塑性Cu－(Zr,Ti)－Al系大块非晶合金
阅读：149发布：2021-06-13
专利汇可以提供塑性Cu－(Zr,Ti)－Al系大块非晶合金专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种塑性Cu-(Zr，Ti)-Al系大 块 非晶 合金 。该系大块非晶合金包含体积分数50-100%的非晶相，该系合金的结构式为Cu45Zr48-xAl7Tix，其中x为Ti元素的 原子 百分数，0.5≤x≤6。该系大块非晶合金具有尺寸大，完全非晶态合金棒的最大直径为10mm；不含对人体有害的元素；强度高、硬度高；塑性好，塑性应变达32.5%；热 稳定性 、耐蚀性优良。因此，该合金在机械、医疗器械和 生物 材料 等领域具有广阔的应用前景。，下面是塑性Cu－(Zr,Ti)－Al系大块非晶合金专利的具体信息内容。
技术领域
本发明涉及非晶态合金领域，特别是涉及Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金。
背景技术
非晶态合金是组成原子排列不呈周期性和对称性的一类新型合金材料。由 于其特殊的微观结构，致使它们具有优越的力学、物理、化学及磁性能，如高 强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀。这些优越的性能使得非晶态合金在很多领域 具有应用潜力。
同时，非晶态合金也有自身的弱点，限制了它的应用。非晶态合金应用中 面临的主要困难是：1)制备大尺寸的非晶态合金。金属和合金液在冷却过程中 倾向于转变成原子规则排列的晶态材料，要想获得原子长程无序排列的非晶态 合金，冷却速度要足够快，使原子还来不及排列成晶态结构就被冻结住。在其 他条件相同的情况下，随着样品尺寸大的增大，冷却速度减慢，导致大尺寸的 非晶态合金难以获得。2)热稳定性的提高。非晶态合金处于热力学亚稳态，有 向热力学稳态-晶态转变的趋势，这一转变温度称为晶化温度。因此为了能够 在较大的温度范围内使用非晶态材料，就需要提高非晶态合金的热稳定性，开 发热稳定性高的合金系。3)非晶态合金塑性的增强。非晶态金属没有晶态金属 的滑移机制，当所加的应力达到断裂强度时发生突然断裂，导致灾难事故的发 生，制约了非晶态金属在结构材料领域的应用。改善非晶态金属的塑性成为目 前非晶态合金领域研究的热点。另外，要使非晶态金属在医疗器械及生物材料 领域应用，组成元素的无毒化是至关重要的。
同时，非晶态合金也有自身的弱点，限制了它的应用。非晶态合金应用中 面临的主要困难是：1)制备大尺寸的非晶态合金。金属和合金液在冷却过程中 倾向于转变成原子规则排列的晶态材料，要想获得原子长程无序排列的非晶态 合金，冷却速度要足够快，使原子还来不及排列成晶态结构就被冻结住。在其 他条件相同的情况下，随着样品尺寸大的增大，冷却速度减慢，导致大尺寸的 非晶态合金难以获得。2)热稳定性的提高。非晶态合金处于热力学亚稳态，有 向热力学稳态-晶态转变的趋势，这一转变温度称为晶化温度。因此为了能够 在较大的温度范围内使用非晶态材料，就需要提高非晶态合金的热稳定性，开 发热稳定性高的合金系。3)非晶态合金塑性的增强。非晶态金属没有晶态金属 的滑移机制，当所加的应力达到断裂强度时发生突然断裂，导致灾难事故的发 生，制约了非晶态金属在结构材料领域的应用。改善非晶态金属的塑性成为目 前非晶态合金领域研究的热点。另外，要使非晶态金属在医疗器械及生物材料 领域应用，组成元素的无毒化是至关重要的。
发明内容
本发明的目的是开发具有高玻璃形成能力、热稳定性高、塑性好并且不含 对人体有害元素的一种Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
该系大块非晶合金包含体积分数50-100％的非晶相，该系合金的结构式为 Cu45Zr48-xAl7Tix，其中x为Ti元素的原子百分数，0.5≤x≤6。
所述的非晶合金的组成元素Cu、Zr、Ti和Al的原料纯度均为96％～ 99.999％。
本发明具有的有益效果是：给出了具有如下特点的合金：1)尺寸大，完全 非晶态合金棒的最大直径为10mm；2)不含对人体有害的元素；3)强度高、硬 度高；3)塑性好，塑性应变达32.5％；4)热稳定性、耐蚀性优良。因此，该 合金在机械、医疗器械和生物材料等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是按照实施例1制备的Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金的XRD图；
图2是按照实施例1制备的Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金的DSC图。
图3是按照实施例1制备的Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金的应力-应变曲 线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
该系大块非晶合金包含体积分数50-100％的非晶相，该系合金的结构式为 Cu45Zr48-xAl7Tix，其中x为Ti元素的原子百分数，0.5≤x≤6。
所述的非晶合金的组成元素Cu、Zr、Ti和Al的原料纯度均为96％～ 99.999％。
本发明具有的有益效果是：给出了具有如下特点的合金：1)尺寸大，完全 非晶态合金棒的最大直径为10mm；2)不含对人体有害的元素；3)强度高、硬 度高；3)塑性好，塑性应变达32.5％；4)热稳定性、耐蚀性优良。因此，该 合金在机械、医疗器械和生物材料等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是按照实施例1制备的Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金的XRD图；
图2是按照实施例1制备的Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金的DSC图。
图3是按照实施例1制备的Cu-(Zr，Ti)-Al系大块非晶合金的应力-应变曲 线。
具体实施方式
步骤1：在氩气保护的真空熔炼炉内熔炼Cu45Zr48-xAl7Tix合金锭子，其中x 为Ti元素的原子百分数，0.5≤x≤6。至少反复熔炼四遍，以保证合金锭子成分 的均匀。
步骤2：采用吹铸法或吸铸法将步骤1得到的合金锭子制备成大块非晶合金 样品。
步骤3：用x射线衍射法表征所得样品的结构，用差示扫描量热法获得热力 学参数。用力学性能实验机，测试样品的力学性能。
实施例1：
