專利名稱：一種制備金屬玻璃的新工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備金屬玻璃的新工藝，屬于材料科學領域。背景技術：
金屬玻璃具有高強度、高韌性、高耐蝕性和高磁導率等優異的力學、物理與化學性能， 以及高精密成形加工性等特點。作為一種新型結構與功能材料，金屬玻璃已經在信息與電子器件、精密機械、航空航天器件和體育運動器械等領域開始得到應用，市場前景十分誘人。如何制備金屬玻璃是金屬玻璃基礎理論研究的一個重要方面，另外通過改變制備工藝可以獲得具有更強玻璃形成能力和特殊性能的金屬玻璃，因此具有重要的應用價值。目前國內外制備金屬玻璃一般采用將名義成分的組員首先制備成母合金，然后再將母合金熔化，利用真空銅模鑄造或者石英管水淬等方法制備出金屬玻璃。此類方法將母合金熔煉一次后就凝固得到金屬玻璃，制備獲得的金屬玻璃的尺寸不理想，如何通過工藝手段提高合金的玻璃形成能力是一個亟待解決的問題。金屬玻璃的結構特征是無序中存在短中程有序結構(即團簇結構)，這些微結構是從熔體中繼承發展得來的，可以說熔體結構直接影響金屬玻璃的形成。熔體中存在著從固態遺傳下來或受固態結構影響的團簇結構，在凝固過程中，團簇對是否獲得非晶態結構起關鍵作用。團簇存在與否，團簇的種類和性質如何，都是影響玻璃形成能力的因素。因此從固態遺傳下來的結構必然影響金屬玻璃的形成。
發明內容
本發明從固態遺傳結構角度出發，提出了一種制備金屬玻璃的新工藝。本發明是通過真空電弧熔煉方法將預定名義成分合金中的組元制備成母合金；采用感應熔煉法將母合金重熔，通過銅模吹鑄法將液態母合金制成第一代金屬玻璃；再將第一代金屬玻璃打磨、清洗后放入預先處理好的石英管中，再采用感應熔煉法將第一代金屬玻璃加熱至完全融化狀態，通過銅模吹鑄成型。本發明由以下幾部分組成制備母合金，制備第一代金屬玻璃，檢測第一代金屬玻璃的非晶特性，制備第二代金屬玻璃，檢測第二代金屬玻璃的非晶特性，比較兩代金屬玻璃的玻璃形成能力。一種制備金屬玻璃的新工藝，其制備步驟如下
1、將預定名義成分合金中擬含組元的原子百分比轉換成重量百分比wt.%，稱取各組元量值；將稱量好的各組元，放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護下進行熔煉熔煉條件為首先抽真空至10_3Pa，然后充入氬氣至氣壓為
O.06-0. 08MPa，熔化后，再持續進行電磁攪拌熔煉10秒鐘，冷卻，然后將其翻轉；反復熔煉三次以上，得到成分均勻的母合金錠；
2、將上述母合金錠置于石英管內，石英管一端與外界氬氣相通，一端有直徑2mm的小孔，將石英管放入真空吹鑄設備中，真空吹鑄設備真空室抽真空至10_3Pa，利用感應線圈加熱的方式熔煉母合金，熔化后開啟吹鑄裝置，同時斷電，讓合金熔體通過石英管的小孔充入銅模型腔中，冷卻至室溫，得到第一代金屬玻璃；3、將第一代金屬玻璃打磨、清洗后放入石英管中，石英管一端與外界氬氣相通，一端有直徑2_的小孔，將石英管放入真空吹鑄設備中，真空吹鑄設備真空室抽真空至10_3Pa，利用感應線圈加熱的方式熔煉，熔化后開啟吹鑄裝置，同時斷電，讓合金熔體通過石英管的小孔充入銅模型腔中，冷卻至室溫，得到第二代金屬玻璃。所述的檢測第一代金屬玻璃的非晶特性方法如下
鑄態的X射線衍射實驗是在D/max-rB型X射線衍射儀上完成的。其掃描范圍可達 5° 100°，掃描速度為4deg/min，步長為O. 02°，Cu靶輻射，工作電壓和電流分別為40kV和 120mA。金屬玻璃的X射線衍射曲線通常表現為有一個漫散射峰，而晶體材料則表現為衍射曲線上強度各不相同的明銳的衍射峰。如果在鑄態合金斷面的X衍射曲線只有一個彌散的峰，表明第一次吹鑄的合金是金屬玻璃。所述的檢測第二代金屬玻璃的非晶特性與檢測第一代金屬玻璃的非晶特性相同。所述的比較兩代金屬玻璃的玻璃形成能力方法如下
使用差示掃描量熱儀檢測兩代金屬玻璃的熱力學特征溫度，如玻璃轉變溫度Tg、晶化開始溫度rx、熔點Tm和液相線溫度T1,然后計算表征玻璃形成能力的參數，如約化玻璃轉變溫度T^=Tg//;和Y=T/iJg+T；)參數以及過冷液相區間Λ \= \- \。利用以上參數比較第二代金屬玻璃與第一代金屬玻璃的玻璃形成能力。結果發現，第二代金屬玻璃比第一代金屬玻璃擁有更大的/；g，r值以及』rx，表明第二代金屬玻璃的玻璃形成能力更強。本發明的創新點為
