專利名稱：Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種具有強(qiáng)非晶形成能力的Cu-Zr-Nb合金的制備，屬于新材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)金屬合金是一類具有短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)特征的金屬或合金，它們具有很高的綜合力學(xué)性能和獨(dú)特的物理化學(xué)性能。然而由于金屬或合金非晶形成能力(即形成非晶態(tài)合金的能力)的影響，制備該類材料需要較高的冷卻速率，一般的臨界冷卻速率在105K/s。以冷速?gòu)母叩降蜑樾?，常用的急冷技術(shù)有熔體霧化、薄膜沉積技術(shù)以及銅輥急冷甩帶機(jī)技術(shù)，材料形態(tài)常為低維材料如粉末、薄帶等，其應(yīng)用范圍因此受到很大限制。
從二十世紀(jì)九十年代初以來(lái)，以日本和美國(guó)為首，發(fā)現(xiàn)了一系列具有強(qiáng)非晶形成能力的合金成分，其中以Zr基最為易于制得，其臨界冷卻速率僅在1K/s量級(jí)，可以用銅模鑄造和水淬等方法制備成三維塊體材料，被稱為塊體非晶合金。塊體非晶合金不僅具有較傳統(tǒng)低維非晶合金更優(yōu)異的機(jī)械和物理化學(xué)性能，同時(shí)，由于突破了尺寸束縛，它們有用作結(jié)構(gòu)材料的可能。此外，由于這類材料在其過(guò)冷液相區(qū)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)精密快速成型，這種良好的工藝性能進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。目前，美、日兩國(guó)已將Zr基塊體非晶合金用于高爾夫球具和穿甲彈頭上，取得巨大效益。近來(lái)，國(guó)外又發(fā)展了多組元Cu基塊體非晶體系，相對(duì)于Zr基、Pd基等非晶合金，Cu基塊體非晶具有更高的強(qiáng)度和低廉的價(jià)格，有更好的實(shí)用價(jià)值。目前，已知的Cu基塊體非晶合金都是在Cu-Zr二元非晶形成體系(該體系僅能形成甩帶非晶，不能形成塊體非晶)的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加新組元發(fā)展起來(lái)的，如Cu-Ti-Zr和Cu-Ti-Zr-Ni等，但這些合金中常有大量納米尺度的晶體相存在，影響了Cu基塊體非晶合金的整體性能(如耐蝕性等)。金屬Nb是有效提高Zr基合金非晶形成能力和熱穩(wěn)定性的合金元素。但由于Cu-Nb是完全不互溶體系等原因，高熔點(diǎn)元素Nb難以完全合金化到Cu-Zr合金中，至今，人們還沒(méi)能獲得具有強(qiáng)非晶形成能力的Cu-Zr-Nb合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要克服高熔點(diǎn)金屬Nb難以完全融化到Cu-Zr合金中的難題，并提供一種制備成分均勻的Cu-Zr-Nb合金方法，推出具有高非晶形成能力的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的思路是，利用Zr、Nb元素在高溫能形成完全互溶的置換固溶體的特點(diǎn)，在氬氣氣氛保護(hù)下，分步進(jìn)行熔煉，通過(guò)非自耗電弧熔煉法于高于純Nb熔點(diǎn)的溫度下熔煉Zr、Nb純金屬原料，獲取熔點(diǎn)相對(duì)較低的Zr(Nb)預(yù)合金錠，實(shí)現(xiàn)Zr-Nb元素的完全互溶，并有效的降低Zr和Nb組元的熔點(diǎn)。然后將Zr(Nb)預(yù)合金錠與純Cu金屬料混合，再用非自耗電弧熔煉法進(jìn)行多次熔煉，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金，最后用銅模負(fù)壓吸鑄法，制備出Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金。全過(guò)程由氬氣保護(hù)。
本發(fā)明所提出的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金，包括Cu元素和Zr元素，其特征在于還包括有少量的Nb元素；Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的成分通式(重量百分比wt.％，下同)范圍為(CuxZr1-x)1-yNby，其中，x的取值范圍為40wt.％≤x≤65wt.％，而y的取值范圍是1wt.％≤y≤15wt.％。
