專利名稱：鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金的制備方法
技術領域：
發(fā)明涉及的是一種高強度非晶合金材料的制備方法。
背景技術：
最近幾十年以來，人們對鎂基非晶合金進行了較系統(tǒng)深入的研究。發(fā)現(xiàn)鎂基非晶 合金的強度可達一般晶態(tài)合金的2至3倍，比強度大幅提高，原本難以解決的耐蝕性問題也 得到了改善，被認為是一種極具潛力的新型輕質高比強度的結構材料。鎂鋰合金作為一種 超輕合金具有多種與鎂基合金相同的優(yōu)異性能及重要的應用價值，但對其非晶態(tài)合金的研 究涉及較少。因此，對鎂鋰基非晶合金的研究必將成為材料領域研究的重要課題之一。傳 統(tǒng)非晶制備過程中于成分設計及實施措施不當造成鎂或鋰燒失嚴重，同時極易引入雜質元 素，使得所制非晶合金成分與原來設計偏差較大，純度較低，各方面性能較差。雖然專利申請?zhí)枮?00810064803. 8，名稱為“一種鎂鋰基Mg-Li-Al-Cu-Zn系大塊 非晶合金及其制備方法”的專利文件等文獻中，提出了一些關于鎂鋰基大塊非晶合金的制 備方法。但是，尋找一種成分設計合理以及簡便易行的快速凝固技術并降低制備過程中較 高的溫度從而有效減少鎂鋰的燒失，提高非晶合金純度，制備出較大尺寸、力學性能及耐腐 蝕性能優(yōu)異的鎂鋰基非晶合金，使其作為工程結構材料得到廣泛的應用，成為材料研究者 亟待解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠保證非晶合金的純度，減少鎂鋰燒失，提高非晶 形成能力的鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的(1)制備母合金將純度為99. 95%的高純鎂塊、純度為99. 9%的鋰塊、純度 為99. 5%的鎳塊、純度為99. 8%的高純銅錠、純度為99. 99 %的高純釔塊按名義成分 Mg65LixCu20^xNi5Y10其中0 < χ < 5at. %配料，首先用真空感應熔煉的方法進行Cu-Ni-Y三 元合金的熔煉；隨后，將Cu-Ni-Y合金打磨拋光，粉碎后與純度為99. 95%的鎂塊和純度為 99. 9%的鋰塊混合，然后用相同的熔煉方法制備出Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金；(2)母合金的真空快淬將熔煉制備得到的Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金粉碎后，在 超快速液淬裝置上進行真空快淬，制得高強度鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。所述真空感應熔煉的方法為將配好的合金原料放入石英容器內，將其置于感應 線圈中心，避免與線圈接觸，關閉中頻感應熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa 的氬氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，將合金反復熔煉3 5次；所述母合金的真空快淬的方法為將制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金打磨拋光， 除去母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英容器 內，將其置于感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英容器上端儲氣罐內充入 壓力為P1 = 5X10_2Pa的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5X10_2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài) Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金在壓力差P = PJP2的作用下，以極高的速度噴入激冷銅模的型腔內， 獲得高強度鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。本發(fā)明通過元素添加及替代的方法，在非晶形成能力比較強的M鎂基塊體非晶合 金的基礎上，加入Li和稀土元素，通過采用真空快淬技術制備鎂鋰基非晶合金。由于操作 是在 真空狀態(tài)下進行，不僅可以獲得極高的冷速，獲得大塊非晶合金，并且有效避免了雜質 元素的混入，保證了非晶合金的純度；為減少鎂鋰燒失，預先制備了高熔點元素合金，稀土 元素Y提高了非晶形成能力，同時其抗氧化性和阻燃性能避免了鎂鋰的起火而減少了其燒 失量。為提高噴速首先在速石英試管上端儲氣罐內充入壓力為P1(SXlO-2Pa)的高純氬氣， 然后將爐腔反復抽高真空后充入5 X KT2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，最后在壓力差P = P^P2的作用下實現(xiàn)熔融母合金的真空快淬。本發(fā)明制備的鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體 非晶合金具備了優(yōu)異的力學性能，其中Mg65Li4Cu16Ni5Yltl的抗壓縮強度達到了 729MPa，不僅 遠遠高于傳統(tǒng)晶態(tài)鎂鋰合金的強度，并比具相同直徑的Mg65Cu25Yltl非晶合金試樣高49MPa， 與此同時該鎂鋰非晶合金的過冷液相區(qū)達50K，顯示了較強的非晶形成能力。本發(fā)明具有的優(yōu)益之處在于通過元素的添加替代方法降低非晶合金的臨界冷卻速率，提高其玻璃形成能力； 為減少鎂鋰燒失，預先制備了高熔點元素合金，稀土元素Y提高了非晶形成能力，同時其抗 氧化性和阻燃性能避免了鎂鋰的起火而減少了其燒失量。由于真空快淬是在真空狀態(tài)下進 行，獲得極高的冷速的同時，有效避免了雜質元素的混入，保證了非晶合金的純度。制備工 藝簡單易行且成本較低。利用本發(fā)明能夠制備出較大尺寸的鎂鋰基非晶合金，具有優(yōu)異的 力學及抗腐蝕性能，較強的非晶形成能力。本發(fā)明可作為性能優(yōu)良的工程結構材料廣泛應 用于航空、航天、汽車、機械、電子、軍工產業(yè)等領域。


