一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法

摘要

本发明公开了一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法，利用气相氢化处理的方法来提高块体金属玻璃及其结构件的塑性，步骤为：第一步，选定母合金基体的成分，非自耗电弧熔炼熔制母合金锭；第二步，将母合金锭破碎在容器内重熔后吹铸成块体金属玻璃；第三步，将第二步制得的块体金属玻璃或任意形状的块体金属玻璃结构件进行气相氢化处理。通过本发明方法处理的块体金属玻璃及其结构件塑性得以提高，块体金属玻璃仍然保持玻璃态结构，原有的热稳定性、屈服强度不降低。

权利要求

1.一种提高块体金属玻璃塑性的方法，其特征在于：利用气相氢化处理的方法来提高块体金属玻璃的塑性；步骤为：第一步，选定母合金基体的成分，非自耗电弧熔炼熔制母合金锭；

第二步，将母合金锭破碎在容器内重熔后吹铸成块体金属玻璃；

第三步，将第二步制得的块体金属玻璃进行气相氢化处理；进行气相氢化处理的氢压为1-30MPa；进行气相氢化处理的温度为低于块体金属玻璃的玻璃转变温度；气相氢化处理过程中块体金属玻璃的吸氢量为保证氢不与金属反应生成氢化物和氢鼓泡。

说明书

一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法，特别是一种利用气相氢化法提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法。

背景技术

[0002] 上世纪80年代以来，块体金属玻璃以其优异的力学性能成为了国际研究的热点和前沿问题。然而，纯非晶块体金属玻璃绝大部分表现为室温脆性，极大的限制了块体金属玻璃在工程上的应用。对于这一问题的解决，目前国际上主要采用在块体金属玻璃基体上引入第二相的方法，形成块体金属玻璃复合材料，使块体金属玻璃的塑性较之前的纯非晶块体金属玻璃有大幅度提高，主要的两种技术方法为内生法和外加法。陈光等发明了一种大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法（专利号：CN100494437C），通过低压铸造/水冷铜模急冷成型系统制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样，再将塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样等温处理，然后水淬，制备出一种内生塑性球晶相块体金属玻璃复合材料，可以显著提高块体金属玻璃的宏观塑性。Jonhson等在块体金属玻璃基体中通过外加连续纤维增强相，采用渗流铸造法制备出连续纤维锆基块体金属玻璃复合材料，压缩塑性显著改善[R. D. Conner, R. B. Dandliker, W. L. Johnson.Acta.Mater.46.6089(1998)]。上述报道的提高块体金属玻璃塑性的方法，都是通过改变了块体金属玻璃的内部结构，无法保证制备出的块体金属玻璃为全非晶态，这样一定程度上降低了块体金属玻璃的强度，耐磨性和耐腐蚀性等性能，而且内生法制备出的块体金属玻璃复合材料增强相和基体的界面能相对较低，从而使得其屈服强度较低；外加法制备出的块体金属玻璃复合材料增强相的分布难以控制，而且增强相和基体的界面能很高，在界面处发生界面反应形成脆性相，不利于块体金属玻璃力学性能的提高。此外，上述的两种方法都是通过改变材料固有的性能来提高塑性，很难解决已经成型的块体金属玻璃结构件塑性的提高。目前虽然已经发明了一些提高块体金属玻璃的技术方法，且制备出的块体金属玻璃具有一定的力学性能，但这远远不能满足人们对它的需求，因此，新型的提高块体金属玻璃塑性方法的研制和开发已是势在必行。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法，提供一种提高块体金属玻璃及其各种尺寸结构件塑性的新思路。

[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法，利用气相氢化处理的方法来提高块体金属玻璃及其结构件的塑性。

[0005] 本发明与现有技术相比，其显著优点：块体金属玻璃中的Zr、Ti等元素与氢有较强的亲和力以及Ni等元素对氢的吸附有催化作用，同时块体金属玻璃中存在大量的自由体积、短程有序结构中存在能量状态不同的大量四面体间隙，有利于氢的占据。（1）本发明中既可对块体金属玻璃材料进行气相氢化处理，也可对任意形状的块体金属玻璃结构件进行气相氢化处理。（2）通过对块体金属玻璃进行气相氢化处理来提高其塑性。（3）经气相氢化处理后块体金属玻璃仍然保持玻璃态结构。（4）经气相氢化处理后块体金属玻璃的热稳定性不降低。（5）经气相氢化处理后块体金属玻璃的屈服强度不降低。

附图说明

[0006] 图1是本发明一种提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法的技术流程图。

[0007] 图2是未氢化处理和氢化处理制备出的BMG的XRD图样。

[0008] 图3是未氢化处理和氢化处理制备出的BMG的DSC曲线。

[0009] 图4是未氢化和氢化处理制备出的BMG材料的力学性能对比。实验条件为：样品-4 -1为Ø3×6mm的柱状试样，实验温度为室温，压缩应变速率为5×10 s 。

具体实施方式

[0010] 本发明突破了通过在块体金属玻璃中引入第二相改变材料本身的性能来提高其塑性，而是通过对块体金属玻璃结构件进行氢化处理来提高其塑性，块体金属玻璃结构件经过氢化处理后除了塑性得到提高以外，其它固有性能不发生变化。对块体金属玻璃进行氢化处理目前有两种方式，一种是电化学氢化，这种氢化方式时间长，而且对块体金属玻璃有腐蚀作用；另一种是气相氢化，也是本发明所采用的氢化处理方式，这种发明有利于块体金属玻璃的塑性的提高，主要的科学思想如下所示：

