专利名称：一种锆基非晶合金及其粉体和大尺寸块体的制备方法
技术领域：
本发明属于非晶态合金领域，具体涉及一种锆基非晶合金及其粉体和大尺寸块体的制备方法。
背景技术：
非晶态合金，也称为金属玻璃，是指在固态下原子排列具有短程有序而长程无序的金属材料。1934年，Kramer首次报道了用蒸汽沉积的方法成功地制备出了非晶态薄膜，1960年，美国加州理工学院Duwez利用快淬法制备出了 Au-Si非晶薄带 。一直到20世纪70年代，尽管人们对非晶态合金进行了大量研究，也发现很多可以制备出非晶态合金的合金系。但是只能够生产薄带、丝、粉末形状的非晶合金，使非晶合金在结构材料方面的应用范围受到了限制。一般的把三维尺寸达到毫米级的非晶材料成为“块体非晶合金”(Bulk AmorphousAlloys, AMMs)。1974年，Chen等制备出了具有毫米级直径的块体非晶合金是的Pd-Cu-Si合金。之后Pd、Mg、Zr、Fe、Ti、Co和Cu基等一系列块体非晶合金被相继发现，目前尺寸最大的非晶合金是Pd-Cu-Ni-P合金，这种非晶合金的最大临界尺寸可达72 mm。与传统晶态合金材料相比，块体非晶合金材料具有多项优异的性能。例如高强度、高弹性和断裂韧性，在过冷液相区具有超塑性，优良的耐多种介质腐蚀性能，优良的软磁、硬磁以及独特的膨胀特性等物理性能。因此，块体非晶合金在航空航天器件、精密机械、信息等领域具有重要的应用前景。目前，块体非晶合金主要是通过液态金属凝固的方式进行制备的，用这些方法制备大尺寸块体非晶合金时对合金的非晶形成能力的要求是很高的，除了少数几种成分，所制得非晶合金的最大尺寸限制在二十毫米以下。因此需要探索新的制备大尺寸块体非晶合金的方法。气雾化制粉技术是利用高速气流作用于熔融液流，使气体动能转化为熔体表面能，进而形成细小的液滴并凝固成粉末颗粒。气雾化制粉具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点，目前已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。气雾化制粉设备示意图如图I所示。气雾化制粉的过程为在惰性气体保护下，熔炼坩埚中的原料通过感应加热至熔融状态，熔炼均匀后缓慢匀速倒入保温包中，合金溶液通过保温包下的孔流下形成合金液流，并在高压惰性气体的冲击下破碎成小液滴，并在下落过程中迅速冷却，形成粉末状颗粒。到目前为止，粉末热压烧结有各种方法。其中，放电等离子烧结(Spark PlasmaSintering，SPS)近年来发展的一种新方法，这种方法是给一个承压导电模具加上可控脉冲电流，通过调节脉冲直流电的大小控制升温速度和烧结温度来进行烧结方法，其装置示意图如图2所示。SPS具有烧结时间短、快速致密化、能降低烧结温度等优点，工件达到致密化的烧结温度一般比热压烧结低100-200°C。由于非晶态合金在过冷液相区具有的粘滞流变特性，因此当将非晶态合金粉末加热到过冷液相区温度，再通过热压烧结工艺，可以制备块体非晶合金。因此与气雾化制备非晶合金粉末技术相结合，就能突破制备块体非晶合金尺寸受非晶形成能力的限制，使非晶合金适用于各种结构件，特别是复杂结构零件的需要。
发明内容
