一种锆基非晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料和冶金技术领域，涉及一种非晶合金材料，具体涉及一种锆基非晶合金及其制备方法。本发明专利技术通过调整锆基非晶合金中各组分的原子百分含量，以及在锆基非晶合金中加入非金属元素Y、Sc，可以降低该非晶合金的制备要求，更重要的是在保持综合性能不下降的前提下，大大降低了对原材料纯度的高要求，同时允许原材料中保留一定量的杂质元素。因此，通过适当调整非晶合金中Si、C等非金属元素的比例，不会影响锆基非晶合金的综合性能，反而可以降低工业化批量生产时原材料成本的压力。通过本发明专利技术制备方法还可以得到临界尺寸在3mm以上的大块锆基非晶合金，该锆基非晶合金不仅具有优良的力学性能，同时对原料纯度及杂质元素的含量要求较低。

A Zirconium-based Amorphous Alloy and Its Preparation Method

The invention belongs to the field of metal materials and metallurgical technology, and relates to an amorphous alloy material, in particular to a zirconium-based amorphous alloy and a preparation method thereof. By adjusting the atomic percent content of each component in zirconium-based amorphous alloy and adding non-metallic elements Y and Sc in zirconium-based amorphous alloy, the preparation requirement of the amorphous alloy can be reduced. More importantly, the high requirement for the purity of raw materials can be greatly reduced while allowing a certain amount of impurity elements to be retained in raw materials without decreasing the comprehensive properties. Therefore, by properly adjusting the proportion of Si, C and other non-metallic elements in amorphous alloys, the comprehensive properties of zirconium-based amorphous alloys will not be affected, but the pressure of raw material cost in industrial batch production can be reduced. The preparation method of the invention can also obtain a large zirconium-based amorphous alloy with critical size of more than 3 mm. The zirconium-based amorphous alloy not only has excellent mechanical properties, but also has low requirements for the purity of raw materials and the content of impurity elements.

