CN110396650B - 一种锆基块体非晶合金的制备方法 - Google Patents

一种锆基块体非晶合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备锆基块体非晶合金的方法，按照合金元素的计量比称取高纯度块体材料；在高纯氩气保护气体氛围下利用超高温真空悬浮熔炼炉熔炼原材料，经过充分冷却得到混合均匀的晶体合金，将熔炼的晶体合金切割成所需的小质量块体，去除杂质洗净后重新熔化，吸铸得到锆基块体非晶合金。本发明所制备得到的锆基块体非晶合金成型质量优良，力学性能优异。本发明方法充分利用超高温磁悬浮熔炼技术将各原材料均匀混合，高速效率，适合锆基块体非晶合金的工业化生产。

Description

一种锆基块体非晶合金的制备方法
技术领域
本发明属于非晶合金领域，具体涉及一种锆基块体非晶合金的制备方法。
背景技术
非晶合金由于其具有与传统合金不同的微观结构使其具有很多优异的力学性能，如高强度、高的弹性应变、高硬度等。非晶合金由于其独特性以及良好的物理、力学以及化学等性能，在基础研究和实际应用中引起了全世界研究人员的关注。非晶合金具有非常大的应用前景，被认为是新一代的结构与功能材料之一。而锆基非晶合金具有良好的玻璃形成能力，相对较容易可以制备出大直径的块体非晶合金，锆基非晶合金不仅具有良好的性能而且可以作为活性材料具有高能量释放特性。
非晶合金的制备一直是制约其工业化应用的关键因素，如何高效、低成本、便捷的制备非晶材料一直是人们追求的目标。目前，针对非晶合金材料制备常采用按照所制备非晶合金的质量进行配料，若制备多个同一类型的非晶合金需要进行多次原材料配料，然后原材料进行反复多次熔炼，最后吸铸成为非晶合金，极大降低了非晶合金的制备效率。因此，如何高效率批量化生产非晶合金对非晶合金的大规模应用非常有益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备锆基块体非晶合金的方法，解决了锆基块体非晶合金在制备过程中配料耗时，成分不均匀等问题；而且该方法制备的锆基块体非晶合金具有良好的玻璃形成能力以及成型质量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种制备锆基块体非晶合金的方法，制备步骤如下：
步骤1、原材料配制：选用纯度高于99%的锆、铜、铝、镍，去除材料氧化皮层后；利用超声波清洗机洗净，按照所需制备的锆基块体非晶合金的摩尔比换算成质量比进行配料；其中锆元素的摩尔比在整个锆基块体非晶合金中占50% -60%；将混合后的原材料放在已经洗净的坩埚内。
步骤2、高温真空悬浮熔炼炉排除空气：打开充高纯氩气阀门，充高纯氩气1-2分钟后打开粗抽阀；继续充氩气3-5分钟关闭阀门，排除管道以及炉内空气。
步骤3、高温真空悬浮熔炼炉抽真空：利用机械泵抽低真空至10-20Pa，然后利用分子泵抽高真空至1.5×10-2Pa以下。
步骤4、高温真空悬浮熔炼炉充保护气体：高温真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至300-500Pa。
步骤5、熔炼原料：首先将加热功率加到100-110KW额定功率，稳定2-3分钟；然后以30-35KW的阶梯增加功率，每增加30-35KW的功率稳定1-2分钟，一直增加功率至230-240KW。通过炉门和炉盖观察窗用防护镜片观察坩埚内原材料熔炼情况，待原材料完全融化呈现翻滚状态时，稳定3-5分钟。
步骤6、晶体合金冷却：首先以每10-15KW的功率为阶梯，降低功率至140-160KW，然后以20-25KW的功率为阶梯，降低功率至70-85KW，最后以30-50KW的功率为阶梯，降低功率至0KW。利用水冷冷却20-25分钟，在上方观察孔中肉眼看不到红色亮光，然后充分冷却至70℃以下，开炉取出晶体合金铸锭。
