D0I:10.13374/i.1s8n1001053x.2004.05.010 第26卷第5期 北京科技大学学报 Vol.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 机械合金化法制备Cu-Ti-Zr基非晶合金 惠希东杜立辉王美玲 陈国良 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要采用机械合金化法成功制备CuTi,Zr.(x=0,10,30,50)非晶合金.研究Cu-Ti-Zr合金 粉末由晶态向非晶态转变过程中的组织结构变化，探讨非晶合金的形成机制，以及非晶合金 的热稳定性和晶化产物，结果表明，非晶合金直接从初始元素得到，在反应过程中没有金属 间化合物出现，非晶化过程可以由间隙扩散模型来解释.C山T,Z红，非晶粉末的DSC分析表明， 随着T含量的降低和Z:含量的升高，非晶粉末的晶化温度T逐渐升高，对非晶粉末在相应的 T.温度附近退火15min后发现，CusTiZr0合金没有析出相，CUo TioZrs析出了ZrCu,CuTi和少 量的一些未知相 关键词Cu-T五-Zr合金；非晶合金；机械合金化；热稳定性 分类号TG139.8 Cu基和Ti基块体非晶合金是两种具有独特 制成名义成分为CuTio,Cu TisoZr,CuoTigoZr30和 性能的合金体系.与已经大量研究的Z:基块体 CuTinoZrso的四种粉末混合物.三种元素粉末纯 非晶合金相比，铸造法制备的Cu基块体非晶合 度及粒度为：Cu(99.99%,<75m),Ti(99.99%,<75 金具有极高的压缩强度，如Cu-Zr-T的压缩断裂 m),Zr(99.99%,<75μm).各种元素粉末精确称量 强度大于2000MPa-),而Ti基非晶合金则具有 后，放入罐内密封，整个操作过程在高纯氩气 低密度和良好的生物活性，是潜在的生物医学材 (99.99%)的保护条件下进行.在GN-2型高能球 料，近年来先后制备成功了各种Cu基合金系块 磨机上进行机械合金化，磨球和罐均由不锈钢 体非晶材料".然而，与Pd基和Zr基非晶合金相 制，球料比为5：1.球磨罐外部由风扇强制流动空 比，Cu基合金的非晶形成能力较小，目前Cu基和 气冷却.为了确定相转变的过程，CTi分别在 Ti基块体非晶合金的最大尺寸不超过6mm,要 球磨时间m=2,4,6,8,18,32h,Cu TisZro分别在tm 用于结构材料还有一定困难.因此探索新的制备 =1,3,8,13,20h,其余成分在t=3,8,13,20h,取出 方法对于发展Cu基和T基非晶合金具有重要意 一定量粉末进行分析.通过PHILIPS APD-10型X 义，机械合金化法是另一种制备非晶合金的有效 射线衍射仪分析球磨产物的结构(CuK.),利用 手段，这种方法可以克服铸造法对非晶形成能力 LE01450型SEM及其自带能谱观察材料微区组 的限制，同时能够通过后续热压工艺而得到大体 织形貌和成分分布，利用日立H800型TEM观察 积非晶材料. 材料相变化过程，通过TA DuPont DSC2010型热 本文拟利用机械合金化法制备C-Ti-Zr非 分析仪分析非晶合金的热稳定性，DSC的温度范 晶合金，研究其合金粉末由晶态向非晶态转变过 围定在400-830K,升温速率为20K/min,升温过 程中的组织结构变化，探讨非晶合金的形成机 程中用氮气保护.将CuoTioZra0和CuoTinoZrs0在相 制、热稳定性，为加工和应用提供实验依据 应T,附近退火5和15min,分别用X射线衍射 (XRD)仪和SEM分析晶化过程和晶化产物. 