专利名称：改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法
技术领域：
本发明涉及块 体非晶合金的制备技术，具体为一种通过控制微观结构改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法。
背景技术：
当合金熔体以晶体形核与长大的方式凝固时，原子排列方式必然发生变化，即从不断变化的短程有序原子组态变成与晶体结构和成分对应的长程有序原子组态。原子组态在凝固过程中的这些变化都与原子扩散有关，对于任意一种成分的合金，当凝固冷速足够高时，就可以抑制扩散的进行而形成非晶合金(金属玻璃)。锆基块体非晶合金具有较高的玻璃形成能力，是一类非常有前景的结构材料。然而，早期的一些研究结果发现锆基块体非晶合金是一类典型的脆性材料，在室温条件下，它们不仅表现出几乎为零的拉伸塑性和有限的压缩塑性，而且也没有明显的弯曲塑性。但最近的一些研究结果发现可以通过控制微观结构改善锆基块体非晶合金的塑性。比如，通过低温喷铸在基体中引入纳米晶或低温退火导致基体中出现纳米级的结构不均匀均能提高合金的压缩塑性；也可以通过轧制变形在非晶基体中引入大量均匀分布的剪切带，从而改善合金的弯曲塑性。上述方法虽然在一定程度上改善了锆基块体非晶合金的塑性，但也有很大的局限性，要么操作工艺相对复杂、繁琐，要么纳米晶的形态、分布和数量很难有效控制，因此很难广泛普及。相关研究工作表明，块体非晶合金的塑性与微观结构的无序度和自由体积含量密切相关。微观结构的无序度和自由体积含量越高，塑性就越好。因此，可以通过增加微观结构的无序度和自由体积含量来改善非晶合金的塑性。众所周知，非晶合金是液态合金快速冷却的产物，可以认为是“冻结”的液体，它的原子组态必与相应的液态结构相关。已有工作表明，母合金铸锭的凝固组织与非晶合金的微观结构有着密切的关系，因此可以通过控制母合金铸锭的凝固组织达到改善非晶合金塑性的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善锆基块体非晶合金塑性的方法，该方法工艺成本低且简便易行，可以明显改善块体非晶合金的弯曲塑性。本发明的技术解决方案如下
一种改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下第一步，原始母合金铸锭的制备按合金名义成分将所需纯金属(纯度不低于99. 9wt%)置于真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内熔化。熔化电流为200安，熔炼气氛为经过熔融钛耗氧的高纯氩气，一次熔炼时间为60秒；完成一次熔炼后，把铸锭翻过来再进行熔炼，反复熔炼4次，以保证母合金铸锭的化学成分均匀；
第二步，母合金铸锭凝固组织的细化将第一步得到的原始母合金铸锭压碎成多个小块，将一定质量的小块合金重新置于水冷铜坩埚内，在熔炼电流为200安和一定电弧高度情况下反复熔炼3飞次；
第三步，锆基块体非晶合金的制备将第二步得到的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷铜模，得到弯曲塑性高的锆基块体非晶合金。本发明提供的改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法机理是原始母合金铸锭反复熔炼多次以后，得到的块体非晶合金微观结构的无序度和自由体积含量显著增加。高度无序的微观结构在引入更多的流变区域同时，也有利于在整体范围内出现密集的剪切转变事件，以至于在发生突然断裂前出现更多的弥散的塑性变形。而自由体积主要通过以下两种方式影响非晶合金的塑性。一方面，自由体积含量较高的位置通常具有较低的强度，而且对加载应力很敏感。这些位置可以认为是预先存在的软化区域。这些区域与周围区域弹性性能的差别在塑性变形过程中可能导致应力集中，有利于剪切带的形核。另一方面，高的自由体积含量意味着原子扩散能力的增加。高的原子扩散能力有利于缓解应力集中，从而防止过早出现裂纹并可以阻止裂纹的扩展。这就使非晶合金在断裂前获得更多的塑性变形。
在真空电弧炉中将一定质量的原始母合金铸锭反复熔炼多次，使其凝固组织显著细化；利用这些铸锭通过铜模吸铸法制备片状的块体非晶合金。与原始母合金铸锭得到的块体非晶合金相比，反复熔炼多次以后得到的块体非晶合金微观结构的无序度和自由体积含量显著增加,弯曲位移也显著增加。本发明具有的优点是1、本发明工艺方法简单，不需要特殊设备的投入，在一般的真空电弧熔炼炉内即可实现，并且具有显著的效果。2、本发明通过对母合金铸锭凝固组织的控制，使相应块体非晶合金微观结构的无序度和自由体积含量显著增加，从而达到改善现有非晶合金塑性的目的，而不需要耗费大量的人力和物力开发新的块体非晶合金成分，避免了大量的实验工作，并且在实际操作上更容易实现。
图I为母合金铸锭经过不同熔炼次数后获得的Zr55AlltlNi5Cu3tl块体非晶合金的X射线谱。图2为母合金铸锭经过不同熔炼次数后获得的Zr55AliciNi5Cu3J^体非晶合金的DSC曲线，其加热速度为20 K/分钟。图3a_b为母合金铸锭经过不同熔炼次数后获得的Zr55AliciNi5Cu3J^体非晶合金的高分辨透射电镜照片。图4a_b为母合金铸锭经过不同熔炼次数后获得的Zr55AlltlNi5Cu3ci块体非晶合金的弯曲应力-位移曲线。
