CN102861920A

CN102861920A - 一种晶体/非晶复合粉体及其制备方法

Info

Publication number: CN102861920A
Application number: CN2012103957326A
Authority: CN
Inventors: 王翠萍; 郁炎; 刘兴军; 赵璨璨; 刘洪新
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN102861920B

Abstract

一种晶体/非晶复合粉体及其制备方法，涉及一种复合粉体。所述晶体/非晶复合粉体包括晶相和非晶相，晶相为富铜相，非晶体相为富铁硅硼相；合金元素Cu、Fe、Si、B形成偏晶型合金，形成偏晶型合金的成分按原子百分比为(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)_100-xCu_x（at.%），其中x的值在10～90之间。按原子百分比，设计Fe-Si-B-Cu合金的成分，称量各金属后放入真空感应炉内的熔炼装置熔化，得合金液体；将熔化的合金液体倾倒于受液斗，在液体流入雾化室的瞬间，喷射惰性气体，即得Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。

Description

一种晶体/非晶复合粉体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合粉体，尤其是涉及一种晶体/非晶复合粉体及其制备方法。

背景技术

近几年来，大块非晶合金因具有高弹性极限、高强度、高硬度以及良好的耐腐蚀性等性能，而在生物医学组件、电子设备、体育用品、军事以及空间领域等方面具有广泛的应用前景，被认为是一种新型的工业或工程材料。但是，单相大块非晶合金材料的塑性变形是通过高度局域剪切变形来实现的，虽然在剪切带内塑性应变非常大，但是由于在断裂前剪切带的数量有限，因而室温下大块非晶合金几乎不表现出任何宏观塑性变形就发生灾难性的脆性断裂，这严重制约着大块非晶合金作为先进结构材料在工程中的大规模应用。为了改善大块非晶合金的室温宏观塑性，研究者提出一种可行的方法是在非晶合金基体中引入各种形式的塑性晶体相，这直接导致了晶体/非晶复合材料的诞生，受到了各国研究人员的广泛关注。

根据引入晶态相的方式，晶体/非晶复合材料的制备方法（6、A.Inoue,S.Chen,T.Masumoto,Zr-Y base amorphous alloys with two glass transitions and two supercooled liquidregions,Mater.Sci.Eng.A,Vol.179-180(1994),pp.346-350；7、T.Nagase,A.Yokoyama,Y.Umakoshi,Multi-scale crystalline Cu globule dispersed Fe-based metallic glass formation bymulti-step liquid phase separation,J.Alloys.Compds.,Vol.494(2010),pp.295-300；8、T.Nagase,Y.Umakoshi,Formation of melt-extracted wire of Fe-Cu-Si-B alloy with core-wire/surface-cover-layer structure by arc-melt type melt-extraction method,J.Alloys.Compds.,Vol.495(2010),pp.L1-L4；9、Q.S.Zhang,W.Zhang,G.Q.Xie,A.Inoue,Formation ofa phase separating bulk metallicglass in Cu₄₀Zr₄₀Al₁₀Ag₁₀ alloy，Mater.Sci.Eng.B,Vol.148(2008),pp.97-100；10、K.Ziewiec,Z.Kedzierski,A.Lipiec,J.Stepinski,S.Kac,Formation,properties and microstructure of amorphous/crystalline composite Ag₂₀Cu₃₀Ti₅₀ alloy using miscibility gap,J.Alloys.Compds.,Vol.482(2009),pp.114-117）大致可分为四类：外加晶体颗粒或纤维复合、纳米晶析出、内生枝晶复合和液相分离型高温熔体的快速凝固。目前晶体/非晶复合材料的形式多为薄片、薄带、铸锭等，却没有粉末冶金领域常用的粉体材料。因此，寻找一种晶体/非晶复合粉体极其制备技术是十分必要而且重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种晶体/非晶复合粉体及其制备方法，特别是Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料及其制备方法。

