專利名稱：一種釓基大塊非晶合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合金，具體地說是涉及一種以重稀土元素釓為主要成分，添加了適量合金元素，且包含至少50％的非晶相(體積百分比)的釓基大塊非晶合金。
背景技術(shù)：
通常，金屬或合金從液態(tài)冷卻下來時都會結(jié)晶形成晶體。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)某些金屬或合金在冷卻速率足夠快，例如達到每秒鐘104～106K的數(shù)量級時，在固化時會保持液態(tài)時的極端粘滯的狀態(tài)，從而抑制晶化，得到非晶相的金屬或合金。
但是，為了獲得如此高的冷卻速率，只能將熔化的金屬或合金噴到導(dǎo)熱非常好的傳導(dǎo)基底上，這樣獲得的非晶金屬或合金的尺寸非常小。例如，將熔態(tài)合金噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，得到薄帶，或澆鑄到冷基底中得到薄片和粉末等。
每次形成的非晶合金被重新加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上時，非晶合金在晶化前存在一個不發(fā)生晶化的溫度區(qū)，稱為過冷液相區(qū)(SLR)。一般來說，過冷液相區(qū)越寬，非晶的超塑性加工能力越強。對于具有良好的形成能力的非晶合金，人們期望晶化曲線向右，即向更長的時間移動。非晶合金抵抗晶化的能力與合金從熔態(tài)冷卻下來形成非晶所要求的冷卻速率有關(guān)，這是在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上對非晶合金進行加工期間無序相穩(wěn)定的標(biāo)志。
我們期望抑制結(jié)晶的冷卻速率足夠低，獲得更大尺寸的塊體非晶并使得在晶化發(fā)生前可獲得更長的加工處理時間，即這樣的大塊非晶合金可以在不發(fā)生晶化的情況下，充分加熱到玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上進行加工，使其適合于工業(yè)用途。
近十年來塊狀非晶合金在制備及性能研究方面取得突破性進展。目前已能在較低的冷卻速率下，通過普通工藝方法如金屬模鑄造、水淬、遏制非均勻形核、定向凝固、粉末冶金、噴鑄成形、壓實成型等制備多種合金體系的塊狀非晶合金。塊狀非晶合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的加工性能、優(yōu)良的化學(xué)活性和磁學(xué)性能，在民用及軍事領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。目前，人們不斷在尋找高玻璃形成能力的新體系非晶合金，但有關(guān)稀土基非晶合金的制備和性能研究還不多，特別是重稀土非晶合金。而稀土作為重要的戰(zhàn)略資源，由于其獨特的光、電和磁性能，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、冶金、化工、石油、環(huán)保及新材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。因此，發(fā)展稀土基塊狀非晶合金具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高玻璃形成能力、抑制結(jié)晶能力強、可以在很低的冷卻速率下制得更大尺寸的、以稀土元素釓為金屬基的釓基大塊非晶合金。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述釓基大塊非晶合金的制備方法。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供一種釓基大塊非晶合金，是以釓為主要成分，添加其它合金元素，其組成可用如下公式表示GdaAlbNicCud其中50≤a≤80，5≤b≤20，5≤c≤20，5≤d≤20，且a+b+c+d＝100。
所述的Gd、Al、Ni和Cu元素的純度不低于99.5％(重量百分比)。
所述的釓基大塊非晶合金包含至少50％體積百分比非晶相，尺寸在各個維度不小于1毫米。
本發(fā)明提供的釓基大塊非晶合金還包括過渡族金屬元素M，合金的組成可用如下公式表示GdaAlbNicCudMe其中50≤a≤80，5≤b≤20，5≤c≤20，5≤d≤20，0＜e≤15，且a+b+c+d+e＝100。
所述的過渡族金屬元素M為Sc，Nb，Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Y，La，Pr，Nd或Hf。所述過渡族金屬元素M的純度不低于99.5％(重量百分比)。
本發(fā)明提供一種上述釓基大塊非晶合金的制備方法，包括如下步驟1)在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中，按所需要的原子配比將上述組分Gd、Cu、Ni和Al混合均勻，熔煉，冷卻后得到母合金鑄錠；2)使用常規(guī)的金屬型鑄造法，將步驟1)制得的母合金鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置，將母合金的熔體吸入水冷銅模，得到釓基大塊非晶合金GdaAlbNicCud。
本發(fā)明提供的上述釓基大塊非晶合金的制備方法，還包括在步驟1)中將所需要的原子配比的過渡族金屬元素M與Gd、Al、Cu和Ni一起熔煉。
所述的過渡族金屬元素M為Sc，Nb，Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Y，La，Pr，Nd或Hf。
本發(fā)明提供的釓基大塊非晶合金具有高玻璃形成能力，其晶化溫度在450～580K左右，玻璃轉(zhuǎn)變溫度在500～550K左右，過冷液相區(qū)的寬度在25～75K之間。
本發(fā)明提供的釓基大塊非晶合金與現(xiàn)有的非晶合金相比，其優(yōu)益之處在于1、該釓基大塊非晶合金的臨界冷卻速率低，冷卻速率(Rc)可以達到102K/s的數(shù)量級，抑制結(jié)晶能力強，易于形成大尺寸的非晶合金，其尺寸在各個維度不小于1毫米，臨界直徑尺寸不小于1.5mm；2、成本低。我國稀土資源豐富，稀土釓制備簡單，所以是一種很適合于我國資源特點的大塊非晶體系。