制備本發(fā)明所提出的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的工藝方法，包括成分配比稱量、加熱溫度、熔煉過(guò)程和冷卻速度，其特征在于熔煉應(yīng)分步進(jìn)行，包括對(duì)Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉、對(duì)Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉和Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的制備；其工藝步驟是第一步，備料按設(shè)計(jì)成分的重量百分比稱取各組元的量值，Cu、Zr、Nb金屬原料的純度要求為99％，并將Zr、Nb金屬料混合備用；第二步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉將Zr與Nb金屬的混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，溫度為2800K～3200K，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，并通過(guò)調(diào)整電流密度來(lái)控制熔煉溫度，電流密度的控制范圍為150A/cm2～170A/cm2，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉多次，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第三步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉將Cu原料與Zr(Nb)預(yù)合金錠混合，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為2000K～2800K，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，并通過(guò)調(diào)整電流密度來(lái)控制熔煉溫度，電流密度的控制范圍為120A/cm2～150A/cm2，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉多次，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，并通過(guò)120A/cm2～150A/cm2的電流密度來(lái)控制熔體溫度，熔煉溫度為2000K～2800K，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到塊體非晶合金。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于，電弧熔煉爐內(nèi)的氬氣氣壓為0.02MPa～0.04MPa；通過(guò)銅模負(fù)壓吸鑄法獲得直徑為3mm的非晶合金棒，其臨界冷卻速度為103～102K/s；銅模負(fù)壓吸鑄時(shí)的氣壓差為0.01MPa～0.02MPa。
本發(fā)明的方案是根據(jù)多組元合金相的變電子濃度線判據(jù)，即多組元合金相與相關(guān)亞組元體系相的關(guān)系判據(jù)，設(shè)計(jì)Cu-Zr-Nb合金成分。采用非自耗電弧熔煉爐和銅模負(fù)壓吸鑄設(shè)備，通過(guò)本發(fā)明思路中提出的工藝方法制備成分均勻的Cu-Zr-Nb合金。用X射線衍射儀、差示掃描量熱儀(Mettler DSC822e)和差熱分析儀(Mettler TGA/SDTA851e)分析和測(cè)定Cu-Zr-Nb合金的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)參數(shù)，確定出具有強(qiáng)非晶形成能力的Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的成分范圍為(CuxZr1-x)1-yNby，其中，x的取值范圍為40wt.％≤x≤65wt.％；而y的取值范圍是1wt.％≤y≤15wt.％。不同成分的Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的制備工藝參數(shù)有所不同。一方面，當(dāng)合金中Cu、Zr元素的配比不變(即x值一定時(shí))，隨著合金中Nb含量的增大(即y值從1wt.％變化到15wt.％時(shí))，熔煉Zr(Nb)預(yù)合金錠的溫度將從2800K提高到3200K(通過(guò)控制電流密度值來(lái)實(shí)現(xiàn)，電流密度從150A/cm2上升到170A/cm2。)，而Cu-Zr-Nb合金的整體熔煉溫度則從2800K下降到2000K(電流密度從150A/cm2減少到120A/cm2)，同時(shí)，銅模負(fù)壓吸鑄時(shí)的氣壓差也相應(yīng)的從0.01MPa增加到0.02MPa。另一方面，當(dāng)合金中的Nb含量一定時(shí)(即y取1wt.％至15wt.％間的一確定值)，隨著合金中Cu∶Zr元素配比的增大(即Cu wt.％∶Zrwt.％從40∶60增大到65∶35)，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉溫度將逐步降低，變化范圍為3200～2800K(電流密度從170A/cm2變化到150A/cm2)，同時(shí)，Cu-Zr-Nb合金的熔煉溫度也逐步降低，變化范圍為2800～2000K(電流密度從150A/cm2變化到120A/cm2)。相應(yīng)的，銅模負(fù)壓吸鑄時(shí)的氣壓差隨合金熔煉溫度的降低從0.02MPa減小到0.01MPa。
Cu-Zr-Nb合金的X射線衍射結(jié)果表明，在直徑為3mm的(Cu53Zr47)1-yNby系列合金棒中，如果Nb含量小于1wt.％或大于15wt.％時(shí)，合金的X射線衍射譜中將出現(xiàn)了大量的明銳衍射峰，表明合金中生成了大量的晶體相，而當(dāng)合金中的Nb含量在1wt.％至15wt.％范圍內(nèi)時(shí)，合金棒的X射線衍射譜都呈現(xiàn)出典型的非晶態(tài)衍射特征，表明它們是塊體非晶合金。最終，實(shí)驗(yàn)確定在(CuxZr1-x)1-yNby(40wt.％≤x≤65wt.％；1wt.％≤y≤15wt.％)成分范圍內(nèi)，都可通過(guò)銅模吸鑄法獲得直徑3mm的非晶棒。其中，典型成分Cu52.5Zr46.2Nb1.3，Cu51.9Zr45.6Nb2.5和Cu51.2Zr45.0Nb3.8合金的非晶品質(zhì)由熱分析DSC、DTA實(shí)驗(yàn)表征，測(cè)得的有關(guān)非晶穩(wěn)定性和形成能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同列在表1中。
