[发明专利]一种大尺寸ZrTi基准晶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸ZrTi基准晶合金及其制备方法。

背景技术

自从上世纪80年代Shechtman等在Al-Mn合金中发现准晶相以来，准晶就以其独特的结构一起了广泛的关注。大量的研究表明准晶材料具有独特的物理和化学性能，如高硬度、低摩擦系数、不粘性和耐磨性等。

过去十几年中，人们对ZrTi基准晶材料开展了大量的研究工作。研究发现，ZrTi基准晶材料具有热力学稳定的正二十面体构造，其表现出特殊的传输特性、贮氢特性和力学特性等，作为结构材料和功能材料有望在能源、汽车、航空等工业领域得到广泛应用。由于ZrTi基准晶材料多为亚稳态材料，其获得难易程度与合金成分及制备方法关系密切。目前，ZrTi基准晶材料主要通过熔体悬甩法，急冷凝固获得，该方法冷却速率要求较高，尤其是对于TiZrNi块体准晶，用常规的准晶制备技术难以获得纯准晶。这不仅不利于ZrTi基准晶材料的形成机理的认识，更不利于ZrTi基准晶材料作为结构材料的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有大尺寸且准晶成分连续可调，制备工艺简单的大尺寸ZrTi基准晶材料及其制备方法。本发明主要是在已有准晶体系Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀中掺杂Be并采用电弧熔炼和铜模吸铸的方法直接获得本发明的产品。

本发明的技术方案是：

1、本发明的大尺寸ZrTi基准晶材料，它是Ti、Zr、Ni及Be以如下原子百分比：(Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀)_100-xBe_x(1≤x≤16)制得的主成分ZrTi基准晶体积百分含量在90％以上且棒材直径在3-12mm的大尺寸ZrTi基准晶材料，并且ZrTi基准晶材料的尺寸随Be的含量增加而增大。最好，Ti、Zr、Ni及Be为(原子百分比)：(Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀)₈₄Be₁₆可获得最大准晶棒直径为12毫米。

2、上述大尺寸ZrTi基准晶材料的制备方法：

具体步骤如下：

(a)电弧熔炼制备母合金锭：

按照Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀成分配比取所需各单质原料进行混合，然后加到真空电弧炉中。熔炼合金前，设备抽真空，待真空度达到6×10^-4Pa时，充入高纯氩气，至电弧炉炉腔内压强为0.6×10⁵Pa

先将钛球熔化，通过氧化反应进一步吸氧1分钟。在氩气保护下对原材料进行熔炼，熔炼电流200～300安培，当固态物质全部熔炼成液体后在水冷铜坩埚中冷却，使液态物质全部成为固体，获得成分为Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀的母合金锭。此过程反复熔炼5次，获得成分均匀的Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀的母合金锭。

然后按一定配比向真空电弧炉中加入Be单质，采用与获得成分为的Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀母合金锭相同的操作条件反复熔炼五次，获得成分均匀的(Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀)_100-xBe_x母合金锭。

(b)铜模吸铸技术获得准晶材料：

将步骤(a)中制得的(Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀)_100-xBe_x母合金锭放入铜模吸铸设备的铜熔池中，设备抽真空，待真空度达到6×10^-4Pa时，充入高纯氩气，至电弧炉腔内气压为1.2×10^-5Pa时，熔炼Ti吸氧1分钟。采用200～300安培电流熔化(Ti₄₀Zr₄₀Ni₂₀)_100-xBe_x母合金，至熔体温度1400～1500℃，合金熔化至液体，打开吸铸阀，将液体合金熔体吸入不同直径的铜模中获得准晶棒，同时确定可获得准晶的尺度范围。