專利名稱：擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni(Fe)-Be合金及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Ti基非晶合金領(lǐng)域，具體為一種擁有極高非晶形成能力的 Ti-Zr-Cu-Ni (Fe) -Be合金及制備方法。
背景技術(shù)：
Ti基非晶具有優(yōu)異的力學(xué)性能，成本相對低廉，是目前非晶領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在過去的幾十年里，各國學(xué)者對Ti基非晶合金進(jìn)行了大量的研究，獲得了一系列Ti 基非晶合金:Ti-Be-Zr, Ti-Si, Ti-Ni, Ti-Be, Ti-TM-Si, Ti-Ni-Cu 等多種 Ti 系非晶條帶。 另外，還開發(fā)出了一系列具有較大玻璃形成能力的Ti基非晶合金，主要有Ti-Ni-Cu-Sn， Ti-Zr-Ni-Cu-Be，Ti-Zr-Ni-Cu, Ti-Zr-Ni-Cu-Hf-Si-Sn，Ti-Ni-Cu-Si-B，Ti50Cu25Ni20Co50 在這些合金系中，不含Be的Ti基塊狀非晶的形成能力最大直徑約為Φ6πιπι的棒材，而含有 Be元素的Ti基非晶(Ti4c^r25Ni3Cu12Be2tl)形成能力最大直徑為Φ 14mm的棒材。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高非晶形成能力的Ti基合金具有重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni (Fe)-Be合金及其制備方法，通過系統(tǒng)地分析Ti-Zr-Cu-Ni-Be合金凝固組織，發(fā)現(xiàn)了可用以開發(fā)高非晶形成能力非晶合金的初始合金，該初始合金具有一種典型凝固組織特征，即主要由非晶和初生晶態(tài)相兩種組織組成，通過對其中非晶相成分進(jìn)一步的成分優(yōu)化，成功獲得了幾種具有極高玻璃形成能力的鈦基非晶合金。利用水淬技術(shù)得到形成非晶的最大尺寸至少高于 Φ 50mm鈦基非晶合金。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni (Fe)-Be合金，可以制備出大塊Ti基非晶合金的成分范圍如下(均為原子百分比)遵循[TiaZrb(NixFe1J cBed] 100_yCuy 的比例模式，其中，a = 31 40 % ;b = 23 38%;c = 0 9% (優(yōu)選為 0. 1 8% ) ；d = 20 35%;x = 0-1 (優(yōu)選為 0. 1 1) ;y = 0 20 (優(yōu)選為0.5 18)。本發(fā)明擁有較高非晶形成能力Ti-Zr-Cu-Ni (Fe)-Be合金的制備方法，原材料中的Ti和ττ采用工業(yè)純度的海綿Ti和海綿ττ,其余元素的純度高于99. 8wt%,在氬氣保護(hù)下通過電弧熔煉的方法制備母合金錠，合金錠反復(fù)熔煉至少四次。本發(fā)明采用水淬澆鑄，具體工藝參數(shù)如下真空度ICT1 l(T4Pa，溫度 800 1300°C。本發(fā)明所獲得Ti基非晶合金的熱力學(xué)參數(shù)如下玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg:583_633K，過冷液相區(qū)寬度AT = 40-120K，液相線溫度T1 =940-1200K。本發(fā)明所獲得Ti基非晶合金的力學(xué)性能如下壓縮斷裂強(qiáng)度為1. 8-1. 85GPa，拉伸斷裂強(qiáng)度為1. 7-1. 9GPa。本發(fā)明的原理如下本發(fā)明通過系統(tǒng)地分析Ti-Zr-Cu-Ni-Be合金凝固組織，發(fā)現(xiàn)了可用以開發(fā)高非晶形成能力非晶合金的初始合金，該初始合金具有一種典型凝固組織特征，凝固組織由自由樹枝晶(初生β-Ti)和非晶相組成。在凝固過程中，隨著初生β-Ti的析出長大，溶質(zhì)原子在固/液界面前沿富集，并在剩余液相中進(jìn)行再分配，當(dāng)剩余液相的成分靠近能夠形成非晶結(jié)構(gòu)的合金成分時，剩余液相變得十分穩(wěn)定，進(jìn)而凝固為非晶結(jié)構(gòu)。通過進(jìn)一步優(yōu)化該非晶相的成分，成功獲得了幾種具有極高玻璃形成能力的鈦基非晶合金。利用水淬技術(shù)得到形成非晶的最大尺寸至少高于Φ50πιπι鈦基非晶合金。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明通過凝固組織分析，發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的凝固組織，具有該組織的合金可以被用來進(jìn)行進(jìn)一步的成分優(yōu)化，進(jìn)而開發(fā)具有高非晶形成能力的合金。利用水淬技術(shù)得到形成非晶的最大尺寸至少高于Φ50πιπι( —般為Φ5 30mm)鈦基非晶合金。(2)本發(fā)明中Ti-Zr-Cu-Ni (Fe)-Be合金與其它&基非晶合金相比較，價格低廉， 此外，采用海綿Ti和海綿ττ等工業(yè)純度的原材料，可以進(jìn)一步降低成本，具有較為廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。(3)本發(fā)明中的Ti基非晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此具有很好的應(yīng)用前景。