【技术实现步骤摘要】
一种锆基非晶合金及其制备方法
本专利技术属于金属材料和冶金
，涉及一种非晶合金材料，具体涉及一种锆基非晶合金及其制备方法。
技术介绍
非晶合金材料由于具有长程无序而短程有序的特殊结构，因而具有高强度、高硬度、耐磨性、耐蚀性、较大的弹性极限和高电阻性等优越的性能，而且还表现出优良的超导性和低磁损耗等特点，因此非晶合金材料被认为是最具有潜力的新型结构材料，从而广泛应用到机械、医疗、IT电子、军工等领域。为保持非晶态结构的完整性，传统的非晶合金对原材料纯度、制备条件等因素要求较高。经过多年的研究，人们发现锆基非晶合金具有优良的非晶形成能力，通过成分的控制，可以对原材料纯度和制备条件的限制有所降低。比如原材料纯度要求在99.9％(质量比)以上。在制备过程中，需要很高的真空度环境，熔炼气氛要求达到高真空度10～4～10～3Pa，少量的氧或者别的杂质都将极大地降低合金的非晶形成能力。在常规的非晶合金制备过程中，由于降低的幅度有限，苛刻的生产过程大大增加了非晶合金制品的生产成本，使得这类锆基非晶合金依然停留在实验室里，无法批量生产，从而限制了非晶合金的广泛应用。
技术实现思路
经过本专利技术人研究发现，通过在锆基非晶合金中同时添加Y、Sc中的至少一种元素以及Si、C中的至少一种元素，并保证合金中Y、Sc以及Si、C的含量比例，不仅大大降低了合金的制备要求，同时还提高了得到的锆基非晶合金的综合性能和稳定性，本专利技术的目的在于客服现有技术的锆基非晶合金对生产条件的限制，在保持良好的力学性能的条件下，放宽对原材料纯度、熔炼真空度、熔炼气氛氧含量、冷却速度的要求，提供一种满足以上要求的锆基非晶合金及其制备方法，解决了现有技术中存在的上述问题。本专利技术提供了一种锆基非晶合金，其中，该锆基非晶合金的组成如下述通式所示：(Zr1-x-yTixHfy)a(CumNin)bAlcMdNe其中a、b、c、d、e为原子数，30≤a≤90，15≤b≤60，5≤c≤35，0.1≤d≤20，0.1≤e≤5，并且a、b、c、d、e之和为100，x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.2，0≤y≤0.05，0.2≤m/n≤5，M选自Y、Sc中的至少一种，N选自Si、C中的至少一种；以所述锆基非晶合金的总体积为基准，所述晶态相的体积分数为5～50％，非晶态相的体积分数为50～95％。本专利技术所述的锆基非晶合金，其特征还在于，所述a、b、c、d、e的原子数，其中50≤a≤75，20≤b≤55，5≤c≤20，0.1≤d≤10，0.1≤e≤2，并且a、b、c、d、e之和为100，所述x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.15，0≤y≤0.03，0.4≤m/n≤4.5；所述晶态相的体积分数为10～25％，非晶态相的体积分数为75～90％。本专利技术还提供了该锆基非晶合金的制备方法，该方法包括在惰性气体保护下或真空条件下，将锆基非晶合金原材料进行熔炼并冷却成型，其中，所述非晶合金的原材料包括Zr、Ti、Hf、Cu、Ni、Al、M、N，各物质的加入量使所得的合金的组成为：(Zr1-x-yTixHfy)a(CumNin)bAlcMdNe。本专利技术所述锆基非晶合金的制备方法，其特征还在于，所述惰性气体为氦、氖、氩、氪、氙、氡气体中的一种或几种，气体的纯度不低于体积百分比的94％；所述真空条件为1000Pa以下，以绝对压力表示；所述熔炼温度为1000～3000℃；所述熔炼时间为0.5～10分钟。优选的，所述真空条件小于100Pa；所述熔炼温度为1200～2700℃；所述熔炼时间为2～5分钟。更优选的，所述真空条件为0.1～50Pa。本专利技术锆基非晶合金，通过调整锆基非晶合金中各组分的原子百分含量，以及在锆基非晶合金中加入非金属元素Y、Sc，可以降低该非晶合金的制备要求，更重要的是在保持综合性能不下降的前提下，大大降低了对原材料纯度的高要求，同时允许原材料中保留一定量的杂质元素。因此，通过适当调整非晶合金中Si、C等非金属元素的比例，不但不会影响锆基非晶合金的综合性能，反而可以降低工业化批量生产时原材料成本的压力，推动非晶合金量产的步伐。通过本专利技术制备方法还可以得到临界尺寸在3mm以上的大块锆基非晶合金，该锆基非晶合金不仅具有优良的力学性能，同时对原料纯度及杂质元素的含量要求较低，允许有小于或等于5％(原子百分比)的金属杂质元素，以及小于或等于1％(原子百分比)的非金属杂质元素存在。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种锆基非晶合金，其中，该锆基非晶合金的组成如下述通式所示：(Zr1-x-yTixHfy)a(CumNin)bAlcMdNe其中a、b、c、d、e为原子数，30≤a≤90，15≤b≤60，5≤c≤35，0.1≤d≤20，0.1≤e≤5，并且a、b、c、d、e之和为100，x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.2，0≤y≤0.05，0.2≤m/n≤5，M选自Y、Sc中的至少一种，N选自Si、C中的至少一种。以所述锆基非晶合金的总体积为基准，所述晶态相的体积分数为5～50％，非晶态相的体积分数为50～95％。优选情况下，所述a、b、c、d、e的原子数，其中50≤a≤75，20≤b≤55，5≤c≤20，0.1≤d≤10，0.1≤e≤2，并且a、b、c、d、e之和为100，所述x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.15，0≤y≤0.03，0.4≤m/n≤4.5；所述晶态相的体积分数为10～25％，非晶态相的体积分数为75～90％。由于工业化生产一般采用价格更为低廉的中间合金作为原料，因而会使得到的锆基非晶合金中含有一些金属元素杂质，如Mg、Ca、Co等，以及一些非金属元素，如C、O、N、B、P等，但是对于本专利技术来说，一定量的杂质金属元素的存在并不会影响本专利技术所得到的的锆基非晶合金的性能，如：以所属的锆基非晶合金的总量为基准，所述锆基非晶合金可以含有原子百分比小于或等于5％的金属杂质元素的，原子百分比小于或等于1％的非金属杂质元素，当杂质含量在本专利技术上述范围内时，对本专利技术提供的锆基非晶合金的熔炼及制备没有影响。本专利技术当M选自Y、Sc中的至少一种，N选自Si、C中的至少一种时。锆基非晶合金的综合性能更加优异。用于制备本专利技术所述的锆基非晶合金的各种原料的纯度只要满足常规的要求即可优选为质量百分比98％以上。本专利技术锆基非晶合金的制备方法，可以通过控制所述的锆基非晶合金的组成并按照本领域常规的方法控制冷却成型的条件得以实现调整所述锆基非晶合金中晶态相和非晶态相的不同比例。所述冷却成型的条件包括冷却速度、压力、模具材质以及模具导热系数等。其中，冷却速度时锆基非晶合金中晶态相和非晶态相比例控制的关键因素之一，而压力、模具材质以及模具导热系数等条件的选择范围较宽，其配合选择子要保证能够得到合适的冷却速度即可满足所述的冷却成型条件。在公知的铸造成型方式中，晶态相的体积分数通常与冷却速度呈反比例刚洗。按照本专利技术，所述冷却速度可以在常规条件范围内选择，如10K/s以上，优选为10-104K/s。本专利技术锆基非晶合金的制备方法，所述的惰性气体为氦、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锆基非晶合金，其中，该锆基非晶合金的组成如下述通式所示：(Zr1‑x‑yTixHfy)a(CumNin)bAlcMdNe其中a、b、c、d、e为原子数，30≤a≤90，15≤b≤60，5≤c≤35，0.1≤d≤20，0.1≤e≤5，并且a、b、c、d、e之和为100，x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.2，0≤y≤0.05，0.2≤m/n≤5，M选自Y、Sc中的至少一种，N选自Si、C中的至少一种；以所述锆基非晶合金的总体积为基准，所述晶态相的体积分数为5～50％，非晶态相的体积分数为50～95％。

【技术特征摘要】
1.一种锆基非晶合金，其中，该锆基非晶合金的组成如下述通式所示：(Zr1-x-yTixHfy)a(CumNin)bAlcMdNe其中a、b、c、d、e为原子数，30≤a≤90，15≤b≤60，5≤c≤35，0.1≤d≤20，0.1≤e≤5，并且a、b、c、d、e之和为100，x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.2，0≤y≤0.05，0.2≤m/n≤5，M选自Y、Sc中的至少一种，N选自Si、C中的至少一种；以所述锆基非晶合金的总体积为基准，所述晶态相的体积分数为5～50％，非晶态相的体积分数为50～95％。2.根据权利要求1所述的锆基非晶合金，其特征在于，所述a、b、c、d、e的原子数，其中50≤a≤75，20≤b≤55，5≤c≤20，0.1≤d≤10，0.1≤e≤2，并且a、b、c、d、e之和为100，所述x，y，m，n分别表示Ti、Hf、Cu、Ni的原子分数，0≤x≤0.15，0≤y≤0.03，0.4≤m/n≤4.5；所述晶态相的体...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕淑敏，
申请(专利权)人：青岛海大智汇科技管理咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37