本发明涉及一种锆基非晶合金及其粉体和大尺寸块体的制备方法。目的在于解决现有块体非晶合金尺寸受到非晶形成能力限制的问题，提供了一种将气雾化制粉技术与放电等离子烧结技术相结合，制备粉体和大尺寸块体锆基非晶合金的方法。一种锆基非晶合金，成分为 Zr61 (Cu, Ni)27.5Al10ReL5 (at%)，其中 Re 为 Y，La, Ce,Nd, Gd, Er。所述的锆基非晶合金的粉体和大尺寸块体的制备 方法，其特征在于将气雾化制粉技术与放电等离子烧结技术结合，具体包括以下步骤按非晶合金成分配制原料，置于气雾化制粉设备的感应坩埚中；抽真空，冲入惰性气体保护；在感应加热下熔炼至合金溶液成分均匀；将熔炼完毕的合金溶液缓慢匀速倒入保温包中，同时充入高压惰性气体作为雾化介质；合金溶液流在高压气流冲击下，雾化成小液滴，最终冷却形成非晶合金粉末；对非晶合金粉末进行收取、筛分；利用放电等离子烧结技术对非晶合金粉末进行烧结得到块体非晶合金材料。如上所述的锆基非晶合金粉体和大尺寸块体的制备方法中，气雾化制粉技术为合金熔炼采用中频感应熔炼，熔炼前先抽真空，至真空度达到KT3-IO-2Pa,再开始感应加热，加热功率为10-40KW，熔炼时采用惰性气体保护，在雾化装置中设保温包，熔炼开始前加热保温包至1000-1500°C，将在熔炼炉中将合金熔炼至1000-1500°C，匀速倒入保温包中，同时充入高压惰性气体作为雾化介质，气体通过惰性气体压力为2-8MPa，合金熔体通过超音速喷嘴，雾化成小液滴，最终冷却形成非晶合金粉末。如上所述的锆基非晶合金粉体和大尺寸块体的制备方法中放电等离子烧结技术工艺参数为烧结温度在非晶合金的过冷液相区间，温度为380-450°C，烧结压力为30-500MPa，升温速率为10_50°C /min，保温时间为5-10min，真空度<10Pa。与现有技术相比，本发明所提供的锆基非晶合金及其粉体和大尺寸块体材料的制备技术具有以下有益效果
(1)本发明所提供的锆基非晶合金过冷液相区宽度大，非晶形成能力高；制备出的非晶合金粉末材料球形度高、氧含量低、成分均勻，利于烧结；
(2)本发明结合气雾化制粉与放电等离子烧结技术，提供了一种可以突破非晶合金尺寸限制，制备大尺寸块体非晶合金材料的方法；获得了一种大尺寸锆基块体非晶合金材料；
(3)本发明方法所制备的块体非晶合金质量高。其密度可以达到理论密度的98%以上，强度和硬度接近于铸态块体非晶材料的性能指标。
图I本发明实施例中气雾化制粉设备示意图 图2本发明实施例中放电等离子烧结装置示意图
图3本发明实施例中非晶合金粉末(直径150-74 μ m)的SEM图像图4本发明实施例中非晶合金粉末(直径74-48 μ m)的SEM图像 图5本发明实施例中非晶合金粉末(直径48-25 μ m)的SEM图像 图6本发明实施例中非晶合金粉末(直径〈25 μ m)的SEM图像 图7本发明实施例中非晶合金粉末(a)及SPS试样(b)的XRD分析结果
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行较为详细的说明，但实施例仅为示例性的，对本发明不构成任何限制。实施例大尺寸块体Zr61Cu15Niu5AliciYh5非晶态合金的制备
I.气雾化法制备非晶合金粉末
(1)根据所要制备的非晶合金的元素质量比配制原料，并放置于气雾化制粉设备的熔炼坩埚中；
(2)对气雾化制粉设备进行抽真空至10_3Pa，然后冲入氩气作为保护气体进行保护；
(3)通过感应加热对原料进行熔炼，直至合金溶液成分均匀；
(4)将熔炼完毕的合金溶液倒入已经加热至1000°C的保温包内，溶液通过喷嘴在不大于5MPa的氩气的作用下雾化成合金液滴，并冷却成粉。2、放电等离子烧结制备块体非晶合金
