一种具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有室温大塑性的Zr基非晶合金，它涉及一种块体非晶合金材料，具体涉及一种兼具有高玻璃形成能力和室温大塑性的Zr基块体非晶合金。本发明的块体非晶合金由Zr、Al、Ni和Cu四种元素组成，各元素的质量百分比为：Al:3.96~4.06%，Ni:11.3~11.8%，Cu：20.67~21.07%，其余为Zr，其总质量满足100%。本发明具有高的玻璃形成能力，采用普通铜模铸造法就可以制备出临界尺寸达Φ10mm的Zr基块体非晶合金，且具有>27%室温压缩塑性。本合金所需原料均为无毒、低成本的金属原料，制备工艺简单，低温力学性能优异，非常适合于工业应用。
【专利说明】一种具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金
【技术领域】
[0001]本发明涉及非晶态金属材料，具体涉及一种具有室温大塑性的新型Zr基块体非晶合金。
【背景技术】
[0002]Zr基块体非晶合金具有极高的断裂强度、高硬度、高弹性应变、弹性极限、高断裂韧性和低的弹性模量等优异的力学性能。由于Zr基非晶合金本身独特的无序化原子结构，合金内部缺少位错、孪晶等晶体缺陷，通常在室温以及低于室温的条件下，不能像晶态材料那样，发生持续的塑性变形，变形只发生在高度局域化的剪切带，从而产生脆性断裂，严重制约了块体非晶合金的工业化应用。因而，开发具有室温大塑性的Zr基非晶合金新成分是目前块体非晶合金领域亟待解决的问题之一。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种具有室温大塑性与高强度的Zr基非晶合金，本发明较好地解决了 Zr基非晶合金成分在室温环境中塑性变形能力差的不足。
[0004]本发明提出的具有室温大塑性与高强度的Zr基非晶合金，所述Zr基非晶合金由Zr, AU Ni和Cu四种元素组成，各元素的质量百分比为:
Al: 3.96^4.06%
N1: 11.3~11.8%
Cu:20.67~21.07%
其余为Zr，其总质量满足100%。
[0005]本发明依据物理冶金的原理，利用二元共晶成分与多元共晶成分之间存在某种必然的联系，多元非晶合金可以通过选择恰当的二元共晶点及比例系数合成。这些共晶点具有两个特征，一般具有较低的共晶反应温度，而且共晶产物多为线性化合物。因此，可以通过适当的比例混合二元共晶成分，设计多元块体非晶合金成分，使其充分接近多元共晶或近共晶成分，并通过共晶各相的相互竞争抑制结晶过程，从而得到具有高非晶形成能力的非晶合金系。
[0006]在Zr-Al-N1-Cu合金系中，结晶和晶化反应的产物主要为Zr_Cu，Zr-Ni, Zr-Al的金属间化合物，因此可以认为Zr-Cu, Zr-Ni, Zr-Al原子对之间形成的金属间化合物为该合金系中非晶相形成的主要竞争相，如果在合金熔体这些竞争晶化相的析出能力大致平衡，相互之间的阻碍与牵制作用增加，将抑制初始晶化相的析出，从而得到高玻璃形成能力的非晶合金成分。由二元相图Zr38Cu62、Zr64Ni36、Zr51Al49具有较低的共晶点且其共晶产物均为线性化合物，因而我们选择Zr44Cu56, Zr51Al49, Zr64Ni36作为基本的单元，可得到如下的表达式:
Cam =a (Zr38Cu62) + b (Zr64Ni36) + c (Zr51Al49) (a+ b+c =1)
比例系数a、b、c分别为三个二元共晶的组分所占的比例系数，且满足归一化条件a+b+c =1。对比例系数a、b、c进行不断地调整，从而调整合金系的原子配比，可以得到不同玻璃形成能力的非晶合金。当a=6.25/16，b=6.25/16，c=3.5/16，即可得到较佳成分点Zrfa68Ali96Ni11JCu2U (质量百分比)。在电弧熔化普通铜模铸造条件下，可以获得临界尺寸不小于10 mm的块体非晶合金。
[0007]本发明与已有的Zr基块体非晶合金相比具有如下特点:
(I)本合金具有高的玻璃形成能力，采用普通铜模铸造法可以制备出临界尺寸达10_的块体非晶合金。
[0008](2)本合金在室温条件下具有极大的压缩塑性和抗压断裂强度:直径为1.2 mm、2mm、3 mm的非晶合金的压缩塑性分别为>100%、30%、27%，该性能远高于其它成分的Zr基非晶合金。迄今为止，本发明的Zr基非晶合金是在室温环境下塑性变形能力最优异的成分之
O
[0009](3)本合金所需原料均为无毒、低成本的金属原料，制备工艺简单，低温力学性能优异，非常适合于工业应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为不同直径的Zrf^68AU96Nilh3ciCu2hci非晶合金的的X射线衍射图谱。
[0011]图2为不同直径的Zrf^68AU96Nilh3ciCu2hci非晶合金室温压缩应力-应变曲线。
