一種高W含量Ni基非晶合金及其制備方法
【專利摘要】一種高W含量Ni基非晶合金及其制備方法。非晶合金成分按原子分數(shù)計，包括：Ni 60～69％，W 17～22％，Nb 0～8％，B 13.5％；制備主要步驟為：按照成分配比并均勻混合原始粉末，經(jīng)壓制、預(yù)燒固結(jié)成形，采用真空電弧熔煉制備母合金鑄錠，用真空甩帶機制備非晶合金條帶。本發(fā)明非晶合金成分相對簡單，無貴金屬成分，成本較低，并且依然具有較高的晶化溫度和顯微硬度，其晶晶化溫度782～851K，顯微硬度高8.5～11.2GPa，在摩擦和耐腐蝕材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景，本發(fā)明采用粉末預(yù)燒坯體電弧熔煉，能耗降低，所制備的高W含量Ni基非晶合金具有晶化溫度高、熱穩(wěn)定性好，硬度高，成分簡單、可控性好，成本低等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種高W含量N i基非晶合金及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高W含量Ni基非晶合金及其制備方法。屬于非晶合金材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]與普通晶態(tài)金屬材料相比，非晶合金具有強度高、韌性好、耐蝕性高、抗腐蝕性能強以及在一定溫度下的超塑性等優(yōu)點，成為極具應(yīng)用潛力的新材料。但是，當(dāng)溫度超過晶化溫度時，非晶態(tài)將轉(zhuǎn)變成晶態(tài)相，非晶態(tài)的優(yōu)異性能將會顯著弱化，這樣便限制了非晶合金在較高溫度場合下的應(yīng)用。一般情況下，具有高含量高熔點元素的非晶合金具有較高的晶化溫度。鎢的熔點高，所以高鎢含量的非晶合金具有較高的晶化溫度。新一代核反應(yīng)的“First Wall”材料長期工作在高溫環(huán)境中(Fus1n engineering anddesign, 2011，86:1719-1723)，大多數(shù)晶體材料由于具有晶界而耐腐蝕性能較低，以至于長期未找到合適的“First Wall”材料，而高鎢含量的非晶合金由于其自身特點將成為理想的“First Wall”材料。同時，鎢的硬度和彈性模量也較高，根據(jù)非晶合金的楊氏模量和維氏硬度的關(guān)系為Hv = 0.06E，高鎢含量的非晶合金具有高彈性模量、高硬度的特點，這種特點可使其在高速載荷作用下具有非常高的動態(tài)斷裂韌性，在侵徹過程中具有極高的自銳性，如將高鎢含量的非晶合金復(fù)合成穿甲彈材料，將大大減少鎢合金穿甲彈的“蘑菇頭”現(xiàn)象，提高其侵徹性能。
[0003]目前，國內(nèi)外對高鶴含量的非晶材料的研究不多。Inoue等人(ScriptaMetallurgica, 1980，14(2):235-239)曾經(jīng)報道過 W70Si20B10 甩帶非晶，具有超高的硬度。Ohtsuki 等人(Applied Physics Letters,2004，14:4911-4913 !MaterialsTransact1ns, 2005, 46 (I):48-53)曾利用銅棍甩帶制備出W46Ru37B17非晶合金，其第一晶化溫度高達1174K，顯微硬度有16.8±lGPa，900K時的顯微硬度依然高于1GPa ;接著又制備出 W54Rh26B20^ W56Ir23B21' W45Re23Ru15B17' W37Ru31Rh18B14^ W38Ir17Ru31B14' W46Ru37B15Si2 等多種非晶合金薄帶，都具有較高的晶化溫度。隨后Yoshimoto等(2007，(449-451):260-263)在Ohtsuki等人研究的基礎(chǔ)上對以上甩帶非晶合金進一步研究,發(fā)現(xiàn)其晶化溫度在1049?1331K 之間，顯微硬度在 13 ?18GPa 范圍。Suo 等(Materials Science and EngineeringA, 2011, 528:2912-2916)選擇曾做出了 2mm 寬、45μπι 厚 W30Fe38B32_xCx (χ = 5,7,10,13,15at.% )等系列真空甩帶，第一晶化溫度高達984?1067K，室溫下W3(lFe38B32_xCx(x = 7，10，13，15at.% )甩帶非晶的顯微硬度在11.9到12.8GPa之間。可見高鎢含量的非晶合金表現(xiàn)出極高的物理及力學(xué)性能，具有巨大的應(yīng)用潛力。但是以上研究者設(shè)計非晶成分時大多選擇Ru、Rh、Ir等貴金屬,成本較高；而Suo等的研究雖然采用W、Fe、B和C四種元素,合金成本相對降低，但其成分配方中小原子半徑的B和C總含量較高，造成在電弧熔煉制備母合金過程中揮發(fā)嚴重，造成熔煉困難，另外較高含量的Fe使得非晶薄帶帶有一定磁性，限制了其在特殊環(huán)境下的應(yīng)用。
