專利名稱：一種定向加熱晶化塊體非晶合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶合金晶化方法，具體而言為涉及一種定向加熱晶化增強(qiáng)塊體非晶
合金的方法。
背景技術(shù)：
非晶合金又稱金屬玻璃，具有短程有序、長(zhǎng)程無序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。固態(tài)時(shí)其 原子在三維空間呈拓?fù)錈o序排列，并在一定溫度范圍內(nèi)保持這種狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。與晶態(tài)合 金相比，非晶合金具備許多優(yōu)異性能，如高硬度、高強(qiáng)度、高電阻、耐蝕及耐磨等，是材料科 研工作者和工業(yè)界研究開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)和功能材料關(guān)注的重點(diǎn)之一。然而，非晶合金往往 具有比較大的脆性，同時(shí)由于其熱力學(xué)的不穩(wěn)定性，加上制造成本等問題，影響了其實(shí)際應(yīng) 用。非晶合金的晶化，是改善其綜合力學(xué)性能的一條重要途徑。同時(shí)，通過塊體非晶合金的 晶化，能夠比較容易地獲得納米晶合金或納米晶增強(qiáng)的非晶合金復(fù)合材料，因此，塊體非晶 合金的納米晶化已經(jīng)成為制備塊體金屬基納米復(fù)合材料的重要手段之一。而在金屬熔體凝 固的過程中，除非有非常高的冷卻速率(大于10k/s)，不然很難從金屬熔體直接獲得納米 晶體。 在金屬基復(fù)合材料中，除了顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料以外，還有以纖維為增強(qiáng)體的復(fù) 合材料。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有更好的單向力學(xué)性能，而目前這類復(fù)合材料中的增 強(qiáng)體通常是外部加入的，存在界面潤(rùn)濕性差、界面結(jié)合不良等問題。在纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合 材料的制備方面，采用熔體定向凝固方法可以生長(zhǎng)單向晶體，能夠獲得基體與增強(qiáng)體之間 良好的界面結(jié)合。在Sn基、Cu基等不同合金體系中均獲得了非常出色的研究結(jié)果。由于 非晶合金具備許多優(yōu)異性能，因此，如果在塊體非晶合金中生長(zhǎng)出單向晶體，可望明顯改善 其室溫塑性和綜合力學(xué)性能。為此，在非晶合金熱致晶化的基礎(chǔ)上，若通過控制加熱條件， 使晶體進(jìn)一步演化為單向晶體，則可以制備出原位纖維增強(qiáng)非晶合金基復(fù)合材料。然而，到 目前為止，還沒有關(guān)于從塊體非晶合金中通過晶化方式獲得定向晶體的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出的發(fā)明原理是通過對(duì)塊體非晶合金進(jìn)行定向加熱，使 非晶合金晶化，并通過調(diào)整晶化工藝保證非晶合金中形成定向晶體。 本發(fā)明提出一種定向加熱晶化增強(qiáng)塊體非晶合金的方法，其特征在于制備過程 在定向加熱_冷卻裝置中完成，該裝置由保持區(qū)1、加熱區(qū)2、冷卻區(qū)3和牽引桿4四個(gè)部分 組成，將條片狀塊體非晶合金試樣5浸沒在保持區(qū)1的液體介質(zhì)中，并在牽引桿4的帶動(dòng) 下，將試樣5以設(shè)定的速率從加熱區(qū)2下方移入加熱區(qū)2，加熱晶化后由加熱區(qū)2的上方移 出，試樣5出加熱區(qū)2即進(jìn)入有惰性氣體冷卻的冷卻區(qū)3，以防止試樣氧化和生成的晶體進(jìn) 一步長(zhǎng)大。 所述的保持區(qū)1，處于加熱區(qū)的下方，具有容納試樣5的空腔，空腔中充滿不與非 晶合金試樣5發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且熔點(diǎn)低于非晶合金玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、沸點(diǎn)高于設(shè)定的加熱溫度的液體冷卻介質(zhì)。 所述的加熱區(qū)2，是一個(gè)兩端開口可供試樣進(jìn)出的加熱體，其下端開口直接浸入保 持區(qū)1中的液體介質(zhì)中1 2mm，上端與冷卻區(qū)3相連；加熱體恒溫部分長(zhǎng)度為5 20mm， 加熱區(qū)的上、下方均設(shè)置帶有容許試樣進(jìn)出開口的隔熱板；加熱區(qū)恒溫部分的加熱溫度根 據(jù)需要選擇在非晶合金玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上合金固相線溫度以下，當(dāng)需要獲得的晶體 的尺寸小(《1 P m)時(shí)，選擇處于非晶合金深過冷液體溫度區(qū)間的Tg以上(0. 