Tg、Tx是表征非晶合金熱穩(wěn)定性的特征參數(shù)，其值增加表明非晶抗晶化能力加強(qiáng)，非晶的熱穩(wěn)定性在增加。表1顯示，隨著Nb元素的少量(≤15wt.％)添加，Cu-Zr-Nb系非晶合金的熱穩(wěn)定性先增強(qiáng)后減弱。其中，具有最佳熱穩(wěn)定性的非晶合金是Cu51.2Zr45.0Nb3.8。而四種合金的過(guò)冷液相區(qū)ΔTx值基本相同，都在30K附近。
約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg＝Tg/Tl是表征非晶形成能力的主要參數(shù)。表1中四個(gè)Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的Tl值基本相同，由于Nb含量為3.8wt.％的非晶合金的Tg值較高，相應(yīng)的，其約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度較大，Tg/Tl為0.599。類似的，在新近提出的表征非晶形成能力的參數(shù)γ(γ＝Tx/(Tg+Tl))值方面，Nb含量為3.8wt.％的非晶合金也具有最大值0.390。因此，Nb含量為3.8wt.％的非晶合金的非晶形成能力相對(duì)最高。
室溫密度和硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金密度相近，但它們的維氏硬度值隨著Nb的含量變化明顯。當(dāng)合金中Nb含量從1.3wt.％增加到3.8wt.％時(shí)，塊體非晶合金的維氏硬度從587(kg/mm2)降低到566。其中，Cu52.5Zr46.2Nb1.3的硬度值達(dá)到587，高于Inoue發(fā)現(xiàn)的Cu-Zr-Ti系中最好成分Cu54.3Zr38.9Ti6.8的硬度值(Hv＝567，在同一試驗(yàn)條件下測(cè)定)，其它兩合金的硬度與Cu54.3Zr38.9Ti6.8的合金相同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式σy＝3Hv，可估算出合金的屈服強(qiáng)度，均超過(guò)1700MPa。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析，可得出如下結(jié)果通過(guò)本發(fā)明提出的合金熔煉工藝方法，可成功制備成分均勻的Cu-Zr-Nb合金；Nb元素可有效提高Cu-Zr基合金的非晶形成能力；一般的，Cu-Zr二元系中只能得到甩帶非晶，由于少量Nb(≤15wt.％)的添加，在Cu-Zr-Nb合金系的(CuxZr1-x)1-yNby(40wt.％≤x≤65wt.％；1wt.％≤y≤15wt.％)成分范圍內(nèi)，都可通過(guò)銅模吸鑄法獲得直徑3mm的非晶棒；由經(jīng)驗(yàn)公式Tc(K/s)＝10/R2(cm)(Tc為臨界冷卻速度，R為非晶合金的最大形成厚度)可估算出形成Cu-Zr-Nb非晶合金的臨界冷卻速度為103～102K/s量級(jí)，比形成Cu-Zr非晶合金的臨界冷速低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明Nb的添加使Cu-Zr合金的非晶形成能力提高了100倍以上。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是①由于采用了先熔煉Zr(Nb)預(yù)合金，再熔煉Cu-Zr-Nb合金的分步熔煉的工藝方法，實(shí)現(xiàn)了Nb元素與Zr、Cu金屬的完全融合，從而獲得成分均勻的Cu-Zr-Nb合金；②由于元素Nb加入，它有效的提高了Cu-Zr合金的非晶形成能力，在(CuxZr1-x)1-yNby(其中，x的取值為40wt.％≤x≤65wt.％；y的取值為1wt.％≤y≤15wt.％)范圍內(nèi)，都可用普通銅模吸鑄法制備出直徑為3mm的Cu-Zr-Nb非晶合金棒，其形成非晶的臨界冷卻速度為103～102K/s量級(jí)，比CuZr非晶合金的臨界冷速低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，表明Nb的添加使Cu-Zr合金的非晶形成能力提高了100倍以上；③由于高熔點(diǎn)金屬Nb可提高非晶合金的熱穩(wěn)定性，同時(shí)，Nb是強(qiáng)化合金的有效元素，因此，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金都具有高的熱穩(wěn)定性和高的機(jī)械強(qiáng)度，其晶化溫度Tx均超過(guò)700K，其室溫維氏硬度超過(guò)570，屈服強(qiáng)度超過(guò)1700MPa。
