CN1814847A - 一种铒基大块非晶合金及其制备方法 - Google Patents

一种铒基大块非晶合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铒基大块非晶合金及其制备方法。该合金以铒为主要成分，其组成可用公式表示为：EraYbAlcXd，其中36≤a≤70、0≤b≤20、10≤c≤28、6≤d≤20，且a+b+c+d＝100，元素X为Co或Cu。所述的Er、Y、Al、Co和Cu元素的纯度均不低于99.9wt％。所述的铒基大块非晶合金包含至少50％体积百分比非晶相。该合金的制备是将元素Er、Y、Al和X按照上述比例配料；在钛吸附的氩气氛的电弧炉中反复熔炼多次得到母合金铸锭，再将此母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将熔体吸入水冷铜模而得。该合金所需临界冷却速率低，抗氧能力强，抑制结晶能力强，易于形成大尺寸的非晶合金；而且其制备简单，成本低。

Description

一种铒基大块非晶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及非晶合金或金属玻璃领域，具体地说是涉及一种铒基大块非晶合金及其制备方法。
背景技术
通常，金属或合金从液态冷却下来时都会结晶形成晶体。现已发现某些金属或合金在冷却速率足够快时，其在固化过程中会保持液态时的极端粘滞的状态，从而抑制晶化，得到非晶相的金属或合金。1960年，Duwez等人采用熔体快速冷却的方法制备出非晶态的Au-Si合金，到了20世纪70年代，开发出实用化的单辊急冷制备非晶薄带的技术。20世纪60年代初到80年代末的30年间，通过研究人们知道了制备非晶合金需要105K/s以上的冷却速度。
现有技术制备的非晶合金一般是以薄片、条带和粉末的形式存在，厚度仅仅为10μm左右。这样就大大限制了非晶材料的工业应用。20世纪80年代末日本东北大学金属研究所用电弧炉制备出ZrAlNiCu非晶合金，其非晶形成的冷却速率仅为100K/s，但是获得的非晶合金的直径达到100毫米，已利用较低的冷却速度实现了大块非晶合金的制备。由于大块非晶合金在结构上呈现出高度无序的状态，使非晶具有优于晶体的一些特性，如高强度，耐腐蚀，高磁导率等。
近年来，已经相继发现了一系列的大块非晶合金体系，而且在非晶合金中加入稀土元素也越来越受到大家的重视。加入稀土元素不仅可以使非晶形成能力增强，而且还可以提高各方面的性能。但是现在对稀土基非晶合金的研究还不多，我国是稀土元素资源十分丰富的国家，所以发展稀土基非晶合金具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有很强的非晶形成能力且很容易形成较大尺寸的铒基大块非晶合金，及其制备方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供一种铒基大块非晶合金，该合金以铒为主要成分，其组成可用公式表示为：EraYbAlcXd，其中36≤a≤70、0≤b ≤20、10≤c≤28、6≤d≤20，且a+b+c+d＝100，元素X为Co或Cu。
所述的Er、Y、Al、Co和Cu元素的纯度均不低于99.9wt％。
所述的铒基大块非晶合金包含至少50％体积百分比非晶相，这可以用计算热焓的方法得到。
本发明提供一种上述铒基大块非晶合金的制备方法，包括如下步骤：
1)将元素Er、Y、Al和X按照EraYbAlcXd，其中36≤a≤70、0≤b≤20、10≤c≤28、6≤d≤20，且a+b+c+d＝100的比例配料；所述的元素X为Co或Cu；
2)在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，将上述配料在高温下熔化，并反复熔炼至混合均匀，冷却后得到母合金铸锭；
3)使用常规的金属型铸造法，将步骤2)制得的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷铜模，即得到本发明的铒基大块非晶合金。
本发明提供的铒基大块非晶合金与现有的非晶合金相比，其优益之处在于：
1、由于我国稀土资源非常丰富，使得制成大块非晶合金的成本很低，同时也可以使稀土资源得到充分利用；
2、本发明提供的铒基大块非晶合金所需临界冷却速率低，抗氧能力强，形成非晶的能力很强，即抑制结晶能力强，易于形成大尺寸的非晶合金，很容易就做成直径在1厘米以上的非晶合金；
3、该铒基大块非晶合金的制备工艺简单，成本低廉；