9Tx+0. 1Tg) 以下的溫度，否則選擇高于(0.9Tx+0. 1Tg)的溫度；其中，Tx為非晶合金開始晶化溫度，溫 度單位為K。 所述的冷卻區(qū)3，處于加熱區(qū)2的上方，采用流動(dòng)的惰性氣體冷卻，為防止試樣氧 化，當(dāng)試樣移入加熱區(qū)2時(shí)即開啟氣體冷卻。 所述的牽引桿4，由超低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過各種方法與條片狀試樣5連接，帶動(dòng) 試樣做恒速移動(dòng)，并根據(jù)需要將試樣的移動(dòng)速度控制在0. 05 5 ii m/s范圍內(nèi)。
本專利方法具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、工藝溫度低，操作簡(jiǎn)便； 2、可以靈活地選擇晶體形態(tài)，通過調(diào)整工藝參數(shù)，既可以獲得纖維狀單向晶體，也 可以獲得串珠狀、短棒狀單向晶體； 3、生產(chǎn)過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。 總之，通過上述方法可以成功制備出各種內(nèi)生定向晶體增強(qiáng)塊體非晶合金復(fù)合材 料。


圖1定向納米晶化裝置示意圖 1保持區(qū)、2加熱區(qū)、3冷卻區(qū)、4牽引桿、5試樣 圖2塊體鎂基非晶合金中生長(zhǎng)出纖維狀定向晶體的SEM照片
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中所使用的術(shù)語，除非有另外說明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常 理解的含義。下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為 了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的 各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。
實(shí)施例1 鎂基塊體非晶合金Mg65Cu25Y1Q條帶(長(zhǎng)200mm、寬6mm、厚30 y m)的定向晶化在定 向加熱_冷卻裝置上進(jìn)行，該裝置由保持區(qū)1、加熱區(qū)2、冷卻區(qū)3、牽引桿4四個(gè)主要部分組 成。保持區(qū)1處于加熱區(qū)的下方，具有220mm深的空腔，空腔中充滿了冷卻介質(zhì)硅油，其燃點(diǎn) 為210°C 。加熱區(qū)2是一個(gè)兩端開口可供試樣進(jìn)出的加熱體，其下端開口浸入保持區(qū)1中的 硅油中l(wèi)mm，上端與冷卻區(qū)3相連；加熱體恒溫部分長(zhǎng)度為5mm，加熱區(qū)的上、下方均設(shè)置有 容許試樣進(jìn)出開口的隔熱板；加熱區(qū)2的恒溫部分的溫度設(shè)為190°C。冷卻區(qū)3處于加熱區(qū) 2的上方，采用流動(dòng)的惰性氣體氮?dú)饫鋮s，為防止MfeCu2^。條帶試樣氧化，當(dāng)試樣移入加熱 區(qū)2時(shí)即開啟氣體冷卻。牽引桿4由超低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過夾頭將Mg65Cu25Y1Q條帶試樣與之連接，牽引桿4從下往上移動(dòng)帶動(dòng)試樣恒速向上移動(dòng)，試樣的移動(dòng)速度控制在0. 05 m。
將條片狀塊體非晶合金試樣浸沒在保持區(qū)1的硅油介質(zhì)中，并在牽引桿4的帶動(dòng) 下，將試樣以設(shè)定的速率從加熱區(qū)2下方移入加熱區(qū)2，加熱晶化后由加熱區(qū)2的另一端移 出，試樣出加熱區(qū)2即進(jìn)入有氮?dú)饫鋮s的冷卻區(qū)3，以防止晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大。所獲得試樣的 SEM照片如圖2，其中灰色相為Mg2Cu，呈定向纖維狀，晶體的直徑為0. 5 1. 0 m。