[0004]CN 101353771A公開了 “一種鎢基非晶合金”，該方法制備的一系列非晶薄帶具有較高晶化溫度，但其其成分包括W、Fe、S1、Cr、Mn、Mo、B、Co大量元素，成分十分復(fù)雜，并且其采用鎢塊體進行電弧熔煉，眾所周知，在所有單質(zhì)金屬中鎢的熔點最高(3410°C )，鎢塊體需要較長時間或多次熔煉次數(shù)才能在母合金中混合均勻，造成能耗提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于現(xiàn)有成分配方及技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的問題是提供一種高W含量的Ni基非晶合金成分配方及制備方法。
[0006]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金，按原子分數(shù)計，包括下述組分組成:
[0007]Ni 60 ?69%，
[0008]W 17 ?22%，
[0009]B 13.5%。
[0010]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金，合金組分中還含有O?8%原子分數(shù)的Nb。
[0011]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，包括下述步驟:
[0012]第一步:按設(shè)計的合金組分的原子分數(shù)，配取Ni，W，Nb，B的粉末；于球磨機中混合均勻后，壓制成坯塊，然后，在850?900°C溫度下還原預(yù)燒，使其粉末顆粒間有一定的結(jié)合強度，防止在熔煉過程中被電弧吹飛；
[0013]第二步:將預(yù)燒后的坯塊裝入真空電弧熔煉爐中，抽真空至lXl(T5Pa，然后充高純氬氣至0.05MPa，經(jīng)熔融鈦吸氧后進行至少4次電弧熔煉，得到母合金；
[0014]第三步:將第二步得到的母合金分割裝入石英管，置于真空甩帶機中，甩帶制備高W含量Ni基非晶條帶。
[0015]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，金屬Ni粉末粒度為5?8 μ m，金屬W粉末粒度2.0 μ m，金屬Nb粉末粒度為Nb30?35 μ m，B粉末粒度為30?70 μ m ;鎢粉的純度> 99.9 %，鎳粉的純度> 99.5 %，硼的純度> 99.9 %，鈮粉的純度> 99.9 %。
[0016]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，第一步中，球磨機轉(zhuǎn)速200r/min，球磨混合時間為4?6小時。
[0017]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，壓制成坯塊時的成型壓力為150 ?200MPa
[0018]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，第一步中，所述預(yù)燒氣氛為氫氣氣氛，預(yù)燒時間I?1.5h。
[0019]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，第二步中，電弧熔煉為真空非自耗電弧熔煉，電弧熔煉次數(shù)為4-6次。
[0020]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，第三步中，甩帶機銅輥轉(zhuǎn)速為30m/s,制備的高W含量Ni基非晶條帶寬度為2?4mm，厚度為15?40 μ m。
[0021]本發(fā)明一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，制備的高W含量Ni基非晶合金晶化溫度782?851K ;顯微硬度8.5?11.2Gpa。
[0022]本發(fā)明的高W含量Ni基非晶合金的優(yōu)點如下:
[0023]1、非晶成分簡單，便于配制；無貴金屬，成本較低；小原子半徑B等元素含量較低，減少了電弧熔煉過程中揮發(fā)，合金成分控制精度高；
[0024]2、高溫下W在Ni中有較高溶解度，而在電弧熔煉過程中，鎢粉末顆粒相對于較大鎢金屬塊體較易溶解到Ni中，克服了鎢塊體進行電弧熔煉時熔煉時間長、次數(shù)多，功率高、耗能大的缺點；
[0025]3、在850°C?900°C氫氣氣氛下燒結(jié)I?1.5h，增大了粉末壓坯的結(jié)合強度，同時可脫除部分氧化物及水氣，防止粉末在電弧熔煉下易被吹飛，進一步提高合金成分的可控性；
[0026]4、熱穩(wěn)定性好，具有較高的晶化溫度782?851K ;顯微硬度高，8.5?11.2GPa。
[0027]5、本發(fā)明制備的非晶合金可應(yīng)用于摩擦和耐腐蝕材料領(lǐng)域。
