通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法技术

本发明专利技术涉及块体非晶合金的制备技术，具体为一种通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法。该方法工艺成本低且简便易行，可以明显增强块体非晶合金的形成能力，提高材料强度，适合大多数非晶体系。本发明专利技术采用铜模浇铸的方法，通过调整模具预热温度，在模具的预热温度达到３５３至３９３Ｋ之间进行浇铸，能增强非晶形成能力，得到更大尺寸的非晶合金，同时非晶合金材料的强度得到提高，提高幅度为４％～１８％。本发明专利技术开发了一种提高块体非晶合金形成能力的新方法，确定了生产更大尺寸的块体非晶合金以及提高强度的新工艺参数，拓宽了块体非晶合金的应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及块体非晶合金的制备技术，具体为一种通过控制凝固条件提高非晶 合金形成能力和强度的方法。
技术介绍
1960年美国Duwez教授等人采用熔体急冷法首先制得Au-Si系非晶态合金， 但传统的非晶合金的制备需要超过IOf5KA的极高的冷却速度，且厚度或直径一般都不超 过50μιη，大大限制了在实际工程中的应用。1988年以来，以日本Inoue教授和美国 Johnson教授为代表的研究组率先研制出三维尺寸都达Imm以上的块体非晶合金，包括 La基、Mg基、^ 基、Pd基、Ti基、Fe基和Cu基等众多体系。这类多组元的块体非晶 合金具有很强的非晶形成能力，其临界冷速比传统非晶合金低很多，一般都不超过10 / s量级。由于具有独特的长程无序短程有序的原子排列结构，非晶合金具有一些优异的 使用性能，例如高强度、高弹性极限以及良好的耐腐蚀性能等等。但一些具有优异性 能的非晶合金体系的应用还是受到尺寸的限制，比如Ni基非晶。同时，当合金的非晶形 成能力较小时，制备出的材料性能稳定性更差，这些都制约着非晶材料的实际应用。除 了优化合金组元之外，提高非晶形成能力的另一主要途径就是工艺条件的改进，包括反 复真空熔炼以及净化熔体，改进技术例如利用磁悬浮熔炼和落管技术，改进浇铸工艺和 模具等等。显然，和其他的途径相比，通过对浇铸工艺的改进来提高非晶形成能力显得 更加简便易行。在传统铸造中，提高模具温度是提高铸件品质，改善铸件性能的一种常用的方 法。但没有把它运用到非晶合金的制备中去，因为非晶合金制备一般要求快速或亚快速 凝固，冷却时间极短，模具和铸件间的相互影响时间也极短。实际上，在极短时间快速 凝固过程中，一般在浇铸入冷模的熔体与模具之间会有极薄的气膜，它会影响熔体与模 具之间的界面传热。模具温度的提高有利于改善液体合金和模具内壁之间的润湿性，减 低接触热阻，提高热交换效率。近年来，人们在制备更大尺寸的块体非晶合金的方面取得了众多成果，但很多 都是基于合金成分的优化，通过大量的不同成分点的实验总结而来，实验消耗巨大；而 通过对传统制备方法的改进来提高非晶形成能力不仅简单易实施，而且可以被借鉴于非 晶合金未来的工业化生产。因此，发展一种具有一定普遍性的提高块体非晶合金形成能 力的方法具有重要意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过控制凝固条件改善块体非晶合金形成能力的方 法，该方法工艺成本低且简便易行，可以明显提高块体非晶合金的形成能力。同时还可 以提高非晶合金的强度，其压缩断裂强度提高4% 18%。本专利技术的技术方案是一种通过控制凝固条件提高块体非晶合金形成能力和强度的方法，采用铜模浇 铸来制备块体非晶合金样品，模具预热至353K到393K之间，通过控制凝固条件改善合 金液体在模具内壁之间的热交换和润湿性，形成无晶态相析出的均质的非晶结构。铜模 浇铸的具体工艺参数如下真空度10_2 10_4Pa，合金熔体温度为液相线温度加300K， 冷却速度1 102K/So所制备的块体非晶合金的力学性能指标如下与室温模具浇铸制备的同一成份的样品相比，压缩断裂强度提高4% 18%。本专利技术提供的改善非晶合金形成能力和强度方法的机理是本专利技术能够改善模具和合金之间的传热和润湿性。当铜模温度预热到353K到 393K之间时，在铜模内壁上气体(比如氩气等保护性气体)吸附量大幅度减少，有利于 合金熔液和内腔之间的气体层的排出，导致两者之间的接触热阻减小，热传导的效率提 高，合金液的冷却速度提高，有利于非晶形成。