专利名称：一种锶基块体金属玻璃及其制备方法
技术领域：
本发明属于凝聚态物理和材料科学领域，具体地说，是涉及非晶态金属和合金，特 别是涉及一种锶基块体金属玻璃，及其制备方法。
背景技术：
金属玻璃，也称非晶合金，是20世纪60年代初才出现的材料。在20世纪90年代 以前，一般需要采用至少105K/s以上的冷却速度来冷却合金熔体，才能制备出厚度在几十 到上百微米的薄带状金属玻璃。最近十几年，对金属玻璃的研究获得了很大的进展，人们可 以在多个合金体系获得毫米甚至厘米级尺寸的块状金属玻璃。研究发现，金属玻璃在多个 方面具有其相应晶态合金所不具备的优异力学、化学与物理等特性，因而成为材料与物理 学家及工业部门非常感兴趣的开发研究对象。块体金属玻璃的强度和硬度极高，如钴基块 体金属玻璃的强度可达到5300MPa，铁基4300MPa，镁基约lOOOMPa，远高于传统的晶态合金 (超级钢的强度也仅在1500MPa左右)。块体金属玻璃的弹性模量很低，弹性极限很大(一 般在2%左右)，加之强度很高，因而它们储存弹性能的能力非常强，可高达20MJ/m3，而常 用的晶态合金仅能够储存小于7MJ/m3的弹性能。金属玻璃没有像晶体那样的位错、晶格缺 陷、晶界、孪晶、层错等结构缺陷，这种化学结构的均一性使其具有良好的耐腐蚀性能，有望 在耐蚀器具中得到应用。块体金属玻璃除了优良的力学、化学与物理等性能外，还具有在过冷液体区间的 独特加工性能。对于玻璃态物质(非晶态物质)而言，随着温度的升高，在玻璃化转变温度 (Tg)就进入了粘流态的过冷液体区间，利用过冷液相区的粘流态特性，可以通过模锻和挤 压等塑性成型技术将块体金属玻璃加工成精密零件。最近，用块体金属玻璃制作的手机外 壳和微型齿轮等产品和零件已经问世。大多数块体金属玻璃的Tg都很高，一般都在300 600°C的范围，对其在过冷液 相区加工需消耗大量的能源，因此对低Tg点的块体金属玻璃的开发受到人们的关注。调制 玻璃化转变温度在稀土铈基合金体系中首先获得了突破，它的Tg低于开水的温度，且具有 很宽的过冷液相区，可以在沸水中轻易的进行拉伸、压缩、弯曲、压印等各种塑性变形。该材 料可用于微纳米级的微塑性变形和微加工，是一种潜在的微纳米器件材料。这种新型的块 体金属玻璃具有与塑料类似的可塑性，被称为非晶金属塑料。随后，低TgWCaLi-, Yb-和 Au-基块体金属玻璃也被开发出来，它们都具有优良的加工成型性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一系列具有更低Tg点且原材料价格低廉的锶基块体金属 玻璃，这种大块非晶的样品直径可达1-5毫米，也可形成其他形状，如片状和柱状等。本发明提供的锶基块体金属玻璃，其组成的化学式如下Sra(YbxCa1-x)bLicMgdMe其中a，b，c，d，e，χ为原子百分比，且30≤a≤65,0≤b≤30,0≤c≤11，9≤d≤25，15≤e≤25，0≤χ≤1且a+b+c+d+e = 100 ；元素M为选自Zn、Cu、Ga和Al 四种元素中的一种或几种。本发明的锶基块体金属玻璃至少包含50%体积百分比非晶相，这可以用计算热焓 的方法算出。锶基块体金属玻璃允许含有少量的杂质，例如少量的氧可能会溶解在非晶合 金中而不会发生显著的晶化，还可能含有其他的附带元素，但杂质的总量应少于5% (原子 百分比)。本发明提供一种上述锶基块体金属玻璃的制备方法，包括如下步骤1)将各种元素按照锶基块体金属玻璃组成的化学式Sra(YbxCai_x)bLi。Mg具配料， 其中a，b，c，d，e，x为原子百分比，且30≤a≤65,0≤b≤30,0≤c≤11,9≤d≤25， 15≤e≤25，0≤χ≤1且a+b+c+d+e = 100 ；元素M为选自Zn、Cu、Ga和Al四种元素中 的一种或几种；2)在感应炉中将上述配料在高温下融化并混合均勻，得到母合金；3)利用感应炉的喷铸装置，将母合金的熔体吹入铜模，得到锶基块体金属玻璃。在本发明的锶基块体金属玻璃的制备方法中，各个元素的纯度均不低于99% (重 量百分比)。本发明提供的块体金属玻璃具有极低的玻璃化转变温度，从室温到几十度之间， 且具有良好的玻璃形成能力，十分利于在过冷液相区的塑性成形，易于形成大尺寸的非晶 合金。本发明提供的块体金属玻璃还具有可调控的水解速率，类似可降解塑料，在生物医学 材料等方面具有潜在的应用。本发明的块体金属玻璃的成分简单，原材料价格低廉，制备方 法简单，因而总体成本低廉。下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
图1是本发明实施例1至3的块体金属玻璃的X射线衍射图；图2是本发明实施例1至3的样品的玻璃化转变部分的热分析(DSC)曲线。
