新材料领域中的基于Ｆｅ－Ｂ－Ｙ团簇的Ｆｅ基块体非晶合金，特征：在Ｆｅ－Ｂ－Ｙ三元基础体系的基础上，添加２ａｔ．％的Ｎｂ和２ａｔ．％的Ｚｒ或Ｈｆ或Ｔｉ或Ｍｏ或Ｔａ，对基础三元团簇线上成分进行微合金化形成的；在五个合金体系中形成块体非晶的成分区间为［（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］］↓［０．９６］Ｎｂ↓［２］Ｍ↓［２］，其中ｘ＝１５－２６ａｔ．％；制备方法是：配料、Ｆｅ－Ｂ中间合金的熔炼、合金锭的熔炼和铜模负压吸铸，氩气压０．０６－０．０８ＭＰａ，熔炼电流密度１８０－２２０Ａ／ｃｍ↑［２］，吸铸电流密度２８０－３１０Ａ／ｃｍ↑［２］，气压差为０．０４＋０．００５ＭＰａ，得到直径为３ｍｍ的块体非晶合金。优点：得到了五种新的Ｆｅ基块体非晶合金体系；确定出了能够形成直径为３ｍｍ的块体非晶合金成分范围；在熔炼过程中，先将Ｆｅ与Ｂ熔炼成中间合金，防止了Ｂ的挥发。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到一种具有大非晶形成能力、高强度以及磁性能的Fe基Fe-B-Y-Nb-Zr、Fe-B-Y-Nb-Hf、Fe-B-Y-Nb-Ti、Fe-B-Y-Nb-Mo和Fe-B-Y-Nb-Ta体系块体非晶合金，属于新材料领域。
技术介绍
非晶态金属合金是一类具有短程有序、长程无序结构特征的金属或合金，它们具有很高的综合力学性能和独特的物理化学性能。然而由于金属或合金非晶形成能力(即形成非晶态合金的能力)的影响，制备该类材料需要较高的冷却速率，一般的临界冷却速率在105K/s。以冷速从高到低为序，常用的急冷技术有熔体雾化、薄膜沉积技术以及铜辊急冷甩带技术，材料形态常为低维材料如粉末、薄带等，其应用范围因此受到很大限制。从二十世纪九十年代初以来，以日本和美国为首，发现了一系列具有强非晶形成能力的合金成分，其中以Zr基最为易于制得，其临界冷却速率仅在1K/s量级，可以用铜模铸造和水淬等方法制备成三维块体材料，被称为块体非晶合金。块体非晶合金不仅具有较传统低维非晶合金更优异的机械和物理化学性能，同时，由于突破了尺寸束缚，它们有用作结构材料的可能。此外，由于这类材料在其过冷液相区间内可实现精密快速成型，这种良好的工艺性能进一步拓展了其应用范围。目前，美、日等国已发展出了Zr基、Ti基、Pd基、Ni基和Cu基等块体非晶合金，并将部分块体非晶合金材料实用化，取得了明显效益。由于块体非晶合金的性能通常优越于与之相对应的晶体合金，这在很大程度上促进了人们对块体非晶钢(Fe基块体非晶合金)的研究。2002年，Ponnambalam V等人利用喷注法制备出了Fe-Mn-Mo-Cr-C-B非铁磁性棒状非晶钢，它具有优越的机械性能，尤其是它的弹性模量和耐蚀性可以和目前的Naval钢相提并论。和Zr基和Cu基块体非晶合金相比，Fe基非晶的玻璃形成能力相对较弱，难以制备出具有大尺寸的块体非晶合金。目前，已报道的Fe基块体非晶合金大都含有五个或五个以上组元，而在简单三元Fe基合金体系中，除了最新研究出来的Fe-B-Y体系能够形成直径达2mm的块体非晶，已成为现有技术的典型。其余体系如Fe-Si-B非晶都是以带状形式存在。尽管Fe基非晶的玻璃形成能力弱，但它们具有良好的软磁性能，这是它们所具有的突出的优点，因此为了拓展磁性非晶合金的工业应用，就促使人们不断去寻找具有更大玻璃形成能力的磁性Fe基非晶合金体系。现有的研究表明块体非晶合金常含有多个组元，且都属于成分敏感的合金相，即化学成分是影响合金非晶形成能力的关键因素。因此，要改变现有技术就需增加组元的数目。一般的，在特定的非晶形成体系中，具有最强非晶形成能力的合金成分在相图上往往接近于点成分，如果偏离该成分，合金的非晶形成能力将大大降低，因此，制备块体非晶合金时，成分的选择和控制至关重要。