专利名称：钪基大块非晶合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及非晶合金或金属玻璃领域，具体地说是涉及一种以钪为主要成分，添加了适量过渡元素和钇稀土元素，且包含50％以上体积百分比非晶相的高比模量钪基大块非晶合金。
背景技术：
自从H.S.Chen、A.Inoue、W.L.Johnson等人制备出多种大块非晶合金系如Pd-Cu-Si、La-Al-(Ni，Cu)-Co、Mg-(Cu，Ni)-(Y，Nd)、Zr-Al-Ni-Cu、Zr-Ti-Cu-Ni-Be以来，大块非晶材料由于其独特的物理性能和力学性能已引起了物理学家和材料学家们的极大关注。目前，大块非晶材料的玻璃化转变、玻璃形成能力或机制、晶化机制、变形机制等已成为在材料科学和工程领域的研究热点。Zr基合金系作为具有最强玻璃形成能力的合金体系之一，其强度可达到2000MPa以上，超过目前强度最高的钢，而比强度和比刚度则远远超过钢。锆基大块非晶材料比刚度达到15N.m，是目前比刚度最高的材料之一。
发明内容
本发明提供一种更高比刚度的新型钪基(ScAlCo)大块非晶合金及其制备方法，该系非晶合金材料的比刚度更高达20N.m，相比于Zr基非晶合金系提高约33％。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的钪基大块非晶合金，是以钪为主要成分，稀土作为合金元素，其组成可用如下公式表示Sc60-xCo20(Y，Gd)20Alx或Sc56-yCo20(Y，Gd)10+yAl24或Sc45-zCo10+z(Y，Gd)20Al25；其中x＝14～25，y＝5～10，z＝5～10，所述的各组成元素纯度不低于90at％，所述的钪基大块非晶合金包含至少50％体积百分比非晶相。
本发明提供一种上述钪基大块非晶合金的制备方法，包括如下步骤1)在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，按所需要的原子配比将上述组份混合后熔炼均匀；
2)使用常规的金属型铸造法，浇铸于金属模中，得到钪基大块非晶合金Sc60-xCo20-y(Y，Gd)20-zAlx(x＝14～24，y＝5～15，z＝5～15)。
进一步地，所采用的金属模可以为无水冷或水冷金属模。
本发明提供的钪基大块非晶合金与现有的非晶合金相比，其优益之处在于1、该钪基大块非晶合金的临界冷却速率低。冷却速率(Rc)可以达到100K/s的数量级，抑制结晶能力强，易于形成大尺寸的非晶合金，其尺寸在各个维度不小于1毫米，临界直径尺寸不小于3毫米。
2、具有高的比模量。玻璃态合金密度为4.2g/cm3左右，比模量为20N.m，超过大多数晶体材料和锆基非晶材料(如Vitl约为15N.m)，而后者通常被认为是比模量和比强度最高的材料之一，该系非晶材料的比杨氏模量远超过锆基非晶合金，而保持相当高的极限弹性应变，显示出该系合金具有优异的弹性性能。
3.高的热稳定性。玻璃化转变温度高达630-670K，超过其它的稀土基大块非晶材料以及大多数Zr基大块非晶材料，具有宽的过冷液相区宽度，Tx为98K。
4、该钪基大块非晶合金适合于工业用途，可以在不发生晶化的情况下，充分加热到玻璃转变温度以上进行加工。
5、该钪基大块非晶合金具有高的制造性能。稀土合金元素纯度要求不高，制备工艺简单，易于操作。
图1实施例1的非晶合金(3mm直径圆棒)的X射线衍射分析谱及选区衍射花样。
图2本发明提供的非晶合金的DSC曲线图。
图3Sc36Co20Al24Y20的DTA曲线图。
图4ScAlCo系非晶材料弹性性能和其它稀土基大块非晶材料与玻璃化转变温度的关系。
图5Sc系非晶材料极限弹性应变与其它非晶材料的比较。
具体实施例方式实施例1Sc36Co20Al24Y20柱状大块非晶合金的制备使用纯度为90at.％以上的、原子比为36∶20∶24∶20的Sc、Co、Al及Y制备钪基大块非晶合金。首先将它们在钛吸附的氩气氛的电弧炉中熔炼，混合均匀，冷却后得到合金铸锭；再反复熔炼5-10分钟，直至铸锭熔化均匀，最后使用金属型铸造法，浇铸于水冷或无水冷的铜模中，得到成份均匀、直径为3毫米的钪基柱状大块非晶合金。
经测试，该合金的密度为4.214g/cm3，杨氏弹性模量约为85.2GPa，比模量达20N.m，远远超过一般的Zr基非晶材料。而后者被认为是目前比模量或比刚度最高的大块非晶材料之一。
该合金中心部位的X射线衍射图如图1所示，在X射线衍射仪的有效分辨率内没有观察到任何晶化峰，只有一个宽的弥散散射峰，说明该合金为完全非晶合金。在透射电子显微镜下观察也证实了该合金为完全非晶。表1中所列的DSC分析结果也证实测定样品大部分是非晶。另外，从表1中还可发现，约化玻璃转变温度(Trg)和玻璃化指数(γ值)均较高，说明该合金的非晶形成能力很好，如图3所示，其较强的非晶形成能力部分原因在于其接近共晶成分。玻璃态合金密度为4.2g/cm3左右，比模量为20N.m，超过大多数晶体材料和锆基非晶材料(如Vitl约为15N.m)，而后者通常被认为是比模量和比强度最高的材料之一，该系非晶材料与其它非晶材料的比较见图4，可以看出新型Sc基非晶合金的比杨氏模量远超过著名的锆基非晶合金，而保持相当高的极限弹性应变，显示出该系合金具有优异的弹性性能。玻璃化转变温度高达630-670K，超过其它的稀土基大块非晶材料以及大多数Zr基大块非晶材料，详细参照图5及表1。具有宽的过冷液相区宽度，Tx为98K。高的Tg和宽的过冷液相区，意味着高的热稳定性或耐热性。
实施例2～11按实施例1的方法制备各种配比的钪基大块非晶合金，其组成和热物性参数列于表1。DSC升温速率20K/min。
