一种各向异性块体金属玻璃的制备方法与流程

本发明涉及一种各向异性块体金属玻璃的制备方法，属于材料制备领域。

背景技术：

金属玻璃又称作非晶态合金，不同于传统金属材料具有有序的晶体结构，金属玻璃内部结构呈现出长程无序的状态，这样的结构使得金属玻璃相较传统金属材料具有更为优异的力学性能，如高强度、高弹性、高韧性以及高硬度等一系列性能，这也使得金属玻璃成为未来最具潜力的工程材料。由于金属玻璃内部缺乏长程的晶体结构，不会如同传统金属材料一样，因为内部晶体取向的不同而呈现出宏观性能的各向异性。材料的各向异性，作为一种独特性能,可满足一些特殊应用需求。为使得金属玻璃呈现各向异性,在美国爱荷华州立大学Ott等的研究中通过等温拉伸蠕变的方法使Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5块体金属玻璃呈现出了结构各向异性；而在英国剑桥大学Concustell等的研究中则通过单轴热压的方法使Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀块体金属玻璃展现出了宏观弹性性能的各向异性；此外，中国发明专利CN101673605B通过将块体金属玻璃在磁场下退火进行反玻璃化处理，获得了具有优异性能的各向异性纳米/非晶复合永磁材料。然而，以上的研究报道中均为通过对金属玻璃进行后处理的方法使其呈现出各向异性，如何在金属玻璃的制备过程中引入各向异性仍是我们需要面对的问题。

块体金属玻璃的制备通常是通过特定体系的熔融合金液快速冷却凝固实现，凝固后的块体金属玻璃继承了合金在液相中的短程有序团簇结构，而凝固后的块体金属玻璃内部团簇结构则呈现为长程无序排列，并使得制备的块体金属玻璃表现为宏观各向同性。上述块体金属玻璃内部短程有序团簇结构的存在，为在冷却凝固过程中制备具有宏观各向异性的块体金属玻璃提供了可能。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种各向异性块体金属玻璃的制备方法，通过对熔融合金液在凝固过程中的热流控制与单向冷却，实现宏观力学性能各向异性全非晶态块体金属玻璃的制备。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

一种热流控制单向冷却装置，包括管式坩埚、隔热挡板、冷却介质、加热装置以及抽拉杆，包括管式坩埚、隔热挡板、加热装置、冷却介质以及抽拉杆，管式坩埚一端与抽拉杆一端相连接，随抽拉杆沿轴向运动；冷却介质穿过抽拉杆设置在管式坩埚下方，加热装置设置在管式坩埚四周，在冷却介质与加热装置之间设置有隔热挡板。

管式坩埚内可装入特定尺寸与成份的合金棒；加热装置可对管式坩埚整体或部分加热，并保证制备过程中管式坩埚上部合金始终处于熔融状态；管式坩埚可随同抽拉杆沿轴向向下匀速运动，当管式坩埚下部没入冷却介质后可实现上部熔融合金液的快速冷却凝固；此外，在冷却介质与加热装置之间加装有隔热挡板，起到隔热的作用。

利用上述装置制备各向异性块体金属玻璃的方法，包括以下步骤：

第一步：预制出直径3～6mm特定组分的合金棒，接着置入相应内径的管式坩埚中，并置于高纯惰性气体环境下保护；

第二步：采用加热装置对装有合金棒材的管式坩埚整体加热，并使管式坩埚内的合金棒材完全熔融为合金液；

第三步：通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以1～5mm/s的速度匀速没入冷却介质中，实现对合金液凝固过程中的热流控制与单向冷却，并完成宏观力学性能各向异性全非晶态块体金属玻璃的制备。

进一步的，第一步中所述管式坩埚材质为石墨、刚玉、石英或不锈钢。

进一步的，第一步中所述高纯惰性气体采用高纯氩气或高纯氦气。

进一步的，第二步中所述加热装置为电阻炉或感应加热线圈。

进一步的，第三步中所述冷却介质选用具有较高导热效率的Ga-In合金。

与现有技术相比，本发明的优点与创新点在于：

1、本发明通过对块体金属玻璃在制备冷却凝固过程中的热流控制与单向冷却，实现了块体金属玻璃内部短程有序团簇结构的重排，并完成宏观力学性能各向异性全非晶态块体金属玻璃的制备。

