專利名稱：：一種通過控制凝固條件改善塊狀非晶合金塑性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及i央狀非晶合金制備的技術(shù)，具體為一種通過控制凝固剝牛改善塊狀非晶合金的塑性的方法。
背景技術(shù)：
：1960年美國Duwez教授等人采用熔體急冷法首先制得Au-Si系非晶態(tài)合金，四十，來，以Fe系、Ni系、Co系為代表的各類非晶態(tài)軟磁合金因其在許多方面具有比常規(guī)商用晶態(tài)合金更優(yōu)異的磁性能，已在電力、電子、信息等技術(shù)中應(yīng)用。但這類傳統(tǒng)糊一晶合金糊隔狀態(tài)需要超過106K/s的極高的臨界7轉(zhuǎn)t]速度才能形成，成品多為薄膜、條帶、細(xì)絲或粉末等低維形纟犬，其厚度或直徑一般都不超過50Mm，這就大大限制了它們?cè)趯?shí)際工程中的應(yīng)用范圍。1988年以來，以日本Inoue教授和美國Johnson教授為代表的研究組率先研制出三維尺寸都達(dá)lmm量級(jí)的La系、Mg系、Zr系、Pd系、Ti系、Fe系、Cu系等i央體非晶合金。多組元的塊體非晶合金具有極強(qiáng)的非晶(玻璃)形成能力(GFA)，其臨界冷速比傳統(tǒng)非晶合金低很多，一般都不超過l()3K/s量級(jí)。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，±央##晶合金與相同成份的晶態(tài)合金相比，具有較低的彈性模量、極高的彈性極限(2.0%)、高的屈服強(qiáng)度、高的斷裂韌性及優(yōu)良的耐蝕性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其作為結(jié)構(gòu)材料使用具有極大的前景。但是，塊狀非晶合金通常以剪切形式破壞，沒有宏觀塑性，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際應(yīng)用。此外，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該材料尺寸不同其性能不同，相同成分不同制備工藝制備的非晶性能有差異，不同人制備的相同合金成分的非晶其性能也有差異，同一啊式樣不同地方材料的性能有差異。這種性能不穩(wěn)定也是材料應(yīng)用的一大阻力。近年來，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)塑性±央狀金屬玻璃上作了大量工作，目前已在Zr、Cu、Ti基合金上發(fā)現(xiàn)具有明顯的宏觀壓縮塑性的±央狀非晶合金或其復(fù)合材料。所用方法或手段仍存在爭(zhēng)議或不具有普遍性。因此，發(fā)展一種具有一定普適性的改善士央狀非晶合金塑性的方法具有重要意義和使用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過控制凝固條件改善塊狀非晶合金塑性的方法，該方法工藝成本低且簡便易行，可以明顯改善塊狀非晶合金的塑性性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種通過控制凝固剝牛改善±央狀非晶合金塑性的方法，采用銅模澆鑄來制備i央狀非晶合金樣品，通過控制凝固條件在i央狀非晶合金基體上析出均勻、彌散分布的納米晶，其中納米晶的尺度為115nm，體積分?jǐn)?shù)為115%，從而在承受載荷過程中，誘發(fā)多重剪切帶的形成，改善i央狀非晶合金的塑性。其具體工藝參數(shù)如下真空度10—2lC)4pa，澆鑄^g在合金的液相線溫度至液相線溫度加500K(優(yōu)選為液相線溫度以上100-300K)，冷卻速度10102K/s。所制備的i央狀非晶合金力學(xué)性能指標(biāo)如下壓縮塑性應(yīng)變8p=2%40%。