CN100453687C - 一种镍基块体金属玻璃及其制备方法 - Google Patents

一种镍基块体金属玻璃及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镍基块体金属玻璃，其为以镍、难熔金属铌或/和钽为主要成分，其它金属元素作为合金元素，其组成为Ni62-xCoxNb38-yTay，其中，2≤x≤15，0≤y≤38。该合金包含不低于80%体积百分比的非晶相。该镍基块体金属玻璃是按照通式所需要的原子摩尔比例配料，然后铸锭、吸铸而得。本发明的镍基块体金属玻璃具有很高的玻璃转变温度和晶化温度，具有高的玻璃形成能力和高的热稳定性，有利于其在更高的温度得到应用。另外，本发明的镍基块体金属玻璃具有优良的力学性能，其抗压强度达到或超过3500MPa，同时还具有一定的塑性变形。因此该镍基非晶合金具有潜在的应用前景。

Description

一种镍基块体金属玻璃及其制备方法
技术领域
本发明属于非晶合金领域，具体地说是涉及一种以镍和难熔金属铌或/和钽为主要组元，适量添加高熔点钴元素的高强度并具有塑性的镍基块体金属玻璃。
背景技术
通常情况下，在金属合金冷却过程中，如果冷却速率足够高，金属合金将越过结晶过程在玻璃化转变温度凝固形成金属玻璃。由于受到冷却速率等诸多因素的限制，金属合金难以形成大尺寸的块体玻璃，因此只能得到非晶态的薄带或者粉末。近年来，通过成分优化设计以及改进制备技术，人们突破了高冷却速度的限制，发现了一系列具有较高非晶形成能力的金属合金。这使得人们可以在相对较低的冷却速率条件下采用普通的工艺诸如金属模铸造，水淬等制备大尺寸的块体金属玻璃。相对于传统的晶态金属合金材料，金属玻璃具有更优异的性能，譬如很高的强度和硬度，优良的化学和磁学性能，因此金属玻璃在民用，军事航空航天等领域都具有十分广阔的应用前景。
研究发现，镍基金属玻璃一般具有比其他金属玻璃体系更高的强度和硬度，而且具有更好的化学性能。而且镍基非晶的玻璃转变温度较高，在高温合金领域会有很好的应用前景。但目前镍基金属玻璃的玻璃形成能力还较低，只能通过添加合金元素形成多组元体系来提高其形成玻璃的能力，使得制备工艺相对复杂。在现有金属玻璃体系中，普遍存在的一个问题是塑性较差，所以在使用过程中很容易突然断裂而造成灾难性破坏，与其他金属玻璃体系相比，有部分镍基金属玻璃体系在变形过程中有较明显的屈服现象，但塑性仍然很差，不利于实际应用。因此，设计具有更高强度和塑性的金属玻璃必将进一步拓宽其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的镍基金属玻璃虽然具有比其他金属玻璃体系更高的强度和硬度，更好的化学性能，较高的玻璃转变温度等诸多优点，但同时也存在玻璃形成能力还较低，制备工艺相对复杂，塑性较差，不利于实际应用的缺陷，从而通过添加高熔点合金元素进一步提高镍基金属玻璃的玻璃形成能力，以提供一种抑制结晶能力强，具有较高玻璃形成能力，可以在较低冷却速率下制备的大尺寸的、且具有很高的强度和硬度，以及很好的塑性和高的玻璃转变温度的镍基块体金属玻璃。
本发明的另一个目的在于提供上述镍基块体金属玻璃的制备方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供一种镍基块体金属玻璃，是以镍、难熔金属铌或/和钽为主要成分，其它金属元素作为合金元素，其组成可用公式Ni62-xCoxNb38-yTay表示，其中，2≤x≤15，0≤y≤38。
本发明的镍基块体金属玻璃包含不低于80％体积百分比的非晶相，该非晶相的比例是通过计算热焓来确定的。
本发明提供一种上述镍基块体金属玻璃的制备方法，包括如下的步骤：
1)配料：按照通式Ni62-xCoxNb3a-yTay所需要的原子摩尔比例将上述组分中的Ni、Co、Nb、Ta配料；
2)铸锭：在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，将步骤1)中的各组分配料混合均匀，熔炼，冷却后得到母合金铸锭；
3)吸铸：使用常规的金属型铸造法，将步骤2)制得的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷金属模，得到镍基块体金属玻璃Ni62-xCoxNb38-yTay。
所述步骤1)中各元素Ni、Co、Nb、Ta原料的纯度均不低于99.9wt％(重量百分比)。
本发明提供的镍基块体金属玻璃与现有的非晶合金相比，其优点在于：
1.本发明的镍基块体金属玻璃具有很高的玻璃转变温度和晶化温度，具有高的玻璃形成能力，其玻璃转变温度在910～961K，晶化温度在941～998K，过冷液相区的宽度在26～43K。
2.本发明形成的镍基块体金属玻璃所需临界冷却速率低，抑制结晶能力较强，可以在很低的冷却速率下制得更大尺寸的合金，即易于形成大尺寸的非晶合金，其尺寸在各个维度不小于2毫米。
3.本发明的镍基块体金属玻璃具有很高的玻璃转变温度和晶化温度，表明其具有高的热稳定性，有利于其在更高的温度得到应用。
4.本发明的镍基块体金属玻璃具有优良的力学性能，其抗压强度达到或超过3500MPa，同时还具有一定的塑性变形。因此该镍基非晶合金具有潜在的应用前景。