1实验过程 用市售元素粉末作原料，按原子分数(%)配 2实验结果和讨论 收稿日期200402-18惠希东男，40岁，教授，博士 2.1Cu-Ti-Zr非晶合金的形成 *国家“863”高技术发展计划(No.2001AA331010),国家重大基 四种成分的粉末在不同球磨时间的XRD谱 础研究计划(No.G200067201-3),国家自然科学基金No 50431030,50171006)和北京市重大项目No.H020420030320)资助 线如图1所示，可以看出：对所有的成分来说，在第 ￾￾卷 第 ￾期 ￾￾￾￾年 ￾￾月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾匕】 一 ￾￾￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ 机械合金化法制备 ￾￾一￾￾，￾￾ 基非 晶合金 惠希 东 杜 立 辉 王 美玲 陈 国 良 北 京科 技 大学 新 金 属 材 料 国家重 点实验 室 ， 北 京 ￾￾￾￾￾ 摘 要 采用 机 械 合 金 化 法 成 功制 备￾匈￾印 沉￾毛￾厂￾ ， ￾ ，￾￾，￾￾￾非 晶合 金 ￾ 研 究 ￾￾，￾￾一 ￾ 合 金 粉末 由晶 态 向非 晶态 转 变过 程 中的组 织 结构变 化 ， 探讨 非 晶合金 的形 成 机制 ， 以及 非 晶合 金 的热 稳 定 性 和 晶化产 物 ￾ 结 果 表 明 ， 非 晶合 金直 接 从 初 始 元 素 得到 ， 在 反 应 过 程 中没 有 金 属 间化 合物 出现 ， 非 晶化 过 程 可 以 由间 隙扩 散模型来解 释 ￾ ￾翰￾另‘非 晶粉末 的￾￾￾分析 表 明 ， 随着 ￾ 含 量 的 降低 和 ￾ 含 量 的 升 高 ， 非 晶粉 末 的 晶 化 温度 ￾逐渐升 高 ， 对 非 晶粉末在 相 应 的 ￾温度 附近 退 火 ￾ ￾￾ 后 发现 ， ￾场 。￾ ￾￾￾。 合 金 没 有析 出相 ， ￾伽￾ ，仍乙。 析 出 了￾‘￾￾， ￾￾￾ 和 少 量 的一 些 未 知 相 ￾ 关 键词 ￾￾￾￾￾￾￾￾ 合 金 ￾非 晶合 金 ￾机械 合 金 化 ￾热 稳 定 性 分 类号 ￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾ ￾ ￾￾ 基 和 ￾ 基 块 体 非 晶合 金 是 两 种 具 有 独 特 性 能 的合 金 体 系 ￾ 与 己 经 大量 研 究 的 ￾￾ 基 块 体 非 晶合 金 相 比 ， 铸 造 法 制 备 的 ￾￾ 基 块 体 非 晶合 金 具 有 极 高 的压 缩 强度 ， 如 ￾￾，￾￾‘￾ 的压 缩 断裂 强度 大 于 ￾￾￾￾￾￾￾ ‘￾一￾， 而 ￾ 基 非 晶合 金 则 具 有 低 密度 和 良好 的生物 活 性 ， 是潜 在 的生物 医 学材 料 ￾ 近 年 来 先 后 制 备 成 功 了各 种 ￾￾ 基 合 金 系 块 体 非 晶材 料 〔团 ￾ 然 而 ， 与 ￾￾基 和 ￾ 基 非 晶合 金 相 比 ， ￾￾ 基 合 金 的非 晶形成 能力较 小 ， 目前 ￾￾ 基 和 ￾ 基 块 体 非 晶合 金 的最 大 尺 寸 不 超 过 杯 ￾￾￾。