專利名稱：一種晶體/非晶復(fù)合粉體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合粉體，尤其是涉及一種晶體/非晶復(fù)合粉體及其制備方法。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，大塊非晶合金因具 有高彈性極限、高強(qiáng)度、高硬度以及良好的耐腐蝕性等性能，而在生物醫(yī)學(xué)組件、電子設(shè)備、體育用品、軍事以及空間領(lǐng)域等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種新型的工業(yè)或工程材料。但是，單相大塊非晶合金材料的塑性變形是通過(guò)高度局域剪切變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的，雖然在剪切帶內(nèi)塑性應(yīng)變非常大，但是由于在斷裂前剪切帶的數(shù)量有限，因而室溫下大塊非晶合金幾乎不表現(xiàn)出任何宏觀塑性變形就發(fā)生災(zāi)難性的脆性斷裂，這嚴(yán)重制約著大塊非晶合金作為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料在工程中的大規(guī)模應(yīng)用。為了改善大塊非晶合金的室溫宏觀塑性，研究者提出一種可行的方法是在非晶合金基體中引入各種形式的塑性晶體相，這直接導(dǎo)致了晶體/非晶復(fù)合材料的誕生，受到了各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注。根據(jù)引入晶態(tài)相的方式，晶體/非晶復(fù)合材料的制備方法(6、A. Inoue, S.Chen,T. Masumotoj Zr-Y base amorphous alloys with two glass transitions and twosupercooled liquid regions, Mater. Sci. Eng. A，Vol. 179-180 (1994)，pp. 346-350 ;7、T. Nagasej A. YokoyamajY. Umakoshij Multi-scale crystalline Cu globule dispersedFe-based metallic glass formation by multi-step liquid phase separation, J.Alloys. Compds.，Vol. 494 (2010)，pp. 295-300 ;8、T. Nagasej Y. Umakoshi，F(xiàn)ormation ofmelt-extracted wire of Fe-Cu-Si-B alloy with core-wire/surface-cover-layerstructure by arc-melt type melt-extraction method,J.Alloys.Compds.，Vol. 495 (2010)，pp. L1-L4 ;9、Q. S. Zhang, W. Zhang, G. Q. Xiej A. Inouej Formationofa phase separating bulk metallic glass in Cu40Zr40Al10Ag10 alloy,Mater. Sci. Eng.Bj Vol. 148 (2008)，pp. 97-100 ;10、K. Ziewiecj Z. Kedzierskij A. Lipiecj J. Stepinskij S.Kacj Formation, properties and microstructure of amorphous/crystalIine compositeAg20Cu30Ti50 alloy using miscibility gap, J. Alloys. Compds. , Vol. 482 (2009), pp. 114-117)大致可分為四類外加晶體顆?；蚶w維復(fù)合、納米晶析出、內(nèi)生枝晶復(fù)合和液相分離型高溫熔體的快速凝固。目前晶體/非晶復(fù)合材料的形式多為薄片、薄帶、鑄錠等，卻沒(méi)有粉末冶金領(lǐng)域常用的粉體材料。因此，尋找一種晶體/非晶復(fù)合粉體極其制備技術(shù)是十分必要而且重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種晶體/非晶復(fù)合粉體及其制備方法，特別是Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料及其制備方法。所述晶體/非晶復(fù)合粉體，包括晶相和非晶相，晶相為富銅相(Cu-rich)，非晶體相為富鐵娃硼相(Fe-Si-B-rich);合金元素Cu、Fe、Si、B形成偏晶型合金，形成偏晶型合金的成分按原子百分比為(Fea75Si0.D10chxCux (at. %)，其中x的值在10 90之間。所述晶體/非晶復(fù)合粉體的粒徑可為1(Γ350 μ m,且粒徑集中，球形度好。所述晶體/非晶復(fù)合粉體的制備方法包括以下步驟I)按原子百分比，設(shè)計(jì)Fe-Si-B-Cu合金的成分，稱量各金屬后放入真空感應(yīng)爐內(nèi)的熔煉裝置熔化，得合金液體；2)將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，噴射惰性氣體，即得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。在步驟I)中，所述真空感應(yīng)爐的工作頻率可為100 200kHz。在步驟2)中，所述惰性氣體可選自氬氣或氮?dú)獾?，所述噴射惰性氣體的霧化氣壓可為3 14MPa ;且氣體種類和霧化氣壓可以根據(jù)實(shí)際合金體系和熔煉合金量進(jìn)行相應(yīng)的 調(diào)整；所述惰性氣體的流速盡可能快，以便盡可能獲得高的冷卻速度，有利于非晶的形成。