4、铒加入到金属合金中可以增加合金的延展性，并且铒在核工业上也有很多应用，铒基大块非晶具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1至3制备的铒基大块非晶合金的X射线衍射图；
图2是本发明实施例1制备的铒基大块非晶合金Er36Y20Al24Co20的差热分析(DTA)曲线图，其升温速率为10K/min；
图3是本发明实施例2制备的铒基大块非晶合金Er46Y10Al24Co20的DSC和DTA曲线图，其升温速率均为10K/min；
图4是本发明实施例3制备的铒基大块非晶合金Er50Y6Al24Co20的DSC和DTA曲线图，其升温速率均为10K/min。
具体实施方式
实施例1、铒基大块非晶合金Er36Y20Al24Co20的制备
将原料纯度为99.9wt％(重量百分比)以上的Er、Y、Al及Co四种组分按摩尔量比为36∶20∶24∶20的比例配好后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中混合均匀并反复熔炼5次，冷却后得到Er-Y-Al-Co四元合金的母合金铸锭；然后使用常规的金属型铸造方法，将此铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，即可得到成分为Er36Y20Al24Co20，直径为8mm的块体非晶合金。
如图1所示的X射线衍射(XRD)可以看出该合金是完全的非晶态合金。
图2为Er36Y20Al24Co20铒基大块非晶合金的热分析(DTA)图，从图中可以看出：其玻璃化转变温度(Tg)，晶化开始温度(Tx)，熔化开始温度(Tm)以及过冷液相区的宽度(ΔT＝Tx-Tg)分别为661K，719K，1039K和58K。此外，该合金还具有较高的约化玻璃转变温度(Trg)和玻璃化指数(γ)，它们分别为0.636和0.415。Trg和γ值通常可以用来判断非晶合金的玻璃形成能力，因此可知Er36Y20Al24Co20非晶合金具有较大的玻璃形成能力。
实施例2、铒基大块非晶合金Er46Y10Al24Co20的制备
将原料纯度为99.9wt％(重量百分比)以上的Er、Y、Al及Co四种组分按摩尔量比为46∶10∶24∶20配好后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中混合均匀并反复熔炼6次，冷却后得到Er-Y-Al-Co四元合金的母合金铸锭；然后使用常规的金属型铸造方法，将此铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，即可得到成分为Er46Y10Al24Co20，直径为5mm的块体非晶合金。
如图1所示的X射线衍射(XRD)可以看出该合金是完全的非晶态合金。
图3为Er46Y10Al24Co20铒基大块非晶合金的热分析(DSC和DTA)图，从图中可以看出：其玻璃化转变温度(Tg)，晶化开始温度(Tx)，熔化开始温度(Tm)以及过冷液相区的宽度(ΔT＝Tx-Tg)分别为653K，711K，1043K和58K。此外，该合金还具有较高的约化玻璃转变温度(Trg)和玻璃化指数(γ)，它们分别为0.626和0.412，因此可知Er46Y10Al24Co2非晶合金也较大的玻璃形成能力。
实施例3、铒基大块非晶合金Er50Y6Al24Co20的制备
将原料纯度为99.9wt％(重量百分比)以上的Er、Y、Al及Co四种组分按摩尔量比为50∶6∶24∶20配好后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中混合均匀并反复熔炼5次，冷却后得到Er-Y-Al-Co四元合金的母合金铸锭；然后使用常规的金属型铸造方法，将此铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，即可得到成分为Er50Y6Al24Co20，直径为5mm的块体非晶合金。
如图1所示的X射线衍射(XRD)可以看出该合金是完全的非晶态合金。
图4为Er50Y6Al24Co20铒基大块非晶合金的热分析(DSC和DTA)图，从图中可以看出：其玻璃化转变温度(Tg)，晶化开始温度(Tx)，熔化开始温度(Tm)以及过冷液相区的宽度(ΔT＝Tx-Tg)分别为651K，702K，1046K和51K。此外，该合金还具有较高的约化玻璃转变温度(Trg)和玻璃化指数(γ)，它们分别为0.622和0.406。
实施例4～15、制备各种配比的铒基大块非晶合金
按实施例1的方法制备各种配比的铒基大块非晶合金，其组成和热物性参数列于表1中。