實(shí)施例2 鐵基塊體非晶合金Fe74Al4Ga2P12B4Si4試樣(長(zhǎng)150mm、寬5mm、厚1mm)的定向晶化 在定向加熱-冷卻裝置上進(jìn)行，該裝置由保持區(qū)1、加熱區(qū)2、冷卻區(qū)3、牽引桿4四個(gè)主要 部分組成。保持區(qū)1處于加熱區(qū)的下方，具有200mm深的空腔，空腔中充滿了冷卻介質(zhì)液態(tài) 錫，其沸點(diǎn)為2270°C 。加熱區(qū)2是一個(gè)兩端開口可供試樣進(jìn)出的加熱體，其下端開口浸入保 持區(qū)1中的硅油中l(wèi)mm，上端與冷卻區(qū)3相連；加熱體恒溫部分長(zhǎng)度為10mm，加熱區(qū)的上、下 方均設(shè)置有容許試樣進(jìn)出開口的隔熱板；加熱區(qū)2的恒溫部分的溫度設(shè)為470°C。冷卻區(qū)3 處于加熱區(qū)2的上方，采用流動(dòng)的惰性氣體氮?dú)饫鋮s，為防止條帶試樣氧化，當(dāng)試樣移入加 熱區(qū)2時(shí)即開啟氣體冷卻。牽引桿4由超低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過夾頭將MfeCi^A。條帶試樣 與之連接，牽引桿4從下往上移動(dòng)帶動(dòng)試樣恒速向上移動(dòng)，試樣的移動(dòng)速度控制在0. 1 ii m。
將條片狀塊體非晶合金試樣浸沒在保持區(qū)1的硅油介質(zhì)中，并在牽引桿4的帶動(dòng) 下，將試樣以設(shè)定的速率從加熱區(qū)2下方移入加熱區(qū)2，加熱晶化后由加熱區(qū)2的另一端移 出，試樣出加熱區(qū)2即進(jìn)入有氮?dú)饫鋮s的冷卻區(qū)3，以防止晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大。最終在非晶合 金基體上獲得了規(guī)則排列的纖維狀晶體。
實(shí)施例3 鎂基塊體非晶合金Mg65Cu25Y1Q條帶(長(zhǎng)200mm、寬6mm、厚25 y m)經(jīng)在惰性氣體保 護(hù)的加熱爐中21(TC、5min預(yù)晶化后，在定向加熱-冷卻裝置上進(jìn)行定向晶化，該裝置由保 持區(qū)1、加熱區(qū)2、冷卻區(qū)3、牽引桿4四個(gè)主要部分組成。保持區(qū)1處于加熱區(qū)的下方，具 有220mm深的空腔，空腔中充滿了冷卻介質(zhì)硅油，其燃點(diǎn)為230°C 。加熱區(qū)2是一個(gè)兩端開 口可供試樣進(jìn)出的加熱體，其下端開口浸入保持區(qū)1中的硅油中2mm，上端與冷卻區(qū)3相連； 加熱體恒溫部分長(zhǎng)度為20mm，加熱區(qū)的上、下方均設(shè)置有容許試樣進(jìn)出開口的隔熱板；加 熱區(qū)2的恒溫部分的溫度設(shè)為21(TC。冷卻區(qū)3處于加熱區(qū)2的上方，采用流動(dòng)的惰性氣體 氮?dú)饫鋮s，為防止|%650!25^。條帶試樣氧化，當(dāng)試樣移入加熱區(qū)2時(shí)即開啟氣體冷卻。牽引 桿4由超低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過夾頭將Mg65Cu25Y1Q條帶試樣與之連接，牽引桿4從下往上移 動(dòng)帶動(dòng)試樣恒速向上移動(dòng)，試樣的移動(dòng)速度控制在0. 5 ii m。 將條片狀塊體非晶合金試樣浸沒在保持區(qū)1的硅油介質(zhì)中，并在牽引桿4的帶動(dòng) 下，將試樣以設(shè)定的速率從加熱區(qū)2下方移入加熱區(qū)2，加熱晶化后由加熱區(qū)2的另一端移 出，試樣出加熱區(qū)2即進(jìn)入有氮?dú)饫鋮s的冷卻區(qū)3，以防止晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大。最終在鎂基塊 體非晶合金中形成了定向串珠狀的晶體。
實(shí)施例4 鎂基塊體非晶合金Mg65Cu25Y1Q條帶(長(zhǎng)200mm、寬6mm、厚20 y m)經(jīng)在惰性氣體保 護(hù)的加熱爐中21(TC、5min預(yù)晶化后，在定向加熱-冷卻裝置上進(jìn)行定向晶化，該裝置由保 持區(qū)1、加熱區(qū)2、冷卻區(qū)3、牽引桿4四個(gè)主要部分組成。保持區(qū)1處于加熱區(qū)的下方，具 有220mm深的空腔，空腔中充滿了冷卻介質(zhì)硅油，其燃點(diǎn)為230°C 。加熱區(qū)2是一個(gè)兩端開
5口可供試樣進(jìn)出的加熱體，其下端開口浸入保持區(qū)l中的硅油中l(wèi)mm，上端與冷卻區(qū)3相連； 加熱體恒溫部分長(zhǎng)度為10mm，加熱區(qū)的上、下方均設(shè)置有容許試樣進(jìn)出開口的隔熱板；加 熱區(qū)2的恒溫部分的溫度設(shè)為210°C。冷卻區(qū)3處于加熱區(qū)2的上方，采用流動(dòng)的惰性氣體 氮?dú)饫鋮s，為防止|%650!25^。條帶試樣氧化，當(dāng)試樣移入加熱區(qū)2時(shí)即開啟氣體冷卻。牽引 桿4由超低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過夾頭將Mg65Cu25Y1Q條帶試樣與之連接，牽引桿4從下往上移 動(dòng)帶動(dòng)試樣恒速向上移動(dòng)，試樣的移動(dòng)速度控制在5. 0 ii m。 將條片狀塊體非晶合金試樣浸沒在保持區(qū)1的硅油介質(zhì)中，并在牽引桿4的帶動(dòng) 下，將試樣以設(shè)定的速率從加熱區(qū)2下方移入加熱區(qū)2，加熱晶化后由加熱區(qū)2的另一端移 出，試樣出加熱區(qū)2即進(jìn)入有氮?dú)饫鋮s的冷卻區(qū)3，以防止晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大。在MfeCi^^。 塊體非晶合金中獲得了呈短棒狀的晶體。