圖1為本發(fā)明所制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y塊體非晶合金的XRD衍射圖譜；圖2為本發(fā)明所制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y塊體非晶合金的DSC曲線；圖3為本發(fā)明所制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y塊體非晶合金的抗壓縮強度曲線。
具體實施例方式下面舉例對本發(fā)明做更詳細地描述實施例1選擇制備χ = 2，即成分為Mg65Li2Cu18Ni5Yltl的塊體非晶合金，樣品直徑為2mm。步驟1 母合金的制備將純度為99. 99%的高純鎂塊、純度為99. 9%的鋰塊、純 度為99. 5%的鎳塊、純度為99. 8%的高純銅錠、純度為99. 99 %的高純釔塊按成分配比 Mg65Li2Cu18Ni5Y10稱取原料；首先將合金原料Cu、Ni、Y放入石英試管內，將其置于感應線圈 中心，避免與線圈接觸，關閉中頻感應熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬 氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復熔煉3 5次，制得 Cu-Ni-Y三元合金。隨后，將Cu-Ni-Y合金打磨拋光，粉碎后跟純度為99. 95%的鎂塊和純 度為99. 9%的鋰塊混合，然后用相同的熔煉方法制得Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金。
步驟2 母合金的真空快淬將步驟1制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金打磨拋光， 以除去母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試 管內，將其置于感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入 壓力為P1(SXKT2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5X10_2Pa的氬氣保護氣 形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài) Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金在壓力差P = PJP2的作用下，以極高的速度噴入激冷銅模的型腔內， 獲得Mg65Li2Cu18Ni5Yltl塊體非晶合金樣品。
步驟3 采用X射線衍射法表征所得樣品的組織結構，如圖IA ；由該樣品的XRD衍 射圖普可知，所得樣品的組織結構具典型的非晶結構特征，說明該合金樣品為非晶合金。步驟4 采用DSC曲線表征所得樣品的非晶形成能力，如圖2A ；分析樣品的DSC曲 線可知，所得樣品的玻璃轉變溫度Tg、初始晶化溫度Tx和過冷液相區(qū)ΔΤχ(ΔΤχ = Tx-Tg) 的值分別為392. 81Κ，442. 81Κ，50Κ。說明所得樣品具有較強的非晶形成能力。步驟5 利用Instron 4505型電子萬能試驗機測試試樣的抗壓縮強度來表征其力 學性能，如圖3Α。所得樣品的抗壓縮強度為729MPa，遠遠高于傳統(tǒng)晶態(tài)鎂鋰合金的強度，并 比具相同直徑的Mg65Cu25Yltl非晶合金試樣高49MPa，顯示了本發(fā)明所提出所的鎂鋰塊體非晶 合金優(yōu)異的力學性能。實施例2選擇制備χ = 4，即成分為Mg65Li4Cu16Ni5Yltl的塊體非晶合金，樣品直徑為2mm。步驟1 母合金的制備將純度為99. 99%的高純鎂塊、純度為99. 9%的鋰塊、純 度為99. 5%的鎳塊、純度為99. 8%的高純銅錠、純度為99. 99%的高純釔塊按成分配比 Mg65Li4Cu16Ni5Y10稱取原料；首先將合金原料Cu、Ni、Y放入石英試管內，將其置于感應線圈 中心，避免與線圈接觸，關閉中頻感應熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬 氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復熔煉3 5次，制得 Cu-Ni-Y三元合金。隨后，將Cu-Ni-Y合金打磨拋光，粉碎后跟純度為99. 95%的鎂塊和純 度為99. 9%的鋰塊混合，然后用相同的熔煉方法制得Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金。