專利名稱：改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塊 體非晶合金的制備技術(shù)，具體為一種通過控制微觀結(jié)構(gòu)改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)合金熔體以晶體形核與長大的方式凝固時(shí)，原子排列方式必然發(fā)生變化，即從不斷變化的短程有序原子組態(tài)變成與晶體結(jié)構(gòu)和成分對應(yīng)的長程有序原子組態(tài)。原子組態(tài)在凝固過程中的這些變化都與原子擴(kuò)散有關(guān)，對于任意一種成分的合金，當(dāng)凝固冷速足夠高時(shí)，就可以抑制擴(kuò)散的進(jìn)行而形成非晶合金(金屬玻璃)。鋯基塊體非晶合金具有較高的玻璃形成能力，是一類非常有前景的結(jié)構(gòu)材料。然而，早期的一些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋯基塊體非晶合金是一類典型的脆性材料，在室溫條件下，它們不僅表現(xiàn)出幾乎為零的拉伸塑性和有限的壓縮塑性，而且也沒有明顯的彎曲塑性。但最近的一些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以通過控制微觀結(jié)構(gòu)改善鋯基塊體非晶合金的塑性。比如，通過低溫噴鑄在基體中引入納米晶或低溫退火導(dǎo)致基體中出現(xiàn)納米級的結(jié)構(gòu)不均勻均能提高合金的壓縮塑性；也可以通過軋制變形在非晶基體中引入大量均勻分布的剪切帶，從而改善合金的彎曲塑性。上述方法雖然在一定程度上改善了鋯基塊體非晶合金的塑性，但也有很大的局限性，要么操作工藝相對復(fù)雜、繁瑣，要么納米晶的形態(tài)、分布和數(shù)量很難有效控制，因此很難廣泛普及。相關(guān)研究工作表明，塊體非晶合金的塑性與微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量密切相關(guān)。微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量越高，塑性就越好。因此，可以通過增加微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量來改善非晶合金的塑性。眾所周知，非晶合金是液態(tài)合金快速冷卻的產(chǎn)物，可以認(rèn)為是“凍結(jié)”的液體，它的原子組態(tài)必與相應(yīng)的液態(tài)結(jié)構(gòu)相關(guān)。已有工作表明，母合金鑄錠的凝固組織與非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，因此可以通過控制母合金鑄錠的凝固組織達(dá)到改善非晶合金塑性的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改善鋯基塊體非晶合金塑性的方法，該方法工藝成本低且簡便易行，可以明顯改善塊體非晶合金的彎曲塑性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法，其特征在于，該方法的具體步驟如下第一步，原始母合金鑄錠的制備按合金名義成分將所需純金屬(純度不低于99. 9wt%)置于真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)熔化。熔化電流為200安，熔煉氣氛為經(jīng)過熔融鈦耗氧的高純氬氣，一次熔煉時(shí)間為60秒；完成一次熔煉后，把鑄錠翻過來再進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉4次，以保證母合金鑄錠的化學(xué)成分均勻；
第二步，母合金鑄錠凝固組織的細(xì)化將第一步得到的原始母合金鑄錠壓碎成多個(gè)小塊，將一定質(zhì)量的小塊合金重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，在熔煉電流為200安和一定電弧高度情況下反復(fù)熔煉3飛次；
