专利名称：一种大块非晶合金纳米化方法
技术领域：
本发明涉及金属材料组织纳米化技术，具体为一种通过压力晶化法使大块非晶合金纳米化方法。
背景技术：
纳米颗粒的尺度一般定义为1～100nm，由于其极细小的晶粒和大量的界面密度及大量处理晶界和晶粒内的缺陷原子，纳米材料在物理化学性能上表现出与普通微米级多晶体材料巨大的差异，纳米颗粒的电、磁、热、光、敏感特性和表面稳定性等明显不同于通常颗粒，随晶粒减小，材料的强度和硬度大幅度增大，从而使其具有广阔的应用前景。为了在大块非晶晶化过程中形成细小的纳米级晶粒，现在通常有两种方法第一、向大块非晶成分中添加其它元素。这些元素的添加原则是偏离大块非晶成分设计的三原则，使非晶中产生微观结构的非均匀性，将单步晶化模式转变为多步晶化模式从而有利于初晶相的析出，形成纳米级晶体，这种添加元素的方法将会降低非晶的形成能力。第二、热挤压法。首先制备出粉末状或条带状非晶，然后通过热挤压制备出大块纳米晶或纳米晶/非晶复合材料。这种方法的缺点是晶粒之间有严重的界面污染，同时有空洞等其他缺陷，致密度较小。
日本金属学会誌(A.Inoue and T.Zhang，Mater.Tran.，JIM 37，185(1996))，根据Inoue提出的发展大块非晶合金成分设计三原则，Zr55Al10Ni5Cu30合金成分由于不含毒性元素(例如Be)和活泼元素(例如稀土元素)，而且具有较大的玻璃形成能力，所以无论在基础性研究和实际应用中都备受人们的关注，已经成功制备出直径为30mm，长50mm的完全非晶棒。
日本金属学会誌(C.Fan and A.Inoue，Mater.Trans.，JIM 38，1040(1997))，应用物理快报(R.Busch，S.Schneider，A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.67，1544(1995))，日本金属学会誌(C.Fan，A.Takeuchi and A.Inoue，Mater.Trans.，JIM 40，42(1999))，以及应用物理快报(L.Q.Xing，J.Eckert，W.Lser and L.Schultz，Appl.Phys.Lett.74，664(1999))等文献中，在非晶基体上均匀分布纳米级结构晶体会大大改善材料的机械性能，例如提高屈服强度，改善延展性等等。
日本金属学会誌(A.Inoue，T.Negishi，H.M.Kimuar，T.Zhang and A.R.Yavari，Mater.Trans.，JIM 39，318(1998))，以及材料科学与工程(M.F.de Oliveira，C.S.Kiminami and W.T.Botta filho，Mater.Sci.Eng.304-306A，665(2001))等文献，由于具有大块非晶合金的成分晶化困难，通常具有单步晶化模式，在传统的晶化过程中会形成粗大的晶体结构，使其性能下降。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种大块非晶合金纳米化方法，可以获得晶体致密、无界面污染的大块完全纳米晶或纳米晶/非晶复合材料。
本发明的技术方案是通过压力晶化法大块非晶合金纳米化，具体步骤如下1)用电弧炉将母合金反复熔炼；2)采用铜模铸造法制成mm级大块非晶；3)首先对该非晶合金加压，压力为3-5GPa，然后对大块非晶加热，加热温度为450～550℃，然后保温，保温时间为10-60min，自然冷却至室温后，卸掉压力，得到完全纳米级结构晶体或纳米晶/非晶复合结构。
本发明加压设备采用千吨级环带式两面顶金刚石压机。
