CN104959575B - 一种固‑液态连接异种大块非晶合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种固‑液态连接异种大块非晶合金的方法，涉及一种连接异种大块非晶合金的方法。本发明的目的是要解决现有连接异种大块非晶合金的方法需要控制的工艺参数繁多，且操作步骤复杂，经济实用性差的技术问题。本发明：用真空熔炼铜模铸造的方法，分别制备出大块非晶合金锭A和B，然后采用固‑液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固‑液态连接，最终得到异种大块非晶合金圆棒。本发明的优点：一、本发明充分利用了热量传输、溶质扩散、实现了固‑液态下的异种非晶合金原子尺度的冶金结合，工艺简便、容易操作，尺寸可控、合金的化学成分可控，可广泛应用于工业生产，从而可进一步拓宽大块非晶合金在工程领域中的应用。

Description

一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法

技术领域

本发明涉及一种连接异种大块非晶合金的方法。

背景技术

大块非晶合金是一种先进的金属材料，独特的短程有序、长程无序的类液态原子结构排布特征赋予其不同于传统晶态金属材料的优异性能，如高强度、高耐蚀性、高耐磨性等，因此，大块非晶合金被认为是一种性能优异的结构和功能材料，并在航天、航空、体育、医疗、军事等领域体现广泛的应用前景。

然而，制备非晶合金通常需要足够高的冷却速率(>10³K/s)以抑制晶化现象的产生，只有通过快速凝固技术才能将液态结构保留下来从而获得非晶态结构，但该制备方法严重限制了所获得样品的形状，使得所制备的非晶合金大多为条带、细丝、粉末等低维材料。尺寸上的限制已经成为非晶合金实际工业化应用的巨大障碍。采用连接方法把一种大块非晶合金与另一种大块非晶合金结合到一起，实现二者在原子尺度的冶金结合，这将可充分发挥二者各自的优越性能，同时还可大大增加非晶合金的三维尺寸，从而在极大程度上突破非晶合金的尺寸约束。多年来，科学家们采用各种连接方法，实现了大块非晶合金与晶态材料以及非晶合金之间的冶金结合，这些方法大体可分为两类，一类是液态连接，例如，激光、电子束、脉冲电流焊接等，另一类是固态连接，例如，摩擦焊接、搅拌摩擦焊接、爆炸焊接等，然而，对上述固态或液态连接方法而言，所需要控制的工艺参数繁多，且操作步骤复杂，经济实用性差，通常需要昂贵的专用设备以及复杂的工装夹具，这也限制了上述方法在非晶合金连接领域中的工业化应用。

发明内容

本发明的目的是要解决现有连接异种大块非晶合金的方法需要控制的工艺参数繁多，且操作步骤复杂，经济实用性差的技术问题，而提供一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法。

本发明的一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法是按以下步骤进行的：

用真空熔炼铜模铸造的方法分别制备出大块非晶合金锭A和B，然后采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接，最终得到异种大块非晶合金圆棒；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金锭A熔体浇注到模具Ⅰ中，冷却至室温，得到直径为a，长为h的固态非晶合金圆柱体A，将固态非晶合金圆柱体A放入到内腔带有空心圆环支架Ⅰ的模具Ⅱ中，并且固态非晶合金圆柱体A插入到空心圆环支架Ⅰ的空心内径中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅱ中充满为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为a，长为h的圆柱形；所述的模具Ⅱ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的空心圆环支架Ⅰ为内径为a，外径为b，且高度小于h的空心圆柱体；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的另一种方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金A浇注到内腔带有台阶型的型芯Ⅰ的模具Ⅰ中，冷却至室温，得到固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体和台阶型的型芯Ⅰ从模具Ⅰ中取出，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体再放入模具Ⅰ中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅰ中与固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体的高度相等为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的台阶型的型芯Ⅰ的一端直径为a，另一端直径为b，且a＜b。

本发明的优点：

一、本发明提出采用固-液态连接法，充分利用了热量传输、溶质扩散、实现了固-液态下的异种非晶合金原子尺度的冶金结合，工艺简便、容易操作，尺寸可控、合金的化学成分可控，可广泛应用于工业生产，从而可进一步拓宽大块非晶合金在工程领域中的应用；

二、本发明采用传统的真空熔炼铜模铸造法熔炼两种大块非晶合金熔体A和B，首先将一种合金熔体浇注到铜模具中获得固态非晶合金，将该固态合金放到铜模具中充当型芯，然后，再将浇注另外一种大块非晶合金熔体，固-液态瞬间复合使得二者达到冶金结合，从而实现异种大块非晶合金的连接。

