本發(fā)明涉及一種各向異性塊體金屬玻璃的制備方法，屬于材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

金屬玻璃又稱作非晶態(tài)合金，不同于傳統(tǒng)金屬材料具有有序的晶體結(jié)構(gòu)，金屬玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出長程無序的狀態(tài)，這樣的結(jié)構(gòu)使得金屬玻璃相較傳統(tǒng)金屬材料具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高彈性、高韌性以及高硬度等一系列性能，這也使得金屬玻璃成為未來最具潛力的工程材料。由于金屬玻璃內(nèi)部缺乏長程的晶體結(jié)構(gòu)，不會如同傳統(tǒng)金屬材料一樣，因?yàn)閮?nèi)部晶體取向的不同而呈現(xiàn)出宏觀性能的各向異性。材料的各向異性，作為一種獨(dú)特性能,可滿足一些特殊應(yīng)用需求。為使得金屬玻璃呈現(xiàn)各向異性,在美國愛荷華州立大學(xué)Ott等的研究中通過等溫拉伸蠕變的方法使Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5塊體金屬玻璃呈現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)各向異性；而在英國劍橋大學(xué)Concustell等的研究中則通過單軸熱壓的方法使Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀塊體金屬玻璃展現(xiàn)出了宏觀彈性性能的各向異性；此外，中國發(fā)明專利CN101673605B通過將塊體金屬玻璃在磁場下退火進(jìn)行反玻璃化處理，獲得了具有優(yōu)異性能的各向異性納米/非晶復(fù)合永磁材料。然而，以上的研究報道中均為通過對金屬玻璃進(jìn)行后處理的方法使其呈現(xiàn)出各向異性，如何在金屬玻璃的制備過程中引入各向異性仍是我們需要面對的問題。

塊體金屬玻璃的制備通常是通過特定體系的熔融合金液快速冷卻凝固實(shí)現(xiàn)，凝固后的塊體金屬玻璃繼承了合金在液相中的短程有序團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，而凝固后的塊體金屬玻璃內(nèi)部團(tuán)簇結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)為長程無序排列，并使得制備的塊體金屬玻璃表現(xiàn)為宏觀各向同性。上述塊體金屬玻璃內(nèi)部短程有序團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的存在，為在冷卻凝固過程中制備具有宏觀各向異性的塊體金屬玻璃提供了可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種各向異性塊體金屬玻璃的制備方法，通過對熔融合金液在凝固過程中的熱流控制與單向冷卻，實(shí)現(xiàn)宏觀力學(xué)性能各向異性全非晶態(tài)塊體金屬玻璃的制備。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種熱流控制單向冷卻裝置，包括管式坩堝、隔熱擋板、冷卻介質(zhì)、加熱裝置以及抽拉桿，包括管式坩堝、隔熱擋板、加熱裝置、冷卻介質(zhì)以及抽拉桿，管式坩堝一端與抽拉桿一端相連接，隨抽拉桿沿軸向運(yùn)動；冷卻介質(zhì)穿過抽拉桿設(shè)置在管式坩堝下方，加熱裝置設(shè)置在管式坩堝四周，在冷卻介質(zhì)與加熱裝置之間設(shè)置有隔熱擋板。

管式坩堝內(nèi)可裝入特定尺寸與成份的合金棒；加熱裝置可對管式坩堝整體或部分加熱，并保證制備過程中管式坩堝上部合金始終處于熔融狀態(tài)；管式坩堝可隨同抽拉桿沿軸向向下勻速運(yùn)動，當(dāng)管式坩堝下部沒入冷卻介質(zhì)后可實(shí)現(xiàn)上部熔融合金液的快速冷卻凝固；此外，在冷卻介質(zhì)與加熱裝置之間加裝有隔熱擋板，起到隔熱的作用。

利用上述裝置制備各向異性塊體金屬玻璃的方法，包括以下步驟：

第一步：預(yù)制出直徑3～6mm特定組分的合金棒，接著置入相應(yīng)內(nèi)徑的管式坩堝中，并置于高純惰性氣體環(huán)境下保護(hù)；

第二步：采用加熱裝置對裝有合金棒材的管式坩堝整體加熱，并使管式坩堝內(nèi)的合金棒材完全熔融為合金液；

第三步：通過抽拉桿帶動管式坩堝沿軸向向下以1～5mm/s的速度勻速沒入冷卻介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)對合金液凝固過程中的熱流控制與單向冷卻，并完成宏觀力學(xué)性能各向異性全非晶態(tài)塊體金屬玻璃的制備。

進(jìn)一步的，第一步中所述管式坩堝材質(zhì)為石墨、剛玉、石英或不銹鋼。

進(jìn)一步的，第一步中所述高純惰性氣體采用高純氬氣或高純氦氣。

進(jìn)一步的，第二步中所述加熱裝置為電阻爐或感應(yīng)加熱線圈。

進(jìn)一步的，第三步中所述冷卻介質(zhì)選用具有較高導(dǎo)熱效率的Ga-In合金。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明通過對塊體金屬玻璃在制備冷卻凝固過程中的熱流控制與單向冷卻，實(shí)現(xiàn)了塊體金屬玻璃內(nèi)部短程有序團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的重排，并完成宏觀力學(xué)性能各向異性全非晶態(tài)塊體金屬玻璃的制備。

