专利名称：一种铜基块状非晶合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及Cu基块状非晶合金，特别提供了一种新型的Cu基块状非晶合金。
背景技术：
由于块状金属玻璃具有优异的力学性能(高强度，高硬度，高耐腐蚀性等)、磁学性能及腐蚀性能，因此块状金属玻璃一经发现，就成为世界材料界研究的热点之一。相对于Zr基，Mg基等块状金属玻璃，Cu基块状金属玻璃的发现比较晚。1995年，美国加州理工学院率先制备出Cu基块状金属玻璃，即Cu47Zr12Ti33Ni8块状金属玻璃。后来，研究者发现Cu-Ti-Zr-Si-B合金和Cu-Ti-Zr-Ni-Sn合金也具有较高的块状金属玻璃形成能力，但是在这些合金系中金属Cu的含量大约只为40at％。高Cu含量的块状金属玻璃是在2001年由日本东北大学Inoue小组首先报道成分为Cu60Zr30Ti10的合金具有很高的玻璃形成能力，其最大临界浇注直径达4mm。在此合金基础上，研究者发现少量元素Y、元素Be、元素Sn的加入增大了Cu60Zr30Ti10合金的玻璃形成能力，最大非晶态样品直径达5mm。与Cu-Zr-Ti合金系类似，Cu-Hf-Ti合金系也具有较高的玻璃形成能力。另外，研究者发现Cu-Zr-Al合金系、Cu-Hf-Al合金系利用铜模铸造的方法可以得到2～3mm的块状金属玻璃。
发明内容
本发明的目的在于得到一种Cu基块状非晶合金，它的玻璃形成能力较原有的合金有很大提高；与传统的铜合金相比，机械性能得到提高；与其它合金体系相比，价格低廉。
本发明提供了一种Cu基块状非晶合金，其特征在于该块状非晶合金主要由Cu、Zr、Al、Gd四种元素组成，各元素的具体含量为40～50％原子的Zr、3～10％原子的Al、0.2～10％原子的Gd，余量的Cu。较佳的各元素组成范围为44.5～45.5％原子的Zr、6.5～7.5％原子的Al、1.5～2.5％原子的Gd，余量的Cu。
本发明还提供了上述Cu基块状非晶合金的制备方法，其特征在于——将表面无氧化、无油脂的纯度大于99.9％的Cu、Zr、Al、Gd四种元素进行称量混合，装入带有吸氧剂的电弧炉内的铜坩埚中，在高纯惰性气氛中进行反复熔炼，获得母合金；——将所述母合金装入带有喷嘴的石英管内，放入感应炉内进行感应熔炼，在高纯惰性气氛中，用压力将熔融的母合金金属液喷入带有圆孔的紫铜模具中，圆孔直径为2～10mm。
本发明Cu基块状非晶合金的制备方法中，所述吸氧剂最好为海绵Ti，高纯惰性气为氩气。
本发明Cu基块状非晶合金的制备方法中，最好反复熔炼4次，压力为1±0.3MPa。
本发明Cu基块状非晶合金的制备方法中，应将原料表面氧化皮去掉；再放入石油醚中进行超声清洗去除其表面油脂。
本发明采用铜模浇铸法制备大尺寸的Cu基块状非晶合金，使得原有的Cu45Zr47Al7合金非晶形成能力大大提高。经X衍射和等温差热分析可以证实，获得的直径为8mm非晶棒材的衍射曲线具有典型的非晶特征。通过差热分析进一步获得了该块状非晶的玻璃转变点和热稳定性参数。热分析的温度范围为150～1200℃；升温速率为20K/min。所获得DSC曲线出现明显的与玻璃转变相关的吸热现象。对所获得直径为2.5mm的非晶棒进行力学性能的测量，实验条件为室温；压缩速率1×10-4·s-1。另外通过SEM对压缩断口进行分析。
性能指标为形成尺寸～8mm玻璃转变温度(Tg)650700K初始晶化温度(Tx)720～800K块状非晶合金的熔化温度(Tm)960～1120K块状非晶合金的液相温度(Tl)1150～1200K屈服强度1600～1700MPa断裂压缩强度1800～2100MPa本发明具有以下优点1.与Zr基非晶合金相比较，价格低廉。
2.非晶形成能力高，具有较宽的过冷液相区，热稳定性好。
3.与传统的Cu-Be合金相比较，具有更高的压缩断裂强度。
图1为不同直径Cu46Zr45Al7Gd2块状非晶合金的XRD曲线；图2为Cu46Zr45Al7Gd2块状非晶合金的低温和在738K等温的DSC曲线；图3为Cu46Zr45Al7Gd2块状非晶合金的高温DSC曲线；图4为Cu46Zr45Al7Gd2块状非晶合金的压缩曲线；图5为Cu46Zr45Al7Gd2块状非晶合金压缩试样的宏观断口形貌；
图6为Cu46Zr45Al7Gd2块状非晶合金压缩试样的微观断口形貌。
具体实施例方式实施例1当以2at.％Gd替换Zr元素的时候，该合金形成块状非晶的最大尺寸为8mm，玻璃转变温度(Tg)为680K，初始晶化温度(Tx)为752K，块状非晶合金的熔化温度(Tm)为980K，块状非晶合金的液相温度(Tl)1178K，过冷液相区宽度(ΔTx＝Tx-Tg)为72K，形成能力指数(γ＝Tx/(Tg+Tl))为0.405。
