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1、10申请公布号CN102021501A43申请公布日20110420CN102021501ACN102021501A21申请号200910187388X22申请日20090916C22C45/00200601B22D27/0420060171申请人中国科学院金属研究所地址110016辽宁省沈阳市沈河区文化路72号72发明人张海峰毛杰付华萌王爱民李宏胡壮麒74专利代理机构沈阳科苑专利商标代理有限公司21002代理人张志伟54发明名称通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法57摘要本发明涉及块体非晶合金的制备技术，具体为一种通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法。该方法工艺成本低。
2、且简便易行，可以明显增强块体非晶合金的形成能力，提高材料强度，适合大多数非晶体系。本发明采用铜模浇铸的方法，通过调整模具预热温度，在模具的预热温度达到353至393K之间进行浇铸，能增强非晶形成能力，得到更大尺寸的非晶合金，同时非晶合金材料的强度得到提高，提高幅度为418。本发明开发了一种提高块体非晶合金形成能力的新方法，确定了生产更大尺寸的块体非晶合金以及提高强度的新工艺参数，拓宽了块体非晶合金的应用领域。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图3页CN102021515A1/1页21一种通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法，其特。
3、征在于，利用铜模浇铸，通过控制凝固条件改善合金液体与模具内壁之间的热交换和润湿性，形成无晶态相析出的均质的非晶结构；采用铜模浇铸制备块体非晶合金样品时，其模具的预热温度保持在353K至393K之间。2按照权利要求1所述的方法，其特征在于，铜模浇铸具体工艺参数如下真空度102104PA，合金熔体温度为液相线温度加300K，冷却速度1102K/S。3按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所制备的复合材料力学性能指标如下与室温模具浇铸制备的同一成份的样品相比，压缩断裂强度F提高418。权利要求书CN102021501ACN102021515A1/3页3通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法。
4、技术领域0001本发明涉及块体非晶合金的制备技术，具体为一种通过控制凝固条件提高非晶合金形成能力和强度的方法。背景技术00021960年美国DUWEZ教授等人采用熔体急冷法首先制得AUSI系非晶态合金，但传统的非晶合金的制备需要超过106K/S的极高的冷却速度，且厚度或直径一般都不超过50M，大大限制了在实际工程中的应用。1988年以来，以日本INOUE教授和美国JOHNSON教授为代表的研究组率先研制出三维尺寸都达1MM以上的块体非晶合金，包括LA基、MG基、ZR基、PD基、TI基、FE基和CU基等众多体系。这类多组元的块体非晶合金具有很强的非晶形成能力，其临界冷速比传统非晶合金低很多，一般。
5、都不超过103K/S量级。0003由于具有独特的长程无序短程有序的原子排列结构，非晶合金具有一些优异的使用性能，例如高强度、高弹性极限以及良好的耐腐蚀性能等等。但一些具有优异性能的非晶合金体系的应用还是受到尺寸的限制，比如NI基非晶。同时，当合金的非晶形成能力较小时，制备出的材料性能稳定性更差，这些都制约着非晶材料的实际应用。除了优化合金组元之外，提高非晶形成能力的另一主要途径就是工艺条件的改进，包括反复真空熔炼以及净化熔体，改进技术例如利用磁悬浮熔炼和落管技术，改进浇铸工艺和模具等等。显然，和其他的途径相比，通过对浇铸工艺的改进来提高非晶形成能力显得更加简便易行。0004在传统铸造中，提高模。
6、具温度是提高铸件品质，改善铸件性能的一种常用的方法。但没有把它运用到非晶合金的制备中去，因为非晶合金制备一般要求快速或亚快速凝固，冷却时间极短，模具和铸件间的相互影响时间也极短。实际上，在极短时间快速凝固过程中，一般在浇铸入冷模的熔体与模具之间会有极薄的气膜，它会影响熔体与模具之间的界面传热。模具温度的提高有利于改善液体合金和模具内壁之间的润湿性，减低接触热阻，提高热交换效率。0005近年来，人们在制备更大尺寸的块体非晶合金的方面取得了众多成果，但很多都是基于合金成分的优化，通过大量的不同成分点的实验总结而来，实验消耗巨大；而通过对传统制备方法的改进来提高非晶形成能力不仅简单易实施，而且可以被。
7、借鉴于非晶合金未来的工业化生产。因此，发展一种具有一定普遍性的提高块体非晶合金形成能力的方法具有重要意义和实用价值。发明内容0006本发明的目的在于提供一种通过控制凝固条件改善块体非晶合金形成能力的方法，该方法工艺成本低且简便易行，可以明显提高块体非晶合金的形成能力。同时还可以提高非晶合金的强度，其压缩断裂强度提高418。说明书CN102021501ACN102021515A2/3页40007本发明的技术方案是0008一种通过控制凝固条件提高块体非晶合金形成能力和强度的方法，采用铜模浇铸来制备块体非晶合金样品，模具预热至353K到393K之间，通过控制凝固条件改善合金液体在模具内壁之间的热交换。