2、本發(fā)明所制備各向異性塊體金屬玻璃宏觀力學(xué)性能差異顯著，平行熱流方向截面的納米壓痕顯微硬度值可顯著高出垂直熱流方向截面2～6％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉及熱流控制單向冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明制備的V1塊體金屬玻璃橫、縱截面X射線衍射圖譜。

圖3為本發(fā)明制備的V1塊體金屬玻璃橫、縱截面納米壓痕硬度對比圖。

圖1中，1為管式坩堝，2為熔融合金液，3為隔熱擋板，4為冷卻介質(zhì)，5為加熱裝置，6為凝固合金，7為抽拉桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以實(shí)施例對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種熱流控制單向冷卻裝置，包括管式坩堝1、隔熱擋板3、冷卻介質(zhì)4、加熱裝置5以及抽拉桿7。其中，管式坩堝1內(nèi)盛有熔融合金液2與冷卻后的凝固合金6；加熱裝置5能對管式坩堝1整體或上部加熱，并保證制備過程中熔融合金液2始終處于熔融狀態(tài)；管式坩堝1下端與抽拉桿7上端相連接，管式坩堝1可隨同抽拉桿7沿軸向向下勻速運(yùn)動；當(dāng)管式坩堝1下部沒入冷卻介質(zhì)4后可實(shí)現(xiàn)熔融合金液2的快速冷卻而形成凝固合金6；隔熱擋板3介于冷卻介質(zhì)4與加熱裝置5之間，起到隔熱的作用。

實(shí)施例1

制備各向異性V1(Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5)塊體金屬玻璃。

具體制備過程如下：

第一步：預(yù)制出直徑3mm，組分為Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5的合金棒材，接著置入內(nèi)徑3mm的開口石墨管式坩堝中，并將整個裝置至于高純氬氣環(huán)境下保護(hù)。

第二步：通過加熱裝置(感應(yīng)加熱線圈)對裝有V1合金棒材的石墨管式坩堝整體加熱，并使管式坩堝內(nèi)的V1合金棒材完全熔融為合金液。

第三步：通過抽拉桿帶動管式坩堝沿軸向向下以1mm/s的速度勻速沒入冷卻介質(zhì)Ga-In合金中，完成各向異性全非晶態(tài)V1塊體金屬玻璃的制備。

圖2展示了按上述方案制備的V1塊體金屬玻璃垂直于熱流方向的橫截面(Cross section)與平行于于熱流方向的縱截面(Longitudinal section)上所測得的XRD圖譜，從圖中我們可以看到兩者的XRD圖譜均呈現(xiàn)出典型的非晶相饅頭峰，表明了試樣為全非晶結(jié)構(gòu)。而在圖3中,我們可以觀察到,相較于銅?？齑?CMC)V1塊體金屬玻璃基本一致的橫、縱截面納米壓痕顯微硬度，通過熱流控制單向冷卻制備的V1塊體金屬玻璃(1mm/s)縱截面納米壓痕顯微硬度值顯著高出其橫截面約6％。表明通過上述方法成功實(shí)現(xiàn)了宏觀力學(xué)性能各向異性全非晶態(tài)V1塊體金屬玻璃的制備。

實(shí)施例2

制備各向異性V1(Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5)塊體金屬玻璃。

具體制備過程如下：

第一步：預(yù)制出直徑6mm，組分為Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5的合金棒材，接著置入內(nèi)徑6mm的開口石墨管式坩堝中，并將整個裝置至于高純氬氣環(huán)境下保護(hù)。

第二步：通過加熱裝置5(感應(yīng)加熱線圈)對裝有V1合金棒材的石墨管式坩堝整體加熱，并使管式坩堝內(nèi)的V1合金棒材完全熔融為合金液。

第三步：通過抽拉桿帶動管式坩堝沿軸向向下以5mm/s的速度勻速沒入冷卻介質(zhì)Ga-In合金中，完成各向異性全非晶態(tài)V1塊體金屬玻璃的制備。

制備完成后的V1塊體金屬玻璃，XRD測試結(jié)果表明其為全非晶結(jié)構(gòu)，納米壓痕測試結(jié)果表明其縱截面納米壓痕顯微硬度值顯著高出其橫截面約2％。表明通過上述方法成功實(shí)現(xiàn)了宏觀力學(xué)性能各向異性全非晶態(tài)V1塊體金屬玻璃的制備。

實(shí)施例3

制備各向異性Pd基(Pt₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀)塊體金屬玻璃。

具體制備過程如下：

第一步：預(yù)制出直徑5mm，組分為Pt₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀的合金棒材，接著置入內(nèi)徑5mm的可密封不銹鋼管式坩堝中，對坩堝內(nèi)部抽真空并充入高純氦氣進(jìn)行保護(hù)后密封。

第二步：通過加熱裝置(電阻爐)對裝有Pd基合金棒材的不銹鋼管式坩堝整體加熱，并使的管式坩堝內(nèi)的Pd基合金棒材完全熔融為合金液。

第三步：通過抽拉桿帶動管式坩堝沿軸向向下以2mm/s的速度勻速沒入冷卻介質(zhì)Ga-In合金中，完成各向異性全非晶態(tài)Pd基塊體金屬玻璃的制備。

制備完成后的Pd基塊體金屬玻璃，XRD測試結(jié)果表明其為全非晶結(jié)構(gòu)，納米壓痕測試結(jié)果表明其縱截面納米壓痕顯微硬度值顯著高出其橫截面約5％。表明通過上述方法成功實(shí)現(xiàn)了宏觀力學(xué)性能各向異性全非晶態(tài)Pd基塊體金屬玻璃的制備。