CN100587100C - Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金 - Google Patents
Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金。该系大块非晶合金包含体积分数5-100%的非晶相，该系合金的结构式为Zr100-x-y(CuzAg1-z)xAly，其中0.75≤z≤0.875，x为Cu和Ag元素的原子百分数，36≤x≤52，y为Al元素的原子百分数，6≤y≤9。该系列能够形成临界尺寸超过20mm、不含对人体有害元素、强度高、硬度高，热稳定性、耐蚀性优异的大块非晶合金。并确定了形成包含体积分数5-100%的非晶相的合金的成分范围。该系列非晶态合金的优异性能使其成为在机械、医疗器械和生物材料等领域具有广阔应用前景的新材料。
Description
技术领域
本发明涉及非晶态合金领域，特别是涉及Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金。
背景技术
非晶态合金是组成原子排列不呈周期性和对称性的一类新型合金材料。由于其特殊的微观结构，致使它们具有优越的力学、物理、化学及磁性能，如高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀。这些优越的性能使得非晶态合金在很多领域具有应用潜力。
同时，非晶态合金也有自身的弱点，限制了它的应用。非晶态合金应用中面临的主要困难是：1)制备大尺寸的非晶态合金。金属和合金液在冷却过程中倾向于转变成原子规则排列的晶态材料，要想获得原子长程无序排列的非晶态合金，冷却速度要足够快，使原子还来不及排列成晶态结构就被冻结住。在其他条件相同的情况下，随着样品尺寸大的增大，冷却速度减慢，导致大尺寸的非晶态合金难以获得。2)热稳定性的提高。非晶态合金处于热力学业稳态，有向热力学稳态-晶态转变的趋势，这一转变温度称为晶化温度。因此为了能够在较大的温度范围内使用非晶态材料，就需要提高非晶态合金的热稳定性，开发热稳定性高的合金系。3)非晶态合金塑性的增强。非晶态金属没有晶态金属的滑移机制，当所加的应力达到断裂强度时发生突然断裂，导致灾难事故的发生，制约了非晶态金属在结构材料领域的应用。改善非晶态金属的塑性成为目前非晶态合金领域研究的热点。另外，要使非晶态金属在医疗器械及生物材料领域应用，组成元素的无毒化是至关重要的。
发明内容
本发明的目的是开发具有高玻璃形成能力、热稳定性高并且不含对人体有害元素的一种Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
1.该系大块非晶合金包含体积分数5-100％的非晶相，该系合金的结构式为Zr100-x-y(CuzAg1-z)xAly，其中0.75≤z≤0.875，x为Cu和Ag元素的原子百分数，36≤x≤52，y为Al元素的原子百分数，6≤y≤9。
2.所述的非晶合金的组成元素Zr、Cu、Ag或Al的原料纯度为96％～99.999％。
本发明具有的有益效果是：给出了一系列能够形成临界尺寸超过20mm、不含对人体有害元素、强度高、硬度高，热稳定性、耐蚀性优异的大块非晶合金。并确定了形成包含体积分数5-100％的非晶相的合金的成分范围。该系列非晶态合金的优异性能使其成为在机械、医疗器械和生物材料等领域具有广阔应用前景的新材料。
附图说明
图1是按照实施例1-8制备的Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金的XRD图；
图2是按照实施例1-8制备的Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金的DSC图。
具体实施方式
步骤1：在氩气保护的真空熔炼炉内熔炼Zr100-x-y(CuzAg1-z)xAly合金锭子，x为Cu和Ag元素的原子百分数，36≤x≤52，y为Al元素的原子百分数，6≤x≤9。至少反复熔炼四遍，以保证合金锭子成分的均匀。
步骤2：采用吹铸法或吸铸法将步骤1得到的合金锭子制备成大块非晶合金样品。
步骤3：用x射线衍射法表征所得样品的结构，用差示扫描量热法获得热力学参数，并根据材料发生晶化放出的热量，即差热分析曲线中放热峰的面积与完全非晶态样品放热峰面积之比来衡量非晶态合金的体积百分数，如Zr48(Cu5/6Ag1/6)44Al8合金晶化所放出的热量为33J/g，而其完全非晶态样品晶化放热为41J/g，故其所含体积百分数约为80％，用力学性能实验机，测试样品的力学性能。
实施例1：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr47(Cu5/6Ag1/6)46Al7大块非晶合金。
步骤1：将纯度为99.87％的Zr、纯度为99.95％的Cu、纯度为99.98的Ag、和纯度为99.5％的Al按Zr47(Cu5/6Ag1/6)46Al7配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数，DSC曲线示于图2。
步骤6：采用力学性能试验机测试所得材料的力学性能。
由图1和图2可知该实施例中采用了x＝46，y＝7获得了直径20mm的大块非晶合金。该实施例获得的大块非晶合金的性能如表1所示。
表1Zr47(Cu5/6Ag1/6)46Al7大块非晶合金的性能。
| 成分(at.％) | 玻璃转变温度T<sub>g</sub>(K) | 晶化温度T<sub>x</sub>(K) | 超过冷液态区ΔT<sub>x</sub>(K) | 压缩断裂强度σ(MPa) | 塑性应变(％) | 维氏硬度Hv |