附图说明
图1是实施例1、6和7制备的镍基块体金属玻璃样品的X射线衍射图。
图2是实施例20和21制备的镍基块体金属玻璃样品的X射线衍射图。
图3是实施例1制备的镍基块体金属玻璃样品的差式扫描量热(DSC)曲线图，其加热速度为20K/分钟。
图4是实施例1、6、7制备的镍基块体金属玻璃样品的应力应变曲线，其中应变速率为1×10-4。
具体实施方式
实施例1、制备Ni52Co10Nb23Ta15大块金属玻璃
将原料的纯度为99.9wt％(重量百分比)的Ni，Co，Nb，Ta组分按摩尔量比为52∶10∶23∶15配好后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中混合均匀并熔炼，冷却后得到Ni52Co10Nb23Ta15母合金铸锭；然后使用常规的金属型铸造方法，将此铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，即可得到成分为Ni52Co10Nb23Ta15，直径为2毫米的大块金属玻璃。
从如图1所示的X射线衍射(XRD)可以证明Ni52Co10Nb23Ta15合金是完全的非晶态合金。图3为Ni52Co10Nb23Ta15大块非晶合金的热分析(DSC和DTA)图，从图中可以看出：其玻璃化转变温度(Tg)，晶化开始温度(Tx)，熔化开始温度(Tm)以及过冷区液相的宽度(ΔT＝Tx-Tg)分别为938K，981K，1495K和43K。此外，该合金还具有较高的约化玻璃温度(Trg)，其值为0.627。Trg值通常可以用来判断非晶合金的玻璃形成能力，因此该Ni52Co10Nb23Ta15大块金属玻璃具有较大的玻璃形成能力。
其应力应变曲线如图4所示，结果显示，Ni52Co10Nb23Ta15的强度达到3500MPa，这是迄今为止在镍基块体金属玻璃里面达到的最高强度，同时该成分还表现出明显的屈服现象，表明断裂前经过了塑性变形。
实施例2～24、制备各种配比的镍基大块金属玻璃
按实施例1的方法制备各种配比的镍基大块金属玻璃，其组成和热物性参数列于表1中。
表1、本发明的各种配比的镍基大块金属玻璃的组成和热物性参数
  实施例 合金成分   D(mm)   T<sub>g</sub>(K)   T<sub>x</sub>(K)   T<sub>m</sub>(K)   ΔT   T<sub>rg</sub>  R(K/min)
  1   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>23</sub>Ta<sub>15</sub>   2   938   981   1495   43   0.627   20
  2   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>3</sub>Ta<sub>35</sub>   2   961   998   1519   37   0.632   20
  3   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>8</sub>Ta<sub>30</sub>   2   955   993   1511   38   0.632   20
  4   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>13</sub>Ta<sub>25</sub>   2   948   987   1507   39   0.629   20
  5   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>18</sub>Ta<sub>20</sub>   2   942   980   1501   38   0.628   20
  6   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>28</sub>Ta<sub>10</sub>   2   931   963   1479   32   0.627   20
  7   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>33</sub>Ta<sub>5</sub>   2   916   947   1468   31   0.624   20
  8   Ni<sub>57</sub>Co<sub>5</sub>Nb<sub>23</sub>Ta<sub>15</sub>   2   938   978   1496   40   0.627   20
  9   Ni<sub>57</sub>Co<sub>5</sub>Nb<sub>28</sub>Ta<sub>10</sub>   2   931   964   1478   33   0.630   20
  10   Ni<sub>57</sub>Co<sub>5</sub>Nb<sub>33</sub>Ta<sub>5</sub>   2   915   955   1465   40   0.625   20
