CN103305778A - 一种铜-锆-钇三元体系大块非晶合金 - Google Patents

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向震
陈爱英
潘登
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Abstract

一种铜-锆-钇三元体系大块非晶合金，包含：质量分数45%～50%范围内的铜，质量分数在40%～49.5%范围内的锆，以及质量分数在0.5%～15%范围内的钇。相比其他体系的非晶合金，不仅具有更大的尺寸，且表面质量良好，光洁度好，还具有高热稳定性和优异的力学性能，在高性能结构材料、体育用品、微型精密器件等领域有着广泛的应用。

Description

一种铜-锆-钇三元体系大块非晶合金
技术领域
本发明涉及一种新型的铜（以下称为Cu）-锆（以下称为Zr）-钇（以下称为Y）三元体系大块非晶合金。
背景技术
与传统晶态合金材料相比，非晶合金材料在多项使用性能方面具有十分明显的优势，比如：优异的力学性能，良好的加工性能，优良的抗腐蚀性能以及优异的软磁、硬磁等物理性能。非晶合金的独特的原子结构决定了其优异性能，即原子的短程有序，长程无序结构。急冷法制备非晶合金，是将处于熔融状态的合金快速的冷却到玻璃转变温度以下，且该过程没有结晶发生，则获得非晶合金。该过程中所需的最小冷却速率是非晶形成的临界冷却速率，临界冷却速率越小，对应的合金的非晶形成能力越强，制备出的非晶临界尺寸也越大。如何研制出非晶形成能力更强的，热力学性能更稳定和力学性能更优异的大块非晶合金是研究人员亟待解决的问题。
Cu-Zr基大块非晶合金具有强非晶形成能力，良好的热稳定性能，优异的力学性以及低廉的成本。因此，具有巨大的应用价值和广泛的市场空间。进入21世纪以来，2004年Cu-Zr基块体非晶合金取得了突破性发展，Tang等（ChinesePhysics Letters,2004,21:901）制备出直径为2mm的Cu-Zr二元体系块体非晶合金，但是尺寸上一直难有突破。有研究表明，Cu-Zr基三元体系的块体非晶合金尺寸上已经有所提高，例如A.Inoue等（Acta mater.2001,49:2645～2652）已制备出直径4mm的Cu-Zr-Ti非晶合金。然而，经文献调研发现在Cu-Zr基三元体系块体非晶合金中，添加成分大多是Al、Ti等（Spcripta Materialia,2005,53:166）常规元素，尚未发现有稀土元素的添加。我国是稀土大国，资源十分丰富，且稀土元素具有独特的磁、电、热力学、力学等性能，通过掺杂稀土元素往往能够改善其多方面的性能。已经有大量文献报道，在Cu-Zr基三元体系之外的非晶合金中添加稀土元素能明显的提高其非晶形成能力,以及磁、热力学、力学等性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，其具有很强的非晶形成能力，相比其他体系的非晶合金，不仅具有更大的尺寸，且表面质量良好，光洁度好，还具有高热稳定性和优异的力学性能，在高性能结构材料、体育用品、微型精密器件等领域有着广泛的应用。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，具有这样的特征，包含：质量分数45%～50%范围内的Cu，质量分数在40%～49.5%范围内的Zr，以及质量分数在0.5%～15%范围内的Y。
进一步，本发明的Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，还可以具有这样的特征：Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金的直径为3～10mm，长度为20～60mm。
进一步，本发明的Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，还可以具有这样的特征：Cu的质量分数为50%，Zr的质量分数为48%，Y的质量分数为2%。
另外，本发明的Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，还可以具有这样的特征：Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金的直径为3mm，长度为50mm。
发明的作用与效果
根据本发明涉及的Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，在Cu-Zr基三元体系中添加了稀土元素Y，最终得到的Cu-Zr-Y三元体系非晶合金具有很强的非晶形成能力，相比其他体系的非晶合金，不仅具有更大的尺寸，且表面质量良好，光洁度好，还具有具有高热稳定性和优异的力学性能，有助于在实际中的应用。
附图说明
图1为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的XRD衍射图谱示意图；
图2为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的DSC曲线示意图；
图3为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的显微硬度与Y原子含量的关系曲线示意图；以及
图4为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的纳米硬度、弹性模量与Y原子含量的关系曲线示意图。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
