一種大尺寸ZrTi基準晶材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大尺寸ZrTi基準晶合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從上世紀80年代Shechtman等在Al-Mn合金中發(fā)現(xiàn)準晶相以來，準晶就以其獨特的結(jié)構(gòu)一起了廣泛的關(guān)注。大量的研宄表明準晶材料具有獨特的物理和化學性能，如高硬度、低摩擦系數(shù)、不粘性和耐磨性等。
[0003]過去十幾年中，人們對ZrTi基準晶材料開展了大量的研宄工作。研宄發(fā)現(xiàn)，ZrTi基準晶材料具有熱力學穩(wěn)定的正二十面體構(gòu)造，其表現(xiàn)出特殊的傳輸特性、貯氫特性和力學特性等，作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料有望在能源、汽車、航空等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于ZrTi基準晶材料多為亞穩(wěn)態(tài)材料，其獲得難易程度與合金成分及制備方法關(guān)系密切。目前，ZrTi基準晶材料主要通過熔體懸甩法，急冷凝固獲得，該方法冷卻速率要求較高，尤其是對于TiZrNi塊體準晶，用常規(guī)的準晶制備技術(shù)難以獲得純準晶。這不僅不利于ZrTi基準晶材料的形成機理的認識，更不利于ZrTi基準晶材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有大尺寸且準晶成分連續(xù)可調(diào)，制備工藝簡單的大尺寸ZrTi基準晶材料及其制備方法。本發(fā)明主要是在已有準晶體系Ti4ciZr4tlNi2tl中摻雜Be并采用電弧熔煉和銅模吸鑄的方法直接獲得本發(fā)明的產(chǎn)品。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]1、本發(fā)明的大尺寸ZrTi基準晶材料，它是T1、Zr、Ni及Be以如下原子百分比:(Ti40Zr40Ni20) 100^xBex(I ^ x ^ 16)制得的主成分ZrTi基準晶體積百分含量在90%以上且棒材直徑在3-12mm的大尺寸ZrTi基準晶材料，并且ZrTi基準晶材料的尺寸隨Be的含量增加而增大。最好，T1、Zr、Ni及Be為(原子百分比):(Ti4ciZr4tlNi2tl)8#616可獲得最大準晶棒直徑為12毫米。
[0007]2、上述大尺寸ZrTi基準晶材料的制備方法:
[0008]具體步驟如下:
[0009](a)電弧熔煉制備母合金錠:
[0010]按照Ti4ciZr4tlNi2tl成分配比取所需各單質(zhì)原料進行混合，然后加到真空電弧爐中。熔煉合金前，設(shè)備抽真空，待真空度達到6X10_4Pa時，充入高純氬氣，至電弧爐爐腔內(nèi)壓強為 0.6 X 15Pa
[0011]先將鈦球熔化，通過氧化反應(yīng)進一步吸氧I分鐘。在氬氣保護下對原材料進行熔煉，熔煉電流200?300安培，當固態(tài)物質(zhì)全部熔煉成液體后在水冷銅坩禍中冷卻，使液態(tài)物質(zhì)全部成為固體，獲得成分為Ti4ciZr4tlNi2tl的母合金錠。此過程反復熔煉5次，獲得成分均勻的Ti4ciZr4tlNi2tl的母合金錠。
[0012]然后按一定配比向真空電弧爐中加入Be單質(zhì)，采用與獲得成分為的Ti4ciZr4tlNi2tl母合金錠相同的操作條件反復熔煉五次，獲得成分均勻的(Ti4ciZr4tlNi2tl)._χΒθχ母合金錠。
[0013](b)銅模吸鑄技術(shù)獲得準晶材料:
[0014]將步驟(a)中制得的(Ti4ciZr4tlNi2tl)合金錠放入銅模吸鑄設(shè)備的銅熔池中，設(shè)備抽真空，待真空度達到6X 10_4Pa時，充入高純氬氣，至電弧爐腔內(nèi)氣壓為
