專利名稱:一種鋱基非晶合金及其制備方法
技術領域:
本發明涉及一種合金,具體地說是涉及一種以重稀土元素鋱為主要成分的鋱基非晶合金,及其制備方法。
背景技術:
通常,金屬或合金從液態冷卻下來時都會結晶形成晶體。現已發現某些金屬或合金在冷卻速率足夠快,例如達到每秒鐘104~106K的數量級時,在固化時會保持液態時的極端粘滯的狀態,從而抑制晶化,得到非晶相的金屬或合金。但是,為了獲得如此高的冷卻速率,只能將熔化的金屬或合金噴到導熱非常好的傳導基底上,這樣獲得的非晶金屬或合金的尺寸非常小。例如,將熔態合金噴射到高速旋轉的銅輥上,得到薄帶,或澆鑄到冷基底中得到薄片和粉末等。
每次形成的非晶合金被重新加熱到玻璃化轉變溫度(Tg)以上時,非晶合金在晶化前存在一個不發生晶化的溫度區,稱為過冷液相區(SLR)。一般來說,過冷液相區越寬,非晶的超塑性加工能力越強。對于具有良好的形成能力的非晶合金,人們期望晶化曲線向右,即向更長的時間移動。非晶合金抵抗晶化的能力與合金從熔態冷卻下來形成非晶所要求的冷卻速率有關,這是在玻璃轉變溫度以上對非晶合金進行加工期間無序相穩定的標志。
我們期望抑制結晶的冷卻速率足夠低,獲得更大尺寸的塊體非晶并使得在晶化發生前可獲得更長的加工處理時間,即這樣的大塊非晶合金可以在不發生晶化的情況下,充分加熱到玻璃轉變溫度以上進行加工,使其適合于工業用途。
近十年來塊狀非晶合金在制備及性能研究方面取得突破性進展。目前已能在較低的冷卻速率下,通過普通工藝方法如金屬模鑄造、水淬、遏制非均勻形核、定向凝固、粉末冶金、噴鑄成形、壓實成型等制備多種合金體系的塊狀非晶合金。塊狀非晶合金由于其優異的力學性能、良好的加工性能、優良的化學活性和磁學性能,在民用及軍事領域顯示出廣闊的應用前景。目前,人們不斷在尋找高玻璃形成能力的新體系非晶合金,但有關稀土基非晶合金的制備和性能研究還不多,特別是重稀土非晶合金。而稀土作為重要的戰略資源,由于其獨特的光、電和磁性能,在醫學、農業、冶金、化工、石油、環保及新材料等領域有廣泛的應用。因此,發展稀土基塊狀非晶合金具有廣闊的潛在應用前景。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有高玻璃形成能力、抑制結晶能力強、可以在很低的冷卻速率下制得更大尺寸的、以稀土元素鋱為金屬基的鋱基非晶合金。
本發明的另一目的在于提供一種所述鋱基非晶合金的制備方法。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的本發明提供一種鋱基非晶合金,是以鋱為主要成分,其組成可用如下公式表示TbaCobAlc其中50≤a≤70,20≤b≤25,10≤c≤25,且a+b+c=100。
所述的鋱基大塊非晶合金包含至少50%體積百分比非晶相,尺寸在各個維度不小于1毫米。
本發明提供另一種鋱基非晶合金,是以鋱為主要成分,其組成可用如下公式表示TbdCoeAlfYgMh其中30≤d≤40,20≤e≤25,20≤f≤25,15≤g≤20,0≤h≤5,且d+e+f+g+h=100;所述的M為過渡族金屬元素Sc,Nb,Ti,Cr,Mn,Fe,La,Pr,Ce或Nd。
所述的鋱基大塊非晶合金包含至少50%體積百分比非晶相,尺寸在各個維度不小于1毫米。
本發明提供一種上述鋱基非晶合金的制備方法,包括如下步驟1)在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中,按通式TbaCobAlc或TbdCoeAlfYgMh所需要的原子配比將上述組分中的Tb、Co和Al,或Tb、Co、Al、Y和過渡族金屬元素M混合均勻,熔煉,冷卻后得到母合金鑄錠;2)使用常規的金屬型鑄造法,將步驟1)制得的母合金鑄錠重新熔化,利用電弧爐中的吸鑄裝置,將母合金的熔體吸入水冷銅模,得到鋱基大塊非晶合金TbaCobAlc或TbdCoeAlfYgMh。
所述的Tb、Co、Al、Y和過渡族金屬元素M的純度不低于99.5%(重量百分比)。
本發明提供的上述鋱基大塊非晶合金具有高玻璃形成能力,其晶化溫度在650~700K左右,玻璃轉變溫度在600~650K左右,過冷液相區的寬度在25~75K之間。