[0028]綜上所述，本發(fā)明的一種高W含量的Ni基非晶合金雖然其晶化溫度和顯微硬度略低于鎢非晶合金，但是本發(fā)明非晶合金成分相對簡單，無貴金屬成分，成本較低，并且依然具有較高的晶化溫度和顯微硬度，其晶晶化溫度782?851K，顯微硬度高8.5?11.2Gpa，在摩擦和耐腐蝕材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，本發(fā)明的電弧熔煉方法在難熔金屬合金熔煉發(fā)面具有積極的借鑒意義。本發(fā)明采用電弧熔煉粉末預(yù)燒坯體制備母合金，克服了較大鎢塊體進行電弧熔煉時熔煉時間長、次數(shù)多，功率高、耗能大的缺點，并且防止粉末在電弧熔煉下易被吹飛，提高了合金成分的可控性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]附圖1為實施例1中高W含量Ni基非晶合金的XRD曲線。
[0030]附圖2為實施例1中高W含量Ni基非晶合金的TEM及選區(qū)衍射圖片。
[0031]附圖3為實施例1中高W含量Ni基非晶合金的DSC曲線。
[0032]附圖4為實施例4中高W含量Ni基非晶合金的XRD曲線。
[0033]附圖5為實施例4中高W含量Ni基非晶合金的TEM及選區(qū)衍射圖片。
[0034]附圖6為實施例4中高W含量Ni基非晶合金的DSC曲線。
[0035]從圖1可以看出，在2 Θ =45°附近存在一個寬的彌散包，在XRD曲線上無明顯Bragg衍射峰,表明該合金為非晶結(jié)構(gòu)。
[0036]從圖2的高分辨透射電鏡及選區(qū)電子衍射圖片可以看出，其合金原子排列雜亂無章，相應(yīng)的選區(qū)衍射花樣只有彌散的環(huán)和較寬的暈組成，無晶體結(jié)構(gòu)的衍射斑點特征，表明其為完全非晶結(jié)構(gòu)，與XRD測試結(jié)果一致。
[0037]從圖3的DSC曲線可以看出，其晶化溫度Tx高達782K，表明非晶具有較高的穩(wěn)定性。
[0038]附圖4的XRD曲線上無明顯析出峰，表明實施例4制備的是非晶結(jié)構(gòu)材料。
[0039]圖5與圖2類似，高分辨透射圖片原子排列雜亂無序，選區(qū)衍射花樣只有彌散的環(huán)和較寬的暈組成，進一步證明其為非晶結(jié)構(gòu)。
[0040]圖6的DSC曲線可以看出，其晶化溫度Tx高達820K，非晶具有較高的穩(wěn)定性。

【具體實施方式】
[0041 ] 以下結(jié)合實施例旨在進一步說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0042]本發(fā)明實施例中制備的材料采用XRD和TEM分析合金成分，采用顯微維氏硬度儀測量非晶顯微硬度，采用差熱分析儀測量非晶條帶的晶化溫度。
[0043]實施例1
[0044](I)按原子分數(shù)計，Ni含量為68.6%，W含量為17.9%，B含量為13.5%，配制5(^料。
[0045](2)將配料置于輥筒球磨機中混合6h，轉(zhuǎn)速200r/min，然后在200MPa下壓制成塊，坯體直徑為20mm，在850°C氫氣氣氛下預(yù)燒1.5h，分三次出爐，避免氧化。
[0046](3)將預(yù)燒后的壓坯裝入非自耗真空電弧熔煉爐中，抽真空至lX10_5Pa，然后充高純氬氣至0.05MPa,經(jīng)熔融鈦吸氧后進行6次電弧熔煉。
[0047](4)將4g熔煉均勻的母合金裝入石英管，置于真空甩帶機中制備高鎢含量的非晶條帶，銅輥轉(zhuǎn)速為30m/s。采用顯微維氏硬度儀測得其顯微硬度為8.5GPa，采用差熱分析儀測得其晶化溫度為782K。
[0048]實施例2
[0049](I)按原子分數(shù)計，Ni含量為66.6%，W含量為19.9%，B含量為13.5%，配制5(^料。
[0050](2)將配料置于輥筒球磨機中混合6h，轉(zhuǎn)速200r/min，然后在200MPa下壓制成塊，坯體直徑為20mm，在860°C氫氣氣氛下預(yù)燒1.5h，分三次出爐，避免氧化。
[0051](3)將預(yù)燒后的壓坯裝入非自耗真空電弧熔煉爐中，抽真空至lX10_5Pa，然后充高純氬氣至0.05MPa,經(jīng)熔融鈦吸氧后進行6次電弧熔煉。
[0052](4)將5g熔煉均勻的母合金裝入石英管，置于真空甩帶機中制備高鎢含量的非晶條帶，銅輥轉(zhuǎn)速為30m/s。采用顯微維氏硬度儀測得其顯微硬度為10.2GPa，采用差熱分析儀測得其晶化溫度為807K。
[0053]實施例3
[0054](I)按原子分數(shù)計，Ni含量為60.6%，W含量為17.9%，Nb含量為8%，B含量為13.5%，配制 55g 料。
[0055](2)將配料置于輥筒球磨機中混合6h，轉(zhuǎn)速200r/min，然后在200MPa下壓制成塊，坯體直徑為20mm，在900°C氫氣氣氛下預(yù)燒1.5h，分三次出爐，避免氧化。
[0056](3)將預(yù)燒后的壓坯裝入非自耗真空電弧熔煉爐中，抽真空至lX10_5Pa，然后充高純氬氣至0.05MPa,經(jīng)熔融鈦吸氧后進行6次電弧熔煉。