步骤7、切割晶体合金铸锭：将熔炼的晶体合金铸锭切割成所需非晶合金的质量，去除表面杂质，保证其纯净度。
步骤8、熔炼合金：首先抽低真空至5Pa以下，其次抽高精真空度至0.002Pa以下，然后充入高纯氩气，直至真空压力表指针达到-0.04MPa至-0.01MPa，最后以180-210A的电流加热熔化合金。
步骤9、吸铸合金：利用压力差或者外加压力作用下将熔融状态下的合金吸入到油冷或者水冷的铜模具中，快速冷却得到锆基非晶合金。
进一步地，步骤1中，锆、铜、铝、镍、铌和钛均为块体。
进一步地，原材料配制还包括纯度高于99.5%的块体铌。
进一步地，原材料配制还包括纯度高于99.5%的块体钛。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）通过本发明方法所制备得到锆基块体非晶合金，纯净度高，均匀性好。
（2）通过本发明方法所制备得到的锆基块体非晶合金具有优异的力学性能，高屈服强度，高弹性，耐腐蚀以及耐磨性能。
（3）本发明方法高速效率，通过先制备得到晶体材料然后吸铸得到非晶合金省时省力，尤其适用于锆基块体非晶合金批量化生产。
附图说明
图1为本发明锆基块体非晶合金的制备方法的流程图。
图2为本发明实施例1制备的Zr55Cu30Al10Ni5锆基非晶合金的X射线衍射图谱。
图3为本发明实施例1制备的Zr55Cu30Al10Ni5锆基非晶合金的准静态压缩真实应力应变曲线图。
图4为本发明实施例2制备的Zr58.5Cu15.6Al10.3Ni12.8Nb2.8锆基非晶合金的X射线衍射图谱。
图5为本发明实施例2制备的Zr58.5Cu15.6Al10.3Ni12.8Nb2.8锆基非晶合金的准静态压缩真实应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和较佳的实例对本发明作进一步详细描述，本实施例是以本发明技术方案为实施前提，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1：
结合图1，所述制备锆基块体非晶合金的方法，制备步骤如下：
步骤1、原材料配制：选用纯度为99.7%的锆块，纯度为99.99%的铜块、铝块和镍块原材料，去除材料氧化皮层后，利用超声波清洗机洗净干燥后，按照摩尔比为Zr55%、Cu30%、Al10%、Ni5%的摩尔比换算成质量比进行配料。按照所需制备的锆基块体非晶合金的质量比进行配料。将混合后的原材料放在已经洗净的坩埚内。
步骤2、高温真空悬浮熔炼炉排除空气：打开充高纯氩气阀门，充高纯氩气1分钟后打开粗抽阀，继续充氩气3分钟关闭阀门，排除管道以及炉内空气。
步骤3、高温真空悬浮熔炼炉抽真空：利用机械泵抽低真空至15Pa，然后利用分子泵抽高真空至5×10-3Pa。
步骤4、高温真空悬浮熔炼炉充保护气体：高温真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至400Pa。
步骤5、熔炼原料：首先将加热功率加到100KW额定功率，稳定2分钟；然后以30KW的阶梯增加功率，每增加30KW的功率稳定1分钟，一直增加功率至230KW。通过炉门和炉盖观察窗用防护镜片观察坩埚内原材料熔炼情况，待原材料完全融化呈现翻滚状态时，稳定3分钟。
步骤6、晶体合金冷却：首先以每10KW的功率为阶梯，降低功率至140KW，然后以20KW的功率为阶梯，降低功率至80KW，最后以30KW的功率为阶梯，降低功率至0KW。利用水冷冷却20分钟，在上方观察孔中肉眼看不到红色亮光，然后充分冷却至60℃，开炉取出晶体合金铸锭。
步骤7、切割晶体合金铸锭：将熔炼的晶体合金铸锭切割成质量为38g左右的小块，去除表面杂质，利用超声波清洗机洗净干燥后，放入电弧熔炼吸铸炉。
步骤8、熔炼合金：首先抽低真空至5Pa，其次抽高精真空度至0.001Pa，然后充入高纯氩气，直至真空压力表指针达到-0.03MPa，最后以190A的电流加热熔化合金。