1.2 X KT5Pa時，熔煉Ti吸氧I分鐘。采用200?300安培電流熔化(Ti40Zr40Ni20) 100_xBex#合金，至熔體溫度1400?1500°C，合金熔化至液體，打開吸鑄閥，將液體合金熔體吸入不同直徑的銅模中獲得準晶棒，同時確定可獲得準晶的尺度范圍。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0016]1、本發(fā)明獲得得準晶材料是相同制備條件下最大的準晶材料之一。
[0017]2、采用銅模吸鑄方法可直接獲得大尺寸ZrTi基準晶材料，無需后續(xù)處理工藝，制備工藝簡單。
[0018]3、準合金成分連續(xù)可調(diào)，通過改變合金成分即可獲得3-12mm的大尺寸ZrTi基準晶材料。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的直徑12毫米(Ti4ciZr4ciNi2tl)84Be16準晶樣品圖。
[0020]圖2為本發(fā)明直徑12毫米(Ti4ciZr4tlNi2tl)84Be16準晶樣品的X射線衍射圖。
[0021]圖3為本發(fā)明直徑12毫米(Ti4ciZr4ciNi2tl)84Be16準晶樣品的TEM明場圖。
[0022]圖4為本發(fā)明直徑12毫米(Ti4ciZr4tlNi2tl)84Be16準晶樣品的選區(qū)電子衍射花樣圖。
【具體實施方式】
[0023]通過制備12毫米(Ti4ciZr4tlNi2tl)84Be16準晶棒為例詳細敘述本發(fā)明。
[0024]按照Ti4ciZr4tlNi2tl(原子百分比)成分配比取所需各單質(zhì)原料(純度不低于99.9wt%)進行混合，然后加到真空電弧爐中。熔煉合金前，設(shè)備抽真空，待真空度達到6 X KT4Pa時，充入高純氬氣(純度為99.99wt% )至電弧爐爐腔內(nèi)壓強為6 X 14Pa時開始熔煉。熔煉合金前先將鈦球熔化，通過氧化反應(yīng)吸氧I分鐘，然后在氬氣保護下對原材料進行熔煉，熔煉電流200?300安培，當固態(tài)物質(zhì)全部熔煉成液體后在水冷銅坩禍中冷卻，獲得成分為Ti4ciZr4tlNi2tl的母合金錠。該熔煉過程進行5次，獲得成分均勻的Ti 4(lZr4(lNi2Q的母合金錠。然后按(Ti4tlZr4ciNi2tl)84Be16 (原子百分比)配比向真空電弧爐中加入Be單質(zhì)，采用與獲得成分為的Ti4ciZr4tlNi2tl母合金錠相同的操作條件進行5次熔煉，獲得成分均勻的(Ti4ciZr4tlNi2tl)84Be16母合金錠。然后將制備的(Ti 4(lZr4(lNi2(l)84Be16母合金錠放入銅模吸鑄設(shè)備的銅熔池中，設(shè)備抽真空，待真空度達到6X10_4Pa時，充入高純氬氣至電弧爐爐腔內(nèi)壓強為1.2 X 15Pa,進行電弧熔煉，先熔煉I分鐘鈦進一步吸氧，再對(Ti4ciZr4tlNi2tl)84Be16合金進行熔煉，熔煉時采用200?300安培電流熔化母合金，當熔體溫度達到1400?1500°C時合金熔化至液體，打開吸鑄閥，將液態(tài)合金吸入直徑為12毫米的銅模中，得到直徑為12毫米的晶樣品，如圖1所示。對所得樣品進行X射線衍射和透射電鏡分析；為了排除在吸鑄過程中熔體可能過燒對材料的影響，截掉得到的合金棒材頂部5mm，對剩余部分進行實驗分析。圖2為樣品的X射線衍射圖，從圖中可看出直徑為12毫米的樣品主體結(jié)構(gòu)為準晶。圖3為樣品的TEM明場圖像，透射電鏡結(jié)果表明樣品主要由準晶構(gòu)成，準晶的體積分數(shù)高于90%，除此之外，準晶粒之間存在少量的非晶相。圖4為樣品的選區(qū)電子衍射花樣圖進一步確定了樣品的準晶結(jié)構(gòu)特征。
【主權(quán)項】