步驟2 母合金的真空快淬將步驟1制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金打磨拋光， 以除去母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試 管內，將其置于感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入 壓力為P1(SXKT2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5X10_2Pa的氬氣保護氣 形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài) Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金在壓力差P = PJP2的作用下，以極高的速度噴入激冷銅模的型腔內， 獲得Mg65Li4Cu16Ni5Yltl塊體非晶合金樣品。步驟3 采用X射線衍射法表征所得樣品的組織結構，如圖IB ；由該樣品的XRD衍射圖普可知，所得樣品的組織結構具典型的非晶結構特征，說 明該合金樣品為非晶合金。步驟4 采用DSC曲線表征所得樣品的非晶形成能力，如圖2B分析樣品的DSC曲線可知，所得樣品的玻璃轉變溫度Tg、初始晶化溫度Tx和過冷 液相區(qū)Δ Tx ( Δ Tx = Tx-Tg)的值分別為389. 44Κ，438. 44Κ，49Κ。說明其具有較強的非晶形 成能力。
步驟5 利用Instron 4505型電子萬能試驗機測試試樣的抗壓縮強度來表征其力 學性能，如圖3B。所得樣品的抗壓縮強度為616MPa，遠高于傳統(tǒng)晶態(tài)鎂鋰合金的 強度。
權利要求
一種鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金的制備方法，其特征是(1)制備母合金將純度為99.95％的高純鎂塊、純度為99.9％的鋰塊、純度為99.5％的鎳塊、純度為99.8％的高純銅錠、純度為99.99％的高純釔塊按名義成分0Mg65LixCu20-xNi5Y10其中0＜x＜5at.％配料，首先用真空感應熔煉的方法進行Cu-Ni-Y三元合金的熔煉；隨后，將Cu-Ni-Y合金打磨拋光，粉碎后與純度為99.95％的鎂塊和純度為99.9％的鋰塊混合，然后用相同的熔煉方法制備出Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金；(2)母合金的真空快淬將熔煉制備得到的Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金粉碎后，在超快速液淬裝置上進行真空快淬，制得高強度鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。
2.根據(jù)權利要求1所述的鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金的制備方法，其特征 是所述真空感應熔煉的方法為將配好的合金原料放入石英容器內，將其置于感應線圈中 心，避免與線圈接觸，關閉中頻感應熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬 氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，將合金反復熔煉3 5次；
3.根據(jù)權利要求1或2所述的鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金的制備方法，其 特征是所述母合金的真空快淬的方法為將制得的Mg-Li-Cu-Ni-Y母合金打磨拋光，除去 母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英容器內，將 其置于感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英容器上端儲氣罐內充入壓力為P1 =5 X IO-2Pa的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5 X 10_2Pa的氬氣保護氣形成P2的負 壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài)Mg-Li-Cu-Ni-Y 母合金在壓力差P = P^P2的作用下，以極高的速度噴入激冷銅模的型腔內，獲得高強度鎂 鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金的制備方法。(1)將高純鎂塊、鋰塊、鎳塊、高純銅錠、高純釔塊按名義成分Mg65LixCu20-xNi5Y10其中0＜x＜5at.％配料，首先用真空感應熔煉的方法進行Cu-Ni-Y三元合金的熔煉；隨后，將Cu-Ni-Y合金打磨拋光，粉碎后與鎂塊和鋰塊混合，然后用相同的熔煉方法制備出Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金；(2)將熔煉制備得到的Mg-Li-Cu-Ni-Y五元母合金粉碎后，在超快速液淬裝置上進行真空快淬，制得高強度鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。本發(fā)明避免了鎂鋰大量燒失和雜質元素混入，提高了非晶合金純度，所得鎂鋰基非晶合金強度高、密度低、抗腐蝕性能好。
文檔編號C22C45/00GK101880840SQ20101021555
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權日2010年7月2日
發(fā)明者劉光波, 張密林, 童仲秋, 薛柱, 高鵬 申請人:哈爾濱工程大學