專利名稱：含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種塊體非晶合金，本發(fā)明也涉及的是一種塊體非晶合金的制備方法。
背景技術：
進入21世紀，隨著我國航空航天、電子、機械等工業(yè)的發(fā)展，對質量輕、綜合性能優(yōu)異的合金材料提出了更高要求。在此背景下，對高性能的輕型合金有著迫切需求，因此，加大輕質高強度結構材料的研究與發(fā)展勢在必行。鎂基非晶合金由于其質量輕、強度高、玻璃形成能力強，并且其原料且價格便宜等諸多優(yōu)勢，是作為輕質高強度結構材料的理想候選者，具有極為廣闊的應用前景。早期，鎂基非晶合金的研究主要集中于玻璃形成能力較強的Mg-Cu_(Y，Gd)系三元非晶合金。后來，隨著非晶合金的發(fā)展，人們在此基礎上通過調整合金成分以及添加其他元素(如Al、Ag、L1、Pd、Ni和Zn等)的方法發(fā)展了一系列具有較大玻璃形成能力和優(yōu)異力學性能的四元、五元及五元以上鎂基非晶合金。鎂基非晶合金的出現為發(fā)展輕質高強度結構材料開辟了一條新的途徑，目前世界各國均致力于這類鎂基非晶合金材料的發(fā)展。最近，Yuan 等(G.Y.Yuan, T.Zhang and A.1noue, Mater.Trans.JIM, 2003, 44:2271)和 Li 等(Z.G.Li, X.Hui, C.M.Zhang and G.L.Chen, J.Alloys Compd.，2008，454:168)在Mg-Cu-Y三元非晶合金基礎上分別制備并研究了 Mg-Cu-Zn-Y四元非晶合金。結果均發(fā)現，Zn元素的加入會顯著提Mg-Cu-Y三元非晶合金的力學性能，其中成分為Mg58Cu25Zn7Yltl非晶合金的壓縮斷裂強度達到了 1090MPa，要遠高于Mg65Cu25Yltl非晶合金的823MPa。然而盡管如此，目前還沒有在Mg-Cu-Gd三元非晶合金中加入Zn，研究和制備Mg-Zn-Cu-Gd四元非晶合金的相關報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高壓縮斷裂強度和顯微硬度的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金。本發(fā)明的目的還在于提供一種能減少Mg等低熔點金屬的燒失量，保證合金成分的準確性的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的制備方法。本發(fā)明的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的名義成分為Mg65_xZnxCu25Gd1(l，其中x=3，5，8at.% ο本發(fā)明的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的制備方法為:1、母合金的制備:將純度為99.9%的鎂塊、純度為99.9%的鋅塊、純度為99.8%的銅錠和純度為99.99%的釓塊按名義成分Mg65_xZnxCu25Gd1Q配料，其中x=3，5，8at.% ;首先將銅錠和釓塊原料放入石英試管內，置于感應熔煉爐感應線圈中心，關閉爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬氣，在氬氣保護下用真空感應熔煉的方法進行Cu-Gd中間合金的熔煉；然后將Cu-Gd中間合金打磨拋光，粉碎后與鎂塊和鋅塊混合，用與Cu-Gd中間合金的熔煉相同的熔煉方法制備Mg-Zn-Cu-Gd母合金；
2、非晶合金樣品制備:將制得的Mg-Zn-Cu-Gd母合金打磨拋光，用超聲波振蕩器對其進行清洗，粉碎后裝入石英試管內，置于感應熔煉爐的感應線圈中心，關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入壓力為P1的高純氬氣，P1=SXKT2Pa,將爐腔反復抽高真空后充入5X KT2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔母合金，將得到的熔融態(tài)Mg-Zn-Cu-Gd母合金在壓力差P=PfP2的作用下噴入銅模型腔中，獲得Mg-Zn-Cu-Gd塊體非晶合金。