该实施例采用吸铸法制备直径6mm的Cu45Zr46Al7Ti2大块非晶合金(尺寸达 到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr46Al7Ti2配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得 混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径6mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍 射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于 图2。
步骤6：采用力学性能试验机测试所得材料的力学性能。
由图1和图2可知该实施例获得了直径6mm的大块非晶合金。该实施例获 得的大块非晶合金的性能如表1所示。
表1Cu45Zr46.5Al7Ti1.5大块非晶合金的性能。
成分(at.％) 玻璃转变 温度Tg(K) 晶化温度 Tx(K) 超过冷液 态区Δ Tx(K) 压缩断裂强 度σ(MPa) 塑性应 变(％) 维氏硬 度 Hv Cu45Zr46Al7Ti2 715 747 30 1820 32.5 530
实施例2：
该实施例采用吸铸法制备直径10mm的Cu45Zr46.5Al7Ti1.5大块非晶合金(尺 寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr46.5Al7Ti1.5配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获 得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径10mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。
实施例3：
该实施例采用吸铸法制备直径10mm的Cu45Zr47.5Al7Ti0.5大块非晶合金(尺 寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr47.5Al7Ti0.5配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获 得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径10mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。
实施例4：
该实施例采用吸铸法制备直径10mm的Cu45Zr42Al7Ti6大块非晶合金(尺寸 达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr42Al7Ti6配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得 混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径10mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤2：采用吹铸法或吸铸法将步骤1得到的合金锭子制备成大块非晶合金 样品。
步骤3：用x射线衍射法表征所得样品的结构，用差示扫描量热法获得热力 学参数。用力学性能实验机，测试样品的力学性能。
实施例1：
该实施例采用吸铸法制备直径6mm的Cu45Zr46Al7Ti2大块非晶合金(尺寸达 到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr46Al7Ti2配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得 混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径6mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构，图1为该样品的x射线衍 射图。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。DSC曲线示于 图2。
步骤6：采用力学性能试验机测试所得材料的力学性能。
由图1和图2可知该实施例获得了直径6mm的大块非晶合金。该实施例获 得的大块非晶合金的性能如表1所示。
表1Cu45Zr46.5Al7Ti1.5大块非晶合金的性能。
成分(at.％) 玻璃转变 温度Tg(K) 晶化温度 Tx(K) 超过冷液 态区Δ Tx(K) 压缩断裂强 度σ(MPa) 塑性应 变(％) 维氏硬 度 Hv Cu45Zr46Al7Ti2 715 747 30 1820 32.5 530
实施例2：
该实施例采用吸铸法制备直径10mm的Cu45Zr46.5Al7Ti1.5大块非晶合金(尺 寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr46.5Al7Ti1.5配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获 得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径10mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构。
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。
实施例3：
该实施例采用吸铸法制备直径10mm的Cu45Zr47.5Al7Ti0.5大块非晶合金(尺 寸达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr47.5Al7Ti0.5配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获 得混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径10mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
步骤4：用x射线衍射法表征该大块非晶的结构
步骤5：用差示扫描量热法获得该大块样品的热力学参数。
实施例4：
该实施例采用吸铸法制备直径10mm的Cu45Zr42Al7Ti6大块非晶合金(尺寸 达到毫米量级的非晶合金被称为大块非晶合金)。
步骤1：将纯度为99.95％的Cu、纯度为99.87％的Zr、纯度为99.5％的Al 和纯度为99.98的Ti按Cu45Zr42Al7Ti6配比在锆吸附的氩气氛中电弧熔炼，获得 混合均匀的合金锭子。
步骤2：把步骤1获得的锭子在氩气保护的熔炼炉内的水冷铜模上熔炼。
步骤3：利用压力差将步骤2得到合金液注入内径10mm的水冷铜模中。制 得大块非晶合金。
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