1.一種大尺寸ZrTi基準晶材料，其特征在于:它是T1、Zr、Ni及Be以如下原子百分比:(Ti4ciZr4tlNi2tl) 1(ΚΙ_χΒθχ，其中X = I?16制得的主成分ZrTi基準晶體積百分含量在90%以上且棒材直徑在3-12mm的大尺寸ZrTi基準晶材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZrTi基準晶材料，其特征在于:ZrTi基準晶材料的尺寸隨Be的含量增加而增大。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZrTi基準晶材料，其特征在于:獲得最大尺寸ZrTi基準晶材料 T1、Zr、Ni 及 Be 原子百分比為(Ti4ciZr4tlNi2tl)84Be16。4.權(quán)利要求1的大尺寸ZrTi準晶材料的制備方法，其特征在于:具體步驟如下: (a)電弧熔煉制備母合金錠: 按照Ti4ciZr4tlNi2tl成分配比取所需各單質(zhì)原料進行混合，然后加到真空電弧爐中，熔煉合金前，設(shè)備抽真空，待真空度達到6X10_4Pa時，充入高純氬氣至電弧爐爐腔內(nèi)壓強為0.6 X 15Pa,然后在氬氣保護下對原材料進行五次熔煉，熔煉電流200?300安培，當固態(tài)物質(zhì)全部熔煉成液體后在水冷銅坩禍中冷卻，獲得成分為Ti4ciZr4tlNi2tl的母合金錠；然后按配比向真空電弧爐中加入Be單質(zhì)，采用與制備Ti4ciZr4tlNi2tl母合金錠相同的操作條件和步驟熔煉五次，獲得成分均勻的(Ti4ciZr4tlNi2tl) 1(ι(ι_χΒθ!#合金錠； (b)銅模吸鑄技術(shù)獲得準晶材料: 將步驟(a)中制得的(Ti4ciZr4tlNi2tl)._χΒθχ母合金錠放入銅模吸鑄設(shè)備的銅熔池中，設(shè)備抽真空，待真空度達到6 X 10_4Pa時，充入高純氬氣至電弧爐爐腔內(nèi)壓強為1.2 X 15Pa,再對(Ti4ciZr4tlNi2tl) 1(ι(ι_χΒθχ母合金錠進行熔煉，熔煉電流200?300安培，當熔體溫度1400?1500°C時母合金熔化至液體，打開吸鑄閥，將合金熔體吸入不同直徑的銅模中獲得準晶棒，同時確定可獲得準晶的尺度范圍。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述大尺寸ZrTi準晶材料的制備方法，其特征在于:熔煉合金前，設(shè)備抽真空和充入高純氬氣后，先將鈦球熔化，通過氧化反應(yīng)進一步吸氧I分鐘，然后進行熔煉。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述大尺寸ZrTi準晶材料的制備方法，其特征在于:吸鑄前，設(shè)備抽真空和充入高純氬氣后，先將鈦球熔化，通過氧化反應(yīng)進一步吸氧I分鐘，然后進行吸鑄。
【專利摘要】一種大尺寸ZrTi基準晶材料，它是Ti、Zr、Ni及Be以如下原子百分比：(Ti40Zr40Ni20)100-xBex，其中x＝1～16制得的主成分為ZrTi基準晶，體積百分含量在90％以上且棒材直徑在3-12mm的大尺寸ZrTi基準晶材料。該ZrTi基準晶材料的制備方法主要是：首先通過真空電弧爐熔煉出成分均勻的Ti40Zr40Ni20合金錠，然后加入Be元素，采用如前相同步驟制備成分均勻的(Ti40Zr40Ni20)100-xBex合金錠。然后采用銅模吸鑄技術(shù)獲得不同尺寸的準晶材料。本發(fā)明獲得的準晶材料是相同制備條件下最大的準晶材料之一，并且準合金成分連續(xù)可調(diào)，通過改變合金成分即可獲得3-12mm的大尺寸ZrTi基準晶材料。采用銅模吸鑄方法可直接獲得大尺寸ZrTi基準晶材料，無需后續(xù)處理工藝，制備工藝簡單。
【IPC分類】C22C45/10, C22C1/03
【公開號】CN104911513
【申請?zhí)枴緾N201510200476
【發(fā)明人】王利民, 李子敬, 趙林然
【申請人】燕山大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年4月24日