一种哑铃状铁基块体金属玻璃试样的制备方法与流程

本发明属于金属玻璃技术领域，特别涉及一种结构完全非晶态的铁基块体金属玻璃哑铃状拉伸试样的制备方法。

背景技术：

金属玻璃是一种新型非晶态合金材料，其原子排列不具有三维周期性，但在几个原子间距范围内仍呈现出一定的有序性，具有优异的物理、化学、力学等性能，有望成为支撑未来精密机械、信息、航空航天、国防工业等高新技术的关键材料。铁基金属玻璃是组元中铁原子百分比最大的一类金属玻璃体系，饱和磁化强度在1.0～1.7T、矫顽力可低于1.0A/m、磁导率可达450000，软磁性能远优于传统的硅钢片，可以直接铸熔加工或3D打印成各种复杂结构的磁芯和器件，是节能变压器、电感器、无线电频率识别器等理想的磁性功能材料。此外，其耐腐蚀性能比常规不锈钢高10000倍，断裂强度可达4GPa以上，也是一类极具应用潜力的结构材料。据美国金属学会研究，如果钢材强度能提高5％，桥梁寿命将增加1％，经济效益达300亿美元；铁基块体金属玻璃断裂强度极高，可达碳钢的几倍至十几倍，若能将之应用于结构材料，产生的经济效益更是难以估量。近年来，在研究人员的不懈努力下，铁基块体金属玻璃的压缩塑性不断提升。然而，压缩实验属于限制型试验，样品端面与压头之间的摩擦力会影响样品的压缩变形量和破坏形式，严重影响铁基金属玻璃的变形行为，促使大量剪切带生成，从而承受施加的应变能，导致压缩性能非铁基金属玻璃的本征力学特性，阻碍了铁基块体金属玻璃塑性变形机理研究。而拉伸实验属于扩张型试验，实验仪器基本不会对实验材料的压缩变形量和破坏形式产生影响，所以更能反映材料的本征属性。因此，寻求具有拉伸塑性的金属玻璃材料是该领域的“圣杯”，研究铁基块体金属玻璃在拉应力场中断裂损伤机理也更有利于深入理解和揭示金属玻璃的变形破坏本质，具有重要的科学意义。然而，目前发现的超大压缩塑性铁基块体金属玻璃的临界尺寸很小，不到2.5mm，常规实验方法至今没有制备出结构完全非晶态的“哑铃状”拉伸试样，目前，现有研究制备出的只能是两端直接相同的柱状金属玻璃棒。本发明的是一种哑铃状的金属玻璃试样，两端粗中间细，这种样品在本发明之前不论是吸铸法还是喷铸法都制备不出来，原因铁基金属玻璃的非晶形成能力小，达不到传统方法制备哑铃状样品的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种哑铃状铁基块体金属玻璃试样的制备方法，以解决现有技术中无法制备出结构完全非晶态的哑铃状拉伸试样的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种哑铃状铁基块体金属玻璃试样的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，母合金锭的制备：所述母合金锭的化学式为Fe_80-x(Co，Ni，Cr，Mo)_x(P,B)_y(C,Si)_z，其中，y+z＝20；制备上述母合金锭的原料为：Fe颗粒，Ni颗粒，Fe₃P粉末，Cr粉，Mo粉，B颗粒，Si粉和石墨粉；按照母合金锭的成分，称取各原料，然后将各原料放入事先洗好并干燥的石英玻璃管中，将石英玻璃管接入抽真空装置中抽真空；向石英玻璃管内充入高纯Ar气，再次抽真空，进行洗气；最后，往石英玻璃管中通入0.85atm的Ar气做保护气体，利用1400～2000℃的火枪加热石英玻璃管底部，各元素加热熔化后融合为一个液态金属小球；待全部元素融入小球后，将石英玻璃管淬火在冷水中，得到母合金锭；

步骤二，母合金锭的提纯：将B₂O₃和CaO按照3：1的质量比混合，作为提纯介质，将混合好的提纯介质放置在封好的石英管内抽真空10分钟后，放置在1250℃的高温炉中加热，待提纯介质完全熔化呈透明装好，打开石英管，将步骤一合成的母合金锭放入提纯介质中，在1250℃下保温4小时以上；

步骤三，哑铃状石英管的制备：将石英管通过火枪加热至熔融状态后，在石英管两端均匀加载，将石英管拉长指所需长度，保持石英管两端相对位置固定，离开火枪高温区，使石英管自然冷却，即制备出哑铃状石英管；

步骤四，哑铃状金属玻璃试样的制备：把步骤三制备的哑铃状石英管的一端封口后，将经步骤二提纯后的母合金锭放置在石英管后接入抽真空装置，采用与步骤一相同的方法进行抽真空并洗气后，在0.85atm的Ar气的保护下，用火枪加热合金至熔融，然后抽真空10s去除保护气，再将熔融的金属球堵在细管端口，充入Ar气，利用气压将熔融金属压至哑铃状细管中后，立即将石英管放在1250℃的高温炉中保温，1分钟后取出立即放入冷水中淬火，从而得到哑铃状铁基块体金属玻璃试样。

所述步骤一中，石英玻璃管内的真空度为30Pa以下。

所述步骤一中，洗气过程进行4-5次。

步骤二中，母合金锭放入提纯介质保温的过程中，每间隔半小时从高温炉取出石英管，看样品自取出到再辉的过冷时间，待过冷时间达到最大值并保持稳定时，向石英管中充入略小于一个大气压的Ar气，将石英管淬火，取出样品，用酒精清洗后干燥，以备后用。