， 要 用 于 结构材料 还 有 一 定 困难 ￾ 因此 探 索 新 的制 备 方 法 对 于 发 展 ￾￾ 基 和 ￾ 基 非 晶合 金 具 有 重 要 意 义 ￾ 机 械 合 金 化 法 是 另 一种 制 备 非 晶合 金 的有 效 手 段 ， 这 种 方 法 可 以克服 铸 造 法 对 非 晶形成 能 力 的 限制 ， 同时 能够 通 过 后 续 热 压 工 艺而 得 到 大 体 积 非 晶材 料 ￾ 本 文 拟 利 用 机 械 合 金 化 法 制 备 ￾￾，￾￾一 ￾ 非 晶合 金 ， 研 究其 合 金 粉末 由晶态 向非 晶态 转 变 过 程 中 的组 织 结 构 变 化 ， 探 讨 非 晶合 金 的 形 成 机 制 、 热 稳 定 性 ， 为加 工 和 应 用 提 供 实验 依 据 ￾ ￾ 实验 过 程 用 市售 元 素 粉 末 作 原 料 ， 按 原 子 分 数 ￾￾￾配 收稿 日期 ￾￾￾￾刁￾一 ￾ 惠 希 东 男 ， ￾ 岁 ， 教授 ， 博士 ￾ 国家 “ ￾￾￾ ，，高技 术发 展 计 划 ￾￾￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ， 国家 重 大 基 础 研 究 计 划 困 ￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾一￾ ， 国 家 自然 科 学 基 金 ￾认 ￾￾￾￾￾￾￾￾ ， ￾￾￾￾￾￾￾￾￾和 北 京 市 重 大 项 目￾ ￾ ￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾资助 制 成 名 义 成 分 为 ￾橱￾￾ ， ￾嘶 ￾ ￾￾￾￾。， ￾嘶￾ ￾￾乙。 和 ￾￾￾，￾乙。 的 四种 粉 末 混 合 物 ￾ 三 种 元 素 粉 末 纯 度 及 粒 度 为 ￾￾￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ， ￾￾￾娜￾ ， ￾ ￾￾￾ ￾ ￾￾￾ ， ￾￾￾ 娜￾ ， ￾ ￾￾￾￾ ， ￾￾￾￾￾ ￾ 各 种元 素粉末 精 确 称 量 后 ， 放 入 罐 内密 封 ， 整 个 操 作 过 程 在 高 纯 氢 气 ￾￾￾￾￾￾的保 护 条件 下 进 行 ￾ 在 ￾刊阵￾型 高 能球 磨 机 上 进 行 机 械 合 金 化 ， 磨 球 和 罐 均 由不 锈 钢 制 ， 球 料 比为 ￾￾ ￾ ￾ 球 磨 罐 外 部 由风 扇 强制 流 动 空 气 冷 却 ￾ 为 了确 定相 转 变 的过 程 ， ￾场 。￾￾印 分 别 在 球 磨 时 间￾￾￾ ， ￾ ， ￾ ， ￾ ， ￾￾ ， ￾￾￾ ， ￾嘶 ￾￾ ￾￾￾￾。 分 别 在￾ ￾ ￾ ， ￾ ， ￾ ， ￾￾ ， ￾￾￾ ， 其 余 成 分 在‘￾￾ ， ￾ ， ￾￾ ， ￾￾￾ ， 取 出 一 定量 粉 末 进 行 分 析 ￾ 通 过 ￾￾￾￾￾”￾￾ 型 ￾ 射 线 衍 射 仪 分 析 球 磨 产 物 的结 构 ￾￾￾ 凡￾ ， 利 用 ￾￾￾ ￾￾ 型 ￾￾￾ 及 其 自带 能谱 观 察 材 料 微 区 组 织 形 貌 和 成 分 分 布 ， 利 用 日立 ￾￾￾ 型 ￾￾ 观 察 材 料 相 变 化 过程 ， 通 过 ￾ ￾￾ ￾￾ ￾￾￾￾￾￾ 型 热 分 析 仪 分 析非 晶合 金 的热 稳 定 性 ￾ ￾￾￾ 的温 度 范 围定在 ￾￾￾￾ ￾ ， 升温 速 率 为 ￾ ￾￾￾ ， 升温 过 程 中用 氮 气 保护 ￾ 将 ￾匈￾ ￾￾乙。 和 ￾匈￾￾ ￾乙。 在相 应 ￾ 附近 退 火 ￾ 和 巧 ￾￾ ， 分 别 用 ￾ 射 线 衍 射 ￾￾￾￾￾仪 和 ￾￾￾ 分 析 晶化 过 程 和 晶化 产 物 ￾ ￾ 实验 结 果 和 讨论 ￾￾ ￾￾一￾￾，￾￾ 非 晶 合 金 的形 成 四种成 分 的粉 末 在 不 同球 磨 时 间 的 ￾￾￾ 谱 线 如 图 ￾所 示 ￾ 可 以看 出 ￾ 对 所 有 的成 分 来 说 ， 在 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２００４．０５．０１０