所述晶体/非晶复合粉体，包括晶相和非晶相，晶相为富铜相（Cu-rich），非晶体相为富铁硅硼相（Fe-Si-B-rich）；合金元素Cu、Fe、Si、B形成偏晶型合金，形成偏晶型合金的成分按原子百分比为(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)_100-xCu_x（at.%），其中x的值在10～90之间。所述晶体/非晶复合粉体的粒径可为10~350μm，且粒径集中，球形度好。

所述晶体/非晶复合粉体的制备方法包括以下步骤：

1）按原子百分比，设计Fe-Si-B-Cu合金的成分，称量各金属后放入真空感应炉内的熔炼装置熔化，得合金液体；

2）将熔化的合金液体倾倒于受液斗，在液体流入雾化室的瞬间，喷射惰性气体，即得Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。

在步骤1）中，所述真空感应炉的工作频率可为100～200kHz。

在步骤2）中，所述惰性气体可选自氩气或氮气等，所述喷射惰性气体的雾化气压可为3～14MPa；且气体种类和雾化气压可以根据实际合金体系和熔炼合金量进行相应的调整；所述惰性气体的流速尽可能快，以便尽可能获得高的冷却速度，有利于非晶的形成。

所述晶体/非晶复合粉体的粒径可通过改变雾化气压和熔融温度进行调控，通常为10~350μm，且粒径集中，球形度好。

本发明的技术方案是利用发展成熟的雾化法制粉工艺，同时利用液相分离型合金的特征和分离后液态合金玻璃转变的特点，一次性地制备出晶体/非晶复合粉体。

本发明采用简单的雾化法制粉工艺，利用计算相图数据库设计合适的Cu-Fe-Si-B复合粉体的合金成分，称量各纯金属放入置入雾化设备的坩埚中，抽真空达到要求的真空度后，感应熔融金属，然后将熔融液体通过控制装置流入雾化室，与此同时用高压惰性气体喷射雾化后，即得Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体。合金元素Cu、Fe、Si、B按一定的配比在高温下形成偏晶型合金，发生偏晶反应（或液相调幅分解反应），偏晶反应是指组元之间混合焓为正，组元原子间相互排斥，在一定的温度范围内，其相图中存在稳定的两液相分离区，合金液体在冷却过程中会由单一液相转变成两液相。其工艺流程简单、成本低、效率高，一次性制备Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料；而且污染少，可满足现代化批量生产的要求，Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料的界面结合良好。

附图说明

图1为本发明实施例的合金Fe₇₅Si₁₀B₁₅（at.%）与纯Cu之间的相关系与温度示意图。在图1中，横坐标为铜的原子分数（Cu/at.%），纵坐标为温度（Temperature/℃）；合金(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)_100-xCu_x(x:10~90,at.%)在一定的温度范围内，其液相均呈两相分离（L1＋L2）状态。另外，Liquid指单一液相区，L1+L2+Fe₂B，Liquid+(Cu)+Fe₂B以及Fe+(Cu)+Fe₂B均为三相平衡区。

图2为本发明实施例的(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₅₅Cu₄₅(at.%)合金粉体横截面组织示意图。在图2中，标记A为富铜相（Cu-rich），B为富铁硅硼相（Fe-Si-B-rich）。

图3为本发明实施例的(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₅₅Cu₄₅(at.%)合金粉体的X射线衍射图谱。在图3中，横坐标为衍射角（2θ/degree），纵坐标为峰强（Intensity）；标记

为fcc(Cu-rich)，即表示富铜相（Cu-rich）为面心立方（fcc）的晶体相；标记■为amorphous(Fe-Si-B-rich)，即表示富铁硅硼相（Fe-Si-B-rich）为非晶（amorphous）状态。

