一種大塑性高強度鋯基塊體非晶合金及制備方法與流程

本發明涉及非晶態合金材料領域，以常見金屬鋯、銅、鎳、鋁為主要組元，通過添加和調整微量稀土元素鉺的含量得到具有大塑性和高強度的鋯基塊體非晶合金。

背景技術：

非晶合金是在大的冷卻速率下，越過結晶過程，在玻璃化轉變溫度下凝固形成所謂的非晶態合金。相比較于晶態合金，非晶態合金具備晶態合金沒有的性能或達不到要求的某些性能，其強度遠遠高于晶態合金，但就是因為非晶合金具有非常高的強度，幾乎接近于理論強度，所以它的塑性就相對較低，會發生無征兆的脆性斷裂，如果將這種材料應用到實踐中就會容易引發災難。作為一種正在興起的且非常有前景的結構材料，就是因為其塑性太差嚴重制約著它們的廣泛應用，因此，如何增加非晶合金的塑性已成為這個領域多年來研究的重點。

在最近幾十年的探索中，圍繞如何提高非晶合金的塑性，許多科研人員提出了很多方法，比如制備復合材料，添加增韌性元素等。通過制備復合材料的方法可以適當地提高塑性，但同時也降低了非晶合金的強度，該方法的工藝復雜且不易控制，有時還受多種條件的限制，不是理想的增韌方式。

前期研究工作表明，添加增韌性元素來提高非晶合金塑韌性的方法簡單且效果明顯，尤其是稀土元素的添加，不僅可以增加韌性，也可以增加強度，是一種理想的增韌方式。因此，可以在合金體系中添加稀土元素鉺，以成分設計的方式獲得具有大塑性、高強度的塊體非晶合金。本發明中主要元素都是價格便宜的常見金屬，因此具有廣泛的應用前景。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種既保持良好的非晶形成能力和熱穩定性，又改進其力學性能，尤其能夠增強增韌的鋯基塊體非晶合金。

本發明的另一個目的就是提供一種獲得上述鋯基塊體非晶合金的制備方法。

本發明是一種大塑性高強度鋯基塊體非晶合金，其組分為（zr63.36cu14.52ni10.12al12）1-xerx，其中0≤x≤10%。

以上所述的大塑性高強度鋯基塊體非晶合金的制備方法，其步驟為：

（1）配料：按照組成公式所需要的原子摩爾比例配料，所述的組成公式：（zr63.36cu14.52ni10.12al12）1-xerx，其中0≤x≤10%，稱取各組分；

（2）熔煉：將步驟（1）稱得的所需原料放入真空高頻電磁感應加熱爐中，調節真空磁懸浮熔煉爐的真空度至1×10^-3～5×10^-3pa，然后充高純氬氣使真空室的真空度至1×10^-4～8×10^-4pa，進行母合金的熔煉，反復熔煉3～5次，使各組分混合均勻，經冷卻后得到母合金錠；

（3）吸鑄：采用銅模吸鑄法制備非晶材料試樣：將步驟2)制備的（zr63.36cu14.52ni10.12al12）1-xerx母合金放入磁懸浮熔煉水冷坩堝中，調節真空磁懸浮熔煉爐的真空度至1×10^-3～5×10^-3pa，然后充高純氬氣使真空室的真空度至1×10^-4～8×10^-4pa，將母合金重熔，在感應電壓7~10kv下熔煉1~5min后，將感應電壓降至5~8kv下通過負壓銅模吸鑄法將合金液吸鑄成棒材。

本發明提供的鋯基塊體非晶合金與現有的塊體非晶合金相比，其優點在于：具有優良的的塑性變形能力，同時通過強烈的加工硬化現象達到了很高的強度，其室溫壓縮塑性應變為10%~50%，壓縮屈服強度為1400~1700mpa，抗壓強度為1500~3000mpa，斷裂強度為1400~3000mpa；具有強的非晶形成能力及熱穩定性，過冷液相區寬度?t=80～100℃；具有低的玻璃轉變溫度（tg=360～400℃），有利于在較低的溫度下進行成形。本發明提供了一種新的結構材料，在結構材料領域具有廣闊的應用前景。此外，本發明提供的制備方法工藝簡單，易于實現批量生產。

附圖說明

圖1為所獲得的鋯基塊體非晶合金的鑄態xrd圖，圖2為所獲得鋯基塊體非晶合金的室溫應力-應變曲線，圖3為所獲得鋯基塊體非晶合金的差示掃描量熱（dsc）)曲線圖，升溫速率為20k/min。

具體實施方式

本發明是一種大塑性高強度鋯基塊體非晶合金，其組分為（zr63.36cu14.52ni10.12al12）1-xerx，其中0≤x≤10%。

以上所述的大塑性高強度鋯基塊體非晶合金的制備方法，其步驟為：

（1）配料：按照組成公式所需要的原子摩爾比例配料，所述的組成公式：（zr63.36cu14.52ni10.12al12）1-xerx，其中0≤x≤10%，稱取各組分；

