專利名稱：具有高壓縮線性彈性應變和低楊氏模量的Zr－Cu基多元合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有較高綜合機械性能的合金材料，特別是一種具有高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的Zr-Cu基多元合金。
背景技術：
當今，多元合金在高性能功能材料和工程材料領域占有極其重要的位置。目前，主要的功能和工程塊體新型合金，如軟磁材料，具有高強度、高耐蝕性和高耐磨性的大塊非晶合金，塊體儲氫材料，塊體納米材料等都在多元合金高性能方面取得了重大的突破，并且有些新型高性能多元合金已經在生產和日常生活領域得到了一定的應用。如Zr-Cu基多元合金，特別是Zr-Cu基塊體非晶合金由于其突出的強度，高線彈性應變，較高的耐磨性能和較好的耐腐蝕等性能使其在高爾夫球頭等體育器材領域獲得很好的應用。據掌握的資料，Zr-Cu基合金的最高線彈性應變為2.9％，為金屬材料中最高，本發明目標是提高其線彈性應變，以期待能得到更好的應用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的Zr-Cu基多元合金，該合金在具有高強度的同時，還具有高的壓縮線彈性應變和低的楊氏模量的良好配合。
本發明具有高壓縮線性彈性應變和低楊氏模量的Zr-Cu基多元合金，由以下成分按原子百分比組成Zr60.000～64.000；Cu22.400～26.000；Al8.500～9.000；Ni3.800～4.090；O0.550～0.650；Fe0.181～0.240；Zn0.060～0.112；Mn0.008～0.012。
Zr-Cu基多元合金具有較高的非晶形成能力和較高的彈性應變量和強度，通過增加一些合金元素，使該合金在凝固的過程中發生多形性晶化轉變，最終形成一種復相組織。從而使合金在具有高強度的同時，具有高的壓縮線彈性應變和低的楊氏模量的良好配合。
本發明合金在高純氬氣保護下，通過銅模吸鑄這種冷卻速度較快的成型方式，使該合金在凝固過程中發生多形性的晶化轉變。隨著溫度的降低，按照相圖平衡結晶，發生如下轉變，液態合金首先發生L→Zr2Cu+L轉變，然后發生L→Zr2Cu+(β-Zr)的共晶轉變，最后發生(β-Zr)→(α-Zr)+Zr2Cu的共析轉變。由于本合金制備過程中冷卻速度較快，發生了非平衡凝固，從而抑制了Al和Ni等原子從Zr-Cu化合物中的析出，從而生成了具有Zr2Cu四方結構的固溶體，其平均成分為Zr59.78Cu27.27Al9.14Ni3.81，該固溶體形貌為板條馬氏體形態。同時，還生成了固溶Cu，Ni和Al元素的六方結構的α-Zr固溶體，還有少量的固溶Cu，Ni和Al元素的立方結構的β-Zr固溶體。這三種相所對應的X射線衍射峰如圖1所示。由于Al的原子尺寸與Zr和Cu的原子尺寸具有較大差異，因此，Al和Ni元素的固溶，使Zr2Cu相的晶格點陣發生畸變，從而形成了一種亞穩相固溶體-Zr2Cu結構的馬氏體組織。α-Zr固溶體相的尺寸為微米尺度，一些β-Zr固溶體相為30-50nm的等軸晶粒，但是含量很少，并主要分布于試樣橫截面的邊緣區域。最終獲得的合金是一個主要以Zr2Cu結構馬氏體加α-Zr固溶體和極少量的β-Zr固溶體組成的復相組織。
本發明首次獲得了室溫下壓縮線彈性應變為3.86％-4.75％，楊氏模量為29.8-38.1GPa，壓縮斷裂強度為1445-1477MPa的具有馬氏體相的Zr-Cu基多元合金。目前，世界報道金屬材料室溫下最高壓縮線彈性應變為2.9％，同時，也未發現本發明材料同時所具有的如此高壓縮線彈性應變和低揚氏模量的金屬材料，此楊氏模量與人骨的楊氏模量和高爾夫球頭要求的較佳的楊氏模量十分接近。因此，本發明的高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的具有馬氏體相的Zr-Cu基金屬材料在醫用結構材料、體育器材等領域具有很好的應用前景。
本發明的高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的具有馬氏體相的Zr-Cu基多元合金金屬材料與其它多元合金金屬材料和傳統金屬材料相比在組織和性能上有以下幾個特點1.本發明材料具有超高的壓縮線彈性應變，最高線彈性應變達4.75％。
2.本發明材料實現了高強度和低楊氏模量在同一合金內的良好結合，在具有高達1400MPa的斷裂強度的情況下，具有較低的楊氏模量，約29.8GPa，與人骨的楊氏模量和高爾夫球頭要求的較佳的楊氏模量十分接近。