所述晶體/非晶復(fù)合粉體的粒徑可通過(guò)改變霧化氣壓和熔融溫度進(jìn)行調(diào)控，通常為1(Γ350μπι，且粒徑集中，球形度好。本發(fā)明的技術(shù)方案是利用發(fā)展成熟的霧化法制粉工藝，同時(shí)利用液相分離型合金的特征和分離后液態(tài)合金玻璃轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，一次性地制備出晶體/非晶復(fù)合粉體。本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的霧化法制粉工藝，利用計(jì)算相圖數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)合適的Cu-Fe-Si-B復(fù)合粉體的合金成分，稱量各純金屬放入置入霧化設(shè)備的坩堝中，抽真空達(dá)到要求的真空度后，感應(yīng)熔融金屬，然后將熔融液體通過(guò)控制裝置流入霧化室，與此同時(shí)用高壓惰性氣體噴射霧化后，即得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體。合金元素Cu、Fe、Si、B按一定的配比在高溫下形成偏晶型合金，發(fā)生偏晶反應(yīng)(或液相調(diào)幅分解反應(yīng))，偏晶反應(yīng)是指組元之間混合焓為正，組元原子間相互排斥，在一定的溫度范圍內(nèi)，其相圖中存在穩(wěn)定的兩液相分離區(qū)，合金液體在冷卻過(guò)程中會(huì)由單一液相轉(zhuǎn)變成兩液相。其工藝流程簡(jiǎn)單、成本低、效率高，一次性制備Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料；而且污染少，可滿足現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的要求，Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料的界面結(jié)合良好。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的合金Fe75SiltlB15 (at. %)與純Cu之間的相關(guān)系與溫度示意圖。在圖I中，橫坐標(biāo)為銅的原子分?jǐn)?shù)(Cu/at. %),縱坐標(biāo)為溫度(Temperature/°C);合金(Fea75SiaiBa 15) 100_xCux (X: 10 90，at. %)在一定的溫度范圍內(nèi)，其液相均呈兩相分離(LI +L2)狀態(tài)。另外，Liquid 指單一液相區(qū)，Ll+L2+Fe2B, Liquid+ (Cu) +Fe2B 以及 Fe+(Cu)+Fe2B均為三相平衡區(qū)。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的(Fea75SiaiBai5)55Cu45 (at. %)合金粉體橫截面組織示意圖。在圖2中，標(biāo)記A為富銅相(Cu-rich)，B為富鐵硅硼相(Fe-Si-B-rich)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的(Fea75Si0. Λ. 15) 55Cu45 (at. %)合金粉體的X射線衍射圖譜。在圖3中，橫坐標(biāo)為衍射角(2 Θ /degree),縱坐標(biāo)為峰強(qiáng)(Intensity)；標(biāo)記
為fee (Cu-rich),即表示富銅相(Cu-rich)為面心立方(fee)的晶體相；標(biāo)記■為amorphous (Fe-Si-B-rich),即表不富鐵娃硼相(Fe-Si-B-rich)為非晶(amorphous)狀態(tài)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :按原子百分比，按預(yù)先設(shè)定的(Fea75SiaiBai5)55Cu45(at. %)合金的成分，稱量各純金屬后放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內(nèi)置于霧化設(shè)備的真空感應(yīng)爐(電源電壓110V/220VAC ;電源頻率:5(Γ60Ηζ ;工作頻率:100 200kHz)中，關(guān)閉爐門(mén)后抽真空至真空感應(yīng)爐內(nèi)的真空度至I X 10 ,加大電流至純金屬完全熔化至液體，所得合金液體成分為(Fetl.75Si0. ^0.15) 55Cu45(at. %)。將熔化了的合金液體(約Ikg)傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氮?dú)獯抵?，在霧化室的最下端可得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。關(guān)閉氮?dú)鈿饬鏖y，同時(shí)將電流值減小至零，當(dāng)霧化設(shè)備冷卻到常溫(約25°C)時(shí)，打開(kāi)充氣閥注入空氣，至霧化設(shè)備內(nèi)外壓強(qiáng)平衡時(shí)開(kāi)啟出料門(mén)，取出Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料，其橫截面組織示意圖見(jiàn)圖2。合金Fe75SiltlB15 (at.%)與純Cu之間的相關(guān)系與溫度示意圖參見(jiàn)圖1，合金(Fetl75Si0.iB0.15)ioo-xCux(x :10 at.%)在一定的溫度范圍內(nèi)，其液相均呈兩相分離(LI十L2)狀態(tài)。另外，Liquid 指單一液相區(qū)，Ll+L2+Fe2B，Liquid+ (Cu) +Fe2B 以及 Fe+ (Cu) +Fe2B 均為三相平衡區(qū)。