更高的冷却速度下制得的非晶合金中， 不存在能易诱发多重剪切带的形成和阻碍剪切带扩展的微结构，比如均勻弥散分布的纳 米晶，不易变形，因而强度更高。同时，铜模内壁上氩气的吸附量的减少和迅速排出有 利于改善非晶合金铸件的表面状态。另外，随着模具温度的提高，模具内表面的表面自 由能提高，有利于合金液体和模具之间的润湿，能快速地在模具内壁润湿和铺展。合金 熔体的充型更加地迅速和密实，铸造缺陷明显减少，这也是样品压缩断裂强度提高的原 因之一。本专利技术具有以下优点1.本专利技术采用了通过控制模具温度的铜模浇铸工艺，成本低且简便易行。2.本专利技术能适用大多数块体非晶合金体系，如^ 基、Cu基、Ti基等，通过本发 明方法可以抑制凝固过程中晶体相的生成，形成均质的非晶结构，提高了块体非晶合金 的形成能力，促进了一些非晶形成能力弱的合金体系的应用。3.本专利技术方法在提高非晶形成能力的同时，还能较明显提高材料的强度。附图说明图la b为不同模具预热温度下制备的Zr^9Al79Niia7Cu16 5样品的X射线谱(图la) 和DSC曲线(图lb)。图2为不同模具预热温度下制备的Zrw9Al79Niia7Cui65样品的扫描和透射电镜照 片。图3为不同模具预热温度下制备的Zrw9Al7 9Niia7Cui6 5样品压缩应力-应变曲线。图4为不同模具预热温度下制备的Zr^47Cu37 5Ag75Al8样品的X射线谱。具体实施方式 以下通过实施例详述本专利技术。实施例1选择的合金为Zr-Al-Ni-Cu，具体成分为64.9 % Zr，7.9 % Al, 10.7% Ni, 16.5% Cu(原子百分比)。本专利技术中Zr-Al-Ni-Cu母合金的冶炼方法为常规技术，本实施例母合金冶炼具 体工艺参数与过程如下所用的原材料分别为Zr、Al、Ni、Cu高纯金属(纯度不低于 99.9wt.% )；母合金锭采用电弧熔炼，首先将工作腔抽真空至10-2 10-4Pa，然后再通 入高纯氩气(纯度为99.99wt.%)进行熔炼；熔炼合金之前，首先将Ti金属锭熔化，通 过氧化反应形成氧化钛进一步降低工作腔内氧的分压，为保证合金铸锭的成分尽可能均 勻，每个合金锭均需要翻转熔炼3 5次；将母合金锭破碎成小块，将一定质量的母合金 放入下面带有小孔(孔径1 1.5mm)的石英管内后，将工作腔抽真空至10_2 10_4Pa， 再进行感应熔炼。控制合金熔体温度至液相线温度加300K，用高纯氩气将石英管内的合 金熔体喷入正下方的铜模，获得不同直径圆柱型样品，冷却速度1 102K/s。在进行浇 铸之前，先控制模具的温度到实验指定温度，保持10 15分钟待模具温度稳定后即可 浇铸。用X射线、差示扫描量热分析、扫描电镜和透射电镜分析不同模具温度的样品结 构，可知在模具温度低于353K和高于393K时，虽然在X射线精度范围内表征为完全非 晶，在扫描照片也无明显晶态相的衬度，但在透射电镜下能在非晶基体局部找到IOOrnn 量级的晶态相，同时相比较DSC曲线计算的晶化洽，模具温度控制在353K浇铸的样品的 晶化焓更高，显示了材料的晶态相含量极少。室温压缩试验表明，该合金成分获得的非 晶样品均表现出典型的块体非晶合金的脆性断裂特征，塑性应变很小。本专利技术方法对压 缩塑性的影响不大，但在一定程度都增强压缩强度，增强幅度从4%到18%不等。图la-b为不同模具预热温度下制备的Zr^9Al79Niia7Cu165样品的X射线谱(图 la)和DSC曲线(图lb)。可以看出制备直径为5mm的样品时，仅模具温度控制在353K 和393K制备的样品表现为完全非晶。DSC曲线具有典型的非晶结构特征，通过计算晶 化焓，模具温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法，其特征在于，利用铜模浇铸，通过控制凝固条件改善合金液体与模具内壁之间的热交换和润湿性，形成无晶态相析出的均质的非晶结构；采用铜模浇铸制备块体非晶合金样品时，其模具的预热温度保持在３５３Ｋ至３９３Ｋ之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张海峰，毛杰，付华萌，王爱民，李宏，胡壮麒，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]