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(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及的是一種高強(qiáng)度非晶合金材料的制備方法。
背景技術(shù)：
最近幾十年以來(lái)，人們對(duì)鎂基非晶合金進(jìn)行了較系統(tǒng)深入的研究。發(fā)現(xiàn)鎂基非晶 合金的強(qiáng)度可達(dá)一般晶態(tài)合金的2至3倍，比強(qiáng)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(rèn)為是一種極具潛力的新型輕質(zhì)高比強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)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(yīng)用價(jià)值，但對(duì)其非晶態(tài)合金的研 究涉及較少。因此，對(duì)鎂鋰基非晶合金的研究必將成為材料領(lǐng)域研究的重要課題之一。傳 統(tǒng)非晶制備過程中于成分設(shè)計(jì)及實(shí)施措施不當(dāng)造成鎂或鋰燒失嚴(yán)重，同時(shí)極易引入雜質(zhì)元 素，使得所制非晶合金成分與原來(lái)設(shè)計(jì)偏差較大，純度較低，各方面性能較差。雖然專利申請(qǐng)?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(xiàn)中，提出了一些關(guān)于鎂鋰基大塊非晶合金的制 備方法。但是，尋找一種成分設(shè)計(jì)合理以及簡(jiǎn)便易行的快速凝固技術(shù)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(xué)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(jié)構(gòu)材料得到廣泛的應(yīng)用，成為材料研究者 亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)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(shí)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(yīng)熔煉的方法進(jìn)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(jìn)行真空快淬，制得高強(qiáng)度鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。所述真空感應(yīng)熔煉的方法為將配好的合金原料放入石英容器內(nèi)，將其置于感應(yīng) 線圈中心，避免與線圈接觸，關(guān)閉中頻感應(yīng)熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa 的氬氣，反復(fù)三次后在氬氣保護(hù)下熔煉合金，將合金反復(fù)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(duì)其進(jìn)行清洗，將母合金粉碎后裝入石英容器 內(nèi)，將其置于感應(yīng)線圈中心，避免與線圈接觸；關(guān)閉爐門，往石英容器上端儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入 壓力為P1 = 5X10_2Pa的高純氬氣，將爐腔反復(fù)抽高真空后充入5X10_2Pa的氬氣保護(hù)氣形成P2的負(fù)壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應(yīng)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(nèi)， 獲得高強(qiáng)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(qiáng)的M鎂基塊體非晶合 金的基礎(chǔ)上，加入Li和稀土元素，通過采用真空快淬技術(shù)制備鎂鋰基非晶合金。由于操作 是在 真空狀態(tài)下進(jìn)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(zhì) 元素的混入，保證了非晶合金的純度；為減少鎂鋰燒失，預(yù)先制備了高熔點(diǎn)元素合金，稀土 元素Y提高了非晶形成能力，同時(shí)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(chǔ)氣罐內(nèi)充入壓力為P1(SXlO-2Pa)的高純氬氣， 然后將爐腔反復(fù)抽高真空后充入5 X KT2Pa的氬氣保護(hù)氣形成P2的負(fù)壓，最后在壓力差P = P^P2的作用下實(shí)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(xué)性能，其中Mg65Li4Cu16Ni5Yltl的抗壓縮強(qiáng)度達(dá)到了 729MPa，不僅 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶態(tài)鎂鋰合金的強(qiáng)度，并比具相同直徑的Mg65Cu25Yltl非晶合金試樣高49MPa， 與此同時(shí)該鎂鋰非晶合金的過冷液相區(qū)達(dá)50K，顯示了較強(qiáng)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(yù)先制備了高熔點(diǎn)元素合金，稀土元素Y提高了非晶形成能力，同時(shí)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(jìn) 行，獲得極高的冷速的同時(shí)，有效避免了雜質(zhì)元素的混入，保證了非晶合金的純度。制備工 藝簡(jiǎn)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(xué)及抗腐蝕性能，較強(qiáng)的非晶形成能力。本發(fā)明可作為性能優(yōu)良的工程結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng) 用于航空、航天、汽車、機(jī)械、電子、軍工產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)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(qiáng)度曲線。