本發(fā)明用Zn元素部分替代Mg-Cu-Gd合金中的Mg元素后，合金組元由三元增加到了四元，合金的化學復雜性隨之增加，利于合金的非晶化，符合非晶合金形成設計的“混舌L”原則。另外，由于Zn元素與Mg和Gd元素之間有較大的原子半徑比(Mg/Zn=1.20;Gd/Zn=L 34)和負的混合熱(Mg-Zn:-4kJ/mol; Gd-Zn:-31kJ/mol),所以本發(fā)明中的合金設計完全符合Inoue提出的形成塊體非晶合金的三個經驗規(guī)律。因此，用Zn元素部分替代Mg-Cu-Gd合金中的Mg元素利于形成具有較大玻璃形成能力和力學性能良好的Mg-Zn-Cu-Gd四元非晶合金。鑒于鎂基塊體非晶合金優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景，開發(fā)一種具較強玻璃形成能力和優(yōu)良力學性能的Mg-Zn-Cu-Gd塊體非晶合金具有重要的科學研究及工程應用價值。本發(fā)明中含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的優(yōu)益之處在于:1、用Zn元素部分代替Mg-Cu-Gd中的Mg元素，由此增加了合金組元數和化學復雜性，提高了非晶合金玻璃形成能力；2、合金熔煉采用分部法，通過預先熔煉高熔點金屬，然后熔煉低熔點金屬，這樣顯著減少了 Mg等低熔點金屬的燒失量，保證了合金成分的準確性；3、所得Mg-Zn-Cu-Gd非晶合金具有高的壓縮斷裂強度和顯微硬度，為傳統(tǒng)晶態(tài)鎂合金強度的2 3倍。


圖1為本發(fā)明所制得的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的XRD圖譜。圖2為本發(fā)明所制得的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的DSC曲線。圖3為本發(fā)明所制得的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的壓縮應力-應變曲線。圖4為本發(fā)明所制得的含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的顯微硬度柱狀圖。
具體實施例方式下面舉例對本發(fā)明作更詳細的描述。對照實例制備成分為Mg65Cu25Gdltl的三元塊體非晶合金，樣品直徑為2mm。步驟1:母合金的制備:將純度為99.9%的高純鎂塊、純度為99.8%的高純銅錠和純度為99.99%的高純釓塊按成分配比Mg65Cu25Gdltl稱取原料；首先將合金原料Cu和Gd放入石英試管內，將其置于感應熔煉爐的感應線圈中心，避免與線圈接觸，關閉爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復熔煉3 5次，制得Cu-Gd中間合金。然后將Cu-Gd中間合金打磨拋光，粉碎后跟純度為99.9%的鎂塊混合，最后用相同的熔煉方法制得Mg-Cu-Gd母合金。
步驟2:非晶合金樣品制備:將步驟I制得的Mg-Cu-Gd母合金打磨拋光，以除去母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試管內，將其置于感應熔煉爐的感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入壓力為P1 (5X 10_2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5X 10_2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài)Mg-Cu-Gd母合金在壓力差P=PJP2的作用下噴入銅模型腔中，獲得直徑2mm的Mg65Cu25Gdltl塊體非晶合金樣品。采用X射線衍射法表征所得樣品的組織結構，如圖1所示。由該樣品的XRD圖普顯示的“饅頭峰”可知，所得樣品的內部結構具典型的非晶結構特征，說明該合金樣品為非晶合金。采用DSC曲線表征所得樣品的非晶形成能力，如圖2所示。