（2）熔煉：將步驟（1）稱得的所需原料放入真空高頻電磁感應加熱爐中，調節真空磁懸浮熔煉爐的真空度至1×10^-3～5×10^-3pa，然后充高純氬氣使真空室的真空度至1×10^-4～8×10^-4pa，進行母合金的熔煉，反復熔煉3～5次，使各組分混合均勻，經冷卻后得到母合金錠；

（3）吸鑄：采用銅模吸鑄法制備非晶材料試樣：將步驟（2）制備的（zr63.36cu14.52ni10.12al12）1-xerx母合金放入磁懸浮熔煉水冷坩堝中，調節真空磁懸浮熔煉爐的真空度至1×10^-3～5×10^-3pa，然后充高純氬氣使真空室的真空度至1×10^-4～8×10^-4pa，將母合金重熔，在感應電壓7~10kv下熔煉1~5min后，將感應電壓降至5~8kv下通過負壓銅模吸鑄法將合金液吸鑄成棒材。

以上所述步驟（1）中的稀土元素er的純度不低于99.99wt%，zr、cu、ni、al的純度均不低于99.9wt%。

實施例1：制備（zr63.36cu14.52ni10.12al12）97.8er2.2塊體非晶合金：

（1）配料：選用純度大于99.9%的zr、cu、ni、al和純度大于99.99%的稀土元素er，按照組成公式所需要的原子摩爾比例配料，稱取各組分；

（2）熔煉：將步驟（1）稱得的所需原料放入真空高頻電磁感應加熱爐中，調節真空磁懸浮熔煉爐的真空度1×10^-3～5×10^-3pa，然后充高純氬氣使真空室的真空度至1×10^-4～8×10^-4pa進行熔煉，母合金錠反復熔煉3～5次，使各組分混合均勻，經冷卻后得到母合金錠；

（3）吸鑄：采用銅模吸鑄法制備非晶合金試樣：將步驟2)制備的（zr63.36cu14.52ni10.12al12）97.8er2.2母合金放入磁懸浮熔煉水冷坩堝中，調節真空磁懸浮熔煉爐的真空度1×10^-3～5×10^-3pa，然后充高純氬氣使真空室的真空度至1×10^-4～8×10^-4pa，將母合金重熔，在感應電壓7~10kv下熔煉1~5min后，將感應電壓降至5~8kv下通過負壓銅模吸鑄法將合金液吸鑄成棒材。

如圖1所示的各種er含量合金的x射線衍射（xrd）圖譜可以證明所制備的不同er含量的合金均為完全非晶態合金。

如圖2所示為各種er含量鋯基塊體非晶合金的室溫壓縮應力-應變曲線，如表1所示為本發明的各種er含量鋯基塊體非晶合金的力學性能參數。由圖2結合表1可以得出：稀土元素er的添加可以明顯的增加鋯基非晶合金的塑性及強度；當稀土元素er含量增加到x=2.2時，其壓縮屈服強度為1532mpa，抗壓強度和斷裂強度為2130mpa，塑性應變為25.54%，約是不加稀土元素er的鋯基塊體非晶合金的6倍，同時在發生塑性變形階段表現出了明顯的鋸齒流變行為和強烈的加工硬化現象，表現出了較優異的力學性能。

表1本發明的各種er含量合金的力學性能參數：

圖3所示各種er含量鋯基塊體非晶合金的熱分析（dsc）圖，表2所示為本發明的各種er含量鋯基塊體非晶合金的熱物性參數，由圖3結合表2可以看出，該鋯基塊體非晶合金的玻璃轉變溫度tg=389℃，相比于其他鋯基塊體非晶合金而言，該鋯基塊體非晶合金具有較低的玻璃轉變溫度；?t=tx-tg=85℃，具有良好的熱穩定性。

表2本發明的各種er含量鋯基塊體非晶合金的熱物性參數：

實施例2：制備（zr63.36cu14.52ni10.12al12）97.4er2.6塊體非晶合金：

其制備方法與實施例1一樣，其壓縮應力-應變曲線如圖2所示，結合表1可以看出：當稀土元素er含量增加到x=2.6時，其壓縮屈服強度為1495mpa，抗壓強度和斷裂強度為2538mpa，塑性應變為34.87%，約是不加稀土元素er的鋯基塊體非晶合金8倍，同樣在發生塑性變形階段表現出了明顯的鋸齒流變行為和強烈的加工硬化現象，在室溫下具有優異的綜合力學性能。

如圖3和表2所示，該鋯基塊體非晶合金的玻璃轉變溫度tg=389℃，該鋯基塊體非晶合金具有較低的玻璃轉變溫度；?t=82℃，具有良好的熱穩定性。

本發明提供的鋯基塊體非晶合金具有優異的室溫力學性能、優良的非晶形成能力和熱穩定性，具有潛在的應用價值。