，其中0≤x≤10%；该锆基块体非晶合金按照原子摩尔比例配料，经熔炼、吸铸而制得；该锆基块体非晶合金中稀土元素铒具有增强增韧的作用。本发明的锆基块体非晶合金具有优良的塑性变形能力，同时通过优异的加工硬化能力达到很高的强度。此外，本发明的锆基块体非晶合金还具有强的非晶形成能力及热稳定性，具有低的玻璃转变温度，有利于在较低的温度下进行成形。因此，该锆基块体非晶合金具有潜在的应用价值。

Description

一种大塑性高强度锆基块体非晶合金及制备方法
技术领域
本发明涉及非晶态合金材料领域，以常见金属锆、铜、镍、铝为主要组元，通过添加和调整微量稀土元素铒的含量得到具有大塑性和高强度的锆基块体非晶合金。
背景技术
非晶合金是在大的冷却速率下，越过结晶过程，在玻璃化转变温度下凝固形成所谓的非晶态合金。相比较于晶态合金，非晶态合金具备晶态合金没有的性能或达不到要求的某些性能，其强度远远高于晶态合金，但就是因为非晶合金具有非常高的强度，几乎接近于理论强度，所以它的塑性就相对较低，会发生无征兆的脆性断裂，如果将这种材料应用到实践中就会容易引发灾难。作为一种正在兴起的且非常有前景的结构材料，就是因为其塑性太差严重制约着它们的广泛应用，因此，如何增加非晶合金的塑性已成为这个领域多年来研究的重点。
在最近几十年的探索中，围绕如何提高非晶合金的塑性，许多科研人员提出了很多方法，比如制备复合材料，添加增韧性元素等。通过制备复合材料的方法可以适当地提高塑性，但同时也降低了非晶合金的强度，该方法的工艺复杂且不易控制，有时还受多种条件的限制，不是理想的增韧方式。
前期研究工作表明，添加增韧性元素来提高非晶合金塑韧性的方法简单且效果明显，尤其是稀土元素的添加，不仅可以增加韧性，也可以增加强度，是一种理想的增韧方式。因此，可以在合金体系中添加稀土元素铒，以成分设计的方式获得具有大塑性、高强度的块体非晶合金。本发明中主要元素都是价格便宜的常见金属，因此具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既保持良好的非晶形成能力和热稳定性，又改进其力学性能，尤其能够增强增韧的锆基块体非晶合金。
本发明的另一个目的就是提供一种获得上述锆基块体非晶合金的制备方法。
本发明是一种大塑性高强度锆基块体非晶合金，其组分为（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx，其中0≤x≤10%。
以上所述的大塑性高强度锆基块体非晶合金的制备方法，其步骤为：
（1）配料：按照组成公式所需要的原子摩尔比例配料，所述的组成公式：（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx，其中0≤x≤10%，称取各组分；
（2）熔炼：将步骤（1）称得的所需原料放入真空高频电磁感应加热炉中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa， 进行母合金的熔炼，反复熔炼3～5次，使各组分混合均匀，经冷却后得到母合金锭；
（3）吸铸：采用铜模吸铸法制备非晶材料试样：将步骤2)制备的（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx母合金放入磁悬浮熔炼水冷坩埚中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa，将母合金重熔，在感应电压7~10kV 下熔炼1~5min 后，将感应电压降至5~8kV下通过负压铜模吸铸法将合金液吸铸成棒材。
本发明提供的锆基块体非晶合金与现有的块体非晶合金相比，其优点在于：具有优良的的塑性变形能力，同时通过强烈的加工硬化现象达到了很高的强度，其室温压缩塑性应变为10%~50%，压缩屈服强度为1400~1700MPa，抗压强度为1500~3000MPa，断裂强度为1400~3000MPa；具有强的非晶形成能力及热稳定性，过冷液相区宽度∆T=80～100℃；具有低的玻璃转变温度（Tg=360～400℃），有利于在较低的温度下进行成形。本发明提供了一种新的结构材料，在结构材料领域具有广阔的应用前景。此外，本发明提供的制备方法工艺简单，易于实现批量生产。
附图说明
图1为所获得的锆基块体非晶合金的铸态XRD图，图2为所获得锆基块体非晶合金的室温应力-应变曲线，图3为所获得锆基块体非晶合金的差示扫描量热（DSC）)曲线图，升温速率为20K/min。
具体实施方式
本发明是一种大塑性高强度锆基块体非晶合金，其组分为（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx，其中0≤x≤10%。
以上所述的大塑性高强度锆基块体非晶合金的制备方法，其步骤为：
（1）配料：按照组成公式所需要的原子摩尔比例配料，所述的组成公式：（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx，其中0≤x≤10%，称取各组分；
（2）熔炼：将步骤（1）称得的所需原料放入真空高频电磁感应加热炉中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa， 进行母合金的熔炼，反复熔炼3～5次，使各组分混合均匀，经冷却后得到母合金锭；
（3）吸铸：采用铜模吸铸法制备非晶材料试样：将步骤（2）制备的（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx母合金放入磁悬浮熔炼水冷坩埚中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa，将母合金重熔，在感应电压7~10kV 下熔炼1~5min 后，将感应电压降至5~8kV下通过负压铜模吸铸法将合金液吸铸成棒材。
以上所述步骤（1）中的稀土元素Er的纯度不低于99.99wt%，Zr、Cu、Ni、Al的纯度均不低于99.9wt%。
实施例1：制备（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）97.8Er2.2块体非晶合金：
（1）配料：选用纯度大于99.9%的Zr、Cu、Ni、Al和纯度大于99.99% 的稀土元素Er，按照组成公式所需要的原子摩尔比例配料，称取各组分；
（2）熔炼：将步骤（1）称得的所需原料放入真空高频电磁感应加热炉中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa 进行熔炼，母合金锭反复熔炼3～5次，使各组分混合均匀，经冷却后得到母合金锭；
（3）吸铸：采用铜模吸铸法制备非晶合金试样：将步骤2)制备的（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）97.8Er2.2母合金放入磁悬浮熔炼水冷坩埚中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa，将母合金重熔，在感应电压7~10kV下熔炼1~5min 后，将感应电压降至5~8kV 下通过负压铜模吸铸法将合金液吸铸成棒材。
如图1所示的各种Er含量合金的X射线衍射（XRD）图谱可以证明所制备的不同Er含量的合金均为完全非晶态合金。
如图2所示为各种Er含量锆基块体非晶合金的室温压缩应力-应变曲线，如表1所示为本发明的各种Er含量锆基块体非晶合金的力学性能参数。由图2结合表1可以得出：稀土元素Er的添加可以明显的增加锆基非晶合金的塑性及强度；当稀土元素Er含量增加到x=2.2时，其压缩屈服强度为1532MPa，抗压强度和断裂强度为2130MPa，塑性应变为25.54%，约是不加稀土元素Er的锆基块体非晶合金的6倍，同时在发生塑性变形阶段表现出了明显的锯齿流变行为和强烈的加工硬化现象，表现出了较优异的力学性能。
表1 本发明的各种Er含量合金的力学性能参数：
图3所示各种Er含量锆基块体非晶合金的热分析（DSC）图，表2所示为本发明的各种Er含量锆基块体非晶合金的热物性参数，由图3结合表2可以看出，该锆基块体非晶合金的玻璃转变温度Tg=389℃，相比于其他锆基块体非晶合金而言，该锆基块体非晶合金具有较低的玻璃转变温度；∆T=Tx-Tg=85℃，具有良好的热稳定性。
表2 本发明的各种Er含量锆基块体非晶合金的热物性参数：
实施例2：制备（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）97.4Er2.6块体非晶合金：
其制备方法与实施例1一样，其压缩应力-应变曲线如图2所示，结合表1可以看出：当稀土元素Er含量增加到x=2.6时，其压缩屈服强度为1495MPa，抗压强度和断裂强度为2538MPa，塑性应变为34.87%，约是不加稀土元素Er的锆基块体非晶合金8倍，同样在发生塑性变形阶段表现出了明显的锯齿流变行为和强烈的加工硬化现象，在室温下具有优异的综合力学性能。
如图3和表2所示，该锆基块体非晶合金的玻璃转变温度Tg=389℃，该锆基块体非晶合金具有较低的玻璃转变温度；∆T=82℃，具有良好的热稳定性。
本发明提供的锆基块体非晶合金具有优异的室温力学性能、优良的非晶形成能力和热稳定性，具有潜在的应用价值。