附表說(shuō)明表1是Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的典型成分和特征溫度測(cè)量結(jié)果。Tg表示玻璃化溫度，Tx晶化溫度，過(guò)冷液相區(qū)ΔTx，Tl液相點(diǎn)，Tg/Tl約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度，參數(shù)γ定義為T(mén)x/(Tg+Tl)。結(jié)果表明Cu-Zr-Nb塊體非晶合金都有高的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)的非晶形成能力。其中，具有最佳熱穩(wěn)定性和非晶形成能力的非晶合金是Cu51.2Zr45.0Nb3.8。
表2是Cu-Zr-Nb塊體非晶合金與其它Cu基非晶合金的室溫密度ρ、硬度Hv和屈服強(qiáng)度σy的比較。結(jié)果表明Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金都具有較高的硬度和強(qiáng)度。其中，Cu52.5Zr46.2Nb1.3的維氏硬度值為587，高于Inoue發(fā)現(xiàn)的Cu-Zr-Ti系中最好成分Cu54.3Zr38.9Ti6.8，其屈服強(qiáng)度為1760MPa。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附表，詳細(xì)說(shuō)明Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的實(shí)施方式，現(xiàn)以成分Cu52.5Zr46.2Nb1.3、Cu51.2Zr45.0Nb3.8、Cu45Zr40Nb15、Cu53.4Zr41.9Nb5.7和Cu36.1Zr53.9Nb10為例，說(shuō)明Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的制備過(guò)程。并結(jié)合附表，說(shuō)明Cu-Zr-Nb系塊體非晶的熱力學(xué)特點(diǎn)和性能特征。
實(shí)施例一，Cu52.5Zr46.2Nb1.3塊體非晶合金制備及其性能測(cè)試第一步，合金成分的選擇根據(jù)Cu-Zr二元系合金相圖特征，在甩帶非晶形成區(qū)中的富Cu區(qū)(40≤Cuwt.％≤65)，選取共晶點(diǎn)(如Cu53Zr47等)，獲得Cu-Zr二元系中Cu基非晶的最佳成分點(diǎn)，選擇Nb作為另一組元，連接Cu56Zr44共晶點(diǎn)與第三組元Nb，構(gòu)建變電子濃度線。沿著Cu53Zr47-Nb變電子濃度線設(shè)計(jì)合金成分(重量百分比)，如Cu52.5Zr46.2Nb1.3；第二步，成分配比的稱量根據(jù)設(shè)計(jì)的合金成分，按比例稱量純度為99％的高純金屬Zr，Nb和Cu原料，其中，Cu的量為52.5％，Zr的量為46.2％，Nb的量為1.3％；第三步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉首先將Zr、Nb金屬料混合，將其放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，采用非自耗電弧熔煉法在氣壓為0.04MPa的氬氣保護(hù)下熔煉Zr(Nb)合金，所采用的熔煉電壓為16伏，功率為5千瓦，熔煉溫度控制在2800K，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，熔煉時(shí)的電流密度為150A/cm2，到溫后持續(xù)熔煉合金熔體10秒鐘后斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉4次，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉將Cu原料與Zr(Nb)預(yù)合金錠混合，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，電弧熔煉爐內(nèi)氣壓為0.04MPa，熔煉溫度為2800K，電流密度為150A/cm2，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第五步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，電弧熔煉爐內(nèi)氣壓為0.04MPa，熔煉溫度為2800K，電流密度為150A/cm2，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，吸鑄時(shí)負(fù)壓儲(chǔ)氣瓶的氣壓與電弧熔煉爐中的氣壓差為0.02MPa，讓合金熔體快速充入圓柱形的銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的合金棒；第六步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試用X射線衍射儀(CuKα輻射，其波長(zhǎng)λ＝0.15406nm)分析Cu52.5Zr46.2Nb1.3合金棒的相結(jié)構(gòu)，其X射線衍射譜的呈現(xiàn)出典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的衍射特征，表明它是非晶合金，其中不含有晶體相。用差示掃描量熱儀和差熱分析儀測(cè)定了該合金的熱力學(xué)參數(shù)，得到其玻璃化溫度Tg為710K，晶化溫度Tx為742K，說(shuō)明Cu52.5Zr46.2Nb1.3塊體非晶合金具有較高的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，其約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg/Tl(0.593)和參數(shù)γ(0.389)表明該合金的具有很強(qiáng)的非晶形成能力，事實(shí)上它形成了直徑為3mm非晶棒。進(jìn)一步的維氏顯微硬度測(cè)試表明Cu52.5Zr46.2Nb1.3塊體非晶合金的顯微硬度達(dá)到587，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式σy＝3Hv，可估算出其屈服強(qiáng)度為1760MPa。
