一种制备高比重Ｚｒ－Ｗ基大块非晶合金的方法及设备本发明专利技术提供了一种新型含钨高比重Ｚｒ－Ｗ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ａｌ－Ｂ大块非晶合金、悬浮熔炼加双室吸铸设备以及利用该制备大块非晶合金的方法及设备。合金成分配比（原子百分比）为：Ｚｒ为４０－６０，Ｃｕ为５－２５，Ｎｉ为５－２０，Ａｌ为２－１０，Ｗ为５－１５，Ｂ为２－１０。由机械泵，扩散泵，气阀，真空室，升降台，水冷铜模，上下连接密封结构，悬浮线圈，石英玻璃坩埚，塞子，拔塞机构，保护气进气放气阀，热电偶，电源，炉门，下真空室放气口组成。本发明专利技术的优点是：大块非晶合金的比重可达７．５～８．０ｇ／ｃｍ↑［３］，比传统Ｚｒ基大块非晶提高１５～２０％，采用悬浮熔炼可均匀净化熔体，采用双室吸铸提高熔体充型速度，简化模具设计和制造过程，大大降低制造成本，特别适合大尺寸大块非晶的制备。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供了一种含钨高比重Zr-W-Cu-Ni-Al-B大块非晶合金的真空吸铸制备方法及其相应设备。
技术介绍
自从1960年Duwez采用熔体急冷技术首次制备出Au-Si非晶态合金以来，非晶态合金以其独特的结构和优良的性能，强烈吸引着科学工作者们，并首先在变压器铁芯材料、触媒材料等方面获得了工业应用。然而，由于受当时的各种非晶态合金形成时所必须的快速冷却条件(＞106K/s)的限制，非晶态合金在以后相当长的一段时期内只能以粉、丝、薄带等低维形式存在，大大削弱了非晶态合金性能潜力的充分发挥，同时也限制了非晶态合金的广泛使用。直到九十年代，A.Inoue，T Zhang and T.Masumoto.Mater.Trans.，JIM，30(1989)，965和A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342通过合金成分设计，突破了高速冷却的限制，在常规铸造技术所能够达到的冷却速度条件下(101-10-2K/s)制备出了大块金属玻璃材料。块体非晶合金近十年来的发展，从根本上说主要是大块非晶合金体系的发展，迄今为止，已经发现的大块非晶合金系有Zr基、Ln基、Ti基、Cu基、Fe基、M基和Pd基等合金系，其中发现最多的是Zr基大块非晶合金系，具有代表性的合金有M.I.Petrzhik，V.V.Moloksnov，T.N.Mikhailova，Y.K.Kovneristyi，Mater.Sci.Forum，269-272(1998)，791制备的Zr40Ti10Cu50大块非晶合金；A.Inoue，D.Kawase，A.P.Tai.Mater.Sci.Eng.，A178(1994)，255制备的Zr60Al10Cu30大块非晶合金；A.Kubler，J.Eckert，A.Kirchner andSchultz.Mater.Sci.Forum，269-272(1998)，767制备的Zr65Al10Ni10Cu15大块非晶合金；C.Fan，A.Takeuchi and A.Inoue.Mater.Trans.，JIM，40(1999)，42制备的Zr60Al10Cu20Pd10大块非晶合金；A.Leonhard，L.Q.Xing，M.Heilmaier and Schultz Nanostructure Materials，10(1998)，805制备的Zr57Al10Ni8Cu20Ti5大块非晶合金；A.Peker and W.L.Johnson Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342制备的Zr40Ti14Ni11Cu10Be25大块非晶合金；A.Inoue，T.Shibataand T.Zhang.Mater.Trans.，JIM，36(1995)，1420制备的Zr60Al10Co3Ni9Cu18大块非晶合金。但是，现有的Zr基大块非晶合金的密度均在7g/cm3以下，对于有些要求高强、高韧性和高动能的场合，Zr基大块非晶合金尚有一定差距。制备工艺也是制约大块非晶合金能否成功的关键因素。当前制备大块非晶的方法主要有以下几种压力模型铸造法、雾化非晶粉末挤压法、定向凝固法、水淬法和真空吸铸法等。例如A.Inoue.Mater.Trans.，JIM，36(1995)，866利用压力模型铸造法制备出块体的Mg-Ln-TM非晶、Ln-Al-TM非晶和Zr基块体非晶合金等。这种方法的基本原理为母合金在氩气的保护下通过高频感应加热熔化，火塞在液压作用下一定的速率和压力向前移动，把金属液挤压入铜模中，依靠强水冷而形成大体积非晶。A.Inoue，Zhang Tao，US5740854提出了电弧熔炼加吸铸的方法制备块体非晶，其基本工作原理是首先利用电弧熔炼的方法熔化母合金，铜模分上下两腔，铜模下腔处于封闭的真空状态。母合金熔化后，打开上下铜模间的挡板，液态合金在真空吸力作用下被吸入下面的水冷铜模中，依靠水冷铜模的强冷作用制备块体非晶，这种设备的缺点是铜模制造复杂，既考虑样品的形状，又要考虑铜模的真空密封问题。本专利技术的目的是提出一种高比重Zr-W-Cu-Ni-Al-B大块非晶合金成分，设计出一套新的悬浮熔炼加双室吸铸设备，并利用该设备制备出含W的高比重Zr大块非晶合金棒材和板材，以用作高强、高韧和具有高动能材料。
