專利名稱：改性鐵基玻璃以提高結(jié)晶溫度而不改變?nèi)刍瘻囟鹊姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及金屬玻璃，且更具體地涉及提高結(jié)晶溫度同時對熔化溫度影響最小的方法。所得玻璃具有降低的臨界冷卻速率，允許通過大量標準工業(yè)加工技術(shù)形成玻璃結(jié)構(gòu)，由此增強該金屬玻璃的實用性(func1ionality)。
背景技術(shù)：
自發(fā)現(xiàn)Metglasses(用于變壓器芯應(yīng)用的鐵基玻璃形成組成)的至少30年以來，我們已經(jīng)知道可以將鐵基合金制成金屬玻璃。然而，幾乎無一例外，這些鐵基玻璃狀合金的玻璃形成能力非常差而且該非晶態(tài)只能以極高的冷卻速率(106K/s)產(chǎn)生。因此，只能通過可提供極快冷卻的技術(shù)例如落錘沖擊(drop impact)或熔體離心技術(shù)加工這些合金。
所有的金屬玻璃都是亞穩(wěn)態(tài)的，并且如果提供足夠的活化能它們將轉(zhuǎn)變成結(jié)晶態(tài)。金屬玻璃轉(zhuǎn)變成晶態(tài)材料的動力學由溫度和時間兩者決定。在常規(guī)的TTT(時間-溫度-轉(zhuǎn)變)曲線中，該轉(zhuǎn)變通常表現(xiàn)為C-曲線動力學。在峰值轉(zhuǎn)變溫度下，失透(從非晶態(tài)玻璃轉(zhuǎn)變成晶態(tài)結(jié)構(gòu))極度迅速，但是當溫度降低時，該失透的發(fā)生速率越來越低。當提高金屬玻璃的結(jié)晶溫度時，可使TTT曲線有效上移(至更高溫度)。因此，任何給定的溫度在TTT曲線上將更低，從而表明更長的失透速率，所以具有更穩(wěn)定的金屬玻璃結(jié)構(gòu)。這些變化表明，在結(jié)晶開始之前的任何特定溫度下的有效操作溫度的提高和穩(wěn)定時間的顯著延長。提高結(jié)晶溫度的結(jié)果是對于給定的提高的使用溫度，該金屬玻璃效用的提高。
提高金屬玻璃的結(jié)晶溫度可以增加金屬玻璃適合應(yīng)用的范圍。更高的結(jié)晶溫度可允許該玻璃在高溫環(huán)境中使用，例如用于汽車，先進軍用發(fā)動機，或工業(yè)發(fā)電設(shè)備的機器罩應(yīng)用。另外，更高的結(jié)晶溫度可以提高在溫度低于該玻璃結(jié)晶溫度的環(huán)境中即使在長時期之后該玻璃也不發(fā)生結(jié)晶的可能性。這對于存貯核廢料的應(yīng)用特別重要，該存貯是在低溫下，但是需要存貯極長的時期可能長達數(shù)千年。
類似地，提高玻璃的穩(wěn)定性可以產(chǎn)生玻璃的更厚沉積而且還可以使用更高效、更有效，和更多樣的工業(yè)加工方法。例如，當合金熔體是噴霧成型時，形成的沉積物經(jīng)歷了兩種不同的冷卻方式。噴霧以104至105K/s范圍的速率極快冷卻，這有利于玻璃狀沉積物的形成。其次，累積玻璃沉積物從應(yīng)用溫度(在其沉積時噴霧的溫度)冷卻到室溫。然而，沉積速率通?？梢詾槊啃r一噸到幾噸，從而可以非常快速地形成玻璃沉積物。沉積物冷卻至室溫的二次冷卻比噴霧冷卻慢得多，典型在50至200K/s的范圍內(nèi)。隨著熱質(zhì)量(thermal mass)的增加，熱材料的這種快速形成與相對緩慢的冷卻速率結(jié)合會引起沉積物溫度提高。如果在結(jié)晶開始之前將合金冷卻至玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，這時隨后的二次緩慢冷卻將不會影響該玻璃含量。然而，通常該沉積物可能加熱至600至700℃并且在該溫度下，該玻璃可能開始結(jié)晶。因此，如果提高玻璃(即結(jié)晶溫度)的穩(wěn)定性則可以避免這種結(jié)晶。