第三步，鋯基塊體非晶合金的制備將第二步得到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，得到彎曲塑性高的鋯基塊體非晶合金。本發(fā)明提供的改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法機(jī)理是原始母合金鑄錠反復(fù)熔煉多次以后，得到的塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量顯著增加。高度無序的微觀結(jié)構(gòu)在引入更多的流變區(qū)域同時(shí)，也有利于在整體范圍內(nèi)出現(xiàn)密集的剪切轉(zhuǎn)變事件，以至于在發(fā)生突然斷裂前出現(xiàn)更多的彌散的塑性變形。而自由體積主要通過以下兩種方式影響非晶合金的塑性。一方面，自由體積含量較高的位置通常具有較低的強(qiáng)度，而且對加載應(yīng)力很敏感。這些位置可以認(rèn)為是預(yù)先存在的軟化區(qū)域。這些區(qū)域與周圍區(qū)域彈性性能的差別在塑性變形過程中可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，有利于剪切帶的形核。另一方面，高的自由體積含量意味著原子擴(kuò)散能力的增加。高的原子擴(kuò)散能力有利于緩解應(yīng)力集中，從而防止過早出現(xiàn)裂紋并可以阻止裂紋的擴(kuò)展。這就使非晶合金在斷裂前獲得更多的塑性變形。
在真空電弧爐中將一定質(zhì)量的原始母合金鑄錠反復(fù)熔煉多次，使其凝固組織顯著細(xì)化；利用這些鑄錠通過銅模吸鑄法制備片狀的塊體非晶合金。與原始母合金鑄錠得到的塊體非晶合金相比，反復(fù)熔煉多次以后得到的塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量顯著增加,彎曲位移也顯著增加。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明工藝方法簡單，不需要特殊設(shè)備的投入，在一般的真空電弧熔煉爐內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)，并且具有顯著的效果。2、本發(fā)明通過對母合金鑄錠凝固組織的控制，使相應(yīng)塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量顯著增加，從而達(dá)到改善現(xiàn)有非晶合金塑性的目的，而不需要耗費(fèi)大量的人力和物力開發(fā)新的塊體非晶合金成分，避免了大量的實(shí)驗(yàn)工作，并且在實(shí)際操作上更容易實(shí)現(xiàn)。


圖I為母合金鑄錠經(jīng)過不同熔煉次數(shù)后獲得的Zr55AlltlNi5Cu3tl塊體非晶合金的X射線譜。圖2為母合金鑄錠經(jīng)過不同熔煉次數(shù)后獲得的Zr55AliciNi5Cu3J^體非晶合金的DSC曲線，其加熱速度為20 K/分鐘。圖3a_b為母合金鑄錠經(jīng)過不同熔煉次數(shù)后獲得的Zr55AliciNi5Cu3J^體非晶合金的高分辨透射電鏡照片。圖4a_b為母合金鑄錠經(jīng)過不同熔煉次數(shù)后獲得的Zr55AlltlNi5Cu3ci塊體非晶合金的彎曲應(yīng)力-位移曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明只需通過控制母合金鑄錠的凝固組織，使相應(yīng)塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量顯著增加，即可達(dá)到改善現(xiàn)有非晶合金塑性的目的。以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明方法做進(jìn)一步解釋，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。Zr55AlltlNi5Cu3ci塊體非晶合金彎曲塑性的改善
實(shí)施例I
(I)將純度不低于99. 9wt%的Zr、Al、Ni、Cu組分按摩爾量比為55:10:5:30配好后，放入真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中，在經(jīng)熔融純鈦耗氧的高純氬氣氛保護(hù)下，利用電弧對其進(jìn)行反復(fù)熔煉。熔化電流為200安,一次熔煉過程以60秒為宜。完成一次熔煉后，把鑄錠翻過來再進(jìn)行熔煉。為了防止成分偏析，一般反復(fù)熔煉4次，得到原始母合金鑄錠。(2)將原始母合金鑄錠壓碎成小塊，然后將質(zhì)量為9克的小塊合金重新置于水冷銅坩堝內(nèi)熔化(熔煉電流為100安，熔煉時(shí)間為10秒)，然后利用電弧爐中的吸鑄裝置(壓力差為I個(gè)大氣壓)，將相同質(zhì)量的原始母合金鑄錠的熔體吸入水冷銅模，得到厚度為I mm的片狀塊體非晶合金，以RO表示。然后采用慢速轉(zhuǎn)鋸切割，得到尺寸為Γ 3'40 mm3的彎曲試樣。實(shí)施例2