本发明中的Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金，包含：质量分数45%～50%范围内的Cu，质量分数在40%～49.5%范围内的Zr，以及质量分数在0.5%～15%范围内的Y。Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金的直径为3～10mm，长度为20～60mm。
本发明中的Cu-Zr-Y三元体系大块非晶合金的制备方法如下：
称取一定比例的高纯度（纯度大于99.99%）的Cu、Zr、Y金属原料并混合；
将混合的金属原料在充入了惰性气体电弧熔炼炉中进行熔炼，反复熔炼4～6次，每次熔炼时间为4分钟，每次熔炼用磁力搅拌1～3min，最终使合金中各成分均匀混合，得到熔炼好的母合金，其中，炉内的真空度为5.5×10-5mbar，熔炼电流范围为250A，气压为800mbar；
将熔炼好的母合金放入高真空吸铸模具中加热至熔融状态，再吸铸出大块非晶合金，其中，加热电弧电流范围为230～260A。
在制备本实施例的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金过程中：
按照质量分数比为50:48:2的配比称取高纯度（纯度大于99.99%）的Cu、Zr、Y金属原料并混合；
将混合的金属原料在充入了惰性气体Ar2电弧熔炼炉中进行熔炼，反复熔炼5次，每次熔炼时间为4分钟，每次熔炼用磁力搅拌1～3min，最终使合金中各成分均匀混合，得到熔炼好的母合金，其中，炉内的真空度为5.5×10-5mbar，熔炼电流范围为250A，气压为800mbar；
将熔炼好的母合金放入高真空吸铸模具中加热至熔融状态，再吸铸出大块非晶合金，其中，加热电弧电流为250A；
最终得到的Cu50Zr48Y2大块非晶合金圆棒直径为3mm，长度为50mm，其尺寸优于Cu-Zr二元体系块体非晶合金以及Cu-Zr-Ti非晶合金。
图1为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的XRD衍射图谱示意图。
Y的含量对非晶合金形成能力有影响。如图1所示，该Cu50Zr48Y2大块非晶合金的XRD衍射图谱显示出弥散的衍射峰，表明制备得到的Cu50Zr48Y2大块非晶合金具有很强的玻璃形成能力。
图2为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的DSC曲线示意图；
通过热分析可以获得Cu50Zr48Y2大块非晶合金的玻璃转变温度Tg、晶化开始温度Tx和过冷液体温度区间ΔTx。如图3所示，DSC图谱显示了本实施例得到的Cu50Zr48Y2大块非晶合金的玻璃转变和晶化过程，其Tg、Tx、ΔTx分别是665K、702K和37K，表明该Cu50Zr48Y2大块非晶合金具有良好的热稳定性。
图3为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的显微硬度与Y原子含量的关系曲线示意图。
未加入Y的Cu50Zr50合金硬度测试结果为442Hv，而本实施例中制备得到的Cu50Zr48Y2大块非晶合金的显微硬度测试结果为1067Hv，优于未加入Y元素的二元合金体系，如图3所示。
图4为本实施例中的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金的纳米硬度、弹性模量与Y原子含量的关系曲线示意图。
如图4所示，本实施例中制备的到的Cu50Zr48Y2大块非晶合金的纳米压痕测试结果显示其纳米硬度为7.4GPa，弹性模量为120.9GPa，说明该Cu50Zr48Y2大块非晶合金具有优异的力学性能。
除了以上制备得到的Cu50Zr48Y2大块非晶合金外，按照本实施例中的制备方法制备得到的由质量分数在45%～50%的铜，质量分数在40%～49.5%的锆，以及质量分数在0.5%～15%的钇所组成的Cu-Zr-Y大块非晶合金都具有良好的非晶形成能力、高热稳定性以及优异的力学性能。
实施例的作用与效果
根据本实施例涉及的Cu50Zr48Y2三元体系大块非晶合金，在Cu-Zr基三元体系中添加了稀土元素钇，Cu的质量分数为50%，Zr的质量分数为48%，Y的质量分数为2%，最终得到的Cu50Zr48Y2非晶合金具有很强的非晶形成能力，其直径为3～10mm，长度为20～60mm，相比其他体系的非晶合金，不仅具有更大的尺寸，且表面质量良好，光洁度好，还具有高热稳定性和优异的力学性能，有助于在实际中的应用；除此以外，质量分数在45%～50%的铜，质量分数在40%～49.5%的锆，以及质量分数在0.5%～15%的钇所组成的Cu-Zr-Y大块非晶合金也都具有良好的非晶形成能力、高热稳定性以及优异的力学性能，在高性能结构材料、体育用品、微型精密器件等领域有着广泛的应用。

Claims (4)

1.一种铜-锆-钇三元体系大块非晶合金，其特征在于，包含：
质量分数45%～50%范围内的铜，质量分数在40%～49.5%范围内的锆，以及质量分数在0.5%～15%范围内的钇。
2.根据如权利要求1所述的铜-锆-钇三元体系大块非晶合金，其特征在于：
其中，所述铜-锆-钇三元体系大块非晶合金的直径为3～10毫米，长度为20～60毫米。
3.根据如权利要求1所述的铜-锆-钇三元体系大块非晶合金，其特征在于：
其中，所述铜的质量分数为50%，所述锆的质量分数为48%，所述钇的质量分数为2%。
4.根据权利要求3所述的铜-锆-钇三元体系大块非晶合金，其特征在于：
其中，所述铜-锆-钇三元体系大块非晶合金的直径为3毫米，长度为50毫米。
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