专利名称：一种钽基大块非晶合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钽基大块非晶合金及其制备方法，具体地涉及一种以钽为主要成 分，且包含至少50%体积百分比非晶相的钽基大块非晶合金。
背景技术：
高温液态金属或合金在平衡冷却条件下通常结晶为晶体。20世纪60年代起，发 现了某些金属或合金(如Au-Si等)在高速冷却的非平衡条件下，例如达到每秒钟IO4 10 的数量级时，在固化时会保持液态时的极端粘滞的状态，从而抑制晶化，得到非晶态的 金属或合金。但是，为了获得如此高的冷却速率，只能将熔化的金属或合金喷到导热非常好 的传导基底上，这样获得的非晶金属或合金的尺寸非常小。例如，将熔态合金喷射到高速旋 转的铜辊上，得到薄带，或浇铸到冷基底中得到薄片和粉末等。到20世纪80年代末，日本东北大学金属研究所利用电弧熔炼和喷铸技术制备出 直径为毫米甚至厘米级的块体非晶合金。随后，非晶合金研究进入了一个高速发展时期。通 过选择不同金属元素和合理配比，非晶合金形成的临界冷却速度可以降低到lK/s左右，其 临界直径可以高达80mm左右。非晶态合金的结构特点是短程有序，长程无序，而且合金中原子以金属键相结合， 兼具普通非晶态物质和金属的某些特性。由于非晶态合金的结构特性，其具有一系列独特 的性能。非晶态合金具有高屈服强度、大弹性应变极限、高疲劳抗力以及高耐磨性等优异的 机械性能。非晶态合金具有优良的抗多种介质腐蚀的能力。非晶态合金同样具有优良的软 磁、硬磁以及独特的膨胀特性等物理性能。当非晶合金被重新加热到玻璃化转变温度(Tg) 以上时，非晶合金在晶化前存在一个不发生晶化的温度区，称为过冷液相区(SLR)。在该区 域内，非晶态合金表现出超塑性，并可以方便地进行各种微纳米级的精密加工变形。迄今为止，已经发现的块状非晶合金系有Zr基、Ti基、Cu基、Fe基、Pd基、Pt基、 Au基、Mg基、Co基、Ni基、Ca基、Y基、Si基和稀土基的La基、Ce基、％基、ft·基、Nd基等。 它们除了具有非晶态合金的一般性质之外，还各自具有不同的特性。如Co基非晶态合金具 有超高的强度，可以达到5000MPa以上，是金属材料中最高的；Ce基非晶态合金具有极低的 玻璃转变温度Pe基非晶态合金具有优异的磁学性能等。因此，开发新的非晶态合金体系 具有重要的意义。钽(Ta)元素熔点高(3^0K)，密度大(16. 65g/cm3)，具有较大的模量(杨氏模量 186GPa,体模量200GPa)，耐腐蚀性能好，而其在电容器方面也有应用。Ta基非晶态合金可 能具有高玻璃转变温度、大密度、高强度、耐腐蚀性优异等特性。因此，发展Ta基大块非晶 合金既具有广阔的潜在应用前景又有利于我国提高知识产权的自主创新能力。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有高玻璃形成能力、热稳定性好、大尺寸、以 过渡族金属钽为主要元素的钽基大块非晶合金。
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本发明的另一目的在于提供上述钽基大块非晶合金的制备方法。本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供了一种钽基大块非晶合金，其特征在于，该钽基大块非晶合金具有如 下通式所示的组成TaaNibCocMd其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d = 0 20 ;M 选自 Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag 和 Au 中的一种或多种。根据本发明提供的钽基大块非晶合金，其中，该钽基大块非晶合金在各个维度的 尺寸不小于1毫米。例如，在某些实施方案中，该钽基大块非晶合金在各个维度的尺寸不小 于2毫米。根据本发明提供的钽基大块非晶合金，其中，该钽基大块非晶合金可以包含至少 50体积％的非晶相，优选包含至少80体积％的非晶相。例如，在某些优选的实施方案中，非 晶相的含量可以达到约90体积％，甚至达到100体积％。在本发明的钽基大块非晶合金的某些实施方案中，M可以选自Al、Si、Nb、B、Cu、 Ti、Zr、Pd、Ag和Au中的一种或两种。本发明还提供了上述钽基大块非晶合金的制备方法，该制备方法包括将非晶合 金原料混合熔炼，冷却后得到母合金铸锭；然后将该母合金铸锭重熔并冷却成型。