由于能够形成大尺寸的Fe基块体非晶合金大都含有五个或五个以上组元，这样就存在如下不足①现有技术玻璃形成能力低，达不到直径3mm的块体非晶，而增加组元则会使得在多组元体系中成分优化选择变得十分复杂；②目前在多组元合金体系中还是主要依赖于大量实验寻找非晶形成成分，这必然存在一定的主观性和随意性；③另一方面，Fe基非晶合金中常含有轻金属B元素，B在电弧熔炼过程中易于挥发，从而难以精确控制合金成分，至今，人们对具有大玻璃形成能力的Fe基块体非晶合金体系报道较少。Fe基块体非晶合金具有优越的工程应用性能低成本、高强度和硬度、优良的磁性能和耐蚀性能、高的热稳定性，可作为结构材料和功能材料；尤其可利用其软磁性能，制成各种磁性器件应用于电力电子
，用作电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、互感器、及传感器等。因此，Fe基块体非晶合金，又称“非晶钢”，将会有很好的发展前途以及很大的实用市场。针对Fe基块体非晶合金的研究现状，本专利技术将利用特定工艺，并根据所提出的用于设计块体非晶合金成分的“团簇线判据”以及其它组元对团簇的微合金化原理来设计合金成分；发展出新的具有大玻璃形成能力的Fe基Fe-B-Y-Nb-M(在此，M的含义是分别替代Zr或Hf或Ti或Mo或Ta)块体非晶合金。
技术实现思路
本专利技术的目的是要克服已有技术存在的①多元体系中成分选择和优化复杂的困难，②依靠实验的经验式寻找块体非晶合金成分，存在主观性和随意性，③B元素在熔炼过程中难以控制挥发的不足，并根据团簇线判据开发出新的Fe基块体非晶合金，以及精确控制合金成分，特提出本专利技术的技术解决方案。实现本专利技术的构思是，先在Fe-B-Y三元基础体系中，利用与二元团簇相关的“团簇线”非晶合金成分判据(即二元团簇成分点与第三组元的连线)，确定出Fe-B-Y三元成分图中的团簇线。在Fe-B亚组元相图的富Fe处，存在阿基米德反棱柱Fe8B3和附八面体的三棱柱Fe8B2团簇结构，以及共晶点成分Fe83B17，该共晶点成分可看成是另一三棱柱团簇Fe9B胶粘一个B原子构成，即Fe9B+B＝Fe9B2(Fe82B18)。分别连接这三个成分点与第三组元Y的连线，即构成三条团簇线Fe8B3-Y，Fe8B2-Y和Fe83B17-Y。另一方面，在Fe-Y亚组元相图的富Fe处，存在二十面体团簇Fe12Y，连接Fe12Y与B构成团簇线Fe12Y-B。这些二元团簇均为二元晶体相的局域结构。Fe8B3-Y，Fe8B2-Y和Fe83B17-Y与Fe12Y-B团簇线的交点成分分别为Fe68.6B25.7Y5.7，Fe74.9B18.8Y6.3，和Fe77.6B15.9Y6.5，这三个交点成分都位于Fe12Y-B团簇线上，因此这些三元成分可以用通式(Fe12/13Y1/13)100-xBx(x＝15-26at.％)来表示。我们选取团簇线交点成分为基础成分，然后分别添加微量的Nb(2at.％)和Zr(2at.％)，Nb(2at.％)和Hf(2at.％)，Nb(2at.％)和Ti(2at.％)，Nb(2at.％)和Mo(2at.％)，Nb(2at.％)和Ta(2at.％)对基础成分进行合金化。以此得到的合金成分可表示为0.96Nb2M2，其中M代表Zr或Hf或Ti或Mo或Ta，且B含量x＝15-26at.％。采用高纯度组元元素按上述原子百分比合金成分进行配比；然后利用非自耗电弧熔炼炉对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均匀的合金锭；最后用铜模负压吸铸法，制备出直径为3mm的上述一系列成分块体非晶合金。本专利技术所提出的基于Fe-B-Y团簇的Fe基块体非晶合金，其特征在于(a)其成分是在Fe-B-Y三元基础体系的基础上，添加2at.％的第四组元Nb和2at.