(ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金、制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Zr基非晶合金制造技术领域，具体涉及一种具有高非晶形成能力和 可制造能力的（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金、制备和应用。
【背景技术】
[0002] Zr基非晶合金由于其结构的特殊性使其具有诸多优异的性能，如：高强度 (1500-2000MPa)、高硬度（约HRC50)、高弹性极限（约2% )、优异的耐腐蚀性和液态近终 成形性等，在消费电子、医疗卫生、航空航天和交通运输等领域具有重要应用前景。
[0003] 对于Zr基非晶合金，目前已经开发出多种合金成分，如美国开发的 Zr-Ti-Cu-Ni-Be体系的合金系，临界冷速达到lK/s，非晶形成能力强、可制造能力强， 但该合金体系中由于有毒元素Be元素的存在，制约其广泛应用。Zr-Ti-Cu-Ni-Al与 Zr-Nb-Cu-Ni-Al非晶合金，其非晶形成尺寸为非晶形成能力相对较弱；日本开发 的Zr-Al-Ni-Cu合金体系，其非晶形成尺寸可以达到巾30mm，但该合金体系所需制备条件 比较苛刻，需要高纯度原材料和高真空度制备技术，制约了其应用。
[0004] 为了提高Zr基非晶合金形成能力，通过调整Zr-Cu-Ni-Al合金成分和加入合金元 素的方法做了大量研宄工作，但工作主要集中于Zr-Cu-Ni-Al非晶合金本身的形成能力的 研宄。在Zr-Cu-Ni-Al合金单独加入Ag、Ti、Fe、Hf和稀土Re元素，也有Ag与Re同时加 入，但其加入的原理没有明确说明（或机理不清），以至于所加元素及其含量没有针对性， 所述合金的非晶可制造能力提高不明显或未知。
[0005]Zr-Cu-Ni-Al合金使用过程中可制造能力（即采用工业级原材料、低真空制备和 多次循环利用制备对非晶形成能力的影响）决定了其应用的可行性。针对此，本发明开发 了一种（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金，该非晶合金具有优异的非晶形成能力和可制 造能力，具有优异的力学性能和更为优异的抗菌抑菌功能，在消费电子、医疗卫生、交通运 输等领域中具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0006] 本发明在Zr-Cu-Ni-Al合金中同时添加M、N和Re元素，获得了具有高非晶形成能 力和可制造能力、优异的力学性能和抗菌抑菌功能的（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)合金，为该 合金的应用奠定了基础。
[0007] Zr-Cu-Ni-Al非晶合金具有优异的力学性能和形成能力，但其可制造能力相对较 差，即在实际应用制备过程中综合考虑成形、缺陷控制、生产效率和成本等因素：实际生产 原料纯度和制备真空度相对较低，使其非晶形成能力大幅度降低，可制造能力降低，制约了 实际应用。本发明综合考虑了Zr-Cu-Ni-Al系非晶形成能力和可制造能力，旨在解决制约 其应用的瓶颈问题。通过研宄发现，Zr-Al-Ni-Cu合金熔体在凝固过程中易于析出CuZr化 合物，如果有效抑制CuZr化合物的析出，可以使其可制造能力获得提高。本发明提出添加 少量与易于析出CuZr化合物中Cu、Zr相近似元素和稀土元素Re:与Cu相近似元素N(Ag)， 与Zr相近似元素M(Hf，Ti)，致使在合金凝固过程中Cu和N与Zr元素相互竞争形成化合 物（CuZr和AgCu化合物）、Zr和M(Hf，Ti)元素相互竞争形成化合物（如CuZr，CuHf)， 互相竞争的结果是致使凝固过程复杂，抑制了CuZr化合物的析出，使合金非晶形成能力和 可制造能力增强；添加少量稀土元素Re，能够有效降低由于真空度低导致氧含量增加对非 晶形成能力的影响，一方面稀土元素Re与氧结合形成氧化物，浮于表面，从而抑制了氧与 其它元素结合，另一方面Re的添加增加了合金元素的复杂性，使其非晶形成能力增强。在 Zr-Cu-Ni-Al合金中同时添加M、N和Re显著增加了该合金的形成能力和可制造性。单独 添加M、N、Re都有一定作用，但同时添加效果最佳。
[0008] 本发明的技术方案：
[0009] -类（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金，按原子百分比计，合金的成分范围为： Zr40 ~65%，Cu18 ~46%，Ni2 ~15%，A1 4 ~15%，M0? 1 ~3%，N0? 05 ~3%，稀 土元素Re0. 1~2%，其中，M为Hf和/或Ti，N为Ag，稀土元素Re为Y、Gd、Er、Sc或其 组合。
[0010] 最佳成分范围：Zr50 ~55%，Cu28 ~35%，Ni4 ~7%，A1 5 ~11%，M0? 1 ~ 1. 0%，N0? 05 ~1. 0%，稀土元素Re0? 1 ~1. 0%。
[0011] 本发明的特点是在Zr-Cu-Ni-Al合金基础上同时添加少量M、N和Re元素。在实 际应用中，综合考虑成本、力学性能和样件表面质量等因素，Hf、Ag和Re元素原子百分比含 量分别控制在彡1 %为最佳，Ti彡2%。