(I)與實(shí)施例I的步驟(I)相同。 (2)將原始母合金鑄錠壓碎成小塊，然后將質(zhì)量為9克的小塊合金重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，選擇一定的熔煉電流(200安)和電弧高度(鎢電極與合金熔體表面的高度，以電弧能夠完全覆蓋熔體表面為宜)，反復(fù)熔煉3次，得到母合金鑄錠。(3)將步驟(2)得到的母合金鑄錠重新置于水冷銅坩堝內(nèi)熔化(熔煉電流為100安，熔煉時(shí)間為10秒)，然后利用電弧爐中的吸鑄裝置(壓力差為I個(gè)大氣壓)，將相同質(zhì)量的原始母合金鑄錠的熔體吸入水冷銅模，得到厚度為I mm的片狀塊體非晶合金，以R3表示。然后采用慢速轉(zhuǎn)鋸切割，得到尺寸為Γ340 mm3的彎曲試樣。實(shí)施例3
(I)與實(shí)施例I的步驟(I)相同。(2)將原始母合金鑄錠壓碎成小塊，然后將質(zhì)量為9克的小塊合金重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，選擇一定的熔煉電流(200安)和電弧高度(鎢電極與合金熔體表面的高度，以電弧能夠完全覆蓋熔體表面為宜)，反復(fù)熔煉6次，得到母合金鑄錠。(3)將步驟(2)得到的母合金鑄錠重新置于水冷銅坩堝內(nèi)熔化(熔煉電流為100安，熔煉時(shí)間為10秒)，然后利用電弧爐中的吸鑄裝置(壓力差為I個(gè)大氣壓)，將相同質(zhì)量的原始母合金鑄錠的熔體吸入水冷銅模，得到厚度為I mm的片狀塊體非晶合金，以R6表示。然后采用慢速轉(zhuǎn)鋸切割，得到尺寸為Γ340 mm3的彎曲試樣。
表I是對實(shí)施例I、實(shí)施例2和實(shí)施例3樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試，支點(diǎn)跨距為20 mm，壓頭行進(jìn)速度為O. 64 mm/min。
權(quán)利要求
1.ー種改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法，其特征在于，該方法的具體步驟如下 第一歩，原始母合金鑄錠的制備按合金名義成分將所需純度不低于99. 9wt%的純金屬置于真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)熔化，熔化電流為200安，熔煉氣氛為經(jīng)過熔融鈦耗氧的高純氬氣，一次熔煉時(shí)間為60秒；完成一次熔煉后，把鑄錠翻過來再進(jìn)行熔煉，反復(fù)熔煉4次，以保證母合金鑄錠的化學(xué)成分均勻； 第二歩，母合金鑄錠凝固組織的細(xì)化將第一歩得到的原始母合金鑄錠壓碎成多個(gè)小塊，將一定質(zhì)量的小塊合金重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，在熔煉電流為200安和一定電弧高度情況下反復(fù)熔煉3飛次； 第三歩，鋯基塊體非晶合金的制備將第二步得到的母合金鑄錠重新熔化，利用真空電弧熔煉爐中的吸鑄裝置，將母合金的熔體吸入水冷銅模，得到彎曲塑性高的鋯基塊體非晶I=I O
2.按照權(quán)利要求I所述的改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法，其特征在于第三步中，熔煉電流為100安，熔煉時(shí)間為10秒，高純氬氣氛為I個(gè)大氣壓。
3.按照權(quán)利要求I所述的改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法，其特征在于第二步中所述的電弧高度為鎢電極與合金熔體表面的高度，以電弧能夠完全覆蓋熔體表面為宜。
全文摘要
一種改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的方法，包括第一步，原始母合金鑄錠的制備，第二步，母合金鑄錠凝固組織的細(xì)化，第三步，鋯基塊體非晶合金的制備。本發(fā)明通過對母合金鑄錠凝固組織的控制，使相應(yīng)塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)的無序度和自由體積含量顯著增加，從而達(dá)到改善鋯基塊體非晶合金彎曲塑性的目的，具有方法簡單、成本低廉的特點(diǎn)。
文檔編號C22C45/10GK102703841SQ20121016360
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者劉禮, 周堯和, 李金富, 林濤, 胡勇 申請人:上海交通大學(xué)