[0011] 块体金属玻璃中的Zr、Ti等元素与氢有较强的亲和力。

[0012] 块体金属玻璃中的Ni等元素对氢的吸附有催化作用。

[0013] 块体金属玻璃中存在大量的自由体积、短程有序结构中存在能量状态不同的大量四面体间隙，有利于氢的占据。

[0014] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0015] 结合图1，本发明提高块体金属玻璃及其结构件塑性的方法，利用气相氢化处理的方法来提高块体金属玻璃及其结构件的塑性。具体步骤为：

[0016] 第一步，选定母合金基体的成分，非自耗电弧熔炼熔制母合金锭；

[0017] 第二步，将母合金锭破碎在容器内重熔后吹铸成块体金属玻璃；

[0018] 第三步，将第二步制得的块体金属玻璃或任意形状的块体金属玻璃结构件进行气相氢化处理，进行气相氢化处理的氢压为1-30MPa，进行气相氢化处理的温度为低于块体金属玻璃的玻璃转变温度，气相氢化处理过程中块体金属玻璃的吸氢量要保证氢不与金属反应生成氢化物和氢鼓泡。

[0019] 具体的技术流程如下

[0020] 、母合金的熔炼：根据成分设计计算各组分质量进行配比。在高纯氩气保护下，；利用熔炼Ti纯金属去除腔内氧气，利用水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼母合金。母合金至少熔炼5次并进行电磁搅拌保证成分的均匀。

[0021] 、BMG成型：母合金重新破碎后放入石英坩埚中重熔，熔化均匀后保温一定的时间，利用高纯氩气产生的压力差将熔化的母合金快速吹入铜模内制备成型BMG，或者通过其它途径制备得到的任意形状的块体金属玻璃结构件。

[0022] 、氢化处理：将制备出的BMG在一定的温度和氢压下气相氢化处理一定的时间。

[0023] 、结构及力学性能表征：利用XRD、DSC和光学显微镜三者结合对制备的复合材料进行微观结构表征，确保制备出的材料为全非晶的块体金属玻璃。对氢化处理和未氢化处理的块体金属玻璃进行力学性能测试，比较其力学性能差异。工艺成熟后，该步骤可省略。

[0024] 下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

[0025] 实施例1

[0026] 基体成分的选择：制备母合金锭选用原材料的纯度为99.9%的Cu、99.99%的Zr、99.5%的Al和99.99%的Ni，合金名义成分为Cu45Zr46Al7Ni2（原子百分比）。

[0027] 母合金的制备：在Ti吸气，高纯氩气保护条件下，采用非自耗电弧熔炼熔制母合金。

[0028] 将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮，按照设计好的成分配比配料；称量精

[0029] 确到0.001g以内，按照每锭60-80g左右的重量将配好的料放入熔炼炉内的水冷铜坩埚

[0030] 内，盖上炉盖抽真空到5×10-3Pa以下；向炉内充入压力为0.06MPa的高纯氩气。

[0031] 在熔制母合金锭之前，将用于除气的Ti锭熔炼3遍，除去炉腔内的残余氧气。

[0032] 将Cu、Zr、Al、Ni熔炼2遍，熔炼第2遍后使用机械手将合金锭翻转到另一面，锭子完全熔化后使用电磁搅拌再熔炼至少3遍，保证母合金成分均匀。

[0033] 试样的制备：将母合金破碎，称取10克左右放入石英坩埚内，在真空为5×10-3Pa以下熔化，使用吹铸法将母合金注射到铜模中成型。

[0034] 氢化处理：将制备的试样在室温7.5MPa的氢压下氢化1小时。

[0035] 性能检测：结合图2、图3、图4，对氢化处理后的试样和未氢化处理的试样分别进行XRD和DSC检测，结果发现氢化处理后的BMG试样的结构不发生改变，热稳定性也不改变。室温准静态压缩力学性能测试结果表明，氢化处理后的BMG有3%的塑性变形量，而未氢化处理的BMG无塑性。

[0036] 实施例2

[0037] 基体成分选择为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5（原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为100℃，氢压为5MPa，氢化时间为1.5小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有3.5%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。

[0038] 实施例3

[0039] 基体成分选择为La62Al14(Cu,Ni)24（原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为80℃，氢压为10MPa，氢化时间为0.5小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有2.5%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。

[0040] 实施例4

[0041] 基体成分选择为Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.（5 原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为90℃，氢压为10MPa，氢化时间为1.5小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有5%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。

[0042] 实施例5

[0043] 基体成分选择为Cu47Zr45Al（8 原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为120℃，氢压为30MPa，氢化时间为3小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有3%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。

[0044] 实施例6

[0045] 基体成分选择为Cu47Zr45Al4Ag4（原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为50℃，氢压为25MPa，氢化时间为2小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有7%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。

[0046] 实施例7

[0047] 基体成分选择为Zr62Cu15.5Ni12.5Al1（0 原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为200℃，氢压为20MPa，氢化时间为0.5小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有4.5%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。

[0048] 实施例8

[0049] 基体成分选择为Fe73C7.0Si3.3B5.0P8.7Mo3.0（原子百分比）。母合金的制备同实施例1步骤2，试样制备同实施例1步骤3，不同之处为氢化处理的温度为室温，氢压为30MPa，氢化时间为1小时。性能检测同实施例1步骤5，氢化处理的BMG的结构和热稳定性都不发生改变，氢化处理后的BMG有3%的塑性变形量，未氢化处理的BMG无塑性。