本發(fā)明涉及鋁基非晶合金制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高鋁基非晶合金形成能力的熔體凈化熔鹽和熔體凈化處理方法。

背景技術(shù)：

目前，出于對不可再生資源的有效利用以及綠色生態(tài)環(huán)境保護的需要，汽車、飛機、艦船、武器裝備等運載工具的研發(fā)改進重點為輕質(zhì)化材料開發(fā)。例如，近年來各類輕質(zhì)材料在武器型號中的應用比例呈快速上升趨勢。其中鋁合金，特別是高強鋁合金由于具有質(zhì)輕、高比強度、高比剛度的優(yōu)點，廣泛應用于國民經(jīng)濟建設和國防建設的各個領(lǐng)域，在航空工業(yè)更是得到大量使用。與傳統(tǒng)的鋁合金相比，非晶態(tài)鋁合金具有高的比強度、良好的韌性和優(yōu)異的耐腐蝕性能，其抗拉強度可超過1000MPa，已超過目前高強鋼的水平，比強度可與陶瓷媲美，并保持了良好的塑性和高溫穩(wěn)定性。它的出現(xiàn)為發(fā)展輕質(zhì)超高強金屬結(jié)構(gòu)材料提供了一條新的途徑。然而，目前限制該類材料應用的主要因素是Al基非晶合金的玻璃形成能力很差，目前獲得的最大非晶臨界尺寸為1mm，仍無法滿足實際工程應用的需要。因此，提高鋁基非晶合金的形成能力是擴大其應用范圍的首要因素。

利用熔體凈化處理方法提高非晶形成能力是目前研究中采用較多的方法之一，在很多強玻璃形成體系中得到了較好的應用。目前在強非晶合金體系中普遍采用的熔體處理工藝為在純凈氬氣保護下，將高純金屬組分在電弧爐中熔化，制成圓柱形鑄錠，并將其用低熔點的B₂O₃氧化物包裹起來，淬入水中得到非晶態(tài)試樣。氧化物的包裹起到兩方面的作用：一是用來吸收合金熔體中的雜質(zhì)顆粒，使合金進一步提純，類似于煉鋼時的造渣；二是將合金熔體與制備環(huán)境隔離，避免熔化時合金母材與其直接接觸。熔體凈化后，可最大限度的避免非均勻形核和氧化。日本學者A.Inoue及中國Liling Sun等將這種方法應用到Pd基非晶態(tài)合金，成功制備出直徑為72mm的圓柱樣品，尺寸較未使用該方法時提高近一倍。同樣這種方法對具有軟磁性的Fe基非晶合金也適用，能夠不同程度提高其形成 能力。鋁基非晶熔體中的氧主要以化合物Al₂O₃形式存在，這些氧化物是氧化夾雜的主要成分。對于Al基非晶合金，采用B₂O₃包敷凈化處理會出現(xiàn)還原反應，析出單質(zhì)B和氧化物Al₂O₃，形成更多異質(zhì)形核核心，降低非晶形成能力而達不到凈化的要求。

可見，鋁基非晶熔體中氧化夾雜的存在是制約其形成能力提升的一個關(guān)鍵因素，然而通常強玻璃形成體系中采用的熔體處理方法在Al基非晶合金中不適用，因此，尋求適用于提高鋁基非晶形成能力的熔體凈化用熔鹽成分及其處理方法勢在必行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高鋁基非晶合金形成能力的熔體凈化熔鹽和熔體凈化處理方法，解決了以往鋁基非晶母合金中氧化夾雜含量過高而導致的非晶形成能力低的問題，擴大了輕質(zhì)高強鋁基非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料的應用范圍。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種提高鋁基非晶合金形成能力的熔體凈化熔鹽，是在基礎熔鹽體系KCl-MgCl₂-CaCl₂中加入附加熔鹽CaF₂形成，其中：所述基礎熔鹽體系中各組分重量百分含量為：KCl為20-65％，MgCl₂為30-50％，CaCl₂為1-30％；所述附加熔鹽CaF₂的加入量為基礎熔鹽體系總重量的10-30％。

