一種具有室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有室溫大塑性的Zr基非晶合金，它涉及一種塊體非晶合金材料，具體涉及一種兼具有高玻璃形成能力和室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金。本發(fā)明的塊體非晶合金由Zr、Al、Ni和Cu四種元素組成，各元素的質(zhì)量百分比為：Al:3.96~4.06%，Ni:11.3~11.8%，Cu：20.67~21.07%，其余為Zr，其總質(zhì)量滿足100%。本發(fā)明具有高的玻璃形成能力，采用普通銅模鑄造法就可以制備出臨界尺寸達Φ10mm的Zr基塊體非晶合金，且具有>27%室溫壓縮塑性。本合金所需原料均為無毒、低成本的金屬原料，制備工藝簡單，低溫力學(xué)性能優(yōu)異，非常適合于工業(yè)應(yīng)用。
【專利說明】一種具有室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非晶態(tài)金屬材料，具體涉及一種具有室溫大塑性的新型Zr基塊體非晶合金。
【背景技術(shù)】
[0002]Zr基塊體非晶合金具有極高的斷裂強度、高硬度、高彈性應(yīng)變、彈性極限、高斷裂韌性和低的彈性模量等優(yōu)異的力學(xué)性能。由于Zr基非晶合金本身獨特的無序化原子結(jié)構(gòu)，合金內(nèi)部缺少位錯、孿晶等晶體缺陷，通常在室溫以及低于室溫的條件下，不能像晶態(tài)材料那樣，發(fā)生持續(xù)的塑性變形，變形只發(fā)生在高度局域化的剪切帶，從而產(chǎn)生脆性斷裂，嚴(yán)重制約了塊體非晶合金的工業(yè)化應(yīng)用。因而，開發(fā)具有室溫大塑性的Zr基非晶合金新成分是目前塊體非晶合金領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種具有室溫大塑性與高強度的Zr基非晶合金，本發(fā)明較好地解決了 Zr基非晶合金成分在室溫環(huán)境中塑性變形能力差的不足。
[0004]本發(fā)明提出的具有室溫大塑性與高強度的Zr基非晶合金，所述Zr基非晶合金由Zr, AU Ni和Cu四種元素組成，各元素的質(zhì)量百分比為:
Al: 3.96^4.06%
N1: 11.3~11.8%
Cu:20.67~21.07%
其余為Zr，其總質(zhì)量滿足100%。
[0005]本發(fā)明依據(jù)物理冶金的原理，利用二元共晶成分與多元共晶成分之間存在某種必然的聯(lián)系，多元非晶合金可以通過選擇恰當(dāng)?shù)亩簿c及比例系數(shù)合成。這些共晶點具有兩個特征，一般具有較低的共晶反應(yīng)溫度，而且共晶產(chǎn)物多為線性化合物。因此，可以通過適當(dāng)?shù)谋壤旌隙簿С煞郑O(shè)計多元塊體非晶合金成分，使其充分接近多元共晶或近共晶成分，并通過共晶各相的相互競爭抑制結(jié)晶過程，從而得到具有高非晶形成能力的非晶合金系。
[0006]在Zr-Al-N1-Cu合金系中，結(jié)晶和晶化反應(yīng)的產(chǎn)物主要為Zr_Cu，Zr-Ni, Zr-Al的金屬間化合物，因此可以認(rèn)為Zr-Cu, Zr-Ni, Zr-Al原子對之間形成的金屬間化合物為該合金系中非晶相形成的主要競爭相，如果在合金熔體這些競爭晶化相的析出能力大致平衡，相互之間的阻礙與牽制作用增加，將抑制初始晶化相的析出，從而得到高玻璃形成能力的非晶合金成分。由二元相圖Zr38Cu62、Zr64Ni36、Zr51Al49具有較低的共晶點且其共晶產(chǎn)物均為線性化合物，因而我們選擇Zr44Cu56, Zr51Al49, Zr64Ni36作為基本的單元，可得到如下的表達式:
Cam =a (Zr38Cu62) + b (Zr64Ni36) + c (Zr51Al49) (a+ b+c =1)
比例系數(shù)a、b、c分別為三個二元共晶的組分所占的比例系數(shù)，且滿足歸一化條件a+b+c =1。對比例系數(shù)a、b、c進行不斷地調(diào)整，從而調(diào)整合金系的原子配比，可以得到不同玻璃形成能力的非晶合金。當(dāng)a=6.25/16，b=6.25/16，c=3.5/16，即可得到較佳成分點Zrfa68Ali96Ni11JCu2U (質(zhì)量百分比)。在電弧熔化普通銅模鑄造條件下，可以獲得臨界尺寸不小于10 mm的塊體非晶合金。
[0007]本發(fā)明與已有的Zr基塊體非晶合金相比具有如下特點:
(I)本合金具有高的玻璃形成能力，采用普通銅模鑄造法可以制備出臨界尺寸達10_的塊體非晶合金。
[0008](2)本合金在室溫條件下具有極大的壓縮塑性和抗壓斷裂強度:直徑為1.2 mm、2mm、3 mm的非晶合金的壓縮塑性分別為>100%、30%、27%，該性能遠高于其它成分的Zr基非晶合金。迄今為止，本發(fā)明的Zr基非晶合金是在室溫環(huán)境下塑性變形能力最優(yōu)異的成分之
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[0009](3)本合金所需原料均為無毒、低成本的金屬原料，制備工藝簡單，低溫力學(xué)性能優(yōu)異，非常適合于工業(yè)應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為不同直徑的Zrf^68AU96Nilh3ciCu2hci非晶合金的的X射線衍射圖譜。
