[发明专利]高玻璃形成能力的铁基非晶态合金材料

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学和凝聚态物理领域，尤其涉及一种高玻璃形成能力的铁基非晶态合金材料。 

背景技术

金属玻璃通常是把熔化的金属合金快速冷却到玻璃转变温度，在合金未形核之前凝固而成，而金属一般从液态冷却下来都是形核结晶形成晶体。为了获得很高的冷却速率以更好的形成非晶态合金，只要将熔化的金属喷到导热性非常好的基底上。然而，已经发现某些合金在冷却速度足够快时，在固化时也会保持液态时的粘滞状态，从而可以抑制晶化，为了获得很高的冷却速率，将熔化合金直接吸铸在导热性好的基底上，以前获得的合金都是薄带，粉末等。如果在很低的冷却速度下能够抑制结晶，则可以获得尺寸更大的非晶合金。Duwez在1960年就采用急冷法制备出AuSi系非晶条带，随后又有类金属的非晶合金，特别是铁基非晶合金被大量研究。在这里我们采用的制备方法是电弧熔炼铜模铸造法，铜模铸造法是制备块体非晶合金最常用、最方便的一种方法。这种方法在制备高熔点的块体非晶合金方面具有其他方法所不能比拟的独特优势。其基本的工作原理是:在惰性气氛下用电弧熔炼母合金，母合金熔化后，然后利用熔化腔与铜模之间的不同气压所产生的吸力，将熔化的合金吸入循环水冷却的铜模中，利用水冷铜模导热实现快速冷却，以获得块体非晶合金。由于铜模的冷却速率有限，所以能够制备的块体非晶合金的尺寸也有限。随着合金尺寸的增大，形成非晶合金所需的冷却速率也急剧增大。当样品的尺寸增到一定尺寸时，铜模也就不能满足块体非晶合金形成所需的冷却条件。然而由于大部分合金的非晶形成能力有限，而且要求的冷却速度高于10⁶K/s，所以很多制备的非晶合金基本上是薄带、细丝等。所以在较低的冷却速度获得大尺寸非晶合金一直是科学家追求的目标。 

1989年,日本的Inoue等发明了MgCuY系合金具有很高的非晶形成能力，通过铜模铸造制备出毫米级的非晶合金，且这种合金不含有贵金属，随后又发现了ZrAlNiCu体系。并且很快被应用到精密光学仪器，耐腐蚀器皿上，研究发现大块非晶合金在过冷液相区具有超塑性变形能力，这为非晶合金的成形及加工提供了可能。铁基非晶合金历史悠久，并且也是目前应用最广的，但是铁基非晶合金的发展历史比较短，1993年之前主要通过快速凝固技术制备的薄带状产品，为了进一步制备具有优良力学性能、耐腐蚀性能和磁学性能等Fe-基非晶合金，1993年井上明久研究组首次采用金属铜模铸造方法制备出厚度为0.1mm的Fe₇₅Si₁₀B₁₅非晶合金，取得了铁基非晶合金大块化的突破性成果，随着对大块非晶形成能力和热稳定性影响因素研究的不断深入，尤其是具有较大非晶形成能力合金的成分设计三项经验原则的建立，1995年先后发现了具有更大过冷液相区(△T_x)和约化玻璃转变温度（T_rg）即具有更大非晶形成能力的Fe-基合金系，1995年先后发现了△T_x大于60K的Fe₇₂Al₅M₂P₁₁C₆B₄(M=Ga或Ge)合金，2001年开发出的Fe₃₀Co₃₀Ni₁₅Si₁₈B₁₇非晶合金具有高达0.65的约化玻璃转变温度。目前由熔融金属通过铜模或水淬直接制备的典型Fe-基大块非晶合金系主要有Fe-Co-Ln-B(Ln=镧系元素)、Fe-(Cr,Mo,Nb,Ta)-(P,C,B)和Fe-Si-B-(Nb,Cu,Zr)等这几类合金的△T_x一般都大于50K。非晶合金材料是一类新型材料，与普通的晶态合金材料相比，非晶合金材料在力学、物理学、化学性质和机械性能方面都发生了显着的变化。非晶合金形成时面临一些问题，合金熔体凝固在深过冷时很容易发生结晶，而结晶过程是要有形核和晶体长大过程的，过冷液体结晶很快，所以想要形成非晶合金，我们必须要把合金熔液快速冷却到Tg以下，从而可以更好的阻止合金发生结晶。形成非晶合金仅仅是获得大块非晶合金的前奏，其次要降低制备非晶合金的成本，使其能够得到更好的应用。采用工业纯度的原料制备高玻璃形成能力的铁基非晶合金材料，得到具有较大三维尺寸的非晶合金和良好的加工性能。非晶合金在过冷液相区具有很多优异的性能，在这个区域非晶合金比较容易发生晶化，所以选择一个合适的液相区温度加工非晶合金是很重要的。在这里我们期望形成非晶合金的冷却速率从每秒10³ 冷到至1K/s或者更低的冷却速率，在非晶合金不发生晶化的情况下，可以把非晶合金充分的加热到玻璃转化点温度以上进行加工，使其能够更好地用于工业中。