利用上述熔體凈化熔鹽對鋁基非晶合金進行熔體凈化處理時，熔鹽的添加量占鋁基非晶合金總重量的0.5-2％；具體的熔體凈化處理方法包括如下步驟：

鋁基非晶母合金采用真空電弧爐熔煉，在熔煉過程中進行熔體凈化處理，具體過程為：首先將所述熔體凈化熔鹽置于鋁基非晶合金底部，當真空度達到5×10^-3Pa時，開始熔煉母合金，母合金完全熔化后，控制母合金熔體溫度在1000-1200℃之間，同時開啟電磁攪拌裝置進行熔體凈化處理，熔體凈化處理時間為30-120s。電磁攪拌裝置電流為10-20A。

本發(fā)明上述熔體凈化熔鹽及熔體凈化處理方法適用于Al-TM-RE系鋁基非晶合金(RE表示稀土元素,TM表示過渡族金屬元素)。

本發(fā)明設計原理如下：

鋁基非晶熔體中的氧化夾雜(Al₂O₃)在非晶合金凝固過程中，會以異質(zhì)形 核點的形式存在于熔體中，這將有利于晶體相的形核、長大和團聚，為非晶的晶化提供了便利條件。而且，熔體中存在氧化夾雜，會嚴重影響熔體的傳熱速率，使熔體不能快速將熱量傳遞出去，增大了熔體的臨界冷卻速率，導致非晶合金的形成能力的降低。對于Al基非晶合金，采用B₂O₃包敷凈化處理會出現(xiàn)還原反應，析出單質(zhì)B和氧化物Al₂O₃，形成更多異質(zhì)形核核心，降低非晶形成能力而達不到凈化的要求。

本發(fā)明在熔煉Al基非晶母合金時，采用特定組分的熔鹽體系進行熔體凈化處理后，不但可以除去鋁基非晶合金中的氧化夾渣，而且還具有細化鋁基非晶母合金晶粒的效果，熔體凈化處理后樣品中沒有晶體相的存在，從而使Al‐TM‐RE體系鋁基非晶合金的形成能力得到較大提高。

本發(fā)明熔體凈化用熔鹽成分及熔體凈化處理方法具有以下優(yōu)點：

1、熔鹽成本非常低。

2、處理工藝過程簡便易實施。

3、可提高非晶形成能力，對現(xiàn)有臨界尺寸為1mm的Al₈₆Ni₆Y_4.5Co₂La_1.5五元合金(專利：ZL 200910010727.7)，采用本發(fā)明熔鹽體系及工藝處理后，形成非晶的臨界尺寸可以提高到1.5mm，是目前國際上熔鑄法獲得的最大尺寸鋁基塊體非晶合金，擴大了輕質(zhì)高強鋁基非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料的應用范圍。

4、本發(fā)明對擴大輕質(zhì)高強鋁基非晶合金的應用范圍具有推進作用，使鋁基非晶的制備變得更加容易。

附圖說明

圖1是熔體凈化處理前后鑄錠的外觀對比圖；圖中：(A)處理前；(B)處理后。

圖2是熔體凈化處理前后母合金鑄錠表面的XRD衍射圖；

圖3是熔體凈化處理前后母合金鑄錠的縱剖面SEM照片；圖中：(A)處理前；(B)處理后。

圖4是熔體凈化處理前后鑄錠剖面的EDS分析結(jié)果；圖中：(A)處理前；(B)處理后。

圖5是熔體凈化處理前后由母合金制備的鋁基非晶樣品；圖中：(A)處理 前；(B)處理后。

圖6是熔體凈化處理前后非晶樣品的X射線衍射圖；圖中：(A)處理前；(B)處理后。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明。

實施例1

本實施例選擇的鋁基非晶母合金化學成分為(at.％)，Al 86％，Ni 6％，Co 2％，Y 4.5％，La 1.5％；該成分是目前鋁基非晶合金形成能力最強合金之一，臨界尺寸可達1mm。熔鹽體系由KCl-MgCl₂-CaCl₂基礎熔鹽體系與附加熔鹽CaF₂構(gòu)成，其中各成分重量配比為：KCl：26％，MgCl₂：49％，CaCl₂：25％，附加熔鹽CaF₂占基礎熔鹽體系總重量的20％；對鋁基非晶合金熔體凈化處理時，上述熔鹽的添加量占鋁基非晶合金總重量的1.5％；具體工藝過程：將上述熔鹽置于鋁基非晶合金底部，采用電弧爐熔煉母合金成圓鑄錠，當真空度達5×10^-3Pa時，開始熔煉，母合金完全熔化后，控制母合金熔融液體溫度在1000-1200℃之間，開啟電磁攪拌裝置，電流為15A，熔體凈化時間在120s。