根据本发明提供的制备方法，其中，所述非晶合金原料的加入量满足如下通式所 示的组成TaaNibCocMd,其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d =0 20 ；M选自Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、iVg* Au中的一种或多种。优选地，所述！"a、 Ni、Co和M元素的纯度均不低于99. 5重量％。本发明所述熔炼的方法可以为本领域中各种常规的熔炼方法，只要将非晶合金原 料充分熔融即可。可以在电弧熔炼炉或感应熔炼炉内将各种合金元素熔融。重熔过程一般 采用电弧熔炼、感应熔炼或电阻熔炼。所述成型方法可以为本领域中各种常规的成型方法， 例如甩带、铜模铸造、吸铸、压铸、射流成型或水淬法。在一种优选的实施方案中，本发明提供的制备方法可以按照如下步骤进行(1)母合金的制备将各元素Ta、Ni、Co和M按照TaaNibCoeMd的原子比配料，在钛 吸附的氩气氛的电弧炉中，将配好的原料混合物熔炼3-6次，混合均勻，冷却后得到母合金
铸锭；(2)吸铸将步骤1)制得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，得到不同尺寸的钽基非晶合金。本发明提供的钽基大块非晶合金与现有的非晶合金相比，具有如下有益效果1)热稳定性好。本发明所使用的钽具有高熔点的特征，以其为基体制备得到的大 块非晶合金具有极高的玻璃转变温度(Tg)和晶化温度(Tx)，可以在很宽的温度范围内保 证其非晶特性。2)力学性能优异。其断裂强度(σ )可以达到2. 7GPa,显微硬度(Hv)达到lOGPa， 杨氏模量(E)约为170GPa，这些都优于大多数的大块非晶合金。同时，由于其密度较大 (12. 98g/mm3)，是一种潜在的穿甲弹芯材料。3)优异的抗腐蚀性能。由于本发明所使用的钽具有优异的抗腐蚀性能以及大块非
4晶合金独特的结构特征，其抗腐蚀性能十分优越。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中图1是本发明实施例1-3的钽基大块非晶合金的X射线衍射图；图2是本发明实施例1-3的钽基大块非晶合金的差热分析(DSC)曲线图，其升温 速率为ΙΟΚ/min ；图3是本发明实施例1的钽基大块非晶合金的压缩曲线。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐 明本发明，而不是为了限制本发明的范围。实施例1本实施例用于说明本发明提供的钽基非晶合金的制备。使用纯度为99. 5%以上的原料Ta、Ni、Co，按摩尔比为42 40 18配好原 料，将其放入钛吸附的氩气氛的电弧炉中熔炼，熔炼3次，使母合金成分均勻，冷却后得到 Ta-Ni-Co三元合金的母合金铸锭；然后将此母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装 置，将母合金熔体吸入水冷铜模，得到成分为Ta42Ni4tlCo18、直径为2mm长为5cm的圆柱状非
晶合金。该非晶合金的X射线衍射(XRD)结果如图1所示C^42Ni4ciCo18对应的曲线)，证明 该合金是完全的非晶态的。通过计算热焓可以证明该非晶合金包含不低于50%体积百分比非晶相。该非晶合金的热分析(DSC)图如图2所示C^42Ni4ciCo18对应的曲线)，显示其玻璃 化转变温度(Tg)，晶化开始温度(Tx)，过冷区间的宽度(ΔΤ = Tx-Tg)分别为983K、1023K 和40K。因此，该合金具有较高的热稳定性，可以在较宽的温度范围内保证其非晶特性。图3为本实施例制得的钽基大块非晶合金的压缩曲线，应变速率为5Χ10_ 表 明该合金具有极高的断裂强度和较大的弹性极限。实施例2本实施例用于说明本发明提供的钽基非晶合金的制备。使用纯度为99. 5%以上的原料Ta、Ni、Co、Cu，按摩尔比为42 38 18 2配 好原料，将其放入钛吸附的氩气氛的电弧炉中熔炼，熔炼5次，使母合金成分均勻，冷却后 得到Ta-Ni-Co-Cu四元合金的母合金铸锭；然后将此母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中 的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，得到成分为I^42Ni38C0l8Cu2,直径为2mm长为5cm 的圆柱状非晶合金。该非晶合金的X射线衍射(XRD)结果如图1所示(Tii42Ni38C0l8Cu2对应的曲线)， 证明该合金是完全的非晶态的。通过计算热焓可以证明该非晶合金包含不低于50%体积百分比非晶相。