權(quán)利要求
一種定向加熱晶化塊體非晶合金的方法，其特征在于制備過程在定向加熱-冷卻裝置中完成，該裝置由保持區(qū)(1)、加熱區(qū)(2)、冷卻區(qū)(3)、牽引桿(4)四個(gè)部分組成，將條片狀塊體非晶合金試樣(5)浸沒在保持區(qū)(1)的液體介質(zhì)中，并在牽引桿(4)的帶動(dòng)下，將試樣(5)以設(shè)定的速率從加熱區(qū)(2)下方移入加熱區(qū)(2)，加熱晶化后由加熱區(qū)(2)的上方移出，試樣(5)出加熱區(qū)(2)即進(jìn)入有惰性氣體冷卻的冷卻區(qū)(3)，以防止試樣(5)氧化和形成的晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大，得到非晶合金。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述的保持區(qū)(l)，處于加熱區(qū)(2)的下 方，具有容納試樣(5)的空腔，空腔中充滿不與非晶合金試樣(5)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且熔點(diǎn)低于 非晶合金玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、沸點(diǎn)高于設(shè)定的加熱溫度的液體冷卻介質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的加熱區(qū)(2)，是一個(gè)兩端開口可供試樣 進(jìn)出的加熱體，其下端開口直接浸入保持區(qū)(1)中的液體介質(zhì)中1 2mm，上端與冷卻區(qū) (3)相連；加熱體恒溫部分長(zhǎng)度為5 20mm，加熱區(qū)(2)的上、下方均設(shè)置帶有容許試樣(5) 進(jìn)出開口的隔熱板；加熱區(qū)(2)恒溫部分的加熱溫度根據(jù)需要選擇在非晶合金玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度Tg以上合金固相線溫度以下，當(dāng)需要獲得的晶體的尺寸《1 P m時(shí)，選擇處于非晶合金 深過冷液體溫度區(qū)間的Tg以上，(0. 9Tx+0. 1Tg)以下的溫度，否則選擇高于(0. 9Tx+0. 1Tg) 的溫度；其中，Tx為非晶合金開始晶化溫度，溫度單位為K。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的冷卻區(qū)(3)，處于加熱區(qū)(2)的上方，采 用流動(dòng)的惰性氣體冷卻，為防止試樣氧化，當(dāng)試樣移入加熱區(qū)(2)時(shí)即開啟氣體冷卻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述的牽引桿(4)，由超低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并與 條片狀試樣(5)連接，帶動(dòng)試樣(5)做恒速移動(dòng)，并根據(jù)需要將試樣(5)的移動(dòng)速度控制在 0. 05 5iim/s范圍內(nèi)。
全文摘要
一種定向加熱晶化塊體非晶合金的方法，其特征在于制備過程在定向加熱-冷卻裝置中完成，該裝置由保持區(qū)(1)、加熱區(qū)(2)、冷卻區(qū)(3)、牽引桿(4)四個(gè)部分組成，將條片狀塊體非晶合金試樣(5)浸沒在保持區(qū)(1)的液體介質(zhì)中，并在牽引桿(4)的帶動(dòng)下，將試樣(5)以設(shè)定的速率從加熱區(qū)(2)下方移入加熱區(qū)(2)，加熱晶化后由加熱區(qū)(2)的上方移出，試樣(5)出加熱區(qū)(2)即進(jìn)入有惰性氣體冷卻的冷卻區(qū)(3)，以防止試樣(5)氧化和形成的晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大，。本專利方法工藝溫度低，操作簡(jiǎn)便；可以靈活地選擇晶體形態(tài)，通過調(diào)整工藝參數(shù)，既可以獲得纖維狀單向晶體，也可以獲得串珠狀、短棒狀單向晶體。另外，本專利方法生產(chǎn)過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C22F3/00GK101787498SQ20101012279
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者趙玉濤, 陳剛, 黃康 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)