本發(fā)明能夠形成±央狀非晶的金屬熔體具有強(qiáng)烈的形成局±或有序結(jié)構(gòu)的傾向，且這種局域有序結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度的升高而逐漸消失。根據(jù)非經(jīng)典形核理論，在凝固過程中，這些局域有序結(jié)構(gòu)可以遺留或充當(dāng)異質(zhì)形核的核心而長大。本方法通過控制澆鑄溫度，從而使非晶樣品具有一種非晶基體上均勻、彌散分布著尺度在i15腦范圍的納米晶的mm結(jié)構(gòu)。這種mn結(jié)構(gòu)易誘發(fā)多重剪切帶的形成而使樣品具有室溫下的宏觀塑性。本發(fā)明提供的改善±央狀非晶合金塑性的方法基理是通過控制澆鑄溫度，使非晶樣品具有一種非晶基體上均勻、彌散分布著尺度在115nm范圍的納米晶的微見結(jié)構(gòu)。析出的納米晶與周圍的基體具有良好的結(jié)合，在外加載荷的作用時(shí)，能夠良好的傳導(dǎo)應(yīng)力，但是由于兩者在彈性性會(huì)讓的差異，比較容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而萌生大量的剪切帶。在剪切帶的擴(kuò)鵬程中，剪切帶與剪切帶間、剪切帶與析出的納米晶間的相互作用使其擴(kuò)展方向發(fā)生偏折、分叉或萌生大量的二次、三次剪切帶，從而將應(yīng)變分散到整個(gè)樣品上，使樣品的塑性得到明顯的改善。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用了通過控制澆鑄溫度的銅模鑄造工藝，成本低且簡便易行。2、本發(fā)明能適用大多數(shù)±央狀非晶合金體系，如Cu、Zr、Ti基等，通過本方法使樣品獲得一種非晶基體上均勻、彌散分布著尺度在115腿范圍的納米晶的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善±央狀非晶合金的塑性，進(jìn)一步{腿了±央狀非晶合金的應(yīng)用。圖la-b為不同澆注溫度下獲得的樣品的X-射線譜(圖la)和DSC曲線(圖lb)。圖2a-d為不同澆注溫度下獲得的樣品的高^i撫片。圖3為不同澆注溫度下獲得的樣品的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1選擇的合金為Cu-Zr-Al，具體成分為47.5%Cu，47.5%Zr，5%A1(原子百分比)。本發(fā)明Cu-Zr-Al母合金的冶煉方法為常規(guī)技術(shù)，本實(shí)施例母合金冶煉具體工藝參數(shù)與過程如下本實(shí)施例所用的原材料分別為Zr、Cu、Al高純金屬(純度不低于99.9wt.%);母合金錠采用電弧熔煉，首先將工作腔抽真空至l(T3104pa，然后再通入高純氬氣(純度為99.99祉％)進(jìn)行熔煉；熔煉合金之前，首先將Ti金屬錠熔化，通過氧化反應(yīng)形成氧化鈦以進(jìn)一步降低工作腔內(nèi)氧的分壓；為保證合金鑄錠的成分盡可能均勻，每個(gè)合金辯定均需^l敏婦5次；將合^f定壓碎成小塊，將一定質(zhì)量的小i央合金方iA下面帶有小孔(直徑11.5mm)的石英管內(nèi)后，將工作腔抽真空至10—3l()4pa，再進(jìn)行感應(yīng)熔煉?？刂坪辖鹑垸i度，用高純氬氣將石英管內(nèi)的合金熔體噴入正下方的銅模，獲得直徑為2mm的樣品，冷卻速度10102K/s。合金熔體的溫度分為兩個(gè)范圍液相線，至液相線溫度加500K和液相線驗(yàn)加500K以上兩個(gè)階段，以下敘述分別朋氏溫和高溫力口以區(qū)別。用X射線、差示掃描量熱分析和高分辨電鏡分析低溫和高溫樣品的結(jié)構(gòu)，可知高溫樣品(合金熔體具體溫度為1973K)為純非晶結(jié)構(gòu)，而低溫樣品(合金熔體具體溫度為1273K)的結(jié)構(gòu)為非晶基體上彌散均勻分布著納米晶，尺度為l15nm，體積百分比約為8%。室溫壓縮試驗(yàn)表明，獲得的純非晶樣品(高溫樣品)表現(xiàn)出典型的±央狀非晶合金的脆性斷裂特征，壓縮塑性應(yīng)變約為0.1%，而低溫樣品表現(xiàn)出良好的塑性變形能九壓縮塑性應(yīng)變約為12.5%。