％的第五组元Zr或Hf或Ti或Mo或Ta对基础三元团簇线上成分进行微合金化形成的五个合金体系Fe-B-Y-Nb-Zr、Fe-B-Y-Nb-Hf、Fe-B-Y-Nb-Ti、Fe-B-Y-Nb-Mo和Fe-B-Y-Nb-Ta；(b)这五个合金体系所选取的基础三元Fe-B-Y团簇线上成分相同，表示为(Fe12/13Y1/13)100-xBx，其中，x＝15-26at.％；；(c)在这五个合金体系中形成的块体非晶合金成分区间分别为0.96Nb2Zr2，0.96Nb2Hf2，0.96Nb2Ti2，0.96Nb2Mo2和0.96Nb2本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于Ｆｅ－Ｂ－Ｙ团簇的Ｆｅ基块体非晶合金，其特征在于：（ａ）其成分是在Ｆｅ－Ｂ－Ｙ三元基础体系的基础上，添加２ａｔ．％的第四组元Ｎｂ和２ａｔ．％的第五组元Ｚｒ或Ｈｆ或Ｔｉ或Ｍｏ或Ｔａ，对基础三元团簇线上成分进行微合金化形成的五个合金 体系：Ｆｅ－Ｂ－Ｙ－Ｎｂ－Ｚｒ、Ｆｅ－Ｂ－Ｙ－Ｎｂ－Ｈｆ、Ｆｅ－Ｂ－Ｙ－Ｎｂ－Ｔｉ、Ｆｅ－Ｂ－Ｙ－Ｎｂ－Ｍｏ和Ｆｅ－Ｂ－Ｙ－Ｎｂ－Ｔａ；（ｂ）这五个合金体系所选取的基础三元Ｆｅ－Ｂ－Ｙ团簇线上成分相同，表示为（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］，其中，ｘ＝１５－２６ａｔ．％；（ｃ）在这五个合金体系中形成的块体非晶合金成分区间分别为：［（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］］↓［０．９６］Ｎｂ↓［２］Ｚｒ ↓［２］，［（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］］↓［０．９６］Ｎｂ↓［２］Ｈｆ↓［２］，［（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］］↓［０．９６］Ｎｂ↓［２］Ｔｉ↓［２］，［（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］］↓［０．９６］Ｎｂ↓［２］Ｍｏ↓［２］和［（Ｆｅ↓［１２／１３］Ｙ↓［１／１３］）↓［１００－ｘ］Ｂ↓［ｘ］］↓［０．９６］Ｎｂ↓［２］Ｔａ↓［２］，其中，Ｂ的含量均为ｘ＝１５－２６ａｔ．％，合金成分比为原子百分比；（ｄ）制备基于Ｆｅ－Ｂ－Ｙ团簇的Ｆｅ基块体非晶合金的方法，均采用同一工艺方法分步进行熔炼，包括成分配比称量、熔炼和吸铸，其工艺步骤是：第一步，备料按照设计合金成分中的原子百分比，转 换成重量百分比ｗｔ．％，称取各组元量值，待用，其中Ｂ要多加入１０％的量，用来补偿Ｂ在熔炼过程中的挥发，Ｂ的最低挥发量约为Ｂ总量的１０％；各元素Ｆｅ、Ｂ、Ｙ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ和Ｔａ金属原料的纯度要求为９９．９％以上；第二步 ，Ｆｅ－Ｂ中间合金锭的熔炼先将秤量好的金属Ｆｅ与非金属Ｂ的混合料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至１０↑［－２］Ｐａ，然后充入氩气至气压为０．０６－０．０８ＭＰａ，熔炼电流密度的控 制范围为１６０－１９０Ａ／ｃｍ↑［２］，熔化后再持续熔炼１０秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温；然后将其翻转，重新置于水冷铜...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董闯，王清，陈伟荣，吴江，羌建兵，王英敏，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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