實(shí)施例二，Cu51.2Zr45.0Nb3.8塊體非晶合金制備及其性能測(cè)試第一步，合金成分的選擇合金成分的選擇方法同實(shí)施例一中的第一步，確定出合金成分——Cu51.2Zr45.0Nb3.8；
第二步，成分配比的稱量根據(jù)設(shè)計(jì)的合金成分，按比例稱量純度為99％的高純金屬Zr，Nb和Cu原料，其中，Cu的量為51.2％，Zr的量為45.0％，Nb的量為3.8％；第三步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行。其熔煉溫度為3000K，電流密度為160A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)的氬氣氣壓為0.03MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉4次后，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉Cu-Zr-Nb合金的熔煉過(guò)程同實(shí)施例一中實(shí)施例一第四步中的方法。但其熔煉溫度為2700K，電流密度為140A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)氬氣氣壓為0.03MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉3次后，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第五步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，電弧熔煉爐內(nèi)氣壓為0.03MPa，熔煉溫度為2700K，電流密度為140A/cm2；由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，吸鑄時(shí)負(fù)壓儲(chǔ)氣瓶的氣壓與電弧熔煉爐中的氣壓差為0.015MPa，讓合金熔體快速充入圓柱形的銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的合金棒；第六步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試結(jié)果表明Cu51.2Zr45.0Nb3.8合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其中不含任何晶體相。其Tg與Tx值分別為717K和747K；它的Tg/Tl和γ值分別為0.599和0.390。這些表明在Cu-Zr-Nb系非晶合金中，它是具有最佳的熱穩(wěn)和最高非晶形成能力的合金之一。
實(shí)施例三，Cu45Zr40Nb15塊體非晶合金制備第一步，合金成分的選擇合金成分的選擇方法同實(shí)施例一中的第一步，確定出合金成分——Cu45Zr40Nb15；第二步，成分配比的稱量根據(jù)設(shè)計(jì)的合金成分，按比例稱量純度為99％的高純金屬Zr，Nb和Cu原料，其中，Cu的量為45％，Zr的量為40％，Nb的量為15％；第三步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行。其熔煉溫度為3200K，電流密度為170A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)的氬氣氣壓為0.02MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉4次后，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉Cu-Zr-Nb合金的熔煉過(guò)程同實(shí)施例一中實(shí)施例一第四步中的方法。但其熔煉溫度為2000K，電流密度為120A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)氬氣氣壓為0.02MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉3次后，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第五步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，電弧熔煉爐內(nèi)氣壓為0.02MPa，熔煉溫度為2000K，電流密度為120A/cm2；由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，吸鑄時(shí)負(fù)壓儲(chǔ)氣瓶的氣壓與電弧熔煉爐中的氣壓差為0.01MPa，讓合金熔體快速充入圓柱形的銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的合金棒；第六步，結(jié)構(gòu)測(cè)試X射線衍射結(jié)果表明Cu45Zr40Nb15合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，是塊體非晶合金。
