CN1438083A - 利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种制备块体金属玻璃(也称非晶合金)的方法，其特征在于：将非晶合金置于熔炼坩埚中感应加热熔化，在惰性气体压力下射向旋转的圆盘，并经圆盘分散到温度处于玻璃化转变温度T_g和晶化温度T_x之间的冷却基底上，使液态非晶合金快速冷却到深过冷状态，并将上述深过冷液态非晶合金聚集到处于同样温度的模具中，然后在氩气保护条件下将深过冷液态非晶合金连同模具一起冷却到室温，获得块体金属玻璃。

Description

利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法

所属技术领域

本发明涉及一种块体金属玻璃的制备方法，具体地讲，本发明涉及利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法。

背景技术

块体金属玻璃具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性以及良好的电磁、贮能特性等，因此采用合理的方法制备块体金属玻璃具有重要的科学意义和巨大的应用价值。目前块体金属玻璃的制备方法大致可以分为三类，即铜模铸造法、水淬法和气压冲击铸造法。铜模铸造法是把经熔炼的非晶合金在氩气保护条件下直接浇注到楔形或圆柱形型腔的铜制模具中，利用铜模的急冷作用制备块体非晶合金，日本的A.Inoue等人就是采用的这类方法；水淬法则是在石英或铁制圆管中装上非晶合金并真空封装后，通过感应加热使非晶合金熔化，然后将石英管或铁管连同非晶合金一起淬入室温水中从而获得块体金属玻璃；我国中国科学院金属研究所提出了气体冲击铸造法，该方法是通过气体压力瞬时高速将液态非晶合金注入模具中获得块体金属玻璃。上述三类制备方法虽然都能制备出块体金属玻璃，但是由于这三类方法在制备块体金属玻璃的过程中都是直接或者间接地对液态合金块材进行冷却，合金中必然存在由表面到芯部的温度梯度，结果使冷却速率由合金表面到芯部逐渐降低，对于同一合金尺寸越大合金芯部可能达到的冷却速率越低。由于对于任何非晶合金都存在一个临界冷却速率Rc，当冷却速率低于Rc时就不能完全形成玻璃态(非晶态)，因此能够制备出的块体金属玻璃的尺寸总是被限制在某个数值以下，这大大限制了金属玻璃的开发和应用。

发明内容

本发明提出一种利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法，其特征在于通过快速冷却方法将液态非晶合金急冷到玻璃化转变温度Tg和晶化温度Tx之间，获得在相应温度下的深过冷液态非晶合金，并在恒温下将深过冷液态合金聚集到模具中，然后让该深过冷液态非晶合金在模具中冷却到室温获得块体金属玻璃。由于温度处于Tg和Tx之间的深过冷液态非晶合金不再具有形核能力，它在任何冷却速度下都将发生玻璃化转变，因此理论上讲，只要合金存在Tg和Tx且Tg＜Tx，就可以采用该方法制备出任意尺寸的块体金属玻璃。

具体而言为采用旋转分散法对液态非晶合金进行急冷，其把经真空熔炼的非晶合金母材放在坩埚中，在经反复抽真空和充氩气清洗的真空罩中在氩气保护下感应熔炼，通过氩气的压力作用把液态非晶合金喷射到旋转分散装置的旋转圆盘上，液态非晶合金经圆盘分散成小液滴并在离心力作用下飞向冷却基底，在冷却基底上快速冷却成过冷液体，过冷液态非晶合金通过液体聚集装置聚集到储料器，然后注入模具中，最终形成块体金属玻璃。在上述装置中，旋转分散装置的旋转圆盘、冷却基底、液体聚集装置和储料器等的表面均经非晶化处理或直接为非晶材料(如石英玻璃)，在制备过程中通过保温加热炉使上述各部分的表面温度均处于Tg和Tx之间。

本发明提到的深过冷液态非晶合金与目前经常提到的深过冷液态金属有本质的差别：本专利的深过冷液态非晶合金特指温度在玻璃化转变温度Tg和晶化温度Tx之间的深过冷液态非晶合金：而目前普遍研究的深过冷液态合金则是指温度低于熔点Tm相当数值的过冷液态合金。本发明采用快速冷却技术将液态非晶合金直接冷却到Tg和Tx之间，可以使液态合金获得很大的过冷度，其冷却速率远远超过临界冷却速率Rc；而目前普遍采用的深过冷技术的核心则是设法消除可以作为非均质形核核心的杂质或容器壁的影响，以创造尽可能接近均匀形核的条件，从而在合金形核前获得较大的过冷度，一般其冷却速率很难达到临界冷却速率Rc。

本发明的关键在于液态非晶合金的旋转分散、冷却基底温度的控制和深过冷液态非晶合金的聚集，本发明具有如下优点：

1、通过旋转分散方法使液态非晶合金可以获得比以往块体非晶态合金制备过程中大得多的冷却速率。

2、由于采用了温度可调、绝热良好的保温加热炉，可以保证将液态非晶合金直接冷却到玻璃化温度Tg和晶化温度Tx之间。

3、由于解决了以往各类制备方法受冷却速度限制的问题，理论上可以制备任意尺寸的块体金属玻璃。

4、在制备过程中可以获得深过冷液态非晶合金，为直接研究由冷却获得的深过冷液态非晶合金提供了技术支持。

总之，通过本发明可以成功地制备任意尺寸的块体金属玻璃。

附图说明

图1利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的装置示意图

图中：1氩气管，2真空罩，3坩埚，4感应加热炉，5绝热盖板，6旋转圆盘，7冷却基底，8聚集装置，9控温热电偶，10储料器，11保温加热炉，12成形模具，13绝热底板，14驱动电机(旋转分散装置用)

具体实施方式

在真空罩2中，将非晶合金母材放置在坩埚3中，经反复抽真空和充氩气清洗后在氩气保护下通过感应加热炉4感应熔炼，通过氩气管1在压力作用把液态非晶合金喷射到旋转圆盘6上，液态非晶合金经旋转圆盘6分散成小液滴并在离心力作用下飞向冷却基底7，在冷却基底7上快速冷却成过冷液体，过冷液态非晶合金通过液体聚集装置8聚集到储料器10，然后注入到成形模具12中，最终形成块体金属玻璃。制备过程中通过保温加热炉11和控温热电偶9保证旋转圆盘6、冷却基底7、液体聚集装置8和储料器10等的温度均处于Tg和Tx之间。

Claims (4)

1、利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法，其特征在于：利用快速冷却方法将液态非晶合金急冷到玻璃化转变温度T_g和晶化温度T_x之间，获得在该温度下的深过冷液态非晶合金，并在恒温下将深过冷液态合金聚集到模具中，然后将让非晶合金在模具中冷却到室温获得块体金属玻璃。

2、根据权利要求1所述的利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法，其特征在于：通过旋转分散法对液态非晶合金进行急冷。

3、根据权利要求1所述的利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法，其特征在于：液态非晶合金被分散到温度在玻璃化转变温度T_g和晶化温度T_x之间表面非晶化的冷却基底上。

4、根据权利要求1或2所述的利用快速冷却技术制备块体金属玻璃的方法，其特征在于：深过冷液态非晶合金经聚集装置聚集到储料器后浇注到模具中。