[0011]圖2為不同直徑的Zrf^68AU96Nilh3ciCu2hci非晶合金室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0012]圖3為直徑3 mm的Zrfa68AUilh3ciCu2U非晶合金室溫壓縮斷口及其端口側(cè)面的剪切帶分布圖；其中(a)為非晶合金室溫壓縮斷口的剪切帶分布圖，(b)為非晶合金室溫端口側(cè)面的剪切帶分布圖。
[0013]圖4為直徑2 mm的Zrfa68AU96Nilh3tlCu2hci非晶合金室溫壓縮斷口及其端口側(cè)面的剪切帶分布圖；其中(a)為非晶合金室溫壓縮斷口的剪切帶分布圖，(b)為非晶合金室溫端口側(cè)面的剪切帶分布圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步詳細(xì)說明。
[0015]實施例1:本實施例的Zr基塊體非晶合金Zr、Al、N1、Cu，由Zr、Al、N1、Cu組成，其中各元素的質(zhì)量百分比為:Zr 63.68%, Al 3.96%, Ni 11.30%、Cu21.07%，該成分為本發(fā)明的最佳成份點。合金的制備步驟是:將純度為99.9%以上的Zr、Al、N1、Cu金屬原料超聲清洗干凈后，按目標(biāo)成分所需原子個數(shù)計算相應(yīng)的元素質(zhì)量。用精度為0.0OOlg的點子天平稱量所需原料質(zhì)量，稱量準(zhǔn)確后待用。母合金的熔煉采用磁控鎢極電弧爐進行。將配制精確的原料放置于爐內(nèi)，抽真空至6.0 X 10_3Pa，充入保護氣體氬氣至0.05MPa,在250-400Α電流條件下熔煉4(T60s，母合金錠反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉四到五次，以保證母合金成分的均勻性。將熔煉好的母合金錠置于壓力為0.04、.07MPa的氬氣中進行電弧熔化，然后母合金熔體采用銅模鑄造法成型，得到直徑為f IOmm圓棒狀非晶合金樣品。
[0016]將制得的Zrfa68Ali96Ni11JCu2htl非晶合金棒材截取Φ 2mmX 4mm,測試其室溫下的壓縮性能(在本發(fā)明中，材料的壓縮力學(xué)性能采用Instixm 5500型萬能材料實驗機測試)。該Zr基非晶合金在室溫下具有屈服強度2123 MPa和>100%壓縮塑性。
[0017]實施例2:本實施例與實施例1的不同點為:將制得的Zi^68AU96Nilh3tlCu2U非晶合金棒材截取0 2mmX4mm，該Zr基非晶合金在室溫下具有屈服強度2143 MPa和30%壓縮塑性。其它與實施例1相同。
[0018]實施例3:本實施例與實施例1的不同點為:將制得的Zrfa68AU96Nilh3ciCu2U非晶合金棒材截取Φ3 mmX6 mm，該Zr基非晶合金在室溫下具有屈服強度2197MPa和27%壓縮塑性。其它與實施例1相同。
[0019]由圖1可見，不同尺寸的Zr63.68A13.96Nin.3(lCu21.。非晶合金的X射線衍射譜為典型非晶的漫散射峰，不存在尖銳的晶態(tài)相衍射峰，表明合金材料的結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)。
[0020]由圖2可見，在室溫條件下，不同直徑的Zrfa68AU96Nilh3tlCu2U非晶合金承受軸向壓縮變形時，超過彈性變形后并不立即斷裂，而是經(jīng)過大的塑性變形后才發(fā)成斷裂。直徑為1.2 mm的合金，壓縮塑性>100%，屈服強度為2123 MPa MPa。直徑為2 mm的合金，壓縮塑性30%，屈服強度為2143 MPa。直徑為3 mm的合金，壓縮塑性27%，屈服強度為2197 MPa。[0021 ] 由圖3、4可見，Zr63.68A13.96Ni1L 3(lCu21.0非晶合金在室溫下壓縮變形過程中為典型的剪切斷裂，在壓縮斷口側(cè)面 附近，出現(xiàn)高密度的剪切帶，同時存在剪切帶的增殖、分支與交割清晰，這導(dǎo)致了其具有大的塑性應(yīng)變。
【權(quán)利要求】
1.一種具有室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:Zr基塊體非晶合金由Zr、AUNi和Cu四種元素組成，各元素的質(zhì)量百分比為:
Al: 3.96^4.06%
N1: 11.3~11.8%
Cu:20.67~21.07% 其余為Zr，其總質(zhì)量滿足100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:直徑為1.2 mm的Zr基塊體非晶合金，在室溫條件下，屈服強度為2123 MPa，壓縮塑性大于100% ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:直徑為2mm的Zr基塊體非晶合金，在室溫條件下，屈服強度為2143 MPa，壓縮塑性達30%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有室溫大塑性的Zr基塊體非晶合金，其特征在于:直徑為3mm的Zr基塊體非晶合`金，在室溫條件下，屈服強度為2197 MPa，壓縮塑性達27%。
【文檔編號】C22C45/10GK103866207SQ201410075716
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】孫亞娟, 沈軍 申請人:同濟大學(xué)