實(shí)施例四，Cu53.4Zr41.9Nb5.7塊體非晶合金制備第一步，合金成分的選擇合金成分的選擇方法同實(shí)施例一中的第一步，確定出合金成分——Cu53.4Zr41.9Nb5.7；第二步，成分配比的稱量根據(jù)設(shè)計(jì)的合金成分，按比例稱量純度為99％的高純金屬Zr，Nb和Cu原料，其中，Cu的量為53.4％，Zr的量為41.9％，Nb的量為5.7％；第三步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行。其熔煉溫度為2900K，電流密度為160A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)的氬氣氣壓為0.03MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉4次后，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉Cu-Zr-Nb合金的熔煉過(guò)程同實(shí)施例一中實(shí)施例一第四步中的方法。但其熔煉溫度為2000K，電流密度為120A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)氬氣氣壓為0.03MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉3次后，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第五步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，電弧熔煉爐內(nèi)氣壓為0.03MPa，熔煉溫度為2000K，電流密度為120A/cm2；由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，吸鑄時(shí)負(fù)壓儲(chǔ)氣瓶的氣壓與電弧熔煉爐中的氣壓差為0.01MPa，讓合金熔體快速充入圓柱形的銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的合金棒；第六步，結(jié)構(gòu)測(cè)試X射線衍射結(jié)果表明Cu53.4Zr41.9Nb5.7合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，是塊體非晶合金。
實(shí)施例五，Cu36.1Zr53.9Nb10塊體非晶合金制備第一步，合金成分的選擇合金成分的選擇方法同實(shí)施例一中的第一步，確定出合金成分——Cu36.1Zr53.9Nb10；第二步，成分配比的稱量根據(jù)設(shè)計(jì)的合金成分，按比例稱量純度為99％的高純金屬Zr，Nb和Cu原料，其中，Cu的量為36.1％，Zr的量為53.9％，Nb的量為10％；第三步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行。其熔煉溫度為3100K，電流密度為170A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)的氬氣氣壓為0.02MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉4次后，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉Cu-Zr-Nb合金的熔煉過(guò)程同實(shí)施例一中實(shí)施例一第四步中的方法。但其熔煉溫度為2300K，電流密度為130A/cm2；電弧熔煉爐內(nèi)氬氣氣壓為0.03MPa，經(jīng)反復(fù)熔煉3次后，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第五步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，電弧熔煉爐內(nèi)氣壓為0.03MPa，熔煉溫度為2300K，電流密度為130A/cm2；由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，吸鑄時(shí)負(fù)壓儲(chǔ)氣瓶的氣壓與電弧熔煉爐中的氣壓差為0.015MPa，讓合金熔體快速充入圓柱形的銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的合金棒；第六步，結(jié)構(gòu)測(cè)試X射線衍射結(jié)果表明Cu36.1Zr53.9Nb10合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，是塊體非晶合金。
表1Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的典型成分和特征溫度測(cè)量結(jié)果。