圖1為本發(fā)明實施例1的非晶合金Gd60Cu20Al10Ni10的X射線衍射分析譜；圖2為本發(fā)明實施例1的非晶合金Gd60Cu20Al10Ni10的DSC和DTA曲線圖。
具體實施例方式
實施例1、Gd60Cu20Al10Ni10大塊非晶合金的制備使用純度為99.9％以上的摩爾量比為60∶20∶10∶10的Gd、Cu、Al及Ni制備釓基大塊非晶合金，首先將四種組分按比例配好后在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中熔煉，混合均勻，冷卻后得到Gd-Cu-Al-Ni四元合金的母合金鑄錠；然后使用常規(guī)的金屬型鑄造方法，將此鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置，將母合金熔體吸入水冷銅模，得到成分為Gd60Cu20Al10Ni10，直徑為1.5mm的塊體非晶合金。
如圖1所示的X射線衍射(XRD)證明該合金是完全的非晶態(tài)的。如圖2所示的熱分析(DSC)圖，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，晶化開始溫度(Tx)，過冷區(qū)間的寬度(ΔT＝Tx-Tg)分別為481K，514K和33K。此外，該合金還具有較高的約化玻璃溫度(Trg)和玻璃化指數(shù)(γ)，它們分別為0.55和0.366。Trg和γ值通?？梢杂脕砼袛喾蔷Ш辖鸬牟Ａ纬赡芰Γ虼丝芍狦d60Al10Ni10Cu20非晶合金具有較大的玻璃形成能力。
實施例2～19按實施例1的方法制備各種配比的釓基大塊非晶合金，其組成和熱物性參數(shù)列于表1。
表1、釓基大塊非晶合金的組成和熱物性參數(shù)


注1)其中Trg＝Tg/Tm，γ＝Tx/(Tg+Tl)，Dc為本實驗條件下的臨界尺寸。
2)表中各成分樣品測量時所用的加熱速率為10K/min。
本發(fā)明提供的釓基大塊非晶合金所要求的釓為工業(yè)用的原材料，其純度為99.5％，相比之下，其成本比其它貴金屬基的要低。而且我國是稀土大國，含釓的礦產(chǎn)資源很豐富，所以發(fā)展釓基大塊非晶合金非常適合于我國資源特點。由于釓元素具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，其化合物有奇特的磁和磁光性能，被廣泛用于制備功能材料，而釓基非晶合金結(jié)構(gòu)不同于晶體結(jié)構(gòu)，因此具有潛在的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種釓基大塊非晶合金，是以釓為主要成分，其組成可用如下公式表示GdaAlbNicCud其中50≤a≤80，5≤b≤20，5≤c≤20，5≤d≤20，且a+b+c+d＝100。
2.如權(quán)利要求1所述的釓基大塊非晶合金，其特征在于，所述的Gd、Al、Ni和Cu元素的純度均不低于99.5wt％。
3.如權(quán)利要求1所述的釓基大塊非晶合金，其特征在于，所述的釓基大塊非晶合金包含至少50％體積百分比非晶相。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的釓基大塊非晶合金，其特征在于，所述的釓基大塊非晶合金還包括過渡族金屬元素M，合金的組成可用如下公式表示GdaAlbNicCudMe其中50≤a≤80，5≤b≤20，5≤c≤20，5≤d≤20，0＜e≤15，且a+b+c+d+e＝100。
5.如權(quán)利要求4所述的釓基大塊非晶合金，其特征在于，所述的過渡族金屬元素M為Sc，Nb，Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Y，La，Pr，Nd或Hf。
6.如權(quán)利要求4所述的釓基大塊非晶合金，其特征在于，所述過渡族金屬元素M的純度不低于99.5wt％。
7.一種權(quán)利要求1所述的釓基大塊非晶合金的制備方法，包括如下步驟按照GdaAlbNicCud，其中50≤a≤80，5≤b≤20，5≤c≤20，5≤d≤20，且a+b+c+d＝100的比例準(zhǔn)備原料；1)在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中，按所需要的原子配比將上述組份中的Gd、Al、Cu和Ni混合均勻，熔煉，冷卻后得到母合金鑄錠；2)吸鑄使用常規(guī)的金屬型鑄造法，將步驟1)制得的母合金鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置，將母合金的熔體吸入水冷銅模，得到釓基大塊非晶合金。
8.如權(quán)利要求7所述的釓基大塊非晶合金的制備方法，還包括按照GdaAlbNicCudMe，其中50≤a≤80，5≤b≤20，5≤c≤20，5≤d≤20，0＜e≤15，且a+b+c+d+e＝100的比例準(zhǔn)備原料；在步驟1)中將所需要的原子配比的過渡族金屬元素M與Gd、Al、Cu和Ni一起熔煉。
9.如權(quán)利要求8所述的釓基大塊非晶合金的制備方法，其特征在于，所述的過渡族金屬元素M為Sc，Nb，Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Y，La，Pr，Nd或Hf。
10.如權(quán)利要求7、8或9所述的釓基大塊非晶合金，其特征在于，所述的Gd、Al、Ni、Cu元素和過渡族金屬元素M的純度均不低于99.5wt％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種釓基大塊非晶合金，是以釓為主要成分，且包含至少50％體積百分比非晶相，其組成可用如下公式表示Gd
文檔編號C22C45/00GK1676657SQ20041003076
公開日2005年10月5日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者李松, 趙德乾, 潘明祥, 汪衛(wèi)華 申請人:中國科學(xué)院物理研究所