由DSC曲線可知，所得樣品的玻璃轉變溫度Tg、初始晶化溫度Tx和過冷液相區(qū)Λ Tx ( Λ Tx=Tx-Tg)的值分別為437Κ，505Κ,68Κ。利用InstrOn4505型電子萬能試驗機測試非晶合金樣品的壓縮斷裂強度來表征其力學性能，壓縮應變速率為2Χ10ΛΓ1，如圖3所示。由圖可知，所得樣品的壓縮斷裂強度為 648MPa。利用HXS-1000Z型硬度計測量樣品的硬度值，如圖4所示。結果顯示所得非晶合金樣品的顯微硬度為257Hv。實施例1選擇制備x=3,即成分為Mg62Zn3Cu25Gdltl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99.9%的高純鎂塊、純度為99.9%的鋅塊、純度為99.8%的高純銅錠和純度為99.99%的高純釓塊按成分配比Mg62Zn3Cu25Gdltl稱取原料；首先將合金原料Cu和Gd放入石英試管內，將其置于感應熔煉爐的感應線圈中心，避免與線圈接觸，關閉爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復熔煉3 5次，制得Cu-Gd中間合金。然后將Cu-Gd中間合金打磨拋光，粉碎后跟純度為99.9%的鎂塊和純度為99.9%的鋅塊混合，最后用相同的熔煉方法制得Mg-Zn-Cu-Gd母合金。步驟2:非晶合金樣品制備:將步驟I制得的Mg-Zn-Cu-Gd母合金打磨拋光，以除去母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試管內，將其置于感應熔煉爐的感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入壓力為P1 (5 X 10_2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5 X 10_2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài)Mg-Zn-Cu-Gd母合金在壓力差P=PfP2的作用下噴入銅模型腔中，獲得直徑2mm的Mg62Zn3Cu25Gd10塊體非晶合金樣品。采用X射線衍射法表征所得樣品的組織結構，如圖1所示。由該樣品的XRD圖普顯示的“饅頭峰”可知，所得樣品的內部結構具典型的非晶結構特征，說明該合金樣品為非晶合金。 采用DSC曲線表征所得樣品的非晶形成能力，如圖2所示。由其DSC曲線可知，所得樣品的玻璃轉變溫度Tg、初始晶化溫度Tx和過冷液相區(qū)Λ Tx ( Λ Tx=Tx-Tg)的值分別為439K，501K, 62K，說明所得樣品具有強的非晶形成能力。利用InstrOn4505型電子萬能試驗機測試非晶合金樣品的壓縮斷裂強度來表征其力學性能，壓縮應變速率為2Χ10ΛΓ1，如圖3所示。由圖可知，所得樣品的最終壓縮斷裂強度為698MPa，高于Mg65Cu25Gdltl三元塊體非晶合金試樣的648MPa。利用HXS-1000Z型硬度計測量樣品的硬度值，如圖4所示。結果顯示所得非晶合金樣品的顯微硬度達到了 255Hv，與Mg65Cu25Gdltl三元塊體非晶合金試樣的257Hv相當。實施例2選擇制備x=5,即成分為Mg6tlZn5Cu25Gdltl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99.9%的高純鎂塊、純度為99.9%的鋅塊、純度為99.8%的高純銅錠和純度為99.99%的高純釓塊按成分配比Mg6tlZn5Cu25Gdltl稱取原料；首先將合金原料Cu和Gd放入石英試管內，將其置于感應熔煉爐的感應線圈中心，避免與線圈接觸，關閉爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬氣，反復三次后在氬氣保護下熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金反復熔煉3 5次，制得Cu-Gd中間合金。然后將Cu-Gd中間合金打磨拋光，粉碎后跟純度為99.9%的鎂塊和純度為99.9%的鋅塊混合，最后用相同的熔煉方法制得Mg-Zn-Cu-Gd母合金。