3.本發明材料的組織由超細的馬氏體板條和微米尺度的α-Zr相固溶體組成，馬氏體板條寬度為100-300nm，α-Zr相尺度為1-3μm。
圖1是本發明Zr-Cu基多元合金X射線衍射圖。
圖2是吸鑄熔煉本發明合金示意圖。
圖3是本發明Zr-Cu基多元合金的微觀組織的透射電鏡明場像。
圖4是本發明Zr-Cu基多元合金的馬氏體板條間的界面和板條間的宏觀孿晶的透射電鏡明場像。
圖5是馬氏體板條內部微觀孿晶和層錯結構的高分辨透射電鏡照片。
圖6是本發明Zr-Cu基多元合金四個實施例試樣的室溫下壓縮應力應變曲線。
具體實施例方式
通過以下給出的四個實施例對本發明Zr-Cu基多元合金作進一步闡述。
1.本發明具有高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的Zr-Cu基多元合金四個實施例的化學成分如表1所示。
表1 Zr-Cu基多元合金化學成分
2.上述實施例合金的制備將Zr、Cu、Al、Ni、O、Zn、Fe和Mn等元素按預先設計加入成分進行配比，放入電弧爐熔煉室的水冷銅坩堝內。電弧熔煉設備如圖2所示。熔煉之前先將電弧爐熔煉室的真空度抽到0.008Pa的真空狀態，然后向熔煉真空室內通入0.05MPa的高純氬氣，在Ti吸氧的高純氬氣保護下，在水冷銅坩堝內使用電弧熔煉本發明合金，熔煉電流為350A，熔煉3min，翻面，熔煉過程中加電磁攪拌，反復翻面熔煉4次，使合金實現成分均勻。最后開動真空泵，將坩堝內的合金液體吸入銅模具內成型。通過化學成分分析，最終得到的合金成分原子計量比為如表1所示。本實驗中所用高純氬氣的純度都為99.999vol.％。
3，所獲上述實施例Zr-Cu基多元合金的微觀組織如圖3所示，該發明合金的組織主要由板條狀馬氏體(B區域)以及1-3μm的α-Zr固溶體(A區域)組成。其中多個板條聚集成一個團簇，每個團簇的尺寸在1-3μm之間，在每個團簇內板條的方向都是一致的，在板條之間存在著宏觀孿晶(如圖4所示)，以相鄰板條的界面對稱。再如5所示，在試樣的心部部分板條的內部存在微觀孿晶(折線所示)和堆垛層錯(箭頭所指)，每組孿晶板條寬度3～7nm。α-Zr固溶體主要聚集在馬氏體板條團簇的附近，因為冷卻過程中的成分偏析，使板條與α-Zr相伴生，兩相交替，并均勻的分布。這些特殊的結構決定了該合金所具有的特殊力學性能。合金成分與凝固過程中冷卻速度的變化會影響到馬氏體和α-Zr固溶體在合金內所占的體積分數，隨著Zr元素相對其他元素的含量增加，馬氏體相的數量在合金內的體積分數下降，α-Zr固溶體的體積分數上升，最終影響到合金的力學性能。
4.所獲上述實施例Zr-Cu基多元合金的力學性能
圖6中四條壓縮曲線分別為1、2、3和4號實施例的壓縮應力應變曲線，試樣尺寸為Φ5mm×10mm。從圖6中可以看到四條壓縮應力應變曲線都成線性。1號實施例線彈性應變為3.86％，楊氏模量為38.1Gpa；2號實施例線彈性應變為4.56％，楊氏模量為32.2GPa；3號實施例線彈性應變高達4.75％，在發生屈服后斷裂，斷裂強度為1445MPa，總應變量為4.92％，楊氏模量為29.8GPa；而4號實施例沒有發生屈服，斷裂強度達到1477MPa，線彈性應變為4.58％，楊氏模量為32.3GPa。合金的具體力學性能參數如表2中所示。
表2四個實施例的力學性能
權利要求
1.一種具有高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的Zr-Cu基多元合金，其特征在于由以下成分按原子百分比組成Zr60.000～64.000； Cu22.400～26.000； Al8.500～9.000；Ni3.800～4.090；O0.550～0.650；Fe0.181～0.240；Zn0.060～0.112；Mn0.008～0.012。
全文摘要
本發明涉及一種具有高壓縮線彈性應變和低楊氏模量的Zr－Cu基多元合金，它由以下成分按原子百分比組成Zr60.000～64.000；Cu22.400～26.000；Al8.500～9.000；Ni3.800～4.090；O0.550～0.650；Fe0.181～0.240；Zn0.060～0.112；Mn0.008～0.012。該合金室溫下壓縮線彈性應變為3.86％－4.75％，楊氏模量為29.8－38.1GPa，壓縮斷裂強度為1445－1477MPa。本發明Zr－Cu基多元合金在醫用結構材料、體育器材等領域具有很好的應用前景。
文檔編號C22C1/02GK1986858SQ20061001705
公開日2007年6月27日 申請日期2006年7月27日 優先權日2006年7月27日
發明者姜啟川, 邱豐, 王慧遠, 沈平 申請人:吉林大學