具体实施例方式实施例1、Sr6tlMg18Zn22锶基块体金属玻璃的制备将原材料纯度为99wt %的锶以及99. 9wt %的镁和锌三种组分按摩尔量为 60 18 22配好后放入带尖口的石英管中，在具有氩气保护的感应炉中将上述配料融 化并混合均勻，得到母合金，最后利用感应炉的喷铸装置，将母合金的熔体吹入铜模制得样 品。利用该方法可得到直径为3mm的棒状或厚度为2mm的片状锶基块体金属玻璃。该Sr6tlMg18Zn22锶基块体金属玻璃的X射线衍射图如图1所示，具有较宽的衍射峰， 没有尖锐的晶化峰，说明样品为非晶合金。其DSC热分析结果如图2所示，可见该大块非晶 具有较低的玻璃转变温度(58°C )和较宽的过冷液相区(43°C )，因此便于制备及进行过冷 区间的超塑性变形。实施例2、Sr60Li11Mg9Zn20锶基块体金属玻璃的制备将原材料纯度为99wt%的锶，99. 9wt%锌，以及镁含量为75衬％的镁锂合金，按 锶锂镁锌四种元素摩尔量比为60 11 9 20配好后放入带尖口的石英管中，在具有氩气保护的感应炉中将上述配料融化并混合均勻，得到母合金，最后利用感应炉的喷铸装置 进行喷铸。在该样品的制备过程中，铜模经过液氮冷却以得到较大尺寸的样品。利用该方 法可得到直径为3mm的棒状或厚度为2mm的片状锶基块体金属玻璃。该Sr6ciLi11Mg9Zn2ci锶基块体金属玻璃的X射线衍射图如图1所示，具有较宽的衍射 峰，没有尖锐的晶化峰，说明样品为非晶合金。其DSC热分析结果如图2所示，可见该合金 的显著特点是具有极低的玻璃化转变温度(26°C )，其玻璃化转变温度可通过锂含量的多 少进行调控，减少锂含量可提高玻璃化转变温度。实施例3、Sr40Yb20Mg20Zn15Cu5锶基块体金属玻璃的制备。将原材料纯度为99wt%的锶和镱，以及99. 9wt %的镁，锌和铜，按元素摩尔量为 40 20 20 15 5配好，按实施例1中的制备方案，可得到直径为3mm的棒状或厚度 为2mm的片状锶基块体金属玻璃。该Sr4ciYb2ciMg2ciZni5Cu5锶基块体金属玻璃的X射线衍射图如图1所示，具有较宽的 衍射峰，没有尖锐的晶化峰，说明样品为非晶合金。其DSC热分析结果如图2所示，可见其 具有较低的玻璃化转变温度(63°C )和较宽的过冷液相区(42°C )，同时该合金比其他成分 的合金有较好的抗氧化和抗腐蚀能力。实施例4-16按实施例1的方法制备各种配比的锶基块体金属玻璃，其组成和热物性参数列于 表1中。表1、锶基块体金属玻璃的组成和热物性参数
权利要求
1.一种锶基块体金属玻璃，其组成的化学式如下Sra (YbxCa1J ,LicMgdMe其中a，b，c，d，e，x为原子百分比，且30彡a彡65，0彡b彡30，0彡c彡11，9彡d彡25， 15彡e彡25，0彡χ彡1且a+b+c+d+e = 100 ；元素M为选自Zn、Cu、Ga和Al四种元素中 的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的锶基块体金属玻璃，其特征在于所述的锶基块体金属玻璃 至少包含50%体积百分比非晶相。
3.根据权利要求1所述的锶基块体金属玻璃，其特征在于还包含少于5%原子百分比 的杂质。
4.一种锶基块体金属玻璃的制备方法，包括如下步骤1)将各种元素按照锶基块体金属玻璃组成的化学式Sra(YbxCa1JbLi。Mg具配料，其 中a，b，c，d，e，χ为原子百分比，且30≤a≤65,0≤b≤30,0≤c≤11,9≤d≤25， 15≤e≤25，0≤χ≤1且a+b+c+d+e = 100 ；元素M为选自Zn、Cu、Ga禾口 Al四种元素中 的一种或几种；2)在感应炉中将上述配料融化并混合均勻，得到母合金；3)利用感应炉的喷铸装置，将母合金的熔体吹入铜模，得到所需的锶基块体金属玻璃。
5.根据权利要求4所述的锶基块体金属玻璃的制备方法，其特征在于所述的各种元 素的纯度均不低于99wt%。
全文摘要
本发明涉及一种锶基块体金属玻璃，其组成的化学式为Sra(YbxCa1-x)bLicMgdMe，其中a，b，c，d，e，x为原子百分比，且30≤a≤65，0≤b≤30，0≤c≤11，9≤d≤25，15≤e≤25，0≤x≤1且a+b+c+d+e＝100；元素M为选自Zn、Cu、Ga和Al四种元素中的一种或几种。本发明还涉及上述锶基块体金属玻璃的制备方法，包括将各种元素按照上述化学式配料；将上述配料在高温下融化并混匀；利用喷铸装置将母合金的熔体吹入铜模，得到锶基块体金属玻璃。本发明的块体金属玻璃具有极低的玻璃化转变温度和良好的玻璃形成能力，且制备方法简单，成本低廉。
文档编号C22C45/00GK102002648SQ20091009215
公开日2011年4月6日 申请日期2009年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者李建福, 汪卫华, 潘明祥, 赵德乾, 赵昆 申请人:中国科学院物理研究所