[0057](4)將6g熔煉均勻的母合金裝入石英管，置于真空甩帶機中制備高鎢含量的非晶條帶，銅輥轉(zhuǎn)速為30m/s。采用顯微維氏硬度儀測得其顯微硬度為10.lGPa，采用差熱分析儀測得其晶化溫度為851K。
[0058]實施例4
[0059](I)按原子分數(shù)計，Ni含量為64.6%，W含量為21.9%，B含量為13.5%，配制60g料。
[0060](2)將配料置于輥筒球磨機中混合6h，轉(zhuǎn)速200r/min，然后在200MPa下壓制成塊，坯體直徑為20mm，在900°C氫氣氣氛下預(yù)燒1.5h，分三次出爐，避免氧化。
[0061](3)將預(yù)燒后的壓坯裝入非自耗真空電弧熔煉爐中，抽真空至IX 10_5Pa，然后充高純氬氣至0.05MPa,經(jīng)熔融鈦吸氧后進行6次電弧熔煉。
[0062](4)將5g熔煉均勻的母合金裝入石英管，置于真空甩帶機中制備高鎢含量的非晶條帶，銅輥轉(zhuǎn)速為30m/s。采用顯微維氏硬度儀測得其顯微硬度為11.2GPa，采用差熱分析儀測得其晶化溫度為820K。
[0063]本發(fā)明的一種高W含量的Ni基非晶合金雖然其晶化溫度和顯微硬度略低于鎢非晶合金，但是本發(fā)明非晶合金成分相對簡單，無貴金屬成分，成本較低，并且依然具有較高的晶化溫度和顯微硬度，其晶晶化溫度782?851K，顯微硬度高8.5?11.2GPa，在摩擦和耐腐蝕材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，本發(fā)明的電弧熔煉方法在難熔金屬合金熔煉發(fā)面具有積極的借鑒意義。本發(fā)明采用電弧熔煉粉末預(yù)燒坯體制備母合金，克服了較大鎢塊體進行電弧熔煉時熔煉時間長、次數(shù)多，功率高、耗能大的缺點，并且防止粉末在電弧熔煉下易被吹飛，提高了合金成分的可控性。
【權(quán)利要求】
1.一種高W含量Ni基非晶合金，按原子分數(shù)計，包括下述組分組成: Ni 60 ?69%， W 17 ?22%，
B 13.5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高W含量Ni基非晶合金，其特征在于:合金組分中還含有O?8%原子分數(shù)的Nb。
3.一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，包括下述步驟: 第一步:按設(shè)計的合金組分的原子分數(shù)，配取Ni,W,Nb,B的粉末；于球磨機中混合均勻后，壓制成還塊，然后，在850?900°C溫度下還原預(yù)燒； 第二步:將預(yù)燒后的坯塊裝入真空電弧熔煉爐中，抽真空至lXl(T5Pa，然后充高純氬氣至0.05MPa，經(jīng)熔融鈦吸氧后進行至少4次電弧熔煉，得到母合金； 第三步:將第二步得到的母合金分割裝入石英管，置于真空甩帶機中，甩帶制備高W含量Ni基非晶條帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，其特征在于:金屬Ni粉末粒度為5?8 μ m，金屬W粉末粒度2.0 μ m，金屬Nb粉末粒度為Nb30?35 μ m，B粉末粒度為30?70 μ m ;鎢粉的純度> 99.9 %，鎳粉的純度> 99.5 %，硼的純度> 99.9 %，鈮粉的純度彡99.9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法,其特征在于:第一步中，球磨機轉(zhuǎn)速200r/min,球磨混合時間為4?6小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，其特征在于:壓制成坯塊時的成型壓力為150?200MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法,其特征在于:第一步中，所述預(yù)燒氣氛為氫氣氣氛，預(yù)燒時間I?1.5h。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，其特征在于:第二步中，電弧熔煉為真空非自耗電弧熔煉，電弧熔煉次數(shù)為4?6次。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，其特征在于--第三步中，甩帶機銅輥轉(zhuǎn)速為30m/s，制備的高W含量Ni基非晶條帶寬度為2?4mm，厚度為15 ?40 μ m0
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9任意一項所述的一種高W含量Ni基非晶合金的制備方法，其特征在于:制備的高W含量Ni基非晶合金晶化溫度782?851K ;顯微硬度8.5?11.2Gpa。
【文檔編號】C22C1/00GK104278220SQ201410514123
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】劉文勝, 馬運柱, 張佳佳, 葉曉珊, 吳亞瑜 申請人:中南大學(xué)