(1)将所得粉末作为烧结的原料粉末，并进行分析，其SEM图像如图3、4、5、6所示，XRD分析如图7(a)所示；通过XRD分析结果确定其为完全非晶态；
(2)利用放电等离子烧结技术对非晶合金粉末进行烧结得到块体非晶合金材料；其中烧结温度为435°C，烧结压力为30MPa，升温速率为50°C /min，保温时间为5min，真空度<10Pa。烧结得到直径为20mm (高于其铸态非晶合金最大尺寸15mm),高为6mm的块体非晶材料。对烧结所得块体材料进行检测表明，该材料完全为非晶态，如图7(b)所示，致密度达到理论密度的98%以上。
权利要求
1.一种锆基非晶合金，其特征在于成分为Zr61 (Cu，Ni)27.5Al10ReL5 (at%)，其中Re为Y、La、Ce、Nd、Gd 或 Er。
2.根据权利要求I所述的锆基非晶合金的粉体和大尺寸块体的制备方法，其特征在于将气雾化制粉技术与放电等离子烧结技术结合，具体包括以下步骤按非晶合金成分配制原料，置于气雾化制粉设备的感应坩埚中；抽真空，冲入惰性气体保护；在感应加热下熔炼至合金溶液成分均匀；将熔炼完毕的合金溶液缓慢匀速倒入保温包中，同时充入高压惰性气体作为雾化介质；合金溶液流在高压气流冲击下，雾化成小液滴，最终冷却形成非晶合金粉末；对非晶合金粉末进行收取、筛分；利用放电等离子烧结技术对非晶合金粉末进行烧结得到块体非晶合金材料。
3.根据权利要求2所述的锆基非晶合金粉体和大尺寸块体的制备方法，其特征在于制备锆基非晶合金粉体的气雾化技术为合金熔炼采用中频感应熔炼，熔炼前先抽真空，至真空度达到10_3-10_2Pa，再开始感应加热，加热功率为10-40KW，熔炼时采用惰性气体保护，在雾化装置中设保温包，熔炼开始前加热保温包至1000-1500°C，将在熔炼炉中将合金熔炼至1000-1500°C，匀速倒入保温包中，同时充入高压惰性气体作为雾化介质，气体通过惰性气体压力为2-8MPa，合金熔体通过超音速喷嘴，雾化成小液滴，最终冷却形成非晶合金粉末。
4.根据权利要求2所述的锆基非晶合金粉体和大尺寸块体的制备方法，其特征在于制备大尺寸块体非晶合金的放电等离子烧结技术的工艺参数为烧结温度在非晶合金的过冷液相区间，温度为380-450°C，烧结压力为30-500MPa，升温速率为10_50°C /min，保温时间为 5-10min，真空度 <10Pa。
全文摘要
本发明涉及一种锆基非晶合金及其粉体和大尺寸块体的制备方法，属于非晶态合金领域。其特征在于成分为Zr61(Cu,Ni)27.5Al10Re1.5(at%)，其中Re为Y,La,Ce,Nd,Gd,Er；将气雾化制粉技术与放电等离子烧结技术结合，包括以下步骤按非晶合金成分配制原料，置于气雾化制粉设备的感应坩埚中；抽真空，充入惰性气体保护；在感应加热下熔炼至合金溶液成分均匀；将熔炼完毕的合金溶液缓慢匀速倒入保温包中，同时充入高压惰性气体作为雾化介质；合金溶液流在高压气流冲击下，雾化成小液滴，最终冷却形成非晶合金粉末；对非晶合金粉末进行收取、筛分；在惰性气体保护下，利用放电等离子烧结技术在不同温度和压力下对非晶合金粉末进行烧结得到块体非晶合金材料。
文档编号C22C45/10GK102925824SQ20121048430
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者惠希东, 宋京国, 斯佳佳, 赵岩峰 申请人:北京科技大学