專利名稱：一種鉭基大塊非晶合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉭基大塊非晶合金及其制備方法，具體地涉及一種以鉭為主要成 分，且包含至少50%體積百分比非晶相的鉭基大塊非晶合金。
背景技術(shù)：
高溫液態(tài)金屬或合金在平衡冷卻條件下通常結(jié)晶為晶體。20世紀(jì)60年代起，發(fā) 現(xiàn)了某些金屬或合金(如Au-Si等)在高速冷卻的非平衡條件下，例如達(dá)到每秒鐘IO4 10 的數(shù)量級(jí)時(shí)，在固化時(shí)會(huì)保持液態(tài)時(shí)的極端粘滯的狀態(tài)，從而抑制晶化，得到非晶態(tài)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。到20世紀(jì)80年代末，日本東北大學(xué)金屬研究所利用電弧熔煉和噴鑄技術(shù)制備出 直徑為毫米甚至厘米級(jí)的塊體非晶合金。隨后，非晶合金研究進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。通 過選擇不同金屬元素和合理配比，非晶合金形成的臨界冷卻速度可以降低到lK/s左右，其 臨界直徑可以高達(dá)80mm左右。非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是短程有序，長(zhǎng)程無序，而且合金中原子以金屬鍵相結(jié)合， 兼具普通非晶態(tài)物質(zhì)和金屬的某些特性。由于非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特性，其具有一系列獨(dú)特 的性能。非晶態(tài)合金具有高屈服強(qiáng)度、大彈性應(yīng)變極限、高疲勞抗力以及高耐磨性等優(yōu)異的 機(jī)械性能。非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的抗多種介質(zhì)腐蝕的能力。非晶態(tài)合金同樣具有優(yōu)良的軟 磁、硬磁以及獨(dú)特的膨脹特性等物理性能。當(dāng)非晶合金被重新加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg) 以上時(shí)，非晶合金在晶化前存在一個(gè)不發(fā)生晶化的溫度區(qū)，稱為過冷液相區(qū)(SLR)。在該區(qū) 域內(nèi)，非晶態(tài)合金表現(xiàn)出超塑性，并可以方便地進(jìn)行各種微納米級(jí)的精密加工變形。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的塊狀非晶合金系有Zr基、Ti基、Cu基、Fe基、Pd基、Pt基、 Au基、Mg基、Co基、Ni基、Ca基、Y基、Si基和稀土基的La基、Ce基、％基、ft·基、Nd基等。 它們除了具有非晶態(tài)合金的一般性質(zhì)之外，還各自具有不同的特性。如Co基非晶態(tài)合金具 有超高的強(qiáng)度，可以達(dá)到5000MPa以上，是金屬材料中最高的；Ce基非晶態(tài)合金具有極低的 玻璃轉(zhuǎn)變溫度Pe基非晶態(tài)合金具有優(yōu)異的磁學(xué)性能等。因此，開發(fā)新的非晶態(tài)合金體系 具有重要的意義。鉭(Ta)元素熔點(diǎn)高(3^0K)，密度大(16. 65g/cm3)，具有較大的模量(楊氏模量 186GPa,體模量200GPa)，耐腐蝕性能好，而其在電容器方面也有應(yīng)用。Ta基非晶態(tài)合金可 能具有高玻璃轉(zhuǎn)變溫度、大密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕性優(yōu)異等特性。因此，發(fā)展Ta基大塊非晶 合金既具有廣闊的潛在應(yīng)用前景又有利于我國(guó)提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主創(chuàng)新能力。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性好、大尺寸、以 過渡族金屬鉭為主要元素的鉭基大塊非晶合金。
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本發(fā)明的另一目的在于提供上述鉭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(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供了一種鉭基大塊非晶合金，其特征在于，該鉭基大塊非晶合金具有如 下通式所示的組成TaaNibCocMd其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d = 0 20 ;M 選自 Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag 和 Au 中的一種或多種。根據(jù)本發(fā)明提供的鉭基大塊非晶合金，其中，該鉭基大塊非晶合金在各個(gè)維度的 尺寸不小于1毫米。例如，在某些實(shí)施方案中，該鉭基大塊非晶合金在各個(gè)維度的尺寸不小 于2毫米。根據(jù)本發(fā)明提供的鉭基大塊非晶合金，其中，該鉭基大塊非晶合金可以包含至少 50體積％的非晶相，優(yōu)選包含至少80體積％的非晶相。例如，在某些優(yōu)選的實(shí)施方案中，非 晶相的含量可以達(dá)到約90體積％，甚至達(dá)到100體積％。在本發(fā)明的鉭基大塊非晶合金的某些實(shí)施方案中，M可以選自Al、Si、Nb、B、Cu、 Ti、Zr、Pd、Ag和Au中的一種或兩種。本發(fā)明還提供了上述鉭基大塊非晶合金的制備方法，該制備方法包括將非晶合 金原料混合熔煉，冷卻后得到母合金鑄錠；然后將該母合金鑄錠重熔并冷卻成型。