專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大塊非晶合金納米化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料組織納米化技術(shù)，具體為一種通過(guò)壓力晶化法使大塊非晶合金納米化方法。
背景技術(shù)：
納米顆粒的尺度一般定義為1～100nm，由于其極細(xì)小的晶粒和大量的界面密度及大量處理晶界和晶粒內(nèi)的缺陷原子，納米材料在物理化學(xué)性能上表現(xiàn)出與普通微米級(jí)多晶體材料巨大的差異，納米顆粒的電、磁、熱、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性等明顯不同于通常顆粒，隨晶粒減小，材料的強(qiáng)度和硬度大幅度增大，從而使其具有廣闊的應(yīng)用前景。為了在大塊非晶晶化過(guò)程中形成細(xì)小的納米級(jí)晶粒，現(xiàn)在通常有兩種方法第一、向大塊非晶成分中添加其它元素。這些元素的添加原則是偏離大塊非晶成分設(shè)計(jì)的三原則，使非晶中產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的非均勻性，將單步晶化模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗖骄ЩＪ綇亩欣诔蹙嗟奈龀?，形成納米級(jí)晶體，這種添加元素的方法將會(huì)降低非晶的形成能力。第二、熱擠壓法。首先制備出粉末狀或條帶狀非晶，然后通過(guò)熱擠壓制備出大塊納米晶或納米晶/非晶復(fù)合材料。這種方法的缺點(diǎn)是晶粒之間有嚴(yán)重的界面污染，同時(shí)有空洞等其他缺陷，致密度較小。
日本金屬學(xué)會(huì)誌(A.Inoue and T.Zhang，Mater.Tran.，JIM 37，185(1996))，根據(jù)Inoue提出的發(fā)展大塊非晶合金成分設(shè)計(jì)三原則，Zr55Al10Ni5Cu30合金成分由于不含毒性元素(例如Be)和活潑元素(例如稀土元素)，而且具有較大的玻璃形成能力，所以無(wú)論在基礎(chǔ)性研究和實(shí)際應(yīng)用中都備受人們的關(guān)注，已經(jīng)成功制備出直徑為30mm，長(zhǎng)50mm的完全非晶棒。
日本金屬學(xué)會(huì)誌(C.Fan and A.Inoue，Mater.Trans.，JIM 38，1040(1997))，應(yīng)用物理快報(bào)(R.Busch，S.Schneider，A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.67，1544(1995))，日本金屬學(xué)會(huì)誌(C.Fan，A.Takeuchi and A.Inoue，Mater.Trans.，JIM 40，42(1999))，以及應(yīng)用物理快報(bào)(L.Q.Xing，J.Eckert，W.Lser and L.Schultz，Appl.Phys.Lett.74，664(1999))等文獻(xiàn)中，在非晶基體上均勻分布納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體會(huì)大大改善材料的機(jī)械性能，例如提高屈服強(qiáng)度，改善延展性等等。
日本金屬學(xué)會(huì)誌(A.Inoue，T.Negishi，H.M.Kimuar，T.Zhang and A.R.Yavari，Mater.Trans.，JIM 39，318(1998))，以及材料科學(xué)與工程(M.F.de Oliveira，C.S.Kiminami and W.T.Botta filho，Mater.Sci.Eng.304-306A，665(2001))等文獻(xiàn)，由于具有大塊非晶合金的成分晶化困難，通常具有單步晶化模式，在傳統(tǒng)的晶化過(guò)程中會(huì)形成粗大的晶體結(jié)構(gòu)，使其性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種大塊非晶合金納米化方法，可以獲得晶體致密、無(wú)界面污染的大塊完全納米晶或納米晶/非晶復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過(guò)壓力晶化法大塊非晶合金納米化，具體步驟如下1)用電弧爐將母合金反復(fù)熔煉；2)采用銅模鑄造法制成mm級(jí)大塊非晶；3)首先對(duì)該非晶合金加壓，壓力為3-5GPa，然后對(duì)大塊非晶加熱，加熱溫度為450～550℃，然后保溫，保溫時(shí)間為10-60min，自然冷卻至室溫后，卸掉壓力，得到完全納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體或納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明加壓設(shè)備采用千噸級(jí)環(huán)帶式兩面頂金剛石壓機(jī)。