Claims (3)

1.一种大塑性高强度锆基块体非晶合金，其特征是：其组分为（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx，其中0≤x≤10%。
2.权利要求1所述的大塑性高强度锆基块体非晶合金的制备方法，其特征在于，其步骤为：
（1）配料：按照组成公式所需要的原子摩尔比例配料，所述的组成公式：（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx，其中0≤x≤10%，称取各组分；
（2）熔炼：将步骤（1）称得的所需原料放入真空高频电磁感应加热炉中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa， 进行母合金的熔炼，反复熔炼3～5次，使各组分混合均匀，经冷却后得到母合金锭；
（3）吸铸：采用铜模吸铸法制备非晶材料试样：将步骤2)制备的（Zr63.36Cu14.52Ni10.12Al12）1-xErx母合金放入磁悬浮熔炼水冷坩埚中，调节真空磁悬浮熔炼炉的真空度至1×10-3～5×10-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至1×10-4～8×10-4Pa，将母合金重熔，在感应电压7~10kV 下熔炼1~5min 后，将感应电压降至5~8kV下通过负压铜模吸铸法将合金液吸铸成棒材。
3.根据权利要求2所述的大塑性高强度锆基块体非晶合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的稀土元素Er的纯度不低于99.99wt%，Zr、Cu、Ni、Al的纯度均不低于99.9wt%。
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