根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法，其中，所述非晶合金原料的加入量滿足如下通式所 示的組成TaaNibCocMd,其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d =0 20 ；M選自Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、iVg* Au中的一種或多種。優(yōu)選地，所述！"a、 Ni、Co和M元素的純度均不低于99. 5重量％。本發(fā)明所述熔煉的方法可以為本領(lǐng)域中各種常規(guī)的熔煉方法，只要將非晶合金原 料充分熔融即可?？梢栽陔娀∪蹮挔t或感應(yīng)熔煉爐內(nèi)將各種合金元素熔融。重熔過程一般 采用電弧熔煉、感應(yīng)熔煉或電阻熔煉。所述成型方法可以為本領(lǐng)域中各種常規(guī)的成型方法， 例如甩帶、銅模鑄造、吸鑄、壓鑄、射流成型或水淬法。在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供的制備方法可以按照如下步驟進(jìn)行(1)母合金的制備將各元素Ta、Ni、Co和M按照TaaNibCoeMd的原子比配料，在鈦 吸附的氬氣氛的電弧爐中，將配好的原料混合物熔煉3-6次，混合均勻，冷卻后得到母合金
鑄錠；(2)吸鑄將步驟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，得到不同尺寸的鉭基非晶合金。本發(fā)明提供的鉭基大塊非晶合金與現(xiàn)有的非晶合金相比，具有如下有益效果1)熱穩(wěn)定性好。本發(fā)明所使用的鉭具有高熔點(diǎn)的特征，以其為基體制備得到的大 塊非晶合金具有極高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和晶化溫度(Tx)，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)保 證其非晶特性。2)力學(xué)性能優(yōu)異。其斷裂強(qiáng)度(σ )可以達(dá)到2. 7GPa,顯微硬度(Hv)達(dá)到lOGPa， 楊氏模量(E)約為170GPa，這些都優(yōu)于大多數(shù)的大塊非晶合金。同時(shí)，由于其密度較大 (12. 98g/mm3)，是一種潛在的穿甲彈芯材料。3)優(yōu)異的抗腐蝕性能。由于本發(fā)明所使用的鉭具有優(yōu)異的抗腐蝕性能以及大塊非
4晶合金獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，其抗腐蝕性能十分優(yōu)越。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖1是本發(fā)明實(shí)施例1-3的鉭基大塊非晶合金的X射線衍射圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1-3的鉭基大塊非晶合金的差熱分析(DSC)曲線圖，其升溫 速率為ΙΟΚ/min ；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的鉭基大塊非晶合金的壓縮曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述，給出的實(shí)施例僅為了闡 明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的鉭基非晶合金的制備。使用純度為99. 5%以上的原料Ta、Ni、Co，按摩爾比為42 40 18配好原 料，將其放入鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中熔煉，熔煉3次，使母合金成分均勻，冷卻后得到 Ta-Ni-Co三元合金的母合金鑄錠；然后將此母合金鑄錠重新熔化，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Ta42Ni4tlCo18、直徑為2mm長(zhǎng)為5cm的圓柱狀非
晶合金。該非晶合金的X射線衍射(XRD)結(jié)果如圖1所示C^42Ni4ciCo18對(duì)應(yīng)的曲線)，證明 該合金是完全的非晶態(tài)的。通過計(jì)算熱焓可以證明該非晶合金包含不低于50%體積百分比非晶相。該非晶合金的熱分析(DSC)圖如圖2所示C^42Ni4ciCo18對(duì)應(yīng)的曲線)，顯示其玻璃 化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，晶化開始溫度(Tx)，過冷區(qū)間的寬度(ΔΤ = Tx-Tg)分別為983K、1023K 和40K。因此，該合金具有較高的熱穩(wěn)定性，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保證其非晶特性。圖3為本實(shí)施例制得的鉭基大塊非晶合金的壓縮曲線，應(yīng)變速率為5Χ10_ 表 明該合金具有極高的斷裂強(qiáng)度和較大的彈性極限。實(shí)施例2本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的鉭基非晶合金的制備。使用純度為99. 5%以上的原料Ta、Ni、Co、Cu，按摩爾比為42 38 18 2配 好原料，將其放入鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中熔煉，熔煉5次，使母合金成分均勻，冷卻后 得到Ta-Ni-Co-Cu四元合金的母合金鑄錠；然后將此母合金鑄錠重新熔化，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I^42Ni38C0l8Cu2,直徑為2mm長(zhǎng)為5cm 的圓柱狀非晶合金。該非晶合金的X射線衍射(XRD)結(jié)果如圖1所示(Tii42Ni38C0l8Cu2對(duì)應(yīng)的曲線)， 證明該合金是完全的非晶態(tài)的。