存在許多用于測定或預(yù)測合金形成金屬玻璃的能力的重要參數(shù)，包括折算(reduced)玻璃溫度或折算結(jié)晶溫度，深度共晶的存在，混合的負熱量，原子直徑比，和合金元素的相對比率。然而，一個已經(jīng)成功預(yù)測玻璃形成能力的參數(shù)是折算玻璃溫度，它是玻璃轉(zhuǎn)變溫度與熔化溫度的比值。折算玻璃溫度用作預(yù)測玻璃形成能力的工具已得到實驗的廣泛支持。
當對加熱期間在達到玻璃轉(zhuǎn)變溫度之前其中玻璃結(jié)晶的合金進行處理時，即可以使用折算結(jié)晶溫度(即，結(jié)晶溫度與熔化溫度的比值)作為重要的基準。更高的折算玻璃轉(zhuǎn)變或折算玻璃結(jié)晶溫度顯示了形成金屬玻璃所必需的臨界冷卻速率的降低。由于降低臨界冷卻速率，可以通過更多的標準工業(yè)加工技術(shù)對金屬玻璃熔體進行處理，因此可極大地提高金屬玻璃的實用性。
發(fā)明概述用于提高鐵基玻璃合金的結(jié)晶溫度的方法，該方法包括提供鐵基玻璃合金，其中所述合金具有熔化溫度和結(jié)晶溫度，向所述鐵基玻璃合金中加入鑭系元素；和通過加入所述的鑭系元素提高所述的結(jié)晶溫度。
附圖簡述部分參照典型實施方案對本發(fā)明的不同方面和優(yōu)點進行了描述，應(yīng)結(jié)合附圖了解該描述，其中

圖1是顯示ALLOY A合金和釓改性ALLOY A合金由玻璃至晶態(tài)的轉(zhuǎn)變的差熱分析曲線；和圖2是顯示ALLOY B合金和釓改性ALLOY B合金由玻璃至晶態(tài)的轉(zhuǎn)變的差熱分析曲線。
本發(fā)明優(yōu)選實施方案的描述本發(fā)明針對于鑭系添加物的加入，例如向鐵基合金中加入釓，從而促進合金組合物形成金屬玻璃的能力。特別地，由于該組合物結(jié)晶溫度的提高，可以在更低的臨界冷卻速率下產(chǎn)生該非晶玻璃態(tài)。
本發(fā)明根本上是一種合金設(shè)計方法，可以利用該方法來改性和改良現(xiàn)有的鐵基玻璃。特別地，性能改性涉及兩種不同性能。首先，本發(fā)明可以允許玻璃穩(wěn)定性的提高，這可產(chǎn)生提高的結(jié)晶溫度。其次，根據(jù)本發(fā)明，可以提高折算結(jié)晶溫度，即T結(jié)晶/T熔化之比，這可以導(dǎo)致金屬玻璃形成的臨界冷卻速率降低。本發(fā)明的組合性能可提高現(xiàn)有熔體的玻璃形成能力和所產(chǎn)生的玻璃的穩(wěn)定性。通過使該鐵玻璃可用于許多加工方法和許多不同種類的應(yīng)用，這種組合效果能夠使鐵基金屬玻璃得以技術(shù)利用。
用于生產(chǎn)鐵基玻璃的合金包含鑭系添加物，該添加物是原子序數(shù)58-71的元素，即鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥，然而鑭(原子序數(shù)57)也可以包含在鑭系元素之內(nèi)。加入鑭系添加物可以改變玻璃的物理性質(zhì)，包括提高結(jié)晶溫度和提高折算結(jié)晶溫度。通常這種方法可用于任何現(xiàn)有的鐵基金屬玻璃。該鑭系添加物優(yōu)選以0.10原子％至50.0原子％的水平加入，且更優(yōu)選1.0原子％至10.0原子％的水平，包括其中所有的0.1原子％間隔。
通過添加釓改性的鐵合金可以用于許多目前不能成功生產(chǎn)玻璃沉積物的加工方法，包括表面堆焊焊接，噴射成型，噴霧軋制，加壓鑄造，和浮法玻璃工藝。然而應(yīng)注意的是，每種具體方法具有一個平均冷卻速率，該速率對合金設(shè)計較重要，以使該合金的玻璃形成臨界冷卻速率小于特定工藝方法中所實現(xiàn)的平均冷卻速率。實現(xiàn)小于該工藝冷卻速率的臨界冷卻速率將允許通過該特定的工藝技術(shù)形成玻璃。