实施例2当以3at.％Gd替换Zr元素的时候，该合金形成块状非晶的最大尺寸为6mm，玻璃转变温度(Tg)为640K，初始晶化温度(Tx)为748K，块状非晶合金的熔化温度(Tm)为990K，块状非晶合金的液相温度(Tl)1176K，过冷液相区宽度(ΔTx＝Tx-Tg)为108K，形成能力指数(γ＝Tx/(Tg+Tl))为0.412。
实施例3当以5at.％Gd替换Zr元素的时候，该合金形成块状非晶的最大尺寸为＜6mm，玻璃转变温度(Tg)为646K，初始晶化温度(Tx)为744K，块状非晶合金的熔化温度(Tm)为1058K，块状非晶合金的液相温度(Tl)1160K，过冷液相区宽度(ΔTx＝Tx-Tg)为98K，形成能力指数(γ＝Tx/(Tg+Tl))为0.412。
实施例4当以7at.％Gd替换Zr元素的时候，该合金形成块状非晶的最大尺寸为＜6mm，玻璃转变温度(Tg)为676K，初始晶化温度(Tx)为746K，块状非晶合金的熔化温度(Tm)为1056K，块状非晶合金的液相温度(Tl)1155K，过冷液相区宽度(ΔTx＝Tx-Tg)为70K，形成能力指数(γ＝Tx/(Tg+Tl))为0.407。
相关比较例1采用铜模浇铸法制备Cu54Ti18Zr22Ni6块状非晶合金[S.Y.Shin，J.H.Kim，D.M.Lee，J.K.Lee，H.J.Kim，H.G.Jeong，J.C.Bae，New Cu-based bulk metallic glasseswith high strength of 2000MPa，Mater.Sci.Forum，449-452(2004)945]。该合金形成块状非晶的最大尺寸为6mm，玻璃转变温度(Tg)为712K，初始晶化温度(Tx)为769K，块状非晶合金的熔化温度(Tm)为1240K，块状非晶合金的液相温度(Tl)1287K，过冷液相区宽度(ΔTx＝Tx-Tg)为57K，形成能力指数(γ＝Tx/(Tg+Tl))为0.385。断裂压缩强度为2130MPa，总变形量3.3％。
相关比较例2采用铜模浇铸法制备Cu50Zr45Al5块状非晶合金[A.Inoue，W.Zhang，Formation，thermal stability and mechanical properties of Cu-Zr-Al bulk glassy alloys，Mater.Tran.，43(2001)2921]。该合金形成块状非晶的最大尺寸为3mm，玻璃转变温度(Tg)为723K，初始晶化温度(Tx)为797K，块状非晶合金的液相温度(Tl)1166K，过冷液相区宽度(ΔTx＝Tx-Tg)为74K，形成能力指数(γ＝Tx/(Tg+Tl))为0.422。断裂压缩强度为2210MPa，屈服变形量0.2％。。
权利要求
1.一种Cu基块状非晶合金，其特征在于该块状非晶合金主要由Cu、Zr、Al、Gd四种元素组成，各元素的具体含量为40～50％原子的Zr、3～10％原子的Al、0.2～10％原子的Gd，余量的Cu。
2.按照权利要求1所述Cu基块状非晶合金，其特征在于各元素组成范围为44.5～45.5％原子的Zr、6.5～7.5％原子的Al、1.5～2.5％原子的Gd，余量的Cu。
3.一种权利要求1所述Cu基块状非晶合金的制备方法，其特征在于——将表面无氧化、无油脂的纯度大于99.9％的Cu、Zr、Al、Gd四种元素进行称量混合，装入带有吸氧剂的电弧炉内的铜坩埚中，在高纯惰性气氛中进行反复熔炼，获得母合金；——将所述母合金装入带有喷嘴的石英管内，放入感应炉内进行感应熔炼，在高纯惰性气氛中，用压力将熔融的母合金金属液喷入带有圆孔的紫铜模具中，圆孔直径为2～10mm。
4.按照权利要求3所述Cu基块状非晶合金的制备方法，其特征在于所述吸氧剂为海绵Ti，高纯惰性气为氩气。
5.按照权利要求3所述Cu基块状非晶合金的制备方法，其特征在于反复熔炼次数为4次，压力为1±0.3MPa。
6.按照权利要求3所述Cu基块状非晶合金的制备方法，其特征在于将原料表面氧化皮去掉；再放入石油醚中进行超声清洗去除其表面油脂。
全文摘要
一种Cu基块状非晶合金，该块状非晶主要成分为Cu、Zr、Al和Gd四种元素。通过以Gd元素替换Cu
文档编号C22C30/00GK1847424SQ20051004625
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者张海峰, 付华萌, 王爱民, 胡壮麒 申请人:中国科学院金属研究所