技术实现思路
1、大块非晶合金成分的设计，合金成分的设计主要考虑了以下三个方面(1)为了获得大块非晶合金，首先以Zr-Ni-Cu-Al为基础，(2)然后着重考虑提高合金的比重，为此我们选取W作为新合金体系的主要添加元素。(3)W加入后，有可能引起合金熔点的升高和某种化合物形成能力的提高，从而降低非晶形成能力，为此根据我们提出的多元短程序畴过冷理论，通过计算，选择B作为新合金系的另一种添加元素。所以，新合金系的成分配比(原子百分比，以下同)为Zr为40-60，Cu为5-25，Ni为5-20，Al为2-10，W为5-15，B为2-10。该大块非晶合金的比重可以达到7.5～8.0g/cm3，比传统Zr基大块非晶提高15～20％，2、提供了采用悬浮熔炼加双室吸铸制备Zr-W-Ni-Cu-Al-B的方法和设备，吸铸装置原理图如附图1。设备主要由下列部分构成(1)机械泵，(2)扩散泵，(3)气阀，(4)真空室，(5)升降台，(6)水冷铜模，(7)上下连接密封结构(加水冷套)，(8)悬浮线圈，(9)石英玻璃坩埚(其上部为盛熔体，下部为导流管)，(10)塞子，(11)拔塞机构，(12)保护气进气放气阀，(13)热电偶，(14)电源，(15)炉门，(16)下真空室放气口。工作原理如下首先在电弧炉内将各种组元按预定的成分熔配，熔配过程中采用氩气保护。将母合金装入石英管内，开机械泵(1)和扩散泵(2)，打开气阀(3)-1(3)-2，抽真空至高真空度；然后，关闭(3)-1，继续抽下真空室；同时，给上真空室充保护氩气。开电源，快速熔化石英玻璃坩埚内的母合金，同时利用热电偶测温，当合金熔化后至预定温度，开动拔塞机构(11)提起塞子(10)，熔体由于受到上下真空室压差的作用，快速充型凝固，最后停止抽真空，打开下真空室放气口(16)使空气进入下真空室，打开炉门(15)，降低升降台(5)取样。本专利技术的优点在于1、该大块非晶合金的比重可以达到7.5～8.0g/cm3，特别适合制作要求具有高动能的材料；2、大块非晶合金的强度可以达到1600Mpa，大大高于晶态材料；3、本专利技术采用的悬浮熔炼方法，可以起到均匀净化的作用，因而对用普通纯度的材料就可以制出大块非晶合金，到达降低了大块非晶合金的制造成本。4、采用双真空室吸铸工艺方法，可以大大提高真空度，提高熔体的充型速度，简化了模具设计和制造过程，便于模具更换。5、由于真空室的增大，所以特别适合大尺寸大块非晶合金的制备。附图说明图1是本专利技术的悬浮熔炼加双真空室吸铸设备示意图，其中(1)机械泵，(2)扩散泵，(3)气阀，(4)真空室，(5)升降台，(6)水冷铜模，(7)上下连接密封结构(加水冷套)，(8)悬浮线圈，(9)石英玻璃坩埚(其上部为盛熔体，下部为导流管)，(10)塞子，(11)拔塞机构，(12)保护气进气放气阀，(13本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备含钨高比重Ｚｒ－Ｗ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ａｌ－Ｂ大块非晶合金的方法，其特征在于：ａ．大块非晶合金成分的设计，新大块非晶合金系的成分配比（原子百分比，以下同）为：Ｚｒ为４０－６０，Ｃｕ为５－２５，Ｎｉ为５－２０，Ａｌ为２－１０，Ｗ为５－１ ５，Ｂ为２－１０，该合金的比重为７．５～８．０ｇ／ｃｍ↑［３］；ｂ．大块非晶合金的制备方法主要是：首先在电弧炉内将各种组元按预定的成分熔配，熔配过程中采用氩气保护，将母合金装入石英管内，开机械泵（１）和扩散泵（２），打开气阀（３）－１（ ３）－２，抽真空至高真空度；然后，关闭（３）－１，继续抽下真空室；同时，给上真空室充保护氩气，开电源，快速熔化石英玻璃坩埚内的母合金，同时利用热电偶测温，当合金熔化后至预定温度，开动拔塞机构（１１）提起塞子（１０），熔体由于受到上下真空室压差的作用，快速充型凝固，最后停止抽真空，打开下真空室放气口（１６）使空气进入下真空室，打开炉门（１５），降低升降台（５）取样。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：惠希东，王艳丽，宋西平，林均品，林志，陈国良，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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