附图说明

图1是试验一制备的异种大块非晶合金的实物图片；

图2是试验一制备的异种大块非晶合金的XRD图谱，曲线1是对图1中的端面的两种合金的界面附近进行X射线衍射测试结果，曲线2是对图1中的端面的外侧合金进行X射线衍射测试结果，曲线3是对图1中的端面的内侧合金进行X射线衍射测试结果；

图3是DSC曲线图，曲线1是试验一得到的异种大块非晶合金中的内部合金Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉的DSC曲线图，曲线2是试验一得到的异种大块非晶合金中的外部合金Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3的DSC曲线图；

图4是试验一制备的异种大块非晶合金的光学显微镜分析图片，区域A是异种大块非晶合金内部合金Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₈Al₉，区域B为异种大块非晶合金中的外部合金Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3，区域C是异种大块非晶合金连接的复合界面；

图5是试验一的工艺流程图；

图6是试验二制备的异种大块非晶合金的实物图片；

图7是试验二的工艺流程图；

图8是空心圆环支架Ⅰ；

图9是台阶型的型芯Ⅰ。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法，具体是按以下步骤进行的：用真空熔炼铜模铸造的方法分别制备出大块非晶合金锭A和B，然后采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接，最终得到异种大块非晶合金圆棒；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金锭A熔体浇注到模具Ⅰ中，冷却至室温，得到直径为a，长为h的固态非晶合金圆柱体A，将固态非晶合金圆柱体A放入到内腔带有空心圆环支架Ⅰ的模具Ⅱ中，并且固态非晶合金圆柱体A插入到空心圆环支架Ⅰ的空心内径中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅱ中充满为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为a，长为h的圆柱形；所述的模具Ⅱ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的空心圆环支架Ⅰ为内径为a，外径为b，且高度小于h的空心圆柱体；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的另一种方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金A浇注到内腔带有台阶型的型芯Ⅰ的模具Ⅰ中，冷却至室温，得到固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体和台阶型的型芯Ⅰ从模具Ⅰ中取出，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体再放入模具Ⅰ中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅰ中与固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体的高度相等为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的台阶型的型芯Ⅰ的一端直径为a，另一端直径为b，且a＜b。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的模具Ⅰ和模具Ⅱ的材质为紫铜。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：所述的真空熔炼铜模铸造的方法是在磁控钨极电弧炉中，采用电弧熔炼的方法完成的。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：所述的非晶合金A为Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉、Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al₁₂、Zr₆₅Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5、Zr₅₇Ti₅Al₁₀Cu₂₀Ni₈、Zr₅₃Co_18.5Al_23.5Ag₅、Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni10Be_22.5、Zr₄₆Cu_30.14Ag_8.36Al₈Be_7.5、Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀、Cu₄₆Zr₃₇Al₇Y₁₀、Cu₄₆Zr₄₅Al₇Y₂、Cu₄₆Zr₄₂Al₇Y₅、Y₃₆Sc₂₀Al₂₄Co₂₀、Y₃₆Sc₂₀Al₂₄Ni₁₀、Mg₆₅Cu₁₅Ag₁₀Er₁₀、Mg₆₅Cu_7.5Ni_7.5Zn₅Ag₅Y₁₀、La₅₅Al₂₅Ni₅Cu₁₀Co₅、Pd₄₀Ni₄₀P₂₀、Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀、Ti₄₀Zr₂₅Ni₈Cu₉Be₁₈、Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四的不同点是：所述的非晶合金B为Cu₄₆Zr₄₂Al₇Y₅、Y₃₆Sc₂₀Al₂₄Co₂₀、Y₃₆Sc₂₀Al₂₄Ni₁₀、Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉、Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3、Zr₅₃Co_18.5Al_23.5Ag₅、Zr₆₅Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5、Zr₅₇Ti₅Al₁₀Cu₂₀Ni₈、Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni10Be_22.5、Zr₄₆Cu_30.14Ag_8.36Al₈Be_7.5、Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀、Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂、Pd₄₀Ni₄₀P₂₀。其他与具体实施方式一至四相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验为一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法，具体是按以下步骤进行的：用真空熔炼铜模铸造的方法分别制备出大块非晶合金锭A和B，然后采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中连实现固-液态连接，最终得到异种大块非晶合金圆棒；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的具体实施方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金锭A熔体浇注到模具Ⅰ中，冷却至室温，得到直径为a，长为h的固态非晶合金圆柱体A，将固态非晶合金圆柱体A放入到内腔带有空心圆环支架Ⅰ的模具Ⅱ中，并且固态非晶合金圆柱体A插入到空心圆环支架Ⅰ的空心内径中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅱ中充满为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为a，长为h的圆柱形；所述的模具Ⅱ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的空心圆环支架Ⅰ为内径为a，外径为b，且高度小于h的空心圆柱体；