  11   Ni<sub>47</sub>Co<sub>15</sub>Nb<sub>33</sub>Ta<sub>5</sub>   2   919   948   1463   29   0.628   20
  12   Ni<sub>47</sub>Co<sub>15</sub>Nb<sub>28</sub>Ta<sub>10</sub>   2   934   966   1478   32   0.632   20
  13   Ni<sub>47</sub>Co<sub>15</sub>Nb<sub>23</sub>Ta<sub>15</sub>   2   940   981   1497   41   0.636   20
  14   Ni<sub>50</sub>Co<sub>12</sub>Nb<sub>33</sub>Ta<sub>5</sub>   2   917   943   1463   26   0.627   20
  15   Ni<sub>50</sub>Co<sub>12</sub>Nb<sub>28</sub>Ta<sub>10</sub>   2   935   962   1477   27   0.633   20
  16   Ni<sub>50</sub>Co<sub>12</sub>Nb<sub>23</sub>Ta<sub>15</sub>   2   942   978   1499   36   0.628   20
  17   Ni<sub>60</sub>Co<sub>2</sub>Nb<sub>33</sub>Ta<sub>5</sub>   2   910   953   1460   43   0.623   20
  18   Ni<sub>60</sub>Co<sub>2</sub>Nb<sub>28</sub>Ta<sub>10</sub>   2   927   964   1478   37   0.627   20
  19   Ni<sub>60</sub>Co<sub>2</sub>Nb<sub>23</sub>Ta<sub>15</sub>   2   936   979   1497   43   0.625   20
  20   Ni<sub>60</sub>Co<sub>2</sub>Nb<sub>38</sub>   2   910   940   1450   30   0.628   20
  21   Ni<sub>57</sub>Co<sub>5</sub>Nb<sub>38</sub>   2   912   941   1451   29   0.629   20
  22   Ni<sub>52</sub>Co<sub>10</sub>Nb<sub>38</sub>   2   914   941   1451   27   0.630   20
  23   Ni<sub>50</sub>Co<sub>12</sub>Nb<sub>38</sub>   2   914   943   1453   29   0.629   20
  24   Ni<sub>47</sub>Co<sub>15</sub>Nb<sub>38</sub>   2   916   942   1455   28   0.630   20
  25   Ni<sub>60</sub>Co<sub>2</sub>Ta<sub>38</sub>   2   944   979   1498   35   0.630   20
  26   Ni<sub>47</sub>Co<sub>15</sub>Ta<sub>38</sub>   2   940   981   1501   41   0.626   20
注：1)表中符号含义如下：
D——本实验条件下的样品直径尺寸；Tg——玻璃化转变温度；Tx——晶化开始温度；Tm——熔化开始温度；ΔT＝Tx-Tg——过冷区液相的宽度；Trg——约化玻璃温度；R——各成分样品测量时所用的加热速率
2)Trg＝Tg/Tm；
其中实施例7的Ni52Co10Nb33Ta5的应力应变曲线如图4所示，结果显示，该合金达到了4％塑性形变。
由表1的结果可知，本发明的镍基块体金属玻璃具有很高的玻璃转变温度和晶化温度，具有高的玻璃形成能力，其玻璃转变温度在910～961K，晶化温度在941～998K，过冷液相区的宽度在26～43K。其具有高的热稳定性，有利于其在更高的温度得到应用。另外，本发明的镍基块体金属玻璃具有优良的力学性能，其抗压强度达到或超过3500MPa，同时还具有一定的塑性变形。因此该镍基非晶合金具有潜在的应用前景。

Claims (1)

1、一种镍基块体金属玻璃，是以镍、难熔金属铌或/和钽为主要成分，其它金属元素作为合金元素，其组成用公式Ni62-xCoxNb38-yTay表示，其中，2≤x≤15，0≤y≤38。
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