[0012]图3为直径3 mm的Zrfa68AUilh3ciCu2U非晶合金室温压缩断口及其端口侧面的剪切带分布图；其中(a)为非晶合金室温压缩断口的剪切带分布图，(b)为非晶合金室温端口侧面的剪切带分布图。
[0013]图4为直径2 mm的Zrfa68AU96Nilh3tlCu2hci非晶合金室温压缩断口及其端口侧面的剪切带分布图；其中(a)为非晶合金室温压缩断口的剪切带分布图，(b)为非晶合金室温端口侧面的剪切带分布图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0015]实施例1:本实施例的Zr基块体非晶合金Zr、Al、N1、Cu，由Zr、Al、N1、Cu组成，其中各元素的质量百分比为:Zr 63.68%, Al 3.96%, Ni 11.30%、Cu21.07%，该成分为本发明的最佳成份点。合金的制备步骤是:将纯度为99.9%以上的Zr、Al、N1、Cu金属原料超声清洗干净后，按目标成分所需原子个数计算相应的元素质量。用精度为0.0OOlg的点子天平称量所需原料质量，称量准确后待用。母合金的熔炼采用磁控钨极电弧炉进行。将配制精确的原料放置于炉内，抽真空至6.0 X 10_3Pa，充入保护气体氩气至0.05MPa,在250-400Α电流条件下熔炼4(T60s，母合金锭反复翻转熔炼四到五次，以保证母合金成分的均匀性。将熔炼好的母合金锭置于压力为0.04、.07MPa的氩气中进行电弧熔化，然后母合金熔体采用铜模铸造法成型，得到直径为f IOmm圆棒状非晶合金样品。
[0016]将制得的Zrfa68Ali96Ni11JCu2htl非晶合金棒材截取Φ 2mmX 4mm,测试其室温下的压缩性能(在本发明中，材料的压缩力学性能采用Instixm 5500型万能材料实验机测试)。该Zr基非晶合金在室温下具有屈服强度2123 MPa和>100%压缩塑性。
[0017]实施例2:本实施例与实施例1的不同点为:将制得的Zi^68AU96Nilh3tlCu2U非晶合金棒材截取0 2mmX4mm，该Zr基非晶合金在室温下具有屈服强度2143 MPa和30%压缩塑性。其它与实施例1相同。
[0018]实施例3:本实施例与实施例1的不同点为:将制得的Zrfa68AU96Nilh3ciCu2U非晶合金棒材截取Φ3 mmX6 mm，该Zr基非晶合金在室温下具有屈服强度2197MPa和27%压缩塑性。其它与实施例1相同。
[0019]由图1可见，不同尺寸的Zr63.68A13.96Nin.3(lCu21.。非晶合金的X射线衍射谱为典型非晶的漫散射峰，不存在尖锐的晶态相衍射峰，表明合金材料的结构为非晶态。
[0020]由图2可见，在室温条件下，不同直径的Zrfa68AU96Nilh3tlCu2U非晶合金承受轴向压缩变形时，超过弹性变形后并不立即断裂，而是经过大的塑性变形后才发成断裂。直径为1.2 mm的合金，压缩塑性>100%，屈服强度为2123 MPa MPa。直径为2 mm的合金，压缩塑性30%，屈服强度为2143 MPa。直径为3 mm的合金，压缩塑性27%，屈服强度为2197 MPa。[0021 ] 由图3、4可见，Zr63.68A13.96Ni1L 3(lCu21.0非晶合金在室温下压缩变形过程中为典型的剪切断裂，在压缩断口侧面 附近，出现高密度的剪切带，同时存在剪切带的增殖、分支与交割清晰，这导致了其具有大的塑性应变。
【权利要求】
1.一种具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金，其特征在于:Zr基块体非晶合金由Zr、AUNi和Cu四种元素组成，各元素的质量百分比为:
Al: 3.96^4.06%
N1: 11.3~11.8%
Cu:20.67~21.07% 其余为Zr，其总质量满足100%。
2.根据权利要求1所述的一种具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金，其特征在于:直径为1.2 mm的Zr基块体非晶合金，在室温条件下，屈服强度为2123 MPa，压缩塑性大于100% ο
3.根据权利要求1所述的一种具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金，其特征在于:直径为2mm的Zr基块体非晶合金，在室温条件下，屈服强度为2143 MPa，压缩塑性达30%。
4.根据权利要求1所述的一种具有室温大塑性的Zr基块体非晶合金，其特征在于:直径为3mm的Zr基块体非晶合`金，在室温条件下，屈服强度为2197 MPa，压缩塑性达27%。
【文档编号】C22C45/10GK103866207SQ201410075716
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】孙亚娟, 沈军 申请人:同济大学