步驟2:非晶合金樣品制備:將步驟I制得的Mg-Zn-Cu-Gd母合金打磨拋光，以除去母合金表面的氧化皮，用超聲波振蕩器對其進行清洗，將母合金粉碎后裝入石英試管內，將其置于感應熔煉爐的感應線圈中心，避免與線圈接觸；關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入壓力為P1 (5 X 10_2Pa)的高純氬氣，將爐腔反復抽高真空后充入5 X 10_2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔上述母合金，將得到的熔融態(tài)Mg-Zn-Cu-Gd母合金在壓力差P=PfP2的作用下噴入銅模型腔中，獲得直徑2mm的Mg60Zn5Cu25Gd10塊體非晶合金樣品。采用X射線衍射法表征所得樣品的組織結構，如圖1所示。由該樣品的XRD圖普顯示的“饅頭峰”可知，所得樣品的內部結構具典型的非晶結構特征，說明該合金樣品為非晶合金。采用DSC曲線表征所得樣品的非晶形成能力，如圖2所示。由其DSC曲線可知，所得樣品的玻璃轉變溫度Tg、初始晶化溫度Tx和過冷液相區(qū)Λ Tx ( Λ Tx=Tx-Tg)的值分別為445Κ, 499Κ，54Κ，說明所得樣品具有強的非晶形成能力。利用InstrOn4505型電子萬能試驗機測試非晶合金樣品的壓縮斷裂強度來表征其力學性能，壓縮應變速率為2Χ10ΛΓ1，如圖3所示。由圖可知，所得樣品的最終壓縮斷裂強度為754MPa，遠高于Mg65Cu25Gdltl三元塊體非晶合金試樣的648MPa。。利用HXS-1000Z型硬度計測量樣品的硬度值，如圖4所示。結果顯示所得非晶合金樣品的顯微硬度達到了 286Hv，明顯高于Mg65Cu25Gdltl三元塊體非晶合金試樣的257Hv。
權利要求
1.一種含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金，其特征是:名義成分為Mg65IZnxCu25Gd1。，其中x=3，5，8at.% ο
2.—種含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金的制備方法，其特征是: (1)、母合金的制備:將純度為99.9%的鎂塊、純度為99.9%的鋅塊、純度為99.8%的銅錠和純度為99.99%的釓塊按名義成分Mg65_xZnxCu25Gd1Q配料，其中x=3，5，8at.% ;首先將銅錠和釓塊原料放入石英試管內，置于感應熔煉爐感應線圈中心，關閉爐門，然后抽真空至10_4Pa，充入10_2Pa的氬氣，在氬氣保護下用真空感應熔煉的方法進行Cu-Gd中間合金的熔煉；然后將Cu-Gd中間合金打磨拋光，粉碎后與鎂塊和鋅塊混合，用與Cu-Gd中間合金的熔煉相同的熔煉方法制備Mg-Zn-Cu-Gd母合金； (2)、非晶合金樣品制備:將制得的Mg-Zn-Cu-Gd母合金打磨拋光,用超聲波振蕩器對其進行清洗，粉碎后裝入石英試管內，置于感應熔煉爐的感應線圈中心，關閉爐門，往石英試管上端儲氣罐內充入壓力為P1的高純氬氣，P1=SXKT2Pa,將爐腔反復抽高真空后充入5X KT2Pa的氬氣保護氣形成P2的負壓，在氬氣氣氛的中頻真空感應熔煉爐中重熔母合金，將得到的熔融態(tài)Mg-Zn-Cu-Gd母合金在壓力差P=PfP2的作用下噴入銅模型腔中，獲得Mg-Zn-Cu-Gd塊體 非晶合金。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種含Zn的Mg-Cu-Gd塊體非晶合金及制備方法。在玻璃形成能力強的Mg-Cu-Gd系非晶合金的基礎上，通過Zn元素部分替代Mg元素，采用銅模噴鑄工藝制備成分為Mg65-xZnxCu25Gd10(x=3，5，8at.﹪)的四元塊體非晶合金。利用真空感應熔煉爐預先制備Cu-Gd中間合金，再制備Mg-Zn-Cu-Gd母合金，最后重熔上述母合金，待母合金熔化后將其噴入銅模型腔中得到Mg-Zn-Cu-Gd塊體非晶合金。本發(fā)明制備工藝簡單、成本低，在保持非晶合金較強玻璃形成能力的同時，能夠顯著提高非晶合金的力學性能。
文檔編號C22C1/03GK103173699SQ20131009496
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權日2013年3月22日
發(fā)明者高鵬, 劉光波, 楊少強, 薛柱, 張密林 申請人:哈爾濱工程大學