[发明专利]一种锆基非晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锆基非晶合金及其制备方法，属于非晶态合金制备领域。

背景技术

合金熔体在冷却凝固过程中有自发结晶的趋势。但是当冷却速率足够大时，合金将越过结晶过程而形成非晶合金。非晶合金是一种亚稳态，原子在三维空间中呈拓扑无序排列，不具有长程周期平移对称性，结构上不存在晶界、位错和偏析等缺陷。正是由于非晶合金具有这种特殊的微观结构，所以表现出极高的强度和硬度，高弹性极限，优异的耐磨和耐蚀性，同时表现出优良的软磁和硬磁及超导特性。目前在电子、电力、化工、机械、航空等领域得到广泛的应用。然而，非晶合金形变软化的固有特性，使其在屈服后的塑性变形局限于非常窄的剪切带内，导致室温时的整体塑性较差，严重制约了其在工程上的应用。因此，如何提高非晶合金的塑性成为该领域的研究热点之一。

目前主要通过在非晶基体中引入第二相来提高其塑性，可以分为外加复合和原位析出。引入的第二相可以把剪切带有效地隔离，从而阻止剪切带的过度扩展，促进多重剪切带的形成。由于复合材料的制备对所引入的第二相要求与基体有好的润湿性，同时抑制与其进行反应，还要求相近的热膨胀系数等，所以复合材料的设计过程复杂，工艺难以控制，材料性能的可重复性较差。

相关研究工作表明，块体非晶合金的塑性与微观结构的不均匀性密切相关。当块体非晶合金的微观结构中存在二十面体短程或中程有序时，会导致非晶合金的微观结构不均匀。高度密堆结构的二十面体短程有序团簇所具有的自由体积含量少，抵抗变形的能力较强，属于硬相区；而二十面体团簇周围的区域自由体积含量相对较多，抵抗变形的能力较弱，属于软相区。在变形中剪切带优先在软相区形成，剪切带的扩展受到硬相区的阻碍，促进多重剪切带的形成，让更多的剪切带参与变形，进而提高材料的塑性变形能力。材料的结构决定其性能，所以通过引入二十面体短程或中程有序使其微观结构不均匀，可以有效地提高非晶合金的塑性。

发明内容

本发明的目的在于克服目前锆基非晶合金塑性较差的缺点，通过在非晶相中引入二十面体短程或中程有序来制备得到一种具有优异塑性变形能力的锆基非晶合金。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种锆基非晶合金，以锆、铜、镍、铝、银为组元，通过银部分取代锆组元，其组成由下列通式表示：Zr_70-xCu_12.5Ni₁₀Al_7.5Ag_x，各组元的下标表示该组元在合金中的质量百分含量，各下标总和为100，其中，0≤x≤10。

本发明还提供一种上述锆基非晶合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）配料：精确称取锆、铜、镍、铝、银单质组元，均匀混合。

（2）耗氧：在真空电弧熔炼炉中通入氩气，并用纯钛对所述真空电弧熔炼炉进行耗氧，除尽其中的氧气；

（3）熔炼：将步骤（1）所得混合料置于步骤（2）所述的真空电弧熔炼炉中，在步骤（2）所得的高纯氩气气氛保护下，进行反复熔炼，得到母合金铸锭；

（4）浇铸成型：将步骤（2）制得的母合金铸锭重新熔化，浇铸到模具中冷却，得到所述的锆基非晶合金；

所述锆、铜、镍、铝、银各单质组元的纯度≥99.9%。

进行步骤（2）所述的耗氧，目的是耗尽所述真空熔炼炉中通入的保护氩气中的氧气，避免后续合金熔炼过程中组分试样的氧化。

步骤（2）所述通入的氩气的纯度为99.999%。

步骤（3）所述的真空熔炼炉的真空度为2×10^-3～3×10^-3Pa，优选为2×10^-3Pa。

步骤（3）所述反复熔炼的次数为≥4次，每次熔炼的时间为≥1min。

步骤（3）所述熔炼的电流为200～250A，优选为200A。熔炼的温度与熔炼电流的大小密切相关，电流越大，熔炼的温度越高。

步骤（3）所述的反复熔炼过程为：耗氧后，将电弧移至待熔合金组分试样中，严格控制好各工艺参数进行熔炼，待合金冷却凝固后，用机械手将铸锭翻转，然后进行下一次的熔炼，翻转的目的是保证母合金熔炼更加均匀，如此反复多次熔炼。

步骤（4）所述的浇铸方法为吸铸。

步骤（4）所述的浇铸的模具的材料为紫铜。

步骤（4）所述模具的冷却方式为水冷。

步骤（4）所述冷却的速度为200～300K/s。