(Fea75SiaiBai5)55Cu45 (at. %)合金粉體的X射線衍射圖譜的參見(jiàn)圖3。 實(shí)施例2 :按原子百分比，按預(yù)先設(shè)定的(Fea75SiaiBai5)9tlCultl(at. %)合金的成分，稱量各純金屬后放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內(nèi)置于霧化設(shè)備的真空感應(yīng)爐(電源電壓110V/220VAC ;電源頻率:5(Γ60Ηζ ;工作頻率:100 200kHz)中，關(guān)閉爐門(mén)后抽真空至真空感應(yīng)爐內(nèi)的真空度至I X 10 ,加大電流至純金屬完全熔化至液體，所得合金液體成分為(Fea75SiaiBai5)9tlCultl (at. %)。將熔化了的合金液體(約Ikg)傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氮?dú)獯抵陟F化室的最下端可得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。關(guān)閉氮?dú)鈿饬鏖y，同時(shí)將電流值減小至零，當(dāng)霧化設(shè)備冷卻到常溫(約25°C)時(shí)，打開(kāi)充氣閥注入空氣，至霧化設(shè)備內(nèi)外壓強(qiáng)平衡時(shí)開(kāi)啟出料門(mén)，取出Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。實(shí)施例3 :按原子百分比，按預(yù)先設(shè)定的(Fea75SiaiBai5)ltlCu9tl(at. %)合金的成分，稱量各純金屬后放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內(nèi)置于霧化設(shè)備的真空感應(yīng)爐(電源電壓110V/220VAC ;電源頻率:5(Γ60Ηζ ;工作頻率:100 200kHz)中，關(guān)閉爐門(mén)后抽真空至真空感應(yīng)爐內(nèi)的真空度至I X 10 ,加大電流至純金屬完全熔化至液體，所得合金液體成分為(Fetl.75Si0. ^0.15) 10Cu90(at. %)。將熔化了的合金液體(約Ikg)傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氮?dú)獯抵?，在霧化室的最下端可得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。關(guān)閉氮?dú)鈿饬鏖y，同時(shí)將電流值減小至零，當(dāng)霧化設(shè)備冷卻到常溫(約25°C)時(shí)，打開(kāi)充氣閥注入空氣，至霧化設(shè)備內(nèi)外壓強(qiáng)平衡時(shí)開(kāi)啟出料門(mén)，取出Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。
權(quán)利要求
1.一種晶體/非晶復(fù)合粉體，其特征在于包括晶相和非晶相，晶相為富銅相(Cu-rich),非晶體相為富鐵娃硼相(Fe-Si-B-rich);合金元素Cu、Fe、Si、B形成偏晶型合金，形成偏晶型合金的成分按原子百分比為(Fe^Sid.uUUx (at.%)，其中x的值在10 90之間。
2.如權(quán)利要求I所述的一種晶體/非晶復(fù)合粉體，其特征在于所述晶體/非晶復(fù)合粉體的粒徑為1(Γ350μπι。
3.如權(quán)利要求I所述的一種晶體/非晶復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)按原子百分比，設(shè)計(jì)Fe-Si-B-Cu合金的成分，稱量各金屬后放入真空感應(yīng)爐內(nèi)的熔煉裝置熔化，得合金液體； 2)將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，噴射惰性氣體，即得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。
4.如權(quán)利要求3所述的一種晶體/非晶復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述真空感應(yīng)爐的工作頻率為100 200kHz。
5.如權(quán)利要求3所述的一種晶體/非晶復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述惰性氣體選自氬氣或氮?dú)狻?br> 6.如權(quán)利要求3所述的一種晶體/非晶復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述噴射惰性氣體的霧化氣壓為3 14MPa。
全文摘要
一種晶體/非晶復(fù)合粉體及其制備方法，涉及一種復(fù)合粉體。所述晶體/非晶復(fù)合粉體包括晶相和非晶相，晶相為富銅相，非晶體相為富鐵硅硼相；合金元素Cu、Fe、Si、B形成偏晶型合金，形成偏晶型合金的成分按原子百分比為(Fe0.75Si0.1B0.15)100-xCux(at.%)，其中x的值在10～90之間。按原子百分比，設(shè)計(jì)Fe-Si-B-Cu合金的成分，稱量各金屬后放入真空感應(yīng)爐內(nèi)的熔煉裝置熔化，得合金液體；將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，噴射惰性氣體，即得Cu基晶體/Fe-Si-B基非晶復(fù)合粉體材料。
文檔編號(hào)B22F9/08GK102861920SQ20121039573
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者王翠萍, 郁炎, 劉興軍, 趙璨璨, 劉洪新 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)