CN109280864A - 具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃 - Google Patents

具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃 Download PDF

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Abstract

本发明属于新材料领域，公开了具有不同团簇含量和性能的Zr‑Al‑Ni‑Cu块体金属玻璃。Zr‑Al‑Ni‑Cu块体金属玻璃是将纯度为99.99wt%的Zr、Al、Ni和Cu通过真空电弧熔炼，然后通过真空吸铸法制备成直径为2mm的块体金属玻璃。该Zr‑Al‑Ni‑Cu块体金属玻璃的成分为Zr65Al8Ni8.5Cu18.5、Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85和Zr66Al6.6Ni6.2Cu21.2，其玻璃转变温度为631.9‑641.8K,晶化温度为722.8‑737.3K，流动应力为1571.9‑1689.8MPa，流动应变为1.9‑2.3%，塑性应变为1.7‑5.8%，玻璃转变温度、晶化温度和流动应变随锆含量的增加而减少，塑性应变随锆含量的增加而增加。该Zr‑Al‑Ni‑Cu块体金属玻璃包含hp‑Zr6Al2Ni和t‑Zr2Cu两种团簇，hp‑Zr6Al2Ni团簇的含量随Zr含量的增加而减少，t‑Zr2Cu团簇的含量随Zr含量的增加而增加。

Description

具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃
技术领域
本发明涉及具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃。
背景技术
锆基块体金属玻璃具有优异的物理化学性能，特别是某些锆基块体金属玻璃表现出好的室温塑性和生物相容性，这些特点使得其在结构和生物材料领域中具有极大的应用前景，然而大部分锆基块体金属玻璃的室温脆性使得它们的应用受到极大限制；众所周知，微量成分的改变会影响金属玻璃的性能，而金属玻璃具有短程甚至中程有序结构，但是微量成分的变化与其结构的关系及其对金属玻璃性能的影响规律尚不清晰，因此制备出室温塑性好，同时具有不同含量的同类型短程/中程有序结构的锆基块体金属玻璃具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤: ①将纯度为99.99wt%的块状Zr、Cu、Al和Ni按Zr-Al-Ni-Cu合金成分配比配料；②将配好的料放入电弧炉的坩埚中，抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.4大气压，然后熔炼Ti进行吸气；③熔炼合金6次，待真空室冷却后将母合金取出，将坩埚清洗干净并将母合金破碎；④将破碎好的部分母合金放入电弧炉的坩埚中，并安装好内孔直径为2mm的水冷铜模；⑤抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.6大气压，然后熔炼Ti进行吸气，并对母合金进行熔炼并吸铸，即可获得直径为2mm的金属玻璃。所述块体金属玻璃的热处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：①将适量的所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃放入差热扫描量热计中，以20K/min的速度在流动的纯度为99.999%的氩气坏境下对其分别加热到460℃、475℃、480℃、485℃和600℃，然后炉冷到室温。②将热处理后的合金用1000#的砂纸对其端面打磨光亮，用X射线衍射仪对其晶化相种类和含量进行检测。
所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的成分为Zr65Al8Ni8.5Cu18.5、Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85和Zr66Al6.6Ni6.2Cu21.2；其玻璃转变温度为631.9-641.8K,晶化温度为722.8-737.3K，流动应力为1571.9-1689.8MPa，流动应变为1.9-2.3%，塑性应变为1.7-5.8%，玻璃转变温度、晶化温度和流动应变随锆含量的增加而减少，塑性应变随锆含量的增加而增加。
所述热处理后的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃包含有不同含量同类晶化相，Zr65Al8Ni8.5Cu18.5包含有21.4Wt%的hp-Zr6Al2Ni和78.6Wt%的t-Zr2Cu，Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85包含有11.8Wt%的hp-Zr6Al2Ni和88.2Wt%的t-Zr2Cu，Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85包含有9.3Wt%的hp-Zr6Al2Ni和90.7Wt%的t-Zr2Cu；所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃经过460℃、475℃、480℃、485℃和600℃热处理后，都只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种晶化相，表明所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃中只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种团簇，hp-Zr6Al2Ni团簇的含量随Zr含量的增加而减少，t-Zr2Cu团簇的含量随Zr含量的增加而增加。
本发明制成的产品分别用X射线衍射仪（XRD）检测材料的非晶态结构以及晶化相的种类和含量、用差热扫描量热计（DSC）检测块体金属玻璃的特征温度以及热处理，用万能试验机测试力学性能。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
