[发明专利]一种高塑性锆基非晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶态合金材料技术领域，具体涉及一种高塑性锆基非晶合金及其制备方法。

背景技术

合金熔体在冷却凝固过程中有自发结晶的趋势。但是当冷却速率足够大时，合金将越过结晶过程而形成非晶合金。非晶合金是一种亚稳态，原子在三维空间中呈拓扑无序排列，不具有长程周期平移对称性，结构上不存在晶界、位错和偏析等缺陷。正是由于非晶合金具有这种特殊的微观结构，所以表现出极高的强度和硬度，高弹性极限，优异的耐磨和耐蚀性，同时表现出优良的软磁和硬磁及超导特性。目前在电子、电力、化工、机械、航空等领域得到广泛的应用。然而，非晶合金形变软化的固有特性，使其在屈服后的塑性变形局限于非常窄的剪切带内，导致室温时的整体塑性较差，严重制约了其在工程上的应用。因此，如何提高非晶合金的塑性成为该领域的研究热点之一。

目前主要通过在非晶基体中引入第二相来提高其塑性，可以分为外加复合和原位析出。引入的第二相可以把剪切带有效地隔离，从而阻止剪切带的过度扩展，促进多重剪切带的形成。由于复合材料的制备对所引入的第二相要求与基体有好的润湿性，同时抑制与其进行反应，还要求相近的热膨胀系数等，所以复合材料的设计过程复杂，工艺难以控制，材料性能的可重复性较差。

相关研究工作表明，块体非晶合金的塑性与微观结构的不均匀性密切相关。当块体非晶合金的微观结构中存在二十面体短程或中程有序团簇时，会导致非晶合金的微观结构不均匀。高度密堆结构的二十面体有序团簇所具有的自由体积含量少，抵抗变形的能力较强，属于硬相区；而二十面体团簇周围的区域自由体积含量相对较多，抵抗变形的能力较弱，属于软相区。在变形中剪切带优先在软相区形成，剪切带的扩展受到硬相区的阻碍，促进多重剪切带的形成，让更多的剪切带参与变形，进而提高材料的塑性变形能力。材料的结构决定其性能，所以通过引入二十面体短程或中程有序团簇使其微观结构不均匀，可以有效地提高非晶合金的塑性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高塑性锆基非晶合金，以克服目前锆基非晶合金塑性较差的缺点。

本发明通过在非晶相中引入二十面体短程或中程有序团簇来制备得到具有优异塑性变形能力的锆基非晶合金，即以锆、铜、镍、铝、钛为组元，通过钛部分取代锆组元。

具体的，本发明的高塑性锆基非晶合金，通式为Zr_70-xCu_12.5Ni₁₀Al_7.5Ti_x，其中1≤x≤8，各组元的下标表示该组元在合金中的原子百分含量；将各单质金属严格按照一定的原子百分比配料，真空电弧熔炼炉中通入氩气，并用纯钛进行耗氧，除尽氧气，将所得配料置于所述的真空电弧熔炼炉中，反复熔炼，得母合金铸锭，重新熔化，浇铸后冷却，得所述的高塑性锆基非晶合金。

本发明的目的之二在于提供一种制备上述高塑性锆基非晶合金的方法。

具体的，本发明的制备高塑性锆基非晶合金的方法包括下述步骤：

S1、精确称取相应原子百分含量的锆、铜、镍、铝、钛单质组元，均匀混合，得到混合料；

S2、向真空电弧熔炼炉中通入氩气，并用纯钛对所述真空电弧熔炼炉进行耗氧，除尽其中的氧气，避免熔炼合金时发生氧化；

S3、将S1所得的混合料置于S2耗氧完成的真空电弧熔炼炉中，在氩气气氛保护下，进行反复熔炼，得到母合金铸锭；

S4、将S3所得的母合金铸锭重新熔化，浇铸后冷却，得到所述的高塑性锆基非晶合金。

步骤S2所述通入氩气的纯度为99.999％。

步骤S3所述的真空熔炼炉的真空度为2×10^-3～3×10^-3Pa，优选为2×10^-3Pa。

步骤S3所述反复熔炼至少4次，每次熔炼的时间为≥1min。

步骤S3所述熔炼的电流为150～250A，优选为200A。熔炼的温度与熔炼电流的大小密切相关，电流越大，熔炼的温度越高。

步骤S3所述的反复熔炼过程为：耗氧后，将电弧移至待熔合金组分试样中，严格控制好各工艺参数进行熔炼，待合金冷却凝固后，用机械手将铸锭翻转，然后进行下一次的熔炼，翻转的目的是保证母合金熔炼更加均匀，如此反复多次熔炼。

步骤S4所述的浇铸方法为吸铸。

步骤S4所述的浇铸模具材料为紫铜。

步骤S4所述模具的冷却方式为水冷。

步骤S4所述冷却的速度为200～300K/s。