本發明提供的鋱基大塊非晶合金與現有的非晶合金相比,其優越之處在于1、該鋱基大塊非晶合金的臨界冷卻速率低,冷卻速率(Rc)可以達到102K/s的數量級,抑制結晶能力強,易于形成大尺寸的非晶合金,其尺寸在各個維度不小于1毫米,臨界直徑尺寸不小于3mm;2、成本低。我國稀土資源豐富,稀土鋱制備簡單,所以是一種很適合于我國資源特點的大塊非晶體系。
3、該鋱基大塊非晶合金有良好的磁性能和磁致伸縮性能,作為功能材料,具有潛在的應用價值。
圖1為實施例1制備的Tb56Co20Al24和實施例5制備的Tb36Y20Co20Al24的形貌圖;圖2為實施例1制備的Tb56Co20Al24和實施例5制備的Tb36Y20Co20Al24的X射線衍射分析譜;圖3為實施例1制備的Tb56Co20Al24和實施例5制備的Tb36Y20Co20Al24的DSC曲線圖。
具體實施例方式
實施例1、Tb56Co20Al24大塊非晶合金的制備使用純度為99.9%以上的摩爾量比為56∶20∶24的Tb、Co及Al制備鋱基大塊非晶合金,首先將三種組分按比例配好后在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中熔煉,混合均勻,冷卻后得到Tb-Co-Al三元合金的母合金鑄錠;然后使用常規的金屬型鑄造方法,將此鑄錠重新熔化,利用電弧爐中的吸鑄裝置,將母合金熔體吸入水冷銅模,得到成分為Tb56Co20Al24的塊體非晶合金,其形貌如圖1所示,直徑為3mm。
如圖2所示的X射線衍射(XRD)證明該合金是接近完全的非晶態的。如圖3所示的熱分析(DSC)圖,其玻璃化轉變溫度(Tg),晶化開始溫度(Tx),過冷區間的寬度(ΔT=Tx-Tg)分別為609K,669K和60K。此外,該合金還具有較高的約化玻璃溫度(Trg)和玻璃化指數(γ),Trg和γ值通常可以用來判斷非晶合金的玻璃形成能力,因此可知Tb56Co20Al24非晶合金具有較大的玻璃形成能力。
實施例2~13按實施例1的方法制備各種配比的鋱基大塊非晶合金,其組成和熱物性參數列于表1。
表1、鋱基大塊非晶合金的組成和熱物性參數
注1)表中各成分樣品測量時所用的加熱速率為10K/min。
本發明提供的鋱基大塊非晶合金所要求的鋱為工業用的原材料,其純度為99.5%,相比之下,其成本比其它貴金屬基的要低。而且我國是稀土大國,含鋱的礦產資源很豐富,所以發展鋱基大塊非晶合金非常適合于我國資源特點。由于鋱元素具有特殊的電子結構,其化合物具有磁致伸縮等磁性能,被廣泛用于制備功能材料,而鋱基非晶合金結構不同于晶體結構,因此具有潛在的應用前景。
權利要求
1.一種鋱基非晶合金,是以鋱為主要成分,其組成用如下公式表示TbaCobAlc其中50≤a≤70,20≤b≤25,10≤c≤25,且a+b+c=100。
2.一種鋱基非晶合金,是以鋱為主要成分,其組成用如下公式表示TbdCoeAlfYgMh其中30≤d≤40,20≤e≤25,20≤f≤25,15≤g≤20,0≤h≤5,且d+e+f+g+h=100;所述的M為過渡族金屬元素Sc,Nb,Ti,Cr,Mn,Fe,La,Pr,Ce或Nd。
3.一種權利要求1或2所述的鋱基非晶合金的制備方法,包括如下步驟1)在鈦吸附的氬氣氛的電弧爐中,按通式TbaCobAlc或TbdCoeAlfYgMh所需要的原子配比將上述組分中的Tb、Co和Al,或Tb、Co、Al、Y和過渡族金屬元素M混合均勻,熔煉,冷卻后得到母合金鑄錠;2)使用常規的金屬型鑄造法,將步驟1)制得的母合金鑄錠重新熔化,利用電弧爐中的吸鑄裝置,將母合金的熔體吸入水冷銅模,得到鋱基大塊非晶合金TbaCobAlc或TbdCoeAlfYgMh。
4.如權利要求3所述的鋱基非晶合金的制備方法,其特征在于所述的Tb、Co、Al、Y和過渡族金屬元素M的純度不低于99.5wt%。
全文摘要
本發明涉及一種鋱基非晶合金,是以鋱為主要成分,其組成為Tb
文檔編號C22C45/00GK1900347SQ20051008550
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月22日 優先權日2005年7月22日
發明者王永田, 趙德乾, 潘明祥, 汪衛華 申請人:中國科學院物理研究所