该非晶合金的热分析(DSC)图如图2所示(Tii42Ni38C0l8Cu2对应的曲线)，显示其 玻璃化转变温度(Tg)、晶化开始温度(Tx)、过冷区间的宽度(ΔΤ = Tx-Tg)分别为984K、1001和19K。因此，该合金具有较高的热稳定性，可以在较宽的温度范围内保证其非晶特 性。实施例3本实施例用于说明本发明提供的钽基非晶合金的制备。使用纯度为99. 5%以上的原料Ta、Ni、Co、Pd，按摩尔比为42 36 18 4配好 原料，将其放入钛吸附的氩气氛的电弧炉中熔炼，熔炼6次，保证母合金成分均勻，冷却后 得到Ta-Ni-Co-Pd四元合金的母合金铸锭；然后将此母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中 的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，得到成分为I^42Ni38Co18Pd4,直径为2mm长为5cm 的圆柱状非晶合金。该非晶合金的X射线衍射(XRD)结果如图1所示(Tii42NisA)18Pd4对应的曲线)， 证明该合金是完全的非晶态的。通过计算热焓可以证明该非晶合金包含不低于50%体积百 分比非晶相。该非晶合金的热分析(DSC)图如图2所示(Tii42NisA)18Pd4对应的曲线)，显示其 玻璃化转变温度(Tg)、晶化开始温度(Tx)、过冷区间的宽度(ΔΤ = Tx-Tg)分别为991、 1008K和15K。因此，该合金具有较高的热稳定性，可以在较宽的温度范围内保证其非晶特 性。实施例4 31实施例4 31用于说明本发明提供的钽基非晶合金的制备。参照实施例1的方法，制备各种配比的钽基大块非晶合金，其组成和热物性参数 (测量时所用的加热速率为lOK/min)列于表1中。表 权利要求
1.一种钽基大块非晶合金，其特征在于，该钽基大块非晶合金具有如下通式所示的组成TaaNibCocMd其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d = 0 20 ;M 选自 Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag 和 Au 中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的钽基大块非晶合金，其中，该钽基大块非晶合金在各个维度 的尺寸不小于1毫米。
3.根据权利要求1或2所述的钽基大块非晶合金，其中，该钽基大块非晶合金在各个维 度的尺寸不小于2毫米。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的钽基大块非晶合金，其中，该钽基大块非晶合金 包含至少50体积％的非晶相。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的钽基大块非晶合金，其中，M选自Al、Si、Nb、B、 Cu、Ti、Zr、Pd、Ag和Au中的一种或两种。
6.权利要求1至5中任一项所述钽基大块非晶合金的制备方法，其特征在于，该制备方 法包括将非晶合金原料混合熔炼，冷却后得到母合金铸锭；然后将该母合金铸锭重熔并 冷却成型。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述非晶合金原料的加入量满足如下通式 所示的组成TaaNibCocMd其中，a+b+c+d = 100，且 a = 40 60，b = 5 45，c = 5 30，d = 0 20 ;M 选自 Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag 和 Au 中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述Ta、Ni、Co和M元素的纯度均不低于 99. 5重量％。
全文摘要
本发明提供一种钽基大块非晶合金及其制备方法，该钽基大块非晶合金具有如下通式所示的组成TaaNibCocMd，其中，a+b+c+d＝100，且a＝40～60，b＝5～45，c＝5～30，d＝0～20；M选自Al、Si、Nb、B、Cu、Ti、Zr、Pd、Ag和Au中的一种或多种。本发明提供的钽基大块非晶合金热稳定性好、力学性能优异，并且具有优异的抗腐蚀性能。
文档编号C22C45/10GK102094157SQ20111002827
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者丁大伟, 孟栋, 易军, 汪卫华, 潘明祥, 赵德乾 申请人:中国科学院物理研究所