圖1為不同尺寸水淬ΖΤ3合金的X-射線衍射譜。圖2為質(zhì)量為150g的ZT1、ZT2和ZT3母合金錠的X-射線衍射譜。圖3為質(zhì)量為150g和IOOg的ZTF5母合金錠的X-射線衍射譜。圖4為ZTU ZT2和ZT3非晶合金的DSC曲線。圖5為ZT3非晶合金的壓縮(a)和拉伸(b)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖6為ZT3非晶合金的壓縮(a)和拉伸(b)斷口形貌。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1[TiaZrb(NixFe1JcBed] 100_yCuy 合金系中，a = 36% ；b = 33% ；c = 6% ;d = 25% ； χ = 1 ;y = 9(記為ZT3，原子百分比)。原材料中的Ti和Ir為工業(yè)純度的海綿Ti和海綿 &，其余元素的純度高于99. 8wt%，按原子百分比配好一定質(zhì)量的原料后，在氬氣保護(hù)下， 經(jīng)電弧熔煉制備出母合金錠，為了保證所煉合金錠均勻，合金錠反復(fù)熔煉四次。本發(fā)明采用水淬澆鑄，在真空度為8 X 10_4Pa、溫度1000°C下，通過水淬設(shè)備，獲得尺寸為Φ 50 X 65mm的非晶棒。圖1為不同尺寸水淬ZT3合金的X-射線衍射譜，由圖可見，直徑為30mm，40mm和 50mm的ZT3合金的衍射曲線呈現(xiàn)為非晶合金所具有的典型漫散射峰，沒有任何晶態(tài)相的衍射峰出現(xiàn)，合金結(jié)構(gòu)完全為非晶態(tài)，ZT3合金形成非晶的最大尺寸大于Φ50πιπι。
熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為611K ；初始晶化溫度為655K ；液相線溫度為961K ； 過冷液相區(qū)寬度為44K。拉伸斷裂強(qiáng)度為1760MPa ；壓縮斷裂強(qiáng)度為1830MPa。實(shí)施例2與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed] 100_yCuy 合金系中，a = 36% ；b = 33% ；c = 6% ;d = 25% ； X = 1 ;y = 5(記為ZT1，原子百分比)。質(zhì)量為150g的ZTl母合金錠組織為單一的非晶結(jié)構(gòu)，如圖2所示。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為600K ；初始晶化溫度為645K ；液相線溫度為995K ； 過冷液相區(qū)寬度為45K。實(shí)施例3與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed]1(1(1_yCuy 合金系中，a = 36% ；b = 33% ；c = 6% ;d = 25% ； X = 1 ;y = 7(記為ZT2，原子百分比)。質(zhì)量為150g的ZT2母合金錠組織為單一的非晶結(jié)構(gòu)，如圖2所示。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為611K ；初始晶化溫度為652K ；液相線溫度為1003K ； 過冷液相區(qū)寬度為41K。實(shí)施例4與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1J JeJ1。。-yCuy 合金系中，a = 36% ；b = 33% ；c = 6% ;d = 25% ； X = 1 ;y = 17(記為ZT4，原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為621K ；初始晶化溫度為673K ；液相線溫度為1016K ； 過冷液相區(qū)寬度為52K。實(shí)施例5與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed]100_yCuy 合金系中，a = 6% ;b = 33% ；c = 6% ;d = 25% ；y =9 ;x = 0·8(記為ZT3F1，原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為610Κ ；初始晶化溫度為658Κ ；液相線溫度為961Κ ； 過冷液相區(qū)寬度為48Κ。實(shí)施例6與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed]100_yCuy 合金系中，a = 36% ；b = 33% ；c = 6% ;d = 5% ；y =9 ;x = 0. 4(記為ZT3F3，原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為610K ；初始晶化溫度為661K ；液相線溫度為980K ； 過冷液相區(qū)寬度為51K。實(shí)施例7與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed] 100_yCuy 合金系中，a = 36% ；b = 33% ；c = 6% ;d = 25% ； y = 9 ;x = 0(記為ZTF5，原子百分比)。質(zhì)量為150g和IOOg的ZTF5母合金錠為單一的非晶結(jié)構(gòu)，如圖3所示，XRD曲線呈現(xiàn)為單一的漫散射峰。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為610K ；初始晶化溫度為665K ；液相線溫度為1066K ； 過冷液相區(qū)寬度為55K。圖2為質(zhì)量150g的ZT1、ZT2和ΖΤ3母合金錠的X-射線衍射譜，由圖可見，在XRD 靈敏度范圍內(nèi)，質(zhì)量為150g的ZTl和ZT2合金的組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為完全的純非晶結(jié)構(gòu)，而ZT3 母合金錠組織為非晶和晶態(tài)相的復(fù)合組織。圖4為ZT1、ZT2和ZT3非晶合金的DSC曲線， 由圖可見，所有的曲線都首先呈現(xiàn)出明顯的吸熱峰，即典型的玻璃轉(zhuǎn)變特征，隨后為晶化放熱過程和熔化吸熱行為。圖5和圖6分別為ZT3非晶合金的壓縮、拉伸應(yīng)力_應(yīng)變曲線及其相應(yīng)的斷口形貌，由圖可見，ZT3非晶合金經(jīng)過彈性變形后，幾乎沒有任何塑性變形行為就斷裂失效，表現(xiàn)出典型的純非晶材料斷裂形式，斷口形貌為非晶合金所具有的脈紋狀花樣。