2、本发明所制备各向异性块体金属玻璃宏观力学性能差异显著，平行热流方向截面的纳米压痕显微硬度值可显著高出垂直热流方向截面2～6％。

附图说明

图1为本发明所涉及热流控制单向冷却装置结构示意图。

图2为本发明制备的V1块体金属玻璃横、纵截面X射线衍射图谱。

图3为本发明制备的V1块体金属玻璃横、纵截面纳米压痕硬度对比图。

图1中，1为管式坩埚，2为熔融合金液，3为隔热挡板，4为冷却介质，5为加热装置，6为凝固合金，7为抽拉杆。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种热流控制单向冷却装置，包括管式坩埚1、隔热挡板3、冷却介质4、加热装置5以及抽拉杆7。其中，管式坩埚1内盛有熔融合金液2与冷却后的凝固合金6；加热装置5能对管式坩埚1整体或上部加热，并保证制备过程中熔融合金液2始终处于熔融状态；管式坩埚1下端与抽拉杆7上端相连接，管式坩埚1可随同抽拉杆7沿轴向向下匀速运动；当管式坩埚1下部没入冷却介质4后可实现熔融合金液2的快速冷却而形成凝固合金6；隔热挡板3介于冷却介质4与加热装置5之间，起到隔热的作用。

实施例1

制备各向异性V1(Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5)块体金属玻璃。

具体制备过程如下：

第一步：预制出直径3mm，组分为Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5的合金棒材，接着置入内径3mm的开口石墨管式坩埚中，并将整个装置至于高纯氩气环境下保护。

第二步：通过加热装置(感应加热线圈)对装有V1合金棒材的石墨管式坩埚整体加热，并使管式坩埚内的V1合金棒材完全熔融为合金液。

第三步：通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以1mm/s的速度匀速没入冷却介质Ga-In合金中，完成各向异性全非晶态V1块体金属玻璃的制备。

图2展示了按上述方案制备的V1块体金属玻璃垂直于热流方向的横截面(Cross section)与平行于于热流方向的纵截面(Longitudinal section)上所测得的XRD图谱，从图中我们可以看到两者的XRD图谱均呈现出典型的非晶相馒头峰，表明了试样为全非晶结构。而在图3中,我们可以观察到,相较于铜模快淬(CMC)V1块体金属玻璃基本一致的横、纵截面纳米压痕显微硬度，通过热流控制单向冷却制备的V1块体金属玻璃(1mm/s)纵截面纳米压痕显微硬度值显著高出其横截面约6％。表明通过上述方法成功实现了宏观力学性能各向异性全非晶态V1块体金属玻璃的制备。

实施例2

制备各向异性V1(Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5)块体金属玻璃。

具体制备过程如下：

第一步：预制出直径6mm，组分为Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5的合金棒材，接着置入内径6mm的开口石墨管式坩埚中，并将整个装置至于高纯氩气环境下保护。

第二步：通过加热装置5(感应加热线圈)对装有V1合金棒材的石墨管式坩埚整体加热，并使管式坩埚内的V1合金棒材完全熔融为合金液。

第三步：通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以5mm/s的速度匀速没入冷却介质Ga-In合金中，完成各向异性全非晶态V1块体金属玻璃的制备。

制备完成后的V1块体金属玻璃，XRD测试结果表明其为全非晶结构，纳米压痕测试结果表明其纵截面纳米压痕显微硬度值显著高出其横截面约2％。表明通过上述方法成功实现了宏观力学性能各向异性全非晶态V1块体金属玻璃的制备。

实施例3

制备各向异性Pd基(Pt₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀)块体金属玻璃。

具体制备过程如下：

第一步：预制出直径5mm，组分为Pt₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀的合金棒材，接着置入内径5mm的可密封不锈钢管式坩埚中，对坩埚内部抽真空并充入高纯氦气进行保护后密封。

第二步：通过加热装置(电阻炉)对装有Pd基合金棒材的不锈钢管式坩埚整体加热，并使的管式坩埚内的Pd基合金棒材完全熔融为合金液。

第三步：通过抽拉杆带动管式坩埚沿轴向向下以2mm/s的速度匀速没入冷却介质Ga-In合金中，完成各向异性全非晶态Pd基块体金属玻璃的制备。

制备完成后的Pd基块体金属玻璃，XRD测试结果表明其为全非晶结构，纳米压痕测试结果表明其纵截面纳米压痕显微硬度值显著高出其横截面约5％。表明通过上述方法成功实现了宏观力学性能各向异性全非晶态Pd基块体金属玻璃的制备。