具有熱壓穩定性的鈣鎂銅非晶合金及其制備方法與流程

本發明屬于非晶態合金領域，涉及到一種在玻璃轉變溫度附近、一定壓力變形條件下具有結構穩定性的非晶合金及其制備方法。

背景技術：

在超過冷液態溫度區間，普通的金屬玻璃由于其有限的熱壓穩定性，容易發生結晶，從而使加工過程中止。傳統的具有超強玻璃形成能力金屬玻璃（鈀基），是適用于熱壓打印的潛在材料，但是種類有限，制造成本較高。因此探明傳統大塊金屬玻璃超強玻璃形成能力的秘密，開發一種成本低廉且適用熱壓打印的非晶合金材料是當前領域急需解決的關鍵核心問題。鈣鎂基金屬玻璃具有優異的玻璃形成能力，但是由于鈣和鎂元素活性較高，直接通過電弧熔煉接著銅模鑄造的方法，形成的材料成分較難控制，這是因為低熔點的原材料易揮發，導致其適用于熱壓打印的成分和工藝條件尚屬空白。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述分析，提供一種在一定壓力變形和溫度條件下具有結構穩定性的鈣鎂銅金屬玻璃的制備方法。我們的低溫反應燒結并一次銅模鑄造成型法較電弧熔煉和二次銅模鑄造法相比，制備工藝簡單、鑄造溫度可控，所獲得非晶合金質量較高，結構和性能可控。

實現本發明目的的技術方案為：

一種鈣鎂銅非晶合金，其成分ca(75-x)mg25cux，式中，x為原子百分比，滿足x=32~38。

所述的鈣鎂銅非晶合金的直徑范圍3~10mm，具有在126-140℃之間，壓力為60mpa以下保溫2小時維持非晶態不發生結晶的特性。

上述鈣鎂銅非晶合金的制備方法，具體步驟如下：

第一步，低溫熱壓反應燒結：將按比例充分混合均勻的原材料鈣、鎂、銅粉末倒入高純碳坩堝中，調整爐溫到預定溫度，在一定的壓力，高純氬氣保護氛圍下按步驟燒結：先在475~495℃、3~4gpa保24h，然后緩慢升溫到595~605℃、0.5~1gpa保溫4h，最后卸載壓力，升溫到705~715℃，保溫30min；

第二步，水冷銅模鑄造：在反應燒結完成后，將腔體反復抽真空、通氬氣3~5次，最后在低氬氣氛圍下，打開銅模底部真空泵將碳坩堝中的熔體吸入到銅模中快速冷卻得到鈣鎂銅金屬玻璃。

優選地，第一步中，鈣、鎂、銅粉末的粒徑為300目。

優選地，第二步中，低氬氣是在氣壓小于0.5個標準大氣壓下進行。

與現有技術相比，本發明的優點是：

（1）鈣、鎂和銅三種元素之間可以在低溫和惰性氣體保護下通過反應燒結成塊，因此得到的母合金成分準確，基于所得到的母合金使用銅模鑄造還可以獲得成分可控的大塊鈣鎂銅金屬玻璃。

（2）從工藝上講，實用熱壓反應燒結和銅模鑄造結合的機制可以實現鈣鎂銅金屬玻璃的一次成型，方法切實可行，同時，鈣鎂基非晶合金具有良好的生物相容性，且具有較高的比強度和比模量，在生物醫用材料方面具有巨大的應用前景，因此開發實用的制備工藝具有十分重要的意義。

