一種鋯基非晶合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋯基非晶合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非晶合金出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)六十年代。最初的非晶合金由于臨界尺寸（形成非晶的 最大尺寸)只能達(dá)到微米級(jí)，而難以得到實(shí)際應(yīng)用。但非晶合金所具有的高強(qiáng)度、高硬度、耐 腐蝕和優(yōu)異的高溫流動(dòng)性等材料性能吸引了廣大科研工作者進(jìn)行不斷的研究，并相繼開發(fā) 出了大臨界尺寸且適于工業(yè)化生產(chǎn)的非晶合金，其臨界尺寸逐漸從微米級(jí)發(fā)展到毫米級(jí)甚 者可達(dá)到厘米級(jí)。通常情況下把臨界冷卻速率小于500°C /s，臨界尺寸大于1_的非晶合 金稱為大塊非晶合金。大塊非晶合金的出現(xiàn)為工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能。
[0003] 但是，目前非晶合金的非晶形成能力很容易受到非金屬元素或雜質(zhì)元素的影 響，導(dǎo)致非晶合金臨界尺寸的大幅減小甚至無(wú)法形成非晶，尤其氧氮等非金屬氣體元素 會(huì)大幅惡化臨界尺寸（文獻(xiàn) l，Weihua Wang，Progress in Materials Science，Vol52， Issue4, May2007, page :540-596)。因此，在制造非晶合金時(shí)，通常對(duì)原材料的純度有非 常苛刻的要求，并且對(duì)冶煉的環(huán)境也要求非常嚴(yán)格，甚至需要在高真空的制備條件下(文 獻(xiàn) 2, C. T. Liuetc, Metallurgical and Materials Transaction A, Vol29A,1998, page ： 1811-1820)。因此，大大增加了當(dāng)前非晶合金實(shí)際生產(chǎn)的成本，且難于推廣進(jìn)行工業(yè)化生 產(chǎn)。
[0004] US6682611B2公開了一種非晶合金，該非晶合金在Zr-Cu-Al-Ni四元合金中摻雜 元素Y。雖然該發(fā)明針對(duì)某些特定的鋯基非晶合金通過添加Y元素大大降低了對(duì)原材料純 度的要求，但是不適當(dāng)?shù)腨元素的添加很容易引起制備的非晶合金的機(jī)械性能的惡化，進(jìn) 而影響非晶合金的工程應(yīng)用。
[0005] 由此可見，為了實(shí)現(xiàn)非晶合金的工業(yè)化生產(chǎn)，需要改進(jìn)的非晶合金，降低當(dāng)前非晶 合金生產(chǎn)對(duì)原材料和制備條件的要求，并且能夠減少對(duì)非晶合金機(jī)械性能的影響。因此，需 要一種新的非晶合金，可以適于工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)非晶合金時(shí)對(duì)原料純度要求高的問題，提供一 種鋯基非晶合金及其制備方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種鋯基非晶合金，其中，該鋯基非晶合金的組成 為：Zr aCubAl爲(wèi)(EivxY丄；其中，M 選自 Ni、Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf 和 Ta 中的至少一種；a、b、c、 d和e為各元素在該鋯基非晶合金中對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)，分別為：40 < a < 70,15 < b < 35， 5彡c彡15,3彡d彡15,0. 2 < e彡2. 5 ;Er與Y間的原子摩爾比滿足0 < x < 0? 5。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種制備鋯基非晶合金的方法，該方法包括在惰性氣體保護(hù)下或 真空條件下，將鋯基非晶合金的原料進(jìn)行熔煉并冷卻成型，其中，所述鋯基非晶合金的原 料包括Zr、Cu、Al、Er、Y和M，由所述鋯基非晶合金的原料形成的鋯基非晶合金的組成為： 21^111^1爲(wèi)伍1'1_!^丄，其中，]?選自附、卩6、(：0、]\111、〇、11、1^和丁&中的至少一種 ；&、13、。、(1 和e為各元素在該鋯基非晶合金中對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)，分別為：40 < a < 70,15 < b < 35， 5彡c彡15,3彡d彡15,0. 2 < e彡2. 5 ;Er與Y間的原子摩爾比滿足0 < x < 0? 5。
[0009] 本發(fā)明提供的鋯基非晶合金的組成中加入了 Er元素，并且Er和Y以特定比例組 合，不僅可以提高該非晶合金的非晶形成能力，獲得的臨界尺寸更大，而且對(duì)該非晶合金的 機(jī)械性能影響更小。另外本發(fā)明提供的鋯基非晶合金更有利于非晶合金的工業(yè)化生產(chǎn)制 造，例如可以允許更高的雜志氣體元素含量，大大降低對(duì)冶煉真空環(huán)境的要求；可以降低對(duì) 材料純度的要求，可以選用工業(yè)級(jí)的鋯材，可以大大降低合金的材料成本。
