一种利用功率超声实现大块金属玻璃纳米晶化的方法

摘要

本发明涉及纳米晶材料的制备技术，特指一种采用功率超声在Tg温度以下实现大块金属玻璃纳米晶化的方法，具体而言为：将大块金属玻璃处于超声条件下进行纳米晶化，超声的处理频率为20～40kHz，处理功率为500～2500W，处理温度低于玻璃化转变温度(Tg)10～60℃，处理时间为30min～90min。本发明工艺简单，纳米晶化过程可设计性强；可以实现大块材料的均匀晶化，避免了大块材料组织不均匀现象，操作成本低，由于不需要加热等环节，因此节约了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米晶材料的制备技术，具体而言，本发明涉及一种采用功率超声在Tg温度以下实现大块金属玻璃纳米晶化的方法。

背景技术

在纳米晶材料的开发过程中，结晶是关键环节之一。这是一个非常复杂的过程，既关联两相平衡的热力学因素，又涉及成核和晶体生长等动力学过程，因此如何快速有效地制备符合要求的晶体一直是结晶相关研究的主题。功率超声与结晶过程相互耦合的研究由来已久，适宜的功率超声能通过影响结晶过程的热力学平衡和动力学过程，控制结晶过程，获得各种不同要求的晶体。随着对材料性能要求越来越高，对纳米晶材料的研究得到了广泛重视，各种制备纳米晶材料的方法也相继被开发出来，其中大块金属玻璃(Bulk metallic glasses，也称大块非晶合金Bulk amorphous alloys)的晶化是纳米晶材料开发的重要途径之一。

在大块金属玻璃纳米晶化方面，目前实现的方法主要包括高能球磨(high-energy ballmilling)、热致晶化、电致晶化等多种方法。在这些方法中，通过不同形式向大块金属玻璃体系引入能量是实现纳密晶化的前提。Bednarska等人还研究了合金元素对大块金属玻璃纳米晶化的影响，结果表明，在Fe_78.5Ni_1.0Mo_0.5Si_6.0B_14.0大块金属玻璃中，添加适量的Cu有利于纳米晶的形成。Tetsu Ichitsubo等人的研究表明，在Pd₄₀Ni₄₀P₂₀纳米晶金属玻璃的制备过程中，引入超声波可以改善纳米晶的结构，但超声波主要用于该合金的凝固阶段，不涉及晶化阶段。北京科技大学陈国良(G.L.Chen)课题组从原子尺度对大块金属玻璃的纳米晶化机理进行了研究，他们认为，纳米晶化的本质是大块金属玻璃中原子集团的形核和长大，要获得纳米晶可以从形核和长大两个途径或者综合两种途径来采取措施。

纳米材料具有强烈的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、体积效应和表面效应，在宏观上则表现出优异的机械、物理和化学性能。将超声波作用引入纳米晶体材料的制备过程往往能起到事半功倍的效果。在大块金属玻璃晶化过程中引入功率超声，可以实现大块金属玻璃的纳米晶化，这将有效降低晶化温度，并简化工艺，可望成为实现大块金属玻璃纳米晶化的一条重要途径。

但是，到目前为止，功率超声的能量密度、作用时间以及温度条件等对纳米晶化的影响，所获得的纳米晶随温度变化的稳定性等基础性的问题还没有得到解决，制约了功率超声在大块金属玻璃纳米晶化中的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用功率超声实现大块金属玻璃纳米晶化的方法。具体而言为：

将大块金属玻璃处于超声条件下进行纳米晶化，超声的处理频率为20～40kHz，处理功率为500～2500W，处理温度低于玻璃化转变温度(Tg)10～60℃，处理时间为30min～90min。

上述制备方法中，为了防止局部温度升高，大块金属玻璃放置在流动冷却介质中，介质温度的波动不超过±5℃。

上述的流动冷却介质，主要依据处理温度、介质的理化特性而选择。在200℃以下，选择惰性气体或硅油，超过200℃则选择惰性气体。

上述制备方法中，通过夹紧装置将大块金属玻璃夹持在变幅杆的端部并置于超声条件下。

夹紧装置采用阻尼材料与变幅杆配合，如耐热橡胶、石棉。

变幅杆将超声换能器的能量转化为大块金属玻璃加工所需要的能量，设计变幅杆时应当根据大块金属玻璃的形状，考虑变幅杆的端部与大块金属玻璃的形状配合，使变幅杆与零件紧密结合。

本发明所提出的纳米晶化方法的主要优点有：

1、工艺简单，纳米晶化过程可设计性强。

2、可以实现大块材料的均匀晶化，避免了大块材料组织不均匀现象。

3、操作成本低，由于不需要加热等环节，因此节约了成本。

具体实施方式

根据本发明所述技术方案，选取具体实施例进行说明如下：

实施例1

Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀大块金属玻璃的Tg温度为147℃(升温速率为20K/s时测得)，将试样做成2mm厚的板，表面磨光。通过夹紧装置将Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀大块金属玻璃试样夹持在变幅杆的端部，夹紧装置与变幅杆之间采用耐热橡胶配合。处理频率选择为20kHz，处理功率为500W，处理温度137℃；试样在硅油中冷却，硅油温度保持为设定温度137℃，波动不超过±5℃；处理时间为30min。处理后的Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀合金试样经X射线衍射(XRD)分析为晶态组织，扫描电镜观察发现其晶粒平均尺寸为80nm。

实施例2

Zr₅₅Cu₃₀Al₁₅大块金属玻璃的Tg为434℃(升温速率为20K/s时测得)，将试样做成3mm厚的板，表面磨光。通过夹紧装置将大块金属玻璃夹持在变幅杆的端部，夹紧装置与变幅杆之间采用石棉配合。选择处理频率为30kHz，处理功率为1500W，处理温度为400℃，处理时间为60min。为了防止局部温度升高，试样采用流动氩气冷却，氩气温度保持为设定温度400℃，波动不超过±5℃。处理后的合金试样经X射线衍射(XRD)分析为晶态组织，扫描电镜观察发现其晶粒平均尺寸为55nm。

实施例3

Fe₇₄Al₄Ga₂P₁₂B₄Si₄大块金属玻璃的Tg为453℃(升温速率为20K/s时测得)将试样做成1mm厚的板，表面磨光。通过夹紧装置将大块金属玻璃夹持在变幅杆的端部，夹紧装置与变幅杆之间采用石棉配合。选择处理频率为40kHz，处理功率为2500W，处理温度为393℃，处理时间为90min。为了防止局部温度升高，试样采用流动氩气冷却，氩气温度保持为设定温度393℃，波动不超过±5℃。处理后的合金试样经X射线衍射(XRD)分析为晶态组织，扫描电镜观察发现其晶粒平均尺寸为40nm。