步骤9、吸铸合金：利用压力差将熔融状态下的合金吸入到水冷的铜模具中，快速冷却得到锆基非晶合金。
图2是Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的XRD衍射图谱。从图中可以看出，整个图谱无精细的谱峰结构，只有一个明显的宽的漫散射峰，表明制备Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金为非晶材料。采用φ3×H6 mm的试样测试了其室温压缩力学性能，其真实应力应变曲线如图3所示，屈服强度为1600MPa。
实施例2：
步骤1、原材料配制：选用纯度为99.7%的锆块，纯度为99.999%的铜块、铝块、镍块和铌块原材料，去除材料氧化皮层后，利用超声波清洗机洗净干燥后，按照摩尔比为Zr58.5%、Cu15.6%、Al10.3%、Ni12.8%、Nb2.8%的摩尔比换算成质量比进行配料。按照所需制备的锆基块体非晶合金的质量比进行配料。将混合后的原材料放在已经洗净的坩埚内。
步骤2、高温真空悬浮熔炼炉排除空气：打开充高纯氩气阀门，充高纯氩气2分钟后打开粗抽阀，继续充氩气4分钟关闭阀门，排除管道以及炉内空气。
步骤3、高温真空悬浮熔炼炉抽真空：利用机械泵抽低真空至10Pa，然后利用分子泵抽高真空至7×10-3Pa。
步骤4、高温真空悬浮熔炼炉充保护气体：高温真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至500Pa。
步骤5、熔炼原料：首先将加热功率加到110KW额定功率，稳定3分钟；然后以35KW的阶梯增加功率，每增加35KW的功率稳定2分钟，一直增加功率至240KW。通过炉门和炉盖观察窗用防护镜片观察坩埚内原材料熔炼情况，待原材料完全融化呈现翻滚状态时，稳定4分钟。
步骤6、晶体合金冷却：首先以每15KW的功率为阶梯，降低功率至150KW，然后以25KW的功率为阶梯，降低功率至75KW，最后以40KW的功率为阶梯，降低功率至0KW。利用水冷冷却25分钟，在上方观察孔中肉眼看不到红色亮光，然后充分冷却至65℃，开炉取出晶体合金铸锭。
步骤7、切割晶体合金铸锭：将熔炼的晶体合金铸锭切割成质量为40g左右的小块，去除表面杂质，利用超声波清洗机洗净干燥后，放入电弧熔炼吸铸炉。
步骤8、熔炼合金：首先抽低真空至4Pa，其次抽高精真空度至0.0015Pa，然后充入高纯氩气，直至真空压力表指针达到-0.025MPa，最后以200A的电流加热熔化合金。
步骤9、吸铸合金：利用压力差将熔融状态下的合金吸入到水冷的铜模具中，快速冷却得到锆基非晶合金。
图4是Zr58.5Cu15.6Al10.3Ni12.8Nb2.8非晶合金的XRD衍射图谱。从图中可以看出，整个图谱无精细的谱峰结构，只有一个明显的宽的漫散射峰，表明制备Zr58.5Cu15.6Al10.3Ni12.8Nb2.8非晶合金为非晶材料。采用φ3×H6 mm的试样测试了其室温压缩力学性能，其真实应力应变曲线如图5所示，屈服强度为1550MPa。
实施例3：
步骤1、原材料配制：选用纯度为99.7%的锆块，纯度为99.999%的铜块、铝块、镍块和钛块原材料，去除材料氧化皮层后，利用超声波清洗机洗净干燥后，按照摩尔比为Zr52.5%、Cu17.9%、Al10%、Ni14.6%、Ti5%的摩尔比换算成质量比进行配料。按照所需制备的锆基块体非晶合金的质量比进行配料。将混合后的原材料放在已经洗净的坩埚内。
步骤2、高温真空悬浮熔炼炉排除空气：打开充高纯氩气阀门，充高纯氩气1.5分钟后打开粗抽阀，继续充氩气5分钟关闭阀门，排除管道以及炉内空气。
步骤3、高温真空悬浮熔炼炉抽真空：利用机械泵抽低真空至20Pa，然后利用分子泵抽高真空至6×10-3Pa。