Composition(at％)Tg(K) Tx(K) ΔTx(K) Tl(K) Tg/TlγCu52.5Zr46.2Nb1.3p710 742 321197 0.5930.389Cu51.9Zr45.6Nb2.5711 743 321198 0.5930.389Cu51.2Zr45.0Nb3.8717 747 301196 0.5990.390Cu50.0Zr43.9Nb6.3711 742 311196 0.5940.389表2Cu-Zr-Nb塊體非晶合金與其它Cu基非晶合金的室溫密度ρ、硬度Hv和屈服強(qiáng)度σy的比較Composition(at％) ρ(g/cm3) Hv(kg/mm2) σy(MPa)Cu52.5Zr46.2Nb1.37.710587 1761Cu51.9Zr45.6Nb2.57.720567 1701Cu51.2Zr45.0Nb3.87.730566 1698Cu54.3Zr38.9Ti6.8(參考成分)7.630567 170權(quán)利要求
1.Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金，包括Cu元素和Zr元素，其特征在于(a).還包括有少量的Nb元素；(b).Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的成分通式為(CuxZr1-x)1-yNby，其中，x的取值范圍為40wt.％≤x≤65wt.％，而y的取值范圍是1wt.％≤y≤15wt.％，wt.％表示重量百分比。
2.制備權(quán)利要求1所述的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的工藝方法，包括成分配比稱量、加熱溫度、熔煉過(guò)程和冷卻速度，其特征在于(a).熔煉應(yīng)分步進(jìn)行，包括了對(duì)Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉、對(duì)Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉和Cu-Zr-Nb塊體非晶合金的制備；(b).工藝步驟是第一步，備料按設(shè)計(jì)成分的重量百分比稱取各組元的量值，Cu、Zr、Nb金屬原料的純度要求為99％，并將Zr、Nb金屬料混合備用；第二步，Zr(Nb)預(yù)合金錠的熔煉將Zr與Nb金屬的混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，溫度為2800K～3200K，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，并通過(guò)調(diào)整電流密度來(lái)控制熔煉溫度，電流密度的控制范圍為150A/cm2～170A/cm2，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉多次，得到成分均勻的Zr(Nb)預(yù)合金錠；第三步，Cu-Zr-Nb合金錠的熔煉將Cu原料與Zr(Nb)預(yù)合金錠混合，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為2000K～2800K，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，并通過(guò)調(diào)整電流密度來(lái)控制熔煉溫度，電流密度的控制范圍為120A/cm2～150A/cm2，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉多次，得到成分均勻的Cu-Zr-Nb合金錠；第四步，Cu-Zr-Nb塊體非晶合金制備將Cu-Zr-Nb合金錠置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，由紅外測(cè)溫儀測(cè)量熔體溫度，并通過(guò)120A/cm2～150A/cm2的電流密度來(lái)控制熔體溫度，熔煉溫度為2000K～2800K，到溫后持續(xù)熔煉10秒鐘后斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到塊體非晶合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求2制備權(quán)利要求1所述的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的工藝方法，其特征在于，電弧熔煉爐內(nèi)的氬氣氣壓為0.02MPa～0.04MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求2制備權(quán)利要求1所述的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的工藝方法，其特征在于，銅模負(fù)壓吸鑄時(shí)的氣壓差為0.01MPa～0.02MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求2制備權(quán)利要求1所述的Cu-Zr-Nb系塊體非晶合金的工藝方法，其特征在于，通過(guò)銅模負(fù)壓吸鑄法獲得直徑為3mm的塊體非晶合金棒，其形成非晶的臨界冷卻速度為103～102K/s。
全文摘要
新材料領(lǐng)域的Cu－Zr－Nb系塊體非晶合金，包括Cu和Zr元素，特征還有少量的Nb元素，通式為(Cu
文檔編號(hào)C22C45/00GK1556239SQ200410021060
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2004年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月12日
發(fā)明者董闖, 羌建兵, 王英敏, 夏俊海, 董 闖 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)