| Zr<sub>46</sub>(Cu<sub>5/6</sub>Ag<sub>1/6</sub>)<sub>47</sub>Al<sub>7</sub> | 703 | 781 | 78 | 1916 | 1.3 | 490 |
实施例2：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr52(Cu5/6Ag1/6)42Al6大块非晶合金(尺寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.87％的Zr、纯度为99.95％的Cu、纯度为99.98的Ag、和纯度为99.5％的Al按Zr52(Cu5/6Ag1/6)42Al6配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于图2。
实施例3：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr48(Cu5/6Ag1/6)44Al8大块非晶合金(尺寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al和纯度为99.98的Ag按Zr48(Cu5/6Ag1/6)44Al8配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于图2。
实施例4：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr53(Cu5/6Ag1/6)38Al9大块非晶合金(尺寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为96％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al和纯度为99.999％的Ag按Zr53(Cu5/6Ag1/6)38Al9配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于图2。
实施例5：
该实施例采用吹铸法制备直径20mm的Zr41(Cu5/6Ag1/6)52Al7大块非晶合金。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al和纯度为99.98的Ag按Zr41(Cu5/6Ag1/6)52Al7配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子破碎成小块。
步骤3：将步骤2得到的小块合金装入下端开口的石英管中，在真空中感应加热，用高纯氩气把熔融的合金液吹入内径20mm的水冷铜模中，制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于图2。
实施例6：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr55(Cu5/6Ag1/6)36Al9大块非晶合金(尺寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al和纯度为99.98的Ag按Zr55(Cu5/6Ag1/6)36Al9配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于图2。
实施例7：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr55(Cu3/4Ag1/4)36Al9大块非晶合金(尺寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al和纯度为99.98的Ag按Zr55(Cu3/4Ag1/4)36Al9配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。
实施例8：
该实施例采用吸铸法制备直径20mm的Zr48(Cu7/8Ag1/8)44Al8大块非晶合金(尺寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al和纯度为99.98的Ag按Zr48(Cu7/8Ag1/8)44Al8配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径20mm的水冷铜模中。制得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。
Claims (2)
1.Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金，其特征在于：该系大块非晶合金包含体积分数5-100％的非晶相，该系合金的结构式为Zr100-x-yCux*zAgx*(1-z)Aly，其中x、y和z有如下六种组合：当y＝6时，x＝42、44、46，z＝5/6；当y＝7时，x＝42、44、46、52，z＝5/6；当y＝8时，x＝42、44、46，z＝5/6；当y＝9时，x＝36、38、42、44、46，z＝5/6；当y＝9时，x＝36，z＝3/4；当y＝8时x＝44，z＝7/8；x*z为Cu元素的原子百分数，x*(1-z)为Ag元素的原子百分数，*为乘号，y为Al元素的原子百分数。
2.根据权利要求1所述的Zr-Cu-Ag-Al系大块非晶合金，其特征在于：所述的非晶合金的组成元素Zr、Cu、Ag或Al的原料纯度为96％～99.999％。
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