[0012] 本发明所述（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-Re非晶合金的制备方法，其特征在于：以工业级 纯度的金属Zr、Cu、Ni、Al、M、N和Re为原料，通过电弧熔炼或者感应熔炼的方法制备所需 成分的母合金锭；然后电弧加热或感应加热，并通过金属模浇铸或压铸方法获得所述非晶 合金样件，制备工艺参数为：真空度1X101~l(T3Pa，或充入氩气，熔化温度860~1200°C， 冷却速度10~1〇3K/s。
[0013] 本发明所述（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-Re非晶合金可应用于消费电子、医疗卫生、航空 航天或交通运输领域中，用于制备复杂构件。
[0014] 本发明所述（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金具有如下特点：
[0015] 1、该非晶合金具有高的形成能力，尤其是具有较好的可制造能力，最优非晶形成 能力大于20mm。利用工业化制造技术，该合金重复熔化浇铸制备样件4次以上，仍能够形成 非晶，保证了质量，能够满足实际生产需求。
[0016] 2、该非晶合金的力学性能为：压缩断裂强度大于1500Pa，由于合金中有Ag元素存 在，所述非晶合金具有更为优异的抗菌抑菌功能。
[0017] 3、以工业级纯度的金属21~、(：11、附、六1、1^和1^为原料即可制备该非晶合金，且 对真空度要求不高。
[0018] 4、该非晶合金可广泛应用于消费电子、医疗卫生、交通运输等领域中，是制备复 杂、薄壁零部件的理想材料，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0019] 图1非晶合金零部件示意图。
【具体实施方式】
[0020] 本实施例所采用的原料（Zr，Hf，Ti，Cu，Ni，Al，Ag，Y，Gd、Sc)均为工业级纯度的 金属，Zr和Ti金属为海绵锆、海绵钛，Hf也可以选择含一定量Hf的海绵锆，按原子百分比 配好原料后，在氩气保护下，经电弧熔炼或感应熔炼制备出母合金锭。为了保证所炼合金 锭均匀，在电弧熔炼母合金锭时，需翻转3~4次，然后通过Cu模具浇铸，感应加热温度约 1000°C，真空度 10-1 ~10_2Pa。
[0021] 实施例1~17如表1所示（制备工艺相同）：
[0022] 表1. (ZrM)-(CuN)_Ni-Al-(Re)合金成分、形成非晶尺寸和力学性能
[0023]
[0024]
【主权项】
1. 一种（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金，其特征在于，按原子百分比计：Zr 40~ 65%，Cu 18 ~46%，Ni 2 ~15%，Al 4 ~15%，M 0· 1 ~3%，N0.0 5 ~3%，稀土元素 Re 0. 1~2%，其中，M为Hf和/或Ti，N为Ag，稀土元素 Re为Y、Gd、Er、Sc或其组合。
2. 按照权利要求1所述的（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金，其特征在于：Hf、Ag和 Re原子百分比分别控制在彡1%，Ti彡2%。
3. 按照权利要求1所述（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-Re非晶合金，其特征在于，按原子百分 比计，优化的合金成分范围为：Zr 50~55%，Cu 28~35%，Ni 4~7%，Al 5~11%，M 0· 1 ~L 0%，N 0· 05 ~L 0%，稀土元素 Re 0· 1 ~L 0%。
4. 一种权利要求1所述（ZrM)-(CuN)-Ni-Al-Re非晶合金的制备方法，其特征在于：以 工业级纯度的金属Zr、Cu、Ni、Al、M、N和Re为原料，通过电弧熔炼或者感应熔炼的方法制 备所需成分的母合金锭；然后电弧加热或感应加热，并通过金属模浇铸或压铸方法获得所 述非晶合金样件，制备工艺参数为：真空度P IO1~KT3Pa,或充入氩气，熔化温度860~ 1200°C，冷却速度 10 ~103K/s。
5. -种权利要求1所述（ZrM) - (CuN)-Ni-Al-Re非晶合金的应用，其特征在于：所述非 晶合金可应用于消费电子、医疗卫生、航空航天或交通运输领域中。
6. 按照权利要求5所述（ZrM) - (CuN) -Ni-Al-Re非晶合金的应用，其特征在于：所述非 晶合金用于制备复杂构件。
【专利摘要】本发明公开了一种(ZrM)-(CuN)-Ni-Al-(Re)非晶合金，合金的成分范围为：按原子百分比计，Zr40～65％，Cu18～46％，Ni2～15％，Al4～15％，M(Hf、Ti或Hf+Ti)0.1～3％，N(Ag)0.05～3％，稀土元素Re(Y、Gd、Sc、Er或其组合)0.1～2％。其特点是在Zr-Al-Ni-Cu非晶合金基础上同时添加少量M、N和Re元素，使得该合金不仅具有较强的非晶形成能力，而且具有优异的可制造能力和较好的抗菌性能，同时保持了Zr-Al-Ni-Cu非晶合金优异的力学性能，是制备消费电子、医疗卫生、汽车等复杂、薄壁零部件的理想材料。
【IPC分类】C22C45-00, C22C45-10
【公开号】CN104651756
【申请号】CN201510082525
【发明人】张海峰, 李正坤, 于德川, 付华萌, 朱正旺, 王爱民, 李宏, 张宏伟
【申请人】中国科学院金属研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月15日