所述的模具Ⅰ和模具Ⅱ的材质为紫铜；所述的真空熔炼铜模铸造的方法是在磁控钨极电弧炉中，采用电弧熔炼的方法完成的；所述的非晶合金A为Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉；所述的非晶合金B为Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3，所述的a为4mm，b为10mm。

试验二：本试验为一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法，具体是按以下步骤进行的：用真空熔炼铜模铸造的方法分别制备出大块非晶合金锭A和B，然后采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中连实现固-液态连接，最终得到异种大块非晶合金圆棒；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的另一种具体实施方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金A浇注到内腔带有台阶型的型芯Ⅰ的模具Ⅰ中，冷却至室温，得到固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体和台阶型的型芯Ⅰ从模具Ⅰ中取出，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体再放入模具Ⅰ中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅰ中与固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体的高度相等为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的台阶型的型芯Ⅰ的一端直径为a，另一端直径为b，且a＜b。

所述的模具Ⅰ材质为紫铜；所述的真空熔炼铜模铸造的方法是在磁控钨极电弧炉中，采用电弧熔炼的方法完成的；所述的非晶合金A为Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉；所述的非晶合金B为Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3，所述的a为5mm，b为10mm。

图1是试验一制备的异种大块非晶合金的实物图片，图6是试验二制备的异种大块非晶合金的实物图片，从图中端面可以看出里外合金结合良好。

图2是试验一制备的异种大块非晶合金的XRD图谱，曲线1是对图1中的端面的两种合金的界面附近进行X射线衍射测试结果，曲线2是对图1中的端面的内侧合金进行X射线衍射测试结果，曲线3是对图1中的端面的外侧合金进行X射线衍射测试结果，从图中可以看出该异种大块非晶合金的复合交界面，以及成分单一的部位在X射线衍射测试的精度范畴内基本为非晶相结构。

图3是DSC曲线图(加热速率为20K/min)，曲线1是试验一得到的异种大块非晶合金中的内部合金Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉的DSC曲线图，曲线2是试验一得到的异种大块非晶合金中的外部合金Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3的DSC曲线图，从图中可以看出异种大块非晶合金中的外部合金Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3的相关热分析参数为：玻璃转变温度T_g＝719K，晶化温度T_x＝799K；而异种大块非晶合金内部合金Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₈Al₉的相关热分析参数为：玻璃转变温度T_g＝712K，晶化温度T_x＝743K；从而可以说明这两种合金是非晶，是在非晶状态下的连接。

图4是试验一制备的异种大块非晶合金的光学显微镜分析图片，区域A是异种大块非晶合金内部合金Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₈Al₉，区域B为异种大块非晶合金中的外部合金Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3，区域C是异种非晶合金的复合界面，从图中可以清楚地看到，此异种大块非晶合金的两种不同非晶合金紧密地连接在一起，没有明显的气孔、空洞以及夹杂出现，呈现冶金结合特征，这也说明，采用本试验的固-液态连接的方法来实现异种大块非晶合金的连接，可以获得良好的复合界面。

Claims (1)

1.一种固-液态连接异种大块非晶合金的方法，其特征在于固-液态连接异种大块非晶合金的方法是按以下步骤进行的：

用真空熔炼铜模铸造的方法分别制备出大块非晶合金锭A和B，然后采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接，最终得到异种大块非晶合金圆棒；

所述的采用固-液态连接的方法使大块非晶合金A和B在内部带有支架的模具中实现固-液态连接的具体实施方法为：

在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金A浇注到内腔带有台阶型的型芯Ⅰ的模具Ⅰ中，冷却至室温，得到固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体和台阶型的型芯Ⅰ从模具Ⅰ中取出，将固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体再放入模具Ⅰ中，再次在磁控钨极电弧炉中，将大块非晶合金B浇注到模具Ⅰ中与固态的内径为a，外径为b的非晶合金A空心圆柱体的高度相等为止；所述的模具Ⅰ的内腔为直径为b，长为h的圆柱形；所述的台阶型的型芯Ⅰ的一端直径为a，另一端直径为b，且a＜b；

所述的模具Ⅰ材质为紫铜；所述的真空熔炼铜模铸造的方法是在磁控钨极电弧炉中，采用电弧熔炼的方法完成的；所述的非晶合金A为Zr₅₁Ti₅Ni₁₀Cu₂₅Al₉；所述的非晶合金B为Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3，所述的a为5mm，b为10mm。