                    表1、铒基大块非晶合金的组成和热物性参数
  实施例 合金成分 D(mm) Tg(K) Tx(K) Tm(K) Tl(K) ΔT(K) Trg γ
  1   Er36Y20Al24Co20   8   661   719   1039   1071   58   0.636   0.415
  2   Er46Y10Al24Co20   5   653   711   1043   1073   58   0.626   0.412
  3   Er50Y6Al24Co20   5   651   702   1046   1079   51   0.622   0.406
  4   Er56Al24Co20   5   664   700   1047   1078   36   0.634   0.402
  5   Er50Y6Al24Cu20   5   645   699   1035   1064   44   0.623   0.409
  6   Er56Al24Cu20   3   632   685   1026   1060   52   0.615   0.405
  7   Er46Y10Al24Cu20   5   640   692   1018   1052   52   0.629   0.409
  8   Er36Y20Al24Cu20   5   660   706   1039   1072   46   0.635   0.408
  9   Er65Y4Al25Co6   5   644   684   1025   1053   40   0.628   0.403
  10   Er70Y10Al10Co10   3   652   708   1049   1083   56   0.622   0.408
  11   Er40Y16Al24Co20   5   666   712   1059   1087   46   0.629   0.406
  12   Er50Y2Al24Co24   3   629   687   1019   1049   58   0.617   0.407
  13   Er60Y6Al24Cu10   3   638   699   1031   1075   61   0.619   0.408
  14   Er50Y6Al28Cu16   5   635   689   1013   1045   54   0.627   0.410
  15   Er62Al30Cu8   3   625   675   1002   1030   50   0.624   0.408
注：1)表中符号含义如下：
D——本实验条件下的临界直径尺寸；Tg——玻璃化转变温度；Tx——晶化开始温度；Tm——熔化开始温度；Tl——液相线温度；ΔT＝Tx-Tg——过冷区液相的宽度；Trg-约化玻璃温度；γ——玻璃化指数。
2)Trg＝Tg/Tm；γ＝Tx/(Tg+Tl)。
3)表中各成分样品测量时所用的加热速率为10K/min。

Claims (4)

1、一种铒基大块非晶合金，该合金以铒为主要成分，其组成可用公式表示为：EraYbAlcXd，其中36≤a≤70、0≤b≤20、10≤c≤28、6≤d≤20，且a+b+c+d＝100，元素X为Co或Cu。
2、如权利要求1所述的铒基大块非晶合金，其特征在于：所述的Er、Y、Al、Co和Cu元素的纯度均不低于99.9wt％。
3、如权利要求1所述的铒基大块非晶合金，其特征在于：所述的铒基大块非晶合金包含至少50％体积百分比非晶相。
4、一种权利要求1所述的铒基大块非晶合金的制备方法，包括如下步骤：
1)将元素Er、Y、Al和X按照EraYbAlcXd，其中36≤a≤70、0≤b≤20、10≤c≤28、6≤d≤20，且a+b+c+d＝100的比例配料；所述的元素X为Co或Cu；
2)在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，将上述配料在高温下熔化，并熔炼至混合均匀，冷却后得到母合金铸锭；
3)使用常规的金属型铸造法，将步骤2)制得的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷铜模，即得到本发明的铒基大块非晶合金。
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