8、和润湿性，形成无晶态相析出的均质的非晶结构。铜模浇铸的具体工艺参数如下真空度102104PA，合金熔体温度为液相线温度加300K，冷却速度1102K/S。0009所制备的块体非晶合金的力学性能指标如下0010与室温模具浇铸制备的同一成份的样品相比，压缩断裂强度提高418。0011本发明提供的改善非晶合金形成能力和强度方法的机理是0012本发明能够改善模具和合金之间的传热和润湿性。当铜模温度预热到353K到393K之间时，在铜模内壁上气体比如氩气等保护性气体吸附量大幅度减少，有利于合金熔液和内腔之间的气体层的排出，导致两者之间的接触热阻减小，热传导的效率提高，合金液的冷却速度提高，有利于非晶形成。
9、。更高的冷却速度下制得的非晶合金中，不存在能易诱发多重剪切带的形成和阻碍剪切带扩展的微结构，比如均匀弥散分布的纳米晶，不易变形，因而强度更高。同时，铜模内壁上氩气的吸附量的减少和迅速排出有利于改善非晶合金铸件的表面状态。另外，随着模具温度的提高，模具内表面的表面自由能提高，有利于合金液体和模具之间的润湿，能快速地在模具内壁润湿和铺展。合金熔体的充型更加地迅速和密实，铸造缺陷明显减少，这也是样品压缩断裂强度提高的原因之一。0013本发明具有以下优点00141本发明采用了通过控制模具温度的铜模浇铸工艺，成本低且简便易行。00152本发明能适用大多数块体非晶合金体系，如ZR基、CU基、TI基等，通过。
10、本发明方法可以抑制凝固过程中晶体相的生成，形成均质的非晶结构，提高了块体非晶合金的形成能力，促进了一些非晶形成能力弱的合金体系的应用。00163本发明方法在提高非晶形成能力的同时，还能较明显提高材料的强度。附图说明0017图1AB为不同模具预热温度下制备的ZR649AL79NI107CU165样品的X射线谱图1A和DSC曲线图1B。0018图2为不同模具预热温度下制备的ZR649AL79NI107CU165样品的扫描和透射电镜照片。0019图3为不同模具预热温度下制备的ZR649AL79NI107CU165样品压缩应力应变曲线。0020图4为不同模具预热温度下制备的ZR47CU375AG75A。
11、L8样品的X射线谱。具体实施方式0021以下通过实施例详述本发明。0022实施例10023选择的合金为ZRALNICU，具体成分为649ZR，79AL，107NI，165CU原子百分比。说明书CN102021501ACN102021515A3/3页50024本发明中ZRALNICU母合金的冶炼方法为常规技术，本实施例母合金冶炼具体工艺参数与过程如下所用的原材料分别为ZR、AL、NI、CU高纯金属纯度不低于999WT；母合金锭采用电弧熔炼，首先将工作腔抽真空至102104PA，然后再通入高纯氩气纯度为9999WT进行熔炼；熔炼合金之前，首先将TI金属锭熔化，通过氧化反应形成氧化钛进一步降低工作腔。
12、内氧的分压，为保证合金铸锭的成分尽可能均匀，每个合金锭均需要翻转熔炼35次；将母合金锭破碎成小块，将一定质量的母合金放入下面带有小孔孔径115MM的石英管内后，将工作腔抽真空至102104PA，再进行感应熔炼。控制合金熔体温度至液相线温度加300K，用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模，获得不同直径圆柱型样品，冷却速度1102K/S。在进行浇铸之前，先控制模具的温度到实验指定温度，保持1015分钟待模具温度稳定后即可浇铸。用X射线、差示扫描量热分析、扫描电镜和透射电镜分析不同模具温度的样品结构，可知在模具温度低于353K和高于393K时，虽然在X射线精度范围内表征为完全非晶，在扫描照。
13、片也无明显晶态相的衬度，但在透射电镜下能在非晶基体局部找到100NM量级的晶态相，同时相比较DSC曲线计算的晶化焓，模具温度控制在353K浇铸的样品的晶化焓更高，显示了材料的晶态相含量极少。室温压缩试验表明，该合金成分获得的非晶样品均表现出典型的块体非晶合金的脆性断裂特征，塑性应变很小。本发明方法对压缩塑性的影响不大，但在一定程度都增强压缩强度，增强幅度从4到18不等。0025图1AB为不同模具预热温度下制备的ZR649AL79NI107CU165样品的X射线谱图1A和DSC曲线图1B。可以看出制备直径为5MM的样品时，仅模具温度控制在353K和393K制备的样品表现为完全非晶。DSC曲线具有。
14、典型的非晶结构特征，通过计算晶化焓，模具温度控制在353K浇铸的样品的晶化焓更高，显示了材料的晶态相含量更少。0026图2A为模具温度353K的扫描电镜照片，可以看出形成典型的纯非晶，其他模具温度与此相差不大。图2BD是不同模具预热温度下制备的样品的透射电镜照片，仅模具温度353K制备无明显晶态相。0027图3为不同模具预热温度下制备的样品压缩应力应变曲线，可以看出把模具温度提高到353K后，在一定程度增强了压缩强度，增强幅度从4到18不等。0028实施例20029与实施例1不同之处在于0030合金成分为47ZR、375CU、75AG、8AL原子百分比。铜模浇铸的具体工艺参数如下真空度1021。
15、04PA，冷速速度1102K/S，模具温度预热到353K。从图4可看出，模具温度353K制备的样品的X射线晶态峰明显减弱，基本上是完全非晶，说明非晶形成能力增强。同时室温压缩断裂强度为21592228MPA，比室温模具制备的样品2073MPA提高48。0031实施例30032与实施例1不同之处在于0033合金成分为62ZR、154CU、126NI、10AL原子百分比。铜模浇铸的具体工艺参数如下真空度102104PA，冷速速度1102K/S，模具温度预热到353K。模具温度353K制备的样品的非晶形成能力增强。同时压缩断裂强度平均比室温模具制备的样品提高74。说明书CN102021501ACN102021515A1/3页6图1A图1B说明书附图CN102021501ACN102021515A2/3页7图2说明书附图CN102021501ACN102021515A3/3页8图3图4说明书附图CN102021501A。