根据Zr65Al8Ni8.5Cu18.5合金成分，用分析天平称取锆3.7913±0.0001g、铝0.1380±0.0001g、铜0.7517±0.0001g和镍0.3190±0.0001g，放入真空电弧炉的铜坩埚中，抽真空至1×10-4Pa，充入氩气使真空腔的压力达0.4个大气压，熔炼Ti进行吸气后，然后熔炼合金6次，待真空室冷却后将母合金取出，将坩埚清洗干净并将母合金破碎，将破碎好的部分母合金放入电弧炉的坩埚中，并安装好模腔直径为2mm的水冷铜模，抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.6大气压，然后熔炼Ti进行吸气，并对母合金进行熔炼进行吸铸而获得直径为2mm的试样。然后用水冷慢速金刚石切割机从试样中间取下长度分别为4.5mm和1mm的试样，将4.5mm的2个横截面磨平并抛光成直径为2mm和长度为4mm的试样，用于力学性能测试；将1mm的1个横截面磨光，用于差热扫描量热计测试。通过XRD技术检测发现该铸态产品为完全的非晶态，以20℃/min升温速度在流动的纯度为99.999%的氩气坏境下分别将试样升到460℃、475℃、480℃、485℃和600℃后，所有产品只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种晶化相，表明该块体金属玻璃中只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种团簇，600℃热处理后的产品包含21.4Wt%的hp-Zr6Al2Ni和78.6Wt%的t-Zr2Cu，该块体金属玻璃中包含21.4Wt%的hp-Zr6Al2Ni和78.6Wt%的t-Zr2Cu团簇，通过DSC技术检测发现该铸态产品的玻璃转变温度为641.8K,晶化温度为737.3K，通过万能试验机进行力学性能测试，该铸态产品的流动应力为1689.8MPa，流动应变为2.3%，塑性应变为1.7%。
实施例2
根据Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85合金成分，用分析天平称取锆3.7986±0.0001g、铝0.1252±0.0001g、铜0.8019±0.0001g和镍0.2742±0.0001g，放入真空电弧炉的铜坩埚中，抽真空至1×10-4Pa，充入氩气使真空腔的压力达0.4个大气压，熔炼Ti进行吸气后，然后熔炼合金6次，待真空室冷却后将母合金取出，将坩埚清洗干净并将母合金破碎，将破碎好的部分母合金放入电弧炉的坩埚中，并安装好模腔直径为2mm的水冷铜模，抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.6大气压，然后熔炼Ti进行吸气，并对母合金进行熔炼进行吸铸而获得直径为2mm的试样。然后用水冷慢速金刚石切割机从试样中间取下长度分别为4.5mm和1mm的试样，将4.5mm的2个横截面磨平并抛光成直径为2mm和长度为4mm的试样，用于力学性能测试；将1mm的1个横截面磨光，用于差热扫描量热计测试。通过XRD技术检测发现该铸态产品为完全的非晶态，以20℃/min升温速度在流动的纯度为99.999%的氩气坏境下分别将试样升到460℃、475℃、480℃、485℃和600℃后，所有产品只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种晶化相，表明该块体金属玻璃中只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种团簇，600℃热处理后的产品包含11.8Wt%的hp-Zr6Al2Ni和88.2Wt%的t-Zr2Cu，该块体金属玻璃中包含11.8Wt%的hp-Zr6Al2Ni和88.2Wt%的t-Zr2Cu团簇，通过DSC技术检测发现该铸态产品的玻璃转变温度为638.2K,晶化温度为729.0K，通过万能试验机进行力学性能测试，该铸态产品的流动应力为1571.9MPa，流动应变为2.1%，塑性应变为5.6%。
实施例3
根据Zr66Al6.6Ni6.2Cu21.2合金成分，用分析天平称取锆3.8058±0.0001g、铝0.1126±0.0001g、铜0.8516±0.0001g和镍0.2300±0.0001g，放入真空电弧炉的铜坩埚中，抽真空至1×10-4Pa，充入氩气使真空腔的压力达0.4个大气压，熔炼Ti进行吸气后，然后熔炼合金6次，待真空室冷却后将母合金取出，将坩埚清洗干净并将母合金破碎，将破碎好的部分母合金放入电弧炉的坩埚中，并安装好模腔直径为2mm的水冷铜模，抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.6大气压，然后熔炼Ti进行吸气，并对母合金进行熔炼进行吸铸而获得直径为2mm的试样。然后用水冷慢速金刚石切割机从试样中间取下长度分别为4.5mm和1mm的试样，将4.5mm的2个横截面磨平并抛光成直径为2mm和长度为4mm的试样，用于力学性能测试；将1mm的1个横截面磨光，用于差热扫描量热计测试。通过XRD技术检测发现该铸态产品为完全的非晶态，以20℃/min升温速度在流动的纯度为99.999%的氩气坏境下分别将试样升到460℃、475℃、480℃、485℃和600℃后，所有产品只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种晶化相，表明该块体金属玻璃中只包含hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种团簇，600℃热处理后的产品包含9.3Wt%的hp-Zr6Al2Ni和90.7Wt%的t-Zr2Cu，表明该块体金属玻璃中包含9.3Wt%的hp-Zr6Al2Ni和90.7Wt%的t-Zr2Cu团簇，通过DSC技术检测发现该铸态产品的玻璃转变温度为631.9K,晶化温度为722.8K，通过万能试验机进行力学性能测试，该铸态产品的流动应力为1621.4MPa，流动应变为1.9%，塑性应变为5.8%。