通過計(jì)算熱焓可以證明該非晶合金包含不低于50%體積百分比非晶相。該非晶合金的熱分析(DSC)圖如圖2所示(Tii42Ni38C0l8Cu2對(duì)應(yīng)的曲線)，顯示其 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、晶化開始溫度(Tx)、過冷區(qū)間的寬度(ΔΤ = Tx-Tg)分別為984K、1001和19K。因此，該合金具有較高的熱穩(wěn)定性，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保證其非晶特 性。實(shí)施例3本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的鉭基非晶合金的制備。使用純度為99. 5%以上的原料Ta、Ni、Co、Pd，按摩爾比為42 36 18 4配好 原料，將其放入鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中熔煉，熔煉6次，保證母合金成分均勻，冷卻后 得到Ta-Ni-Co-Pd四元合金的母合金鑄錠；然后將此母合金鑄錠重新熔化，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I^42Ni38Co18Pd4,直徑為2mm長(zhǎng)為5cm 的圓柱狀非晶合金。該非晶合金的X射線衍射(XRD)結(jié)果如圖1所示(Tii42NisA)18Pd4對(duì)應(yīng)的曲線)， 證明該合金是完全的非晶態(tài)的。通過計(jì)算熱焓可以證明該非晶合金包含不低于50%體積百 分比非晶相。該非晶合金的熱分析(DSC)圖如圖2所示(Tii42NisA)18Pd4對(duì)應(yīng)的曲線)，顯示其 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、晶化開始溫度(Tx)、過冷區(qū)間的寬度(ΔΤ = Tx-Tg)分別為991、 1008K和15K。因此，該合金具有較高的熱穩(wěn)定性，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保證其非晶特 性。實(shí)施例4 31實(shí)施例4 31用于說明本發(fā)明提供的鉭基非晶合金的制備。參照實(shí)施例1的方法，制備各種配比的鉭基大塊非晶合金，其組成和熱物性參數(shù) (測(cè)量時(shí)所用的加熱速率為lOK/min)列于表1中。表 權(quán)利要求
1.一種鉭基大塊非晶合金，其特征在于，該鉭基大塊非晶合金具有如下通式所示的組成TaaNibCocMd其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d = 0 20 ;M 選自 Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag 和 Au 中的一種或多種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭基大塊非晶合金，其中，該鉭基大塊非晶合金在各個(gè)維度 的尺寸不小于1毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉭基大塊非晶合金，其中，該鉭基大塊非晶合金在各個(gè)維 度的尺寸不小于2毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的鉭基大塊非晶合金，其中，該鉭基大塊非晶合金 包含至少50體積％的非晶相。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的鉭基大塊非晶合金，其中，M選自Al、Si、Nb、B、 Cu、Ti、Zr、Pd、Ag和Au中的一種或兩種。
6.權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述鉭基大塊非晶合金的制備方法，其特征在于，該制備方 法包括將非晶合金原料混合熔煉，冷卻后得到母合金鑄錠；然后將該母合金鑄錠重熔并 冷卻成型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，所述非晶合金原料的加入量滿足如下通式 所示的組成TaaNibCocMd其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d = 0 20 ;M 選自 Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag 和 Au 中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其中，所述Ta、Ni、Co和M元素的純度均不低于 99. 5重量％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鉭基大塊非晶合金及其制備方法，該鉭基大塊非晶合金具有如下通式所示的組成TaaNibCocMd，其中，a+b+c+d＝100，且a＝40～60，b＝5～45，c＝5～30，d＝0～20；M選自Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag和Au中的一種或多種。本發(fā)明提供的鉭基大塊非晶合金熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)異，并且具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。
文檔編號(hào)C22C45/10GK102094157SQ20111002827
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者丁大偉, 孟棟, 易軍, 汪衛(wèi)華, 潘明祥, 趙德乾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所