本发明的有益效果是采用本发明压力晶化法克服了现有技术的不足，得到的纳米级结构晶体致密、无界面污染，非晶态固体的晶化转变通常是典型的形核和生长的相变过程，压力和温度一样，是热力学的另一重要参量，压力作为热力学的一个重要参量，在材料合成与制备过程中发挥重要作用，对晶体的形核和生长有明显的影响作用，研究表明压力可大大提高该合金的形核率、阻碍生长率，从而促进纳米结构的形成，通过压力晶化法可以得到不同晶化百分数(20-100％)和不同晶粒尺寸(7-40nm)的纳米级结构晶体。
图1为实施例1中1#透射电镜图。
图2为实施例1中2#透射电镜图。
图3为实施例1中3#透射电镜图。
具体实施例方式
实施例1采用压力晶化法使Zr55Al10Ni5Cu30大块非晶晶化，采用纯度大于99.9％的金属原料，采用电弧熔炼母合金，用感应加热铜模铸造法浇注块状非晶，首先对该非晶合金加压，加压设备采用千吨级环带式两面顶金刚石压机，然后对大块非晶加热，然后保温，自然冷却至室温后，卸掉压力，得到纳米级结构晶体，具体参数如下表1
上表中1#、2#、3#分别与图1、图2、图3对应，由图1～3可以看出，采用本发明使具有大块玻璃形成能力的Zr55Al10Ni5Cu30合金体系得到致密的、无界面污染的大块完全纳米晶或纳米晶/非晶复合结构。
实施例2与实施例1不同之处是采用压力晶化法使Zr59Cu20Al10Ni8Ti3非晶纳米化，采用纯度大于99.9％的金属原料，采用电弧熔炼母合金，铜模铸造法制备块状非晶，首先对该非晶合金加压，压力为3GPa，然后对大块非晶加热，加热温度为480℃，然后保温，保温时间为10min，自然冷却至室温后，卸掉压力，得到纳米级结构晶体，晶化百分数为20％，晶粒平均尺寸为10nm，采用本发明使合金得到致密的、无界面污染的大块纳米晶/非晶复合结构。
实施例3与实施例1不同之处是采用压力晶化法使Zr65Al7.5Ni10Cu17.5大块非晶纳米化，采用纯度大于99.9％的金属原料，采用电弧熔炼母合金，采用铜模铸造法制备块状非晶，首先对该非晶合金加压，压力为3GPa，然后对大块非晶加热，加热温度为500℃，然后保温，保温时间为60min，自然冷却至室温后，卸掉压力，得到纳米级结构晶体，晶化百分数为100％，晶粒平均尺寸为40nm，采用本发明使合金得到致密的、无界面污染的大块完全纳米晶结构。
权利要求
1.一种大块非晶合金纳米化方法，其特征在于通过压力晶化法大块非晶合金纳米化，具体步骤如下1)用电弧炉将母合金反复熔炼；2)采用铜模铸造法制成mm级大块非晶；3)首先对该非晶合金加压，压力为3-5GPa，然后对大块非晶加热，加热温度为450～550℃，然后保温，保温时间为10-60min，自然冷却至室温后，卸掉压力，得到完全纳米级结构晶体或纳米晶/非晶复合结构。
全文摘要
本发明涉及金属材料组织纳米化技术，具体为一种通过压力晶化法使大块非晶合金纳米化方法。通过压力晶化法大块非晶合金纳米化，具体步骤如下1)用电弧炉将母合金反复熔炼；2)采用铜模铸造法制成mm级大块非晶；3)首先对该非晶合金加压，压力为3－5GPa，然后对大块非晶加热，加热温度为450～550℃，然后保温，保温时间为10－60min，自然冷却至室温后，卸掉压力，得到完全纳米级结构晶体或纳米晶/非晶复合结构。本发明通过压力晶化法得到的完全纳米级结构晶体或纳米晶/非晶复合结构晶体致密、无界面污染。
文档编号C22F3/00GK1580313SQ03133630
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月1日 优先权日2003年8月1日
发明者张甲, 董盼, 王建强, 全明秀, 胡壮麒 申请人:中国科学院金属研究所