圖la-b為低溫和高溫澆注的Cu-Zr-Al合金的X-射線譜和DSC曲線。經(jīng)分析可知，兩樣品的X-射線譜和DSC曲線都具有典型的非晶結(jié)構(gòu)特征。圖2a-d為低溫和高溫澆注的Cu-Zr-Al合金的高分辨照片。由圖2a-d可知，高溫樣品(圖2a-b)為典型的純非晶，低溫樣品(圖2c-d)含有大量的納米晶。圖3為低溫和高溫澆注的Cu-Zr-Al合金的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲線。由于低溫樣品含有大量的納米晶，大大改善了±央狀非晶合金的塑性性能，由純非晶的0.1%提高到12.5%。實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于合金成分為62%Zr、15.4%Cu、12.6%Ni、10%A1(原子百分比)。銅模澆鑄具體工藝參數(shù)如下真空度10—3104Pa，冷卻速度10102K/s。低溫樣品含有的納米晶的體積百分比約為35%。高溫樣品(合金熔體具!m度為1873K)的塑性應(yīng)變約為0.5%,而低溫樣品(合金熔體具m^為1273K)的塑性應(yīng)變?yōu)?2.0%。實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于合金成分為55。/。Zr、5%Ni、10%A1、30%Cu(原子百分比)。銅模澆鑄具體工藝參數(shù)如下真空度10—sl(^Pa，冷卻速度10l(^K/s。低溫樣品含有的納米晶的體積百分比約為12%。高溫樣品(合金熔體具體溫度為1973K)的塑性應(yīng)變約為0.1%，而低溫樣品(合金烙體具體溫度為1273K)的塑性應(yīng)變?yōu)?.5%。表1為不同澆注溫度下獲得的樣品的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1中，高溫為液相線鵬加500K以上的溫度；低溫為液相線鵬至液相線皿加500K的^t。權(quán)利要求1、一種通過控制凝固條件改善塊狀非晶合金塑性的方法，其特征在于利用銅模澆鑄，通過控制凝固條件在塊狀非晶合金基體上析出均勻、彌散分布的納米晶，其中納米晶的尺度為1～15nm，體積分?jǐn)?shù)為1～15％；采用銅模澆鑄制備塊狀非晶合金樣品時(shí)，其合金熔體的溫度為液相線溫度至液相線溫度加500K之間。2、按照權(quán)利要求1戶皿的改善±央狀非晶合金的塑性的方法，其特征在于銅模繞禱具體工藝參數(shù)如下真空度10-2l()4pa，冷卻速度10102K/s。3、按照權(quán)利要求1所述的改善i央狀非晶合金的塑性的方法，其特征在于所制備的i央狀非晶合金力學(xué)性能指標(biāo)如下壓縮塑性應(yīng)變8p=2%40%。全文摘要本發(fā)明涉及塊狀非晶合金制備的技術(shù)，具體為一種通過控制凝固條件改善塊狀非晶合金的塑性的方法。該方法工藝成本低且簡便易行，可以明顯改善塊狀非晶合金的塑性性能，適合大多數(shù)非晶體系。本發(fā)明采用銅模澆鑄的方法，通過調(diào)整澆鑄溫度，使合金熔體的溫度為液相線溫度至液相線溫度加500K之間進(jìn)行澆注，在樣品中獲得分布均勻的、尺度在1～15nm范圍的納米晶，從而使塊狀非晶合金具有高的塑性。本發(fā)明開發(fā)了一種改善塊狀非晶合金塑性的新方法，拓展了塊狀非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域。文檔編號(hào)B22D27/20GK101347830SQ20071001216公開日2009年1月21日申請(qǐng)日期2007年7月18日優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日發(fā)明者張海峰,朱正旺,宏李,王愛民,胡壯麒申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所