具體實(shí)施例方式下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述實(shí)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(nèi)，將其置于感應(yīng)線圈 中心，避免與線圈接觸，關(guān)閉中頻感應(yīng)熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬 氣，反復(fù)三次后在氬氣保護(hù)下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復(fù)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(duì)其進(jìn)行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試 管內(nèi)，將其置于感應(yīng)線圈中心，避免與線圈接觸；關(guān)閉爐門，往石英試管上端儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入 壓力為P1(SXKT2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復(fù)抽高真空后充入5X10_2Pa的氬氣保護(hù)氣 形成P2的負(fù)壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應(yīng)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(nèi)， 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(jié)構(gòu)，如圖IA ；由該樣品的XRD衍 射圖普可知，所得樣品的組織結(jié)構(gòu)具典型的非晶結(jié)構(gòu)特征，說(shuō)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(zhuǎn)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(shuō)明所得樣品具有較強(qiáng)的非晶形成能力。步驟5 利用Instron 4505型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗壓縮強(qiáng)度來(lái)表征其力 學(xué)性能，如圖3Α。所得樣品的抗壓縮強(qiáng)度為729MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶態(tài)鎂鋰合金的強(qiáng)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(xué)性能。實(shí)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(nèi)，將其置于感應(yīng)線圈 中心，避免與線圈接觸，關(guān)閉中頻感應(yīng)熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬 氣，反復(fù)三次后在氬氣保護(hù)下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復(fù)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(duì)其進(jìn)行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試 管內(nèi)，將其置于感應(yīng)線圈中心，避免與線圈接觸；關(guān)閉爐門，往石英試管上端儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入 壓力為P1(SXKT2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復(fù)抽高真空后充入5X10_2Pa的氬氣保護(hù)氣 形成P2的負(fù)壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應(yīng)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(nèi)， 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(jié)構(gòu)，如圖IB ；由該樣品的XRD衍射圖普可知，所得樣品的組織結(jié)構(gòu)具典型的非晶結(jié)構(gòu)特征，說(shuō) 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(zhuǎn)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(shuō)明其具有較強(qiáng)的非晶形 成能力。
步驟5 利用Instron 4505型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗壓縮強(qiáng)度來(lái)表征其力 學(xué)性能，如圖3B。所得樣品的抗壓縮強(qiáng)度為616MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)晶態(tài)鎂鋰合金的 強(qiáng)度。
權(quán)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(yīng)熔煉的方法進(jìn)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(jìn)行真空快淬，制得高強(qiáng)度鎂鋰基Mg-Li-Cu-Ni-Y系塊體非晶合金。
2.根據(jù)權(quán)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(yīng)熔煉的方法為將配好的合金原料放入石英容器內(nèi)，將其置于感應(yīng)線圈中 心，避免與線圈接觸，關(guān)閉中頻感應(yīng)熔煉爐的爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬 氣，反復(fù)三次后在氬氣保護(hù)下熔煉合金，將合金反復(fù)熔煉3 5次；
3.根據(jù)權(quán)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(duì)其進(jìn)行清洗，將母合金粉碎后裝入石英容器內(nèi)，將 其置于感應(yīng)線圈中心，避免與線圈接觸；關(guān)閉爐門，往石英容器上端儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入壓力為P1 =5 X IO-2Pa的高純氬氣，將爐腔反復(fù)抽高真空后充入5 X 10_2Pa的氬氣保護(hù)氣形成P2的負(fù) 壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應(yīng)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(nèi)，獲得高強(qiáng)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(yīng)熔煉的方法進(jìn)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(jìn)行真空快淬，制得高強(qiáng)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(zhì)元素混入，提高了非晶合金純度，所得鎂鋰基非晶合金強(qiáng)度高、密度低、抗腐蝕性能好。
文檔編號(hào)C22C45/00GK101880840SQ20101021555
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)