本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明壓力晶化法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，得到的納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體致密、無(wú)界面污染，非晶態(tài)固體的晶化轉(zhuǎn)變通常是典型的形核和生長(zhǎng)的相變過(guò)程，壓力和溫度一樣，是熱力學(xué)的另一重要參量，壓力作為熱力學(xué)的一個(gè)重要參量，在材料合成與制備過(guò)程中發(fā)揮重要作用，對(duì)晶體的形核和生長(zhǎng)有明顯的影響作用，研究表明壓力可大大提高該合金的形核率、阻礙生長(zhǎng)率，從而促進(jìn)納米結(jié)構(gòu)的形成，通過(guò)壓力晶化法可以得到不同晶化百分?jǐn)?shù)(20-100％)和不同晶粒尺寸(7-40nm)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體。


圖1為實(shí)施例1中1#透射電鏡圖。
圖2為實(shí)施例1中2#透射電鏡圖。
圖3為實(shí)施例1中3#透射電鏡圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用壓力晶化法使Zr55Al10Ni5Cu30大塊非晶晶化，采用純度大于99.9％的金屬原料，采用電弧熔煉母合金，用感應(yīng)加熱銅模鑄造法澆注塊狀非晶，首先對(duì)該非晶合金加壓，加壓設(shè)備采用千噸級(jí)環(huán)帶式兩面頂金剛石壓機(jī)，然后對(duì)大塊非晶加熱，然后保溫，自然冷卻至室溫后，卸掉壓力，得到納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體，具體參數(shù)如下表1

上表中1#、2#、3#分別與圖1、圖2、圖3對(duì)應(yīng)，由圖1～3可以看出，采用本發(fā)明使具有大塊玻璃形成能力的Zr55Al10Ni5Cu30合金體系得到致密的、無(wú)界面污染的大塊完全納米晶或納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處是采用壓力晶化法使Zr59Cu20Al10Ni8Ti3非晶納米化，采用純度大于99.9％的金屬原料，采用電弧熔煉母合金，銅模鑄造法制備塊狀非晶，首先對(duì)該非晶合金加壓，壓力為3GPa，然后對(duì)大塊非晶加熱，加熱溫度為480℃，然后保溫，保溫時(shí)間為10min，自然冷卻至室溫后，卸掉壓力，得到納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體，晶化百分?jǐn)?shù)為20％，晶粒平均尺寸為10nm，采用本發(fā)明使合金得到致密的、無(wú)界面污染的大塊納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處是采用壓力晶化法使Zr65Al7.5Ni10Cu17.5大塊非晶納米化，采用純度大于99.9％的金屬原料，采用電弧熔煉母合金，采用銅模鑄造法制備塊狀非晶，首先對(duì)該非晶合金加壓，壓力為3GPa，然后對(duì)大塊非晶加熱，加熱溫度為500℃，然后保溫，保溫時(shí)間為60min，自然冷卻至室溫后，卸掉壓力，得到納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體，晶化百分?jǐn)?shù)為100％，晶粒平均尺寸為40nm，采用本發(fā)明使合金得到致密的、無(wú)界面污染的大塊完全納米晶結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種大塊非晶合金納米化方法，其特征在于通過(guò)壓力晶化法大塊非晶合金納米化，具體步驟如下1)用電弧爐將母合金反復(fù)熔煉；2)采用銅模鑄造法制成mm級(jí)大塊非晶；3)首先對(duì)該非晶合金加壓，壓力為3-5GPa，然后對(duì)大塊非晶加熱，加熱溫度為450～550℃，然后保溫，保溫時(shí)間為10-60min，自然冷卻至室溫后，卸掉壓力，得到完全納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體或納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料組織納米化技術(shù)，具體為一種通過(guò)壓力晶化法使大塊非晶合金納米化方法。通過(guò)壓力晶化法大塊非晶合金納米化，具體步驟如下1)用電弧爐將母合金反復(fù)熔煉；2)采用銅模鑄造法制成mm級(jí)大塊非晶；3)首先對(duì)該非晶合金加壓，壓力為3－5GPa，然后對(duì)大塊非晶加熱，加熱溫度為450～550℃，然后保溫，保溫時(shí)間為10－60min，自然冷卻至室溫后，卸掉壓力，得到完全納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體或納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)壓力晶化法得到的完全納米級(jí)結(jié)構(gòu)晶體或納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)晶體致密、無(wú)界面污染。
文檔編號(hào)C22F3/00GK1580313SQ03133630
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者張甲, 董盼, 王建強(qiáng), 全明秀, 胡壯麒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所