具体实施例方式本发明只需通过控制母合金铸锭的凝固组织，使相应块体非晶合金微观结构的无序度和自由体积含量显著增加，即可达到改善现有非晶合金塑性的目的。以下结合实施例对本发明方法做进一步解释，但不应以此限制本发明的保护范围。Zr55AlltlNi5Cu3ci块体非晶合金弯曲塑性的改善
实施例I
(I)将纯度不低于99. 9wt%的Zr、Al、Ni、Cu组分按摩尔量比为55:10:5:30配好后，放入真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，在经熔融纯钛耗氧的高纯氩气氛保护下，利用电弧对其进行反复熔炼。熔化电流为200安,一次熔炼过程以60秒为宜。完成一次熔炼后，把铸锭翻过来再进行熔炼。为了防止成分偏析，一般反复熔炼4次，得到原始母合金铸锭。(2)将原始母合金铸锭压碎成小块，然后将质量为9克的小块合金重新置于水冷铜坩埚内熔化(熔炼电流为100安，熔炼时间为10秒)，然后利用电弧炉中的吸铸装置(压力差为I个大气压)，将相同质量的原始母合金铸锭的熔体吸入水冷铜模，得到厚度为I mm的片状块体非晶合金，以RO表示。然后采用慢速转锯切割，得到尺寸为Γ 3'40 mm3的弯曲试样。实施例2
(I)与实施例I的步骤(I)相同。 (2)将原始母合金铸锭压碎成小块，然后将质量为9克的小块合金重新置于水冷铜坩埚内，选择一定的熔炼电流(200安)和电弧高度(钨电极与合金熔体表面的高度，以电弧能够完全覆盖熔体表面为宜)，反复熔炼3次，得到母合金铸锭。(3)将步骤(2)得到的母合金铸锭重新置于水冷铜坩埚内熔化(熔炼电流为100安，熔炼时间为10秒)，然后利用电弧炉中的吸铸装置(压力差为I个大气压)，将相同质量的原始母合金铸锭的熔体吸入水冷铜模，得到厚度为I mm的片状块体非晶合金，以R3表示。然后采用慢速转锯切割，得到尺寸为Γ340 mm3的弯曲试样。实施例3
(I)与实施例I的步骤(I)相同。(2)将原始母合金铸锭压碎成小块，然后将质量为9克的小块合金重新置于水冷铜坩埚内，选择一定的熔炼电流(200安)和电弧高度(钨电极与合金熔体表面的高度，以电弧能够完全覆盖熔体表面为宜)，反复熔炼6次，得到母合金铸锭。(3)将步骤(2)得到的母合金铸锭重新置于水冷铜坩埚内熔化(熔炼电流为100安，熔炼时间为10秒)，然后利用电弧炉中的吸铸装置(压力差为I个大气压)，将相同质量的原始母合金铸锭的熔体吸入水冷铜模，得到厚度为I mm的片状块体非晶合金，以R6表示。然后采用慢速转锯切割，得到尺寸为Γ340 mm3的弯曲试样。
表I是对实施例I、实施例2和实施例3样品进行三点弯曲测试，支点跨距为20 mm，压头行进速度为O. 64 mm/min。
权利要求
1.ー种改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下 第一歩，原始母合金铸锭的制备按合金名义成分将所需纯度不低于99. 9wt%的纯金属置于真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内熔化，熔化电流为200安，熔炼气氛为经过熔融钛耗氧的高纯氩气，一次熔炼时间为60秒；完成一次熔炼后，把铸锭翻过来再进行熔炼，反复熔炼4次，以保证母合金铸锭的化学成分均匀； 第二歩，母合金铸锭凝固组织的细化将第一歩得到的原始母合金铸锭压碎成多个小块，将一定质量的小块合金重新置于水冷铜坩埚内，在熔炼电流为200安和一定电弧高度情况下反复熔炼3飞次； 第三歩，锆基块体非晶合金的制备将第二步得到的母合金铸锭重新熔化，利用真空电弧熔炼炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷铜模，得到弯曲塑性高的锆基块体非晶I=I O
2.按照权利要求I所述的改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法，其特征在于第三步中，熔炼电流为100安，熔炼时间为10秒，高纯氩气氛为I个大气压。
3.按照权利要求I所述的改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法，其特征在于第二步中所述的电弧高度为钨电极与合金熔体表面的高度，以电弧能够完全覆盖熔体表面为宜。
全文摘要
一种改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法，包括第一步，原始母合金铸锭的制备，第二步，母合金铸锭凝固组织的细化，第三步，锆基块体非晶合金的制备。本发明通过对母合金铸锭凝固组织的控制，使相应块体非晶合金微观结构的无序度和自由体积含量显著增加，从而达到改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的目的，具有方法简单、成本低廉的特点。
文档编号C22C45/10GK102703841SQ20121016360
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者刘礼, 周尧和, 李金富, 林涛, 胡勇 申请人:上海交通大学