Claims (4)

1.具有不同团簇含量和性能的Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃，其特征在于：所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的成分为Zr65Al8Ni8.5Cu18.5、Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85和Zr66Al6.6Ni6.2Cu21.2；所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的制备工艺包括如下步骤:
将纯度为99.99wt%的块状Zr、Cu、Al和Ni按Zr-Al-Ni-Cu合金成分配比配料；
将配好的料放入电弧炉的坩埚中，抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.4大气压，然后熔炼Ti进行吸气；
熔炼合金6次，待真空室冷却后将母合金取出，将坩埚清洗干净并将母合金破碎；
将破碎好的部分母合金放入电弧炉的坩埚中，并安装好内孔直径为2mm的水冷铜模；
抽真空到1×10-4Pa后再充入纯度为99.999wt%的氩气使真空腔的压力达到0.6大气压，然后熔炼Ti进行吸气，并对母合金进行熔炼并吸铸，即可获得直径为2mm的块体金属玻璃。
2.根据权利要求1所述的块体金属玻璃，其特征在于：所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃的玻璃转变温度为631.9-641.8K,晶化温度为722.8-737.3K，流动应力为1571.9-1689.8MPa，流动应变为1.9-2.3%，塑性应变为1.7-5.8%，玻璃转变温度、晶化温度和流动应变随锆含量的增加而减少，塑性应变随锆含量的增加而增加。
3.根据权利要求1所述的块体金属玻璃的热处理工艺，其特征在于：包括如下步骤：
将适量的所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃放入差热扫描量热计中，以20K/min的速度在流动的纯度为99.999%的氩气坏境下对其加热到460℃、475℃、480℃、485℃和600℃，然后炉冷到室温，将热处理后的合金用1000#的砂纸对其端面打磨光亮，用X射线衍射仪对其晶化相种类和含量进行检测。
4.根据权利要求3所述的热处理后的块体金属玻璃，其特征在于：所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃经过460℃、475℃、480℃、485℃和600℃热处理后，只有hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种晶化相，表明所述Zr-Al-Ni-Cu块体金属玻璃中只包含有hp-Zr6Al2Ni和t-Zr2Cu两种团簇，600℃热处理后，Zr65Al8Ni8.5Cu18.5包含21.4Wt%的hp-Zr6Al2Ni和78.6Wt%的t-Zr2Cu，Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85包含11.8Wt%的hp-Zr6Al2Ni和88.2Wt%的t-Zr2Cu，Zr65.5Al7.3Ni7.35Cu19.85包含9.3Wt%的hp-Zr6Al2Ni和90.7Wt%的t-Zr2Cu,表明hp-Zr6Al2Ni团簇的含量随Zr含量的增加而减少，t-Zr2Cu团簇的含量随Zr含量的增加而增加。
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