I制備工藝上的創新。首先制備出第一代金屬玻璃，采用二次熔化的方法，制備第二代金屬玻璃，經比較發現，第二代金屬玻璃比第一代金屬玻璃具有更強的玻璃形成能力，利用這種工藝上的創新可以獲得更大尺寸的金屬玻璃。2理論上的創新。第二代金屬玻璃比第一代金屬玻璃具有更強的玻璃形成能力，表明從第一代金屬玻璃中遺傳下來的固態結構對第二代金屬玻璃的形成起到了促進作用，這將對金屬玻璃形成本質的理解提供重要線索。本發明應用領域對第一代和第二代金屬玻璃熱力學特征溫度的測量，獲得表征玻璃形成能力的參數，結果發現第一代金屬玻璃中的固態遺傳結構可以促進第二代金屬玻璃的形成，因此本發明能夠促進金屬玻璃基礎理論的研究；在應用方面，利用本發明的工藝可以提高合金的玻璃形成能力，制備更大尺寸的金屬玻璃，以滿足結構材料的需要。因此不論在的基礎理論研究還是在應用方面都有著廣闊的前景。
本發明提出的制備金屬玻璃的新工藝可以明顯地提高合金的玻璃形成能力，具有工藝簡單，成本低等特點。


圖I為工藝流程圖。圖I中I制備母合金2制備第一代金屬玻璃3檢測第一代金屬玻璃的非晶特性4制備第二代金屬玻璃5檢測第二代金屬玻璃棒的非晶特性6比較兩代金屬玻璃的玻璃形成能力
圖2為真空電弧熔煉爐的結構圖。圖2中7冷卻管8銅坩堝9鎢電極10熔融的合金11真空電弧熔煉爐真空室
412爐壁
圖3為真空吹鑄設備圖。圖3中13伸縮桿14進氣管15固定試管螺絲16石英管17母合金 18銅模19支架20感應線圈21真空吹鑄設備真空室
圖4為吹鑄所用的石英管。圖4中22管底小孔23石英管壁
圖5為Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18合金的第一代和第二代金屬玻璃棒橫截面的X衍射曲線圖。圖6為第一代和第二代Gd56Al26Co18金屬玻璃的DSC曲線。圖7為第一代和第二代Sm56Al26Co18金屬玻璃的DSC曲線。具體實施例方式
以制備Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18金屬玻璃為例敘述該工藝的具體實施過程。該制備工藝的流程如圖I所示，由制備母合金，制備第一代金屬玻璃，檢測第一代金屬玻璃的非晶特性，制備第二代金屬玻璃，檢測第二代金屬玻璃棒的非晶特性，比較兩代金屬玻璃的玻璃形成能力六部分組成。圖2是真空電弧熔煉爐，利用該設備配制Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18母合金。首先將原子百分比換算成質量百分比，Gd56Al26Co18的質量百分比為83. 32:6. 64:10. 04， Sm56Al26Co18的質量百分比為82. 70:6. 89:10. 41，按質量百分比秤量Gd、Al、Co和Sm、Al、Co 混合料，分別放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝8內，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護下進行熔煉，首先抽真空至10_3Pa，然后充入氬氣至氣壓為O. 06-0. OSMPa,熔化后，再持續進行電磁攪拌熔煉10秒鐘，冷卻，然后將其翻轉，進行第二次熔煉，如此反復熔煉至少3次，分別得到成分均勻的Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18母合金錠；
圖3是真空吹鑄設備圖，圖4是石英管，利用銅模吹鑄法制備金屬玻璃。分別將適量的Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18母合金錠置于石英管內，石英管一端與外界氬氣相通，一端有直徑2_的小孔，將石英管放入真空吹鑄設備中，真空吹鑄設備真空室抽真空至10_3Pa， 利用感應線圈加熱的方式熔煉母合金，熔化后，然后開啟吹鑄裝置，同時斷電，讓合金熔體通過石英管的小孔充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為2_的Gd56Al26Co18和 Sm56Al26Co18第一代金屬玻璃棒。鑄態的X射線衍射實驗是在D/max-rB型X射線衍射儀上完成的。其掃描范圍可達5° 100°，掃描速度為4deg/min，步長為O. 02°，Cu靶輻射，工作電壓和電流分別為40kV 和120mA。金屬玻璃的X射線衍射曲線通常表現為有一個漫散射峰，而晶體材料則表現為衍射曲線上強度各不相同的明銳的衍射峰。在Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18鑄態合金斷面的 X衍射曲線只有一個彌散的峰，表明第一次吹鑄的Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18合金是金屬玻