步骤4、高温真空悬浮熔炼炉充保护气体：高温真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至450Pa。
步骤5、熔炼原料：首先将加热功率加到110KW额定功率，稳定2分钟；然后以30KW的阶梯增加功率，每增加30KW的功率稳定2分钟，一直增加功率至235KW。通过炉门和炉盖观察窗用防护镜片观察坩埚内原材料熔炼情况，待原材料完全融化呈现翻滚状态时，稳定5分钟。
步骤6、晶体合金冷却：首先以每10KW的功率为阶梯，降低功率至160KW，然后以25KW的功率为阶梯，降低功率至85KW，最后以35KW的功率为阶梯，降低功率至0KW。利用水冷冷却25分钟，在上方观察孔中肉眼看不到红色亮光，然后充分冷却至70℃，开炉取出晶体合金铸锭。
步骤7、切割晶体合金铸锭：将熔炼的晶体合金铸锭切割成质量为26g左右的小块，去除表面杂质，利用超声波清洗机洗净干燥后，放入电弧熔炼吸铸炉。
步骤8、熔炼合金：首先抽低真空至3.5Pa，其次抽高精真空度至0.002Pa，然后充入高纯氩气，直至真空压力表指针达到-0.02MPa，最后以180A的电流加热熔化合金。
步骤9、吸铸合金：利用压力差将熔融状态下的合金吸入到水冷的铜模具中，快速冷却得到锆基非晶合金。

Claims (4)

1.一种锆基块体非晶合金的制备方法，其特征在于，制备工艺步骤为：
步骤1、原材料配制：选用纯度高于99.5%的锆、铜、铝、镍，去除材料氧化皮层后；利用超声波清洗机洗净，按照所需制备的锆基块体非晶合金的摩尔比换算成质量比进行配料；其中锆元素的摩尔比在整个锆基块体非晶合金中占50% -60%；将混合后的原材料放在已经洗净的坩埚内；
步骤2、高温真空悬浮熔炼炉排除空气：打开充高纯氩气阀门，充高纯氩气1-2分钟后打开粗抽阀；继续充氩气3-5分钟关闭高纯氩气阀门，排除管道以及炉内空气；
步骤3、高温真空悬浮熔炼炉抽真空：利用机械泵抽低真空至10-20Pa，然后利用分子泵抽高真空至1.5×10-2Pa以下；
步骤4、高温真空悬浮熔炼炉充保护气体：高温真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至300-500Pa；
步骤5、熔炼原料：首先将加热功率加到100-110KW额定功率，稳定2-3分钟；然后以30-35KW的阶梯增加功率，每增加30-35KW的功率稳定1-2分钟，一直增加功率至230-240KW，通过炉门和炉盖观察窗用防护镜片观察坩埚内原材料熔炼情况，待原材料完全融化呈现翻滚状态时，稳定3-5分钟；
步骤6、晶体合金冷却：首先以每10-15KW的功率为阶梯，降低功率至140-160KW，然后以20-25KW的功率为阶梯，降低功率至70-85KW，最后以30-50KW的功率为阶梯，降低功率至0KW；利用水冷冷却20-25分钟，在上方观察孔中肉眼看不到红色亮光，然后充分冷却至70℃以下，开炉取出晶体合金铸锭；
步骤7、切割晶体合金铸锭：将熔炼的晶体合金铸锭切割成所需非晶合金的质量，去除表面杂质，保证其纯净度；
步骤8、熔炼合金：首先抽低真空至5Pa以下，其次抽高精真空度至0.002Pa以下，然后充入高纯氩气，直至真空压力表指针达到-0.04MPa至-0.01MPa，最后以180-210A的电流加热熔化合金；
步骤9、吸铸合金：利用压力差或者外加压力作用下将熔融状态下的合金吸入到油冷或者水冷的铜模具中，快速冷却得到锆基非晶合金。
2.根据权利要求1所述的锆基块体非晶合金的制备方法，其特征在于：步骤1中，锆、铜、铝、镍均为块体。
3.根据权利要求1所述的锆基块体非晶合金的制备方法，其特征在于：步骤1中，原材料配制还包括纯度高于99.5%的块体铌。
4.根据权利要求1所述的锆基块体非晶合金的制备方法，其特征在于：步骤1中，原材料配制还包括纯度高于99.5%的块体钛。
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