步骤三中，所述石英管的原始尺寸为：直径1厘米，壁厚1毫米。

本发明的有益效果是：

本发明创造性的提出先利用石英管吹出哑铃状，然后水淬内部熔体制备哑铃状的金属玻璃试样，本发明的方法是目前唯一可以制备铁基块体金属玻璃哑铃状试样的方法。

柱状非晶棒制备出来只能做压缩实验，因此，目前铁基块体金属玻璃力学性能的研究主要是研究压缩力学性能；但是哑铃状的金属玻璃试样制备出来以后可以做拉伸实验，这可以拓宽铁基块体金属玻璃力学性能的研究范围，更加本征的表征铁基金属玻璃的力学性能。利用本发明的方法制备哑铃状铁基块体金属玻璃试样能够填补这一方向的研究空白，有望取得突破性的成果。

附图说明

图1为本发明中制备的哑铃状石英管；

图2为本发明制备的哑铃状铁基块体金属玻璃试样；

图3为不同形态铁基块体金属玻璃的XRD与DSC图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例

本实施例的哑铃状铁基块体金属玻璃试样的制备方法，包括以下步骤：

(1)母合金锭的制备：母合金锭的化学式为Fe_80-x(Co，Ni，Cr，Mo)_x(P,B)_y(C,Si)_z，其中，y+z＝20；制备上述母合金锭的原料为：Fe颗粒(纯度99.98％)，Ni颗粒(纯度99.7％)，Fe₃P粉末(纯度99.9％)，Cr粉(纯度99.9％)，Mo粉(纯度99.9％)，B颗粒(纯度99.9％)，Si粉(纯度99.99％)和石墨粉(纯度99.9995％)。按照设定的合金成分按比例在精度为10^-5g的电子天平上称得药品后，将药品放入事先洗好的干燥的石英玻璃管中，将石英玻璃管接入实验装置中抽真空，石英玻璃管内的真空度在30Pa以下。向石英玻璃管内充入高纯Ar气，再次抽真空，这样的洗气过程进行4-5次。最后，往石英管中通入0.85atm左右的Ar气做保护气体，利用1400～2000℃的火枪加热石英玻璃管底部的药品，各元素加热熔化后融合为一个液态金属小球。待全部元素融入小球后，将石英玻璃管淬火在冷水中，得到母合金锭。

(2)母合金锭的提纯：将B₂O₃和CaO按照如下质量比例混合：B₂O₃：CaO＝3：1，将混合好的提纯介质放置在封好的石英管内抽真空10分钟后，放置在1250℃的高温炉中加热，待提纯介质完全熔化呈透明装好，打开石英管，将之前合成的母合金锭放入提纯介质中，在1250℃下下保温4小时以上。这个过程中，可每间隔半小时从高温炉取出石英管，看样品自取出到再辉的过冷时间，待过冷时间达到最大值并保持稳定时，向石英管中充入略小于一个大气压的Ar气，将石英管淬火，取出样品，用酒精清洗后干燥，以备后用。

(3)哑铃状石英管的制备：将直径约1厘米，壁厚1毫米左右的石英管通过Bench burners114/1PSL an火枪加热至熔融状态后，在石英管两端均匀加载，将石英管拉长指所需长度，保持石英管两端相对位置固定，离开火枪高温区，使石英管自然冷却，即制备出哑铃状石英管，如图1所示。

(4)哑铃状金属玻璃试样的制备：把哑铃状石英管的一端封口后，将氧化物提纯后的样品放置在这样特殊的石英管后接入实验系统，采用与步骤(1)相同的方法进行抽真空并洗气后，在0.85atm的Ar气的保护下，用火枪加热合金至熔融，然后抽真空10s去除保护气，再将熔融的金属球堵在细管端口，充入Ar气，利用气压将熔融金属压至哑铃状细管中后，立即将石英管放在1250℃的高温炉中保温，约1分钟后取出立即放入冷水中淬火，从而得到哑铃状铁基块体金属玻璃试样，如图2所示。

哑铃状金属玻璃试样的结构检测：

X射线衍射仪(XRD)检测：将制备出的哑铃状金属玻璃试样取一部分下来，再干净的容器中砸碎、研磨成粉末，在X射线衍射仪上检测析出相。

差示扫描量热仪(DSC)检测：样品质量用精度为0.1mg的精密电子天平称量。将金属玻璃样品通过DSC以0.67K/s的升温速率加热至过冷液相区放热峰附近的温度，然后冷却至室温，在将这些热处理后的样品进行DSC分析，观察放热峰的变化。

XRD与DSC实验表明，上述制备出的铁基合金棒和哑铃状合金均为非晶结构，如图3所示，即为合格的哑铃状金属玻璃试样。如果DSC没有明显的放热峰或者XRD有明显的晶化峰，测从头重复上述步骤，直至得到检测结果如图3所示的试样为止。

目前，现有研究制备出的只能是两端直接相同的柱状金属玻璃棒，而本发明的是一种哑铃状的铁基块体金属玻璃试样，其两端粗中间细，这种样品在本发明之前不论是吸铸法还是喷铸法都制备不出来，原因铁基金属玻璃的非晶形成能力小，达不到传统方法制备哑铃状样品的需求。

本发明创造性的提出先利用石英管吹出哑铃状，然后水淬内部熔体制备哑铃状的金属玻璃试样，该方法是目前唯一可以制备铁基块体金属玻璃哑铃状试样的方法。

柱状非晶棒制备出来只能做压缩实验，因此，目前铁基块体金属玻璃力学性能的研究主要是研究压缩力学性能；但是哑铃状的金属玻璃试样制备出来以后可以做拉伸实验，这可以拓宽铁基金属玻璃力学性能的研究范围，更加本征的表征铁基金属玻璃的力学性能。该方法也得到了领域内多位专家的肯定和好评，认为利用该方法制备哑铃状铁基金属玻璃试样能够填补这一方向的研究空白，有望取得突破性的成果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。