加工實施例通過向兩種不同合金ALLOY A和ALLOY B中以8原子％的含量(相對于合金)加入Ga，制備兩種根據(jù)本發(fā)明的合金。表1中給出了這些合金的組成。所得的Gd改性合金這里分別指Gd改性ALLOY A和Gd改性ALLOY B，表1中也詳細列出了它們的組成。
表1
使用差熱分析(DTA)比較Gd改性合金ALLOY A和Gd改性ALLOY B與未改性合金ALLOY A和ALLOY B的試樣。參照圖1和圖2，DTA曲線顯示，在兩種情形中，Gd改性ALLOY A和Gd改性ALLOY B相對于未改性合金ALLOY A和Dar 35表現(xiàn)出結(jié)晶溫度的提高。在Gd改性ALLOYB合金與ALLOY B合金比較的情形中，如圖2所示，結(jié)晶溫度提高了超過100℃。還應(yīng)注意，沒有現(xiàn)有的合金顯示具有高于700℃的結(jié)晶溫度。表2中給出了所有示例合金的結(jié)晶開始溫度。
表2熱分析結(jié)果
雖然未在圖中說明，DTA分析的結(jié)果顯示，相對于未改性合金添加Gd引起的改性合金的熔化溫度變化很小。表2中也給出了所有示例合金的熔化溫度。由于提高了合金的結(jié)晶溫度而熔化溫度基本不變，結(jié)果是折算結(jié)晶溫度(T結(jié)晶/T熔化)提高。對于ALLOY A系列的合金，向合金中加入Gd將折算結(jié)晶溫度從0.5提高到0.61(未改性合金到Gd改性合金)，并且在ALLOY B系列的合金中將相對結(jié)晶溫度從0.56提高到0.61(未改性合金到Gd改性合金)。
權(quán)利要求
1.提高鐵基玻璃合金的結(jié)晶溫度的方法，該方法包括(a)提供鐵基玻璃合金，其中所述合金具有熔化溫度和結(jié)晶溫度；(b)向所述鐵基玻璃合金中加入鑭系元素；(c)通過加入所述鑭系元素提高所述的結(jié)晶溫度。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述鐵基玻璃合金在加入所述鑭系元素之前的所述熔化溫度與加入所述鑭系元素之后的合金熔點基本相同。
3.權(quán)利要求1的方法，其中加入所述鐵基玻璃合金的所述鑭系元素的濃度在0.10原子％至50.0原子％的范圍內(nèi)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中加入所述鐵基玻璃合金的所述鑭系元素的濃度在1.0原子％至10.0原子％的范圍內(nèi)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述鑭系元素選自鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鑭和它們的混合物。
6.提高鐵基合金的結(jié)晶開始溫度的方法，該方法包括提供包含30-90原子％鐵的鐵基合金，所述合金具有低于675℃的結(jié)晶溫度；向所述鐵基合金中加入鑭系元素；通過加入所述的鑭系元素將所述的結(jié)晶開始溫度提高到675℃以上。
全文摘要
改性和改良現(xiàn)有鐵基玻璃的合金設(shè)計方法。該改性涉及提高玻璃的穩(wěn)定性，這可導(dǎo)致提高的結(jié)晶溫度，和提高折算(reduced)結(jié)晶溫度(T
文檔編號H01F1/055GK1761770SQ200480006953
公開日2006年4月19日 申請日期2004年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者D·J·布拉納甘 申請人:納米鋼公司