[0010] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 以下對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體 實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0012] 本發(fā)明提供一種鋯基非晶合金，其中，該鋯基非晶合金的組成為： ZraCubAlcMd(Eiv xYx)e ;其中，M選自 Ni、Fe、Co、Mn、Cr、Ti、Hf 和 Ta 中的至少一種；a、b、c、d 和e為各元素在該鋯基非晶合金中對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)，分別為：40 < a < 70,15 < b < 35， 5彡c彡15,3彡d彡15,0. 2 < e彡2. 5 ;Er與Y間的原子摩爾比滿足0 < x < 0? 5。 [0013] 在鋯基非晶合金中引入稀土元素雖然可以降低對(duì)原材料的純度的要求，提高鋯基 非晶合金的非晶形成能力，但是鋯基非晶合金的非晶形成能力對(duì)非晶合金中添加的稀土元 素的種類和數(shù)量非常敏感，而且添加的稀土元素的種類和數(shù)量會(huì)對(duì)非晶合金的機(jī)械性能產(chǎn) 生重要影響。
[0014] 如現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中，加入稀土元素Y雖然可以顯著地提高非晶合金的非晶形成能 力，并且可以提高非晶合金的臨界尺寸，但是添加過量的稀土元素Y，會(huì)顯著降低得到的鋯 基非晶合金的機(jī)械性能，而不利于非晶合金的工程應(yīng)用。
[0015] 本發(fā)明提供的鋯基非晶合金中，引入稀土元素Er，并且Er和Y以特定比例組合，也 可以有效地提高該鋯基非晶合金的非晶形成能力，而且對(duì)該鋯基非晶合金的機(jī)械性能的影 響可以遠(yuǎn)小于單獨(dú)加入稀土元素Y。優(yōu)選地，該鋯基非晶合金的組成為Ji^CUbAl^jErhYx) e ;其中，M選自Ni、Fe、Co、Ti和Hf中的至少一種；a、b、c、d和e為各元素在該鋯基非晶合 金中對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)，分別為：40彡a彡70，15彡b彡35,5彡c彡15,3彡d彡15,0.3 < e彡2 ;Er與Y間的原子摩爾比滿足0 < x < 0. 5。此組成的鋯基非晶合金可以有更好 的非晶形成能力，可以使用工業(yè)級(jí)原材料，從而降低生產(chǎn)非晶合金的成本。并且使用具有上 述組成的鋯基非晶合金即使含氧量高，仍然具有好的彎曲強(qiáng)度，降低了對(duì)生產(chǎn)非晶合金的 制造要求，有更好的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用前景。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，優(yōu)選情況下，所述鋯基非晶合金的組成為：Zr5 i. 9Cu3〇A1 10Ni7 (Er〇. 91Y〇. 09) L: > Zr51Cu30Al 10Ni7Hf: (Er〇. 8Y〇. 2): > Zr50Cu30Al 10Ni6.5Hf Ji〇. 5 (Er〇.75Y0.25) 2、Zr51Cu27Al8Ni7Co 3Hf 0.8Fe2.5Ti0. (Er 0.52Y0.48) 0.21、Zr51.5Cu29Al10Ni 7 (Er0.8Y0.2)2.5 或 Zr65Cu21Al8Ni5 (Era 6Y〇. 4)工。
[0017] 本發(fā)明中，所述鋯基非晶合金組成中，當(dāng)M為一種元素時(shí)，d表示該元素在所述鋯 基非晶合金中對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)，如Zr51.9Cu3QAl 1QNi7 (Er^U hl，其中M選自Ni。當(dāng)M選 自2種以上的元素時(shí)，d表示M選擇的每種元素在該鋯基非晶合金中對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)之 和，如 Zr^A^AUiuHfJia.jErc^Ywl，其中 M選自 Ni、Hf 和 Ti，d 為 Ni、Hf 和 Ti 在鋯 基非晶合金中分別對(duì)應(yīng)的原子百分?jǐn)?shù)6. 5、1和0. 5的和，即d=6. 5+1+0. 5=8。
[0018] 本發(fā)明提供的鋯基非晶合金的組成中加入稀土元素Er，并且稀土元素Er和Y以特 定量組合，可以改善該鋯基非晶合金的非晶形成能力，可以允許含有雜質(zhì)元素尤其是雜質(zhì) 氣體元素的含量比單獨(dú)加入稀土元素Y時(shí)更高，大大降低了對(duì)冶煉真空環(huán)境的要求。優(yōu)選 情況下，所述鋯基非晶合金中氧元素含量為lOOOppm以下。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，提供的鋯基非晶合金的組成中加入以特定量組合的稀土元素Er和 Y，該鋯基非晶合金中可以存在雜質(zhì)元素。優(yōu)選情況下，以所述鋯基非晶合金的總量為基準(zhǔn)， 所述鋯基非晶合金中金屬雜質(zhì)元素的原子百分?jǐn)?shù)為2%以下。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，所述鋯基非晶合金的非晶形成能力改善，優(yōu)選情況下，所述鋯基非晶 合金的臨界尺寸為3mm以上。
[0021] 本發(fā)明還提供了一種制備鋯基非晶合金的方法，該方法包括在惰性氣體保護(hù)下或 真空條件下，將鋯基非晶