實(shí)施例8與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed]100_yCuy 合金系中，a = 36. 5% ；b = 26. 6% ；c = 4. 8% ；d = 32. 1% ;x = 1 ;y = 8. 4(原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為624K ；初始晶化溫度為701K ；液相線溫度為958K ； 過冷液相區(qū)寬度為77K。實(shí)施例9與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb (NixFe1J cBed]100_yCuy 合金系中，a = 36. 2 % ;b = 26. 1 % ;c = 3 % ;d = 32. 5% ；χ = 1 ;y = 5. 8(原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為609Κ ；初始晶化溫度為724Κ ；液相線溫度為997Κ ； 過冷液相區(qū)寬度為115Κ。實(shí)施例10與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed]100_yCuy 合金系中，a = 39. 8% ；b = 28. 8% ；c = 1. 2% ；d = 30. 2% ；χ = 1 ;y = 2. 3(原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為584K ；初始晶化溫度為656K ；液相線溫度為945K ； 過冷液相區(qū)寬度為72K。實(shí)施例11與實(shí)施例1不同的是，[TiaZrb(NixFe1JcBed]100_yCuy 合金系中，a = 33. 2% ；b = 24. 1% ；c = 7. 2% ；d = 29. 5% ;x = 1 ;y = 14(原子百分比)。熱力學(xué)特征玻璃轉(zhuǎn)變溫度為651K ；初始晶化溫度為709K ；液相線溫度為1007K ； 過冷液相區(qū)寬度為58K。
權(quán)利要求
1.一種擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni (Fe) -Be合金，其特征在于，該合金為Ti 基非晶合金，合金原子百分比設(shè)計(jì)遵循[TiaZrb(NixFe1J。Bed]1QQ_yCUy的比例模式，比例模式中各參數(shù)范圍為a = 31 40% ；b = 23 38% ；c = 0 9% ;d = 20 35% ；χ = 0-1 ； y = 0 20。
2.按照權(quán)利要求1所述的擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni(Fe) -Be合金，其特征在于，各參數(shù)范圍優(yōu)選為a = 31 40% ;b = 23 38% ;c = 0. 1 8% ;d = 20 35% ； χ = 0. 1 1 ;y = 0. 5 18。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni(Fe) -Be合金，其特征在于，Ti基非晶合金的熱力學(xué)參數(shù)如下玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg:583-633K，過冷液相區(qū)寬度ΔΤ = 40-120K,液相線溫度T1 = 940-1200K。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni(Fe) -Be合金，其特征在于，Ti基非晶合金的力學(xué)性能如下壓縮斷裂強(qiáng)度為1. 8-1. 85GPa，拉伸斷裂強(qiáng)度為1. 7-1. 9GPa。
5.按照權(quán)利要求1所述的擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni(Fe)-Be合金的制備方法，其特征在于，原材料中的Ti和ττ采用工業(yè)純度的海綿Ti和海綿Ir,其余元素的純度高于99. 8wt%，在氬氣保護(hù)下通過電弧熔煉的方法制備母合金錠，合金錠反復(fù)熔煉至少四次；水淬澆鑄具體工藝參數(shù)如下真空度KT1 10_4Pa，溫度800 1300°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及Ti基非晶合金領(lǐng)域，具體為一種擁有極高非晶形成能力的Ti-Zr-Cu-Ni(Fe)-Be合金及制備方法。該合金體系為Ti-Zr-Cu-Ni(Fe)-Be合金，其成分范圍按照以下原則進(jìn)行變化(原子百分比)比例模式為[TiaZrb(NixFe1-x)cBed]100-yCuy，其中，a＝31～40％；b＝23～38％；c＝0～9％；d＝20～35％；x＝0-1；y＝0～20。本發(fā)明通過系統(tǒng)地分析Ti-Zr-Cu-Ni-Be合金凝固組織，發(fā)現(xiàn)了可用以開發(fā)高非晶形成能力非晶合金的初始合金，該初始合金具有一種典型凝固組織特征，即主要由非晶和初生晶態(tài)相兩種組織組成，通過對其中非晶相成分進(jìn)一步的成分優(yōu)化，成功獲得了幾種具有極高玻璃形成能力的鈦基非晶合金。利用水淬技術(shù)得到形成非晶的最大尺寸至少高于Φ50mm鈦基非晶合金，該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號C22C45/10GK102296254SQ20101020687
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者付華萌, 唐明強(qiáng), 張海峰, 朱正旺, 李宏, 王愛民, 胡壯麒 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所