3 ο再分別將Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18第一代金屬玻璃打磨、清洗后放入石英管中， 將石英管放入真空吹鑄設備中，真空吹鑄設備真空室抽真空至10_3Pa，利用感應線圈加熱的方式熔煉，熔化后，然后開啟吹鑄裝置，同時斷電，讓合金熔體通過石英管的小孔充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為2_的金屬玻璃棒。檢測第二代金屬玻璃棒的非晶特性與檢測第一代金屬玻璃的非晶特性相同。圖5是Gd56Al26Coli^P Sm56Al26Co18合金的第一代和第二代金屬玻璃棒橫截面的X衍射曲線圖，四條曲線上都只有一個彌散的峰，表明四種合金都是非晶態。圖6和圖7即為第一代和第二代Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18金屬玻璃的DSC曲線， 根據這四條曲線確定四種金屬玻璃的熱力學特征溫度，然后計算表征玻璃形成能力的參數，如表I所不。結果發現，對于Gd56Al26Coli^P Sm56Al26Co18合金來說,第二代金屬玻璃比第一代金屬玻璃擁有更大的7；g，r值以及』/；，表明第二代金屬玻璃的玻璃形成能力更強。
表I第一代和第二代Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18金屬玻璃的特征溫度及表征玻璃形成能力的參數
權利要求
1.一種制備金屬玻璃的新工藝，其特征在于其制備步驟如下1)將預定名義成分合金中擬含組元的原子百分比轉換成重量百分比Wt.%，稱取各組元量值；將稱量好的各組元，放在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護下進行熔煉熔煉條件為首先抽真空至10_3Pa，然后充入氬氣至氣壓為O.06-0. 08MPa，熔化后，再持續進行電磁攪拌熔煉10秒鐘，冷卻，然后將其翻轉；反復熔煉三次以上，得到成分均勻的母合金錠；2)將上述母合金錠置于石英管內，石英管一端與氬氣相通，一端有直徑2_的小孔，將石英管放入真空吹鑄設備中，真空吹鑄設備真空室抽真空至10_3Pa，利用感應線圈加熱的方式熔煉母合金，熔化后開啟吹鑄裝置，同時斷電，讓合金熔體通過石英管的小孔充入銅模型腔中，冷卻至室溫，得到第一代金屬玻璃；3)將第一代金屬玻璃打磨、清洗后放入石英管中，石英管一端與氬氣相通，一端有直徑 2mm的小孔，將石英管放入真空吹鑄設備中，真空吹鑄設備真空室抽真空至10_3Pa，利用感應線圈加熱的方式熔煉，熔化后開啟吹鑄裝置，同時斷電，讓合金熔體通過石英管的小孔充入銅模型腔中，冷卻至室溫，得到金屬玻璃。
全文摘要
本發明公開了一種制備金屬玻璃的新工藝。以Gd56Al26Co18和Sm56Al26Co18合金為例介紹了這種制備金屬玻璃的新工藝，其方法如下通過真空電弧熔煉法將預定名義成分合金中的組元制備成母合金；采用感應熔煉法將母合金重熔，利用銅模吹鑄法將液態母合金制成第一代金屬玻璃；再將第一代金屬玻璃打磨、清洗后放入預先處理好的石英管中，采用感應熔煉法將第一代金屬玻璃加熱至完全融化狀態，通過銅模吹鑄成型。利用本發明提出的二次熔煉法制備金屬玻璃的新工藝可以明顯地提高合金的玻璃形成能力，具有工藝簡單，成本低等特點，在金屬玻璃基礎理論研究和應用領域有著廣闊的前景。
文檔編號C22C45/00GK102605299SQ20121010157
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年4月9日
發明者張兆磊, 郭曉慧, 郭晶, 閆傳金 申請人:山東農業大學