表1、钪基大块非晶合金的组成和热物性参数TgTxTmTlT Trgγ成份(K)(K)(K) (K) (K) (K)Sc60Co20Al206707301000 1100 60 0.609 0.395Sc36Co20Y20Al24662760970 1048 98 0.632 0.444Sc40Co20Y20Al20657743990 1051 86 0.625 0.435Sc46Y20Co20Al14633684994 1053 51 0.601 0.406Sc50Co20Y20Al10632670950 1052 38 0.601 0.398Sc41Co20Y15Al24667750956 1045 83 0.638 0.438SG46Co20Y10Al24664730950 1100 66 0.604 0.414Sc35Co20Y20Al25660740945 1115 80 0.592 0.417Sc40Co15Y20Al25658748980 1045 90 0.63 0.439Sc45Co10Y20Al25645690980 1042 45 0.619 0.409Sc35Co20Gd20Al25650765985 1052 115 0.618 0.449注1)其中Trg＝Tg/Tm，γ＝Tx/(Tg+Tl)。
表2 比较例 其它体系的大块非晶材料的热物理性能成份TgTxTmTlTTrgγ(K)(K)(K) (K) (K) (K)Ce60Cu20Ni10Al10374441645 67267 0.57 0.422Gd40Y16Al24Co20598653972 99555 0.60 0.410Dy40Y16Al24Co206336821011 1031 49 0.61 0.409*Pr60Cu20Ni10Al10409452705 80643 0.51 0.372Nd60Cu20Ni10Al10438478728 75540 0.58 0.401Zr41Ti14Cu12.5Ni10B 623672932 99649 0.625 0.415e22.5Zr65Al7.5Cu17.5Ni106567351108 1168 79 0.56 0.403Pd40Ni10Cu30P20575670804 84095 0.68 0.473注DSC升温速率10K/min。
由表1和表2数据可知，不同稀土的玻璃热稳定性是不同的，参照比较例(表2)可知，Sc36Co20Y20Al24具有相对较高的热稳定性。另外值得指出的是不同体系的玻璃形成能力(GFA)也是不相同的。稀土原子电子结构、原子尺寸对Sc基大块非晶合金的GFA有显著的影响。原子尺寸与其电子结构、尤其是与次外层4f电子层的电子个数密切相关。具体表现为随着原子尺寸(如原子作用体积)的增大，GFA先增加后减小，当原子作用体积为19cm3/mol时，GFA最大。例如，La-Al-Co-Y不能形成大块非晶。Sm基大块非晶合金在金属模铸造条件下其临界尺寸可达3mm左右，Dy基和Er基大块非晶合金的临界尺寸可达5～8mm。
表3 Sc-BMG及其它非晶材料的的弹性常数TgE GB成份(K) (GPa) (GPa) (GPa)Sc36Co20Y20Al24662 85.2 32.3 77.5Dy46Y10Al24Co18Fe2627 64.2 24.4 58.5Gd36Y20Al24Co20603 62.2 23.6 57.4Nd60Fe20Ni10Al10485 54.1 20.7 54.1Pr60Al10Ni10Cu20417 37.2 13.6 45.2La66Al14Cu10Ni10405 35.7 13.4 34.9Ce70Al10Ni10Cu10359 30.3 11.5 27.0
权利要求
1.一种钪基大块非晶合金，是以钪为主要成分，稀土作为基本合金元素之一，其特征在于，其组成可用如下公式表示Sc60-xCo20(Y，Gd)20Alx或Sc56-yCo20(Y，Gd)10+yAl24或Sc45-zCo10+z(Y，Gd)20Al25；其中x＝14～25，y＝5～10，z＝5～10。
2.如权利要求1所述的钪基大块非晶合金，其特征在于，所述的稀土元素的纯度不低于90at％。
3.如权利要求2所述的钪基大块非晶合金，其特征在于，所述的钪基大块非晶合金包含至少50％体积百分比非晶相。
4.一种权利要求1所述的钪基大块非晶合金的制备方法，包括如下步骤1)按照Sc60-xCo20(Y，Gd)20Alx或Sc56-yCo20(Y，Gd)10+yAl24或Sc45-zCo10+z(Y，Gd)20Al25的比例准备原料，其中x＝14～25，y＝5～10，z＝5～10；2)在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，按所需要的原子配比将上述组份混合、熔炼均匀；3)使用常规的金属型铸造法，浇铸于金属模中，得到钪基大块非晶合金。
5.如权利要求4述的钪基大块非晶合金的制备方法，其特征在于，所述的稀土元素的纯度不低于90at％。
6.如权利要求5述的钪基大块非晶合金的制备方法，其特征在于，所述的金属模可以为无水冷或水冷金属模。
全文摘要
本发明公开了一种钪基大块非晶合金，是以钪为主要成分，稀土作为基本合金元素之一，其组成可用如下公式表示Sc
文档编号C22C1/02GK1632149SQ20051000197
公开日2005年6月29日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者郗学奎, 赵德乾, 潘明祥, 汪卫华 申请人:中国科学院物理研究所