圖1是熔體凈化處理前后鑄錠的外觀對比圖，其中圖1(A)為熔體凈化處理前的鑄錠，圖1(B)為熔體凈化處理后的鑄錠，由圖可以看出，熔體凈化處理后鑄錠表面更加光潔，氧化夾渣析出減少。圖2是熔體凈化處理前后母合金鑄錠表面的XRD衍射圖，圖中曲線A為熔體凈化處理前，曲線B為熔體凈化處理后。由圖可知，熔體凈化處理前樣品表面主要由α-Al相和Al₂O₃等氧化物構(gòu)成，熔體處理后Al₂O₃氧化物更多被熔鹽包裹析出。圖3是熔體凈化處理前后母合金鑄錠的縱剖面SEM照片，其中圖3(A)為熔體處理前，圖3(B)為熔體處理后。由圖可以看出熔體凈化處理前樣品的剖面上存在較多孔隙及氧化夾渣分布，并且合金中條狀組織較為粗大，而熔體凈化處理后去除了樣品中的氧化夾渣，且合金組織更為細小。圖4是熔體凈化處理前后鑄錠剖面的EDS分析結(jié)果，其中圖4(A)為熔體處理前，圖4(B)為熔體處理后。由圖可知，熔體凈化處理后鑄錠中的氧含量降低約8倍左右。圖5是熔體凈化處理前后由母合金制備的鋁基非晶樣品，其中圖5(A)為熔體處理前，圖5(B)為熔體處理后。由圖可知， 熔體處理前1.5mm樣品中中心部位存在較多晶體相，而熔體凈化處理后樣品中沒有晶體相的存在。圖6是熔體凈化處理前后非晶樣品的X射線衍射圖，其中圖6(A)為熔體處理前，圖6(B)為熔體處理后。由圖可知，熔體處理后樣品為完全非晶態(tài)。

實施例2

與實施例1的不同之處在于：

基礎熔鹽體系KCl-MgCl₂-CaCl₂中各成分重量配比不同，各成分重量配比為：KCl：62％，MgCl₂：35％，CaCl₂：3％。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量相對未處理鑄錠明顯降低，約降低8倍，組織細化。

實施例3

與實施例1的不同之處在于：

附加熔鹽添加量不同，附加熔鹽CaF₂占基礎熔鹽體系總重量的10％。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量相對未處理鑄錠明顯降低，約降低6倍，組織細化。

實施例4

與實施例1的不同之處在于：

附加熔鹽添加量不同，附加熔鹽CaF₂占基礎熔鹽體系總重量的30％。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量高于實施例1，但相對于未處理鑄錠降低約4倍，樣品中出現(xiàn)較小孔隙缺陷。

實施例5

與實施例1的不同之處在于：

熔體凈化處理時熔鹽的添加量不同，熔鹽的添加量占鋁基非晶合金總量的2％。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量相對未處理鑄錠降低約5倍，但鑄錠中有未反應熔鹽殘留。

對比例1

與實施例1的不同之處在于：

熔體凈化處理時熔鹽的添加量不同，熔鹽的添加量占鋁基非晶合金總重量的 0.2％。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量相對未處理鑄錠降低不明顯，鑄錠中有氧化夾渣殘留。

對比例2

與實施例1的不同之處在于：

熔體凈化處理時，熔體凈化時間20s。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量降低不明顯，且鑄錠中有大量未反應熔鹽殘留和氣孔存在。

對比例3

與實施例1的不同之處在于：

熔體凈化處理時，熔體凈化時間90s。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量相對未處理鑄錠降低約6倍，但鑄錠中有少量氣孔存在。

對比例4

與實施例1的不同之處在于：

熔體凈化處理時，熔體凈化時間130s。

結(jié)果：母合金鑄錠中氧含量相對未處理鑄錠降低約2倍，但鑄錠中有少量未反應熔鹽殘留和氣孔存在。