附圖說明

圖1是本發明所述的鈣鎂銅非晶合金制備流程示意圖。

圖2是實施實例1得到的鈣鎂銅非晶合金示差掃描量熱法測得的dsc曲線圖。

圖3是實施實例1得到的鈣鎂銅非晶合金和熱壓保溫前后的x-射線衍射圖。

圖4是實施實例1熱壓保溫2h后得到的鈣鎂銅非晶合金非晶合金的透射電子顯微鏡檢測圖。

具體實施方式

以下結合附圖及實例對本發明做進一步詳細描述。

實施實例1

該實例采用低溫反應燒結并一次銅模鑄造成型法制備鈣鎂銅金屬玻璃，并用x射線衍射儀，透射電鏡進行了結構表征：

1）合金成分ca:mg:cu按原子百分比8:5:7稱取原材料粉體，充分混合均勻備用；

2）將混合好的合金粉體均勻倒入高純石墨坩堝（尺寸為20mm直徑，高度40mm）中，并放入壓頭，加10mpa預載10min；

3）在預載完成后，將系統真空抽至10^-5pa，然后通入高純氬氣（99.999%）使系統真空到半個大氣壓為止，如此反復抽真空通氬氣3-5次,緊閉閥門；

4）將壓力緩慢升高到3.8gpa后，緩慢升高（1℃/min）燒結坩堝溫度至485℃，保溫24h；

5）然后緩慢升溫（約1℃/min）到600℃、0.5-1gpa保溫4h；

6）接著緩慢卸載壓力至壓頭與試樣分離，緩慢升溫（1℃/min）到710℃，保溫20min；

7）在合金熔體充分保溫后，將系統銅模底部的真空閥打開，制造負壓將熔體吸入水冷銅模中，銅模內部槽尺寸可調（3-10mm）。合金熔體在快速冷卻過程中形成金屬玻璃。

8）用示差掃描量熱法測量熱力學信息，如圖2所示，對于合金成分為ca40mg25cu35金屬玻璃，在20℃/min升溫速度下，其玻璃轉變溫度約為126℃，結晶溫度為150℃。用x-射線衍射表征鈣鎂銅金屬玻璃結構，結果如圖3藍色曲線顯示為典型寬的漫散射峰，證明其結構為完全非晶結構。

9）將獲得的金屬玻璃棒材（如3mm直徑棒材），切割成高度為6mm圓柱樣品，在135℃保溫、10^-3pa真空下、50mpa壓強、10^-5/s應變速率下進行壓縮實驗，2h試驗后樣品利用x-射線衍射和高分辨透射電子顯微鏡檢測。

10）圖4的高分辨電鏡結果表明合金內部原子為迷宮狀圖樣，其結構為完全非晶態。測試結果表明所制備樣品具有優異的熱壓結構穩定性能。

實施實例2

該實例采用低溫反應燒結并一次銅模鑄造成型法制備鈣鎂銅金屬玻璃，并用x射線衍射儀，透射電鏡進行了結構表征：

1）合金成分ca:mg:cu按原子百分比42:25:33稱取原材料粉體，充分混合均勻備用；

2）將混合好的合金粉體均勻倒入高純石墨坩堝（尺寸為20mm直徑，高度40mm）中，并放入壓頭，加10mpa預載10min；

3）在預載完成后，將系統真空抽至10^-5pa，然后通入高純氬氣（99.999%）使系統真空到半個大氣壓為止，如此反復抽真空通氬氣3-5次,緊閉閥門；

4)將壓力緩慢升高到3.5gpa后，緩慢升高（1℃/min）燒結坩堝溫度至480℃，保溫20h；

5)然后緩慢升溫（1℃/min）到600℃、0.5-1gpa保溫4h；

6)接著緩慢卸載壓力至壓頭與試樣分離，緩慢升溫（1℃/min）到710℃，保溫20min；

7）在合金熔體充分保溫后，將系統銅模底部的真空閥打開，制造負壓將熔體吸入水冷銅模中，銅模內部槽尺寸可調（3-10mm）。合金熔體在快速冷卻過程中形成金屬玻璃。

8）用示差掃描量熱法測量熱力學信息，用x-射線衍射表征鈣鎂銅金屬玻璃結構

9）將獲得的金屬玻璃棒材（如3mm直徑棒材），切割成高度為6mm圓柱樣品，在135℃保溫、10^-3pa真空下、50mpa壓強、10^-5/s應變速率下進行壓縮實驗，2h試驗后樣品利用x-射線衍射和高分辨透射電子顯微鏡檢測，其測得的結果與實施例1中的結論一致。

實施實例3

該實例采用低溫反應燒結并一次銅模鑄造成型法制備鈣鎂銅金屬玻璃，并用x射線衍射儀，透射電鏡進行了結構表征：

1）合金成分ca:mg:cu按原子百分比38:25:37稱取原材料粉體，充分混合均勻備用；

2）將混合好的合金粉體均勻倒入高純石墨坩堝（尺寸為20mm直徑，高度40mm）中，并放入壓頭，加10mpa預載10min；

3）在預載完成后，將系統真空抽至10^-5pa，然后通入高純氬氣（99.999%）使系統真空到半個大氣壓為止，如此反復抽真空通氬氣3-5次,緊閉閥門；

4）將壓力緩慢升高到4gpa后，緩慢升高（1℃/min）燒結坩堝溫度至490℃，保溫28h；

5）然后緩慢升溫（1℃/min）到600℃、0.5-1gpa保溫4h；

6）接著緩慢卸載壓力至壓頭與試樣分離，緩慢升溫（1℃/min）到710℃，保溫20min；

7）在合金熔體充分保溫后，將系統銅模底部的真空閥打開，制造負壓將熔體吸入水冷銅模中，銅模內部槽尺寸可調（3-10mm）。合金熔體在快速冷卻過程中形成金屬玻璃。

8）用示差掃描量熱法測量熱力學信息，用x-射線衍射表征鈣鎂銅金屬玻璃結構

9）將獲得的金屬玻璃棒材（如3mm直徑棒材），切割成高度為6mm圓柱樣品，在135℃保溫、10^-3pa真空下、50mpa壓強、10^-5/s應變速率下進行壓縮實驗，2h試驗后樣品利用x-射線衍射和高分辨透射電子顯微鏡檢測，其測得的結果與實施例1中的結論一致。