具体实施方式

实施例1：按原子百分比，按预先设定的(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₅₅Cu₄₅(at.%)合金的成分，称量各纯金属后放置于氧化铝坩锅中，然后将氧化铝坩锅放入内置于雾化设备的真空感应炉（电源电压：110V/220VAC；电源频率：50~60Hz；工作频率：100～200kHz）中，关闭炉门后抽真空至真空感应炉内的真空度至1×10^-3Pa，加大电流至纯金属完全熔化至液体，所得合金液体成分为(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₅₅Cu₄₅(at.%)。将熔化了的合金液体（约1kg）倾倒于受液斗，在液体流入雾化室的瞬间，用氮气吹之，在雾化室的最下端可得Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。关闭氮气气流阀，同时将电流值减小至零，当雾化设备冷却到常温（约25℃）时，打开充气阀注入空气，至雾化设备内外压强平衡时开启出料门，取出Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料，其横截面组织示意图见图2。

合金Fe₇₅Si₁₀B₁₅（at.%）与纯Cu之间的相关系与温度示意图参见图1，合金(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)_100-xCu_x(x:10~90,at.%)在一定的温度范围内，其液相均呈两相分离（L1＋L2）状态。另外，Liquid指单一液相区，L1+L2+Fe₂B，Liquid+(Cu)+Fe₂B以及Fe+(Cu)+Fe₂B均为三相平衡区。

(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₅₅Cu₄₅(at.%)合金粉体的X射线衍射图谱的参见图3。

实施例2：按原子百分比，按预先设定的(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₉₀Cu₁₀(at.%)合金的成分，称量各纯金属后放置于氧化铝坩锅中，然后将氧化铝坩锅放入内置于雾化设备的真空感应炉（电源电压：110V/220VAC；电源频率：50~60Hz；工作频率：100～200kHz）中，关闭炉门后抽真空至真空感应炉内的真空度至1×10^-3Pa，加大电流至纯金属完全熔化至液体，所得合金液体成分为(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₉₀Cu₁₀(at.%)。将熔化了的合金液体（约1kg）倾倒于受液斗，在液体流入雾化室的瞬间，用氮气吹之，在雾化室的最下端可得Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。关闭氮气气流阀，同时将电流值减小至零，当雾化设备冷却到常温（约25℃）时，打开充气阀注入空气，至雾化设备内外压强平衡时开启出料门，取出Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。

实施例3：按原子百分比，按预先设定的(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₁₀Cu₉₀(at.%)合金的成分，称量各纯金属后放置于氧化铝坩锅中，然后将氧化铝坩锅放入内置于雾化设备的真空感应炉（电源电压：110V/220VAC；电源频率：50~60Hz；工作频率：100～200kHz）中，关闭炉门后抽真空至真空感应炉内的真空度至1×10^-3Pa，加大电流至纯金属完全熔化至液体，所得合金液体成分为(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)₁₀Cu₉₀(at.%)。将熔化了的合金液体（约1kg）倾倒于受液斗，在液体流入雾化室的瞬间，用氮气吹之，在雾化室的最下端可得Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。关闭氮气气流阀，同时将电流值减小至零，当雾化设备冷却到常温（约25℃）时，打开充气阀注入空气，至雾化设备内外压强平衡时开启出料门，取出Cu基晶体/Fe-Si-B基非晶复合粉体材料。

Claims

1.一种晶体/非晶复合粉体，其特征在于包括晶相和非晶相，晶相为富铜相（Cu-rich），非晶体相为富铁硅硼相（Fe-Si-B-rich）；合金元素Cu、Fe、Si、B形成偏晶型合金，形成偏晶型合金的成分按原子百分比为(Fe_0.75Si_0.1B_0.15)_100-xCu_x（at.%），其中x的值在10～90之间。

2.如权利要求1所述的一种晶体/非晶复合粉体，其特征在于所述晶体/非晶复合粉体的粒径为10~350μm。

3.如权利要求1所述的一种晶体/非晶复合粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种晶体/非晶复合粉体的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述真空感应炉的工作频率为100～200kHz。

5.如权利要求3所述的一种晶体/非晶复合粉体的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述惰性气体选自氩气或氮气。

6.如权利要求3所述的一种晶体/非晶复合粉体的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述喷射惰性气体的雾化气压为3～14MPa。