隨著大塊非晶研究的深入 ,大塊非晶的制備工藝在不斷發展 ,臨界尺寸也在不斷增大 。石墨坩堝針對電弧熔煉銅模吸注成型工藝所存在的銅模被預先加熱 、 熔融態母合金成分及溫度不均勻、坯錠不同部位冷卻速度不一致等現象，利用石墨導電性好、蓄熱量大、熔點高的特性 , 探索了在石墨坩堝中進行電弧熔煉 ,合金液直接澆注進入水冷銅模并 吸注成型的制備 工藝， 制備出高品質的Zr 41 . 2 Ti 13. 8 Cu 12. 5 Ni 10 Be 22. 5 大塊非晶合金。

     試驗方法

 

    將純度大于99. 5% （ 質量分數） 的 Zr,Ti ,Ni ,Cu ,Be 按照Zr 41. 2 Ti 1 3. 8 Cu 1 2. 5 Ni 10 Be 22. 5 （ 下角標為摩爾分數） 進行配比，在磁控鎢極電弧爐中配制母合金，其熔煉電流為 700 A,利用電磁攪拌，高純Ar 氣保護，反復熔煉四五次，確保成分均勻。然后，將所配制的母合金錠分別置于銅坩堝、 石墨坩堝中重熔，吸注得到圓柱狀錠材。

 

    從合金圓棒樣品的上、中、下 3個截面切取薄片 ,在D/max rB 型 X射線衍射儀上（ CuKα 靶衍射） 對樣品結構進行分析。樣品熱分析在 Perkin-Elmer IDSC-7 型差示掃描量熱儀上進行 ,加熱速度為 20 K/min。用 Archimedian法進行密度測量 。
 

 
   試驗結果與分析

 

    兩種制備工藝的做法 ,一種為電弧熔煉銅模吸注成型法， 即在高純氬氣保護條件下， 將配制好的母合金錠置于與成型模具一體的銅坩堝中 ,經電弧熔煉充分重熔后 ,利用活塞的抽吸作用將熔融態母合金液充入銅模中，并冷卻凝固成型。改進后的制備工藝 ,與原工藝所不同之處為改用石墨坩堝來重熔母合金， 在使其與電弧爐銅質底板良好接觸的條件下 ,可維持穩定的回路而實現電弧熔煉，將原有的活塞抽吸代之以壓力吸注。此時 ,與原成形模具一體的銅坩堝僅起澆口杯的作用。

 

    從傳熱的角度分析，采用水冷銅坩堝熔煉方法對非晶的形成至少存在兩方面不利因素。第一，母合金液內部的溫度分布不均勻。其上表面受到電弧的直接作用溫度很高，和銅坩堝接觸的下底面則在循環水的冷卻作用下溫度較低，所熔化母合金的量越大，溫度分布不均勻性就越嚴重，“預存晶核”成為結晶核心的可能性越大，獲得完全非晶的難度就越大。第二，銅模具被預先加熱， 在合金液被吸注進入型腔之后，其上部會受到銅坩堝部位在熔煉母合金過程中所殘留蓄熱的作用， 使模具上部熔液冷卻速度降低，試棒存在自上而下的溫度梯度，當銅模側壁靠本身蓄熱量和循環水冷卻作用的共同效果不足以抵消上部所傳熱量時，一但合金液的冷卻速度高于非晶的臨界冷卻速度，必然造成試棒上部一定程度的晶化現象。

    在改進方案中， 由于石墨良好的蓄熱性能 , 使得合金液能夠在成分和溫度方面充分均勻化 ,避免或減少了結晶生核的機會 ; 該結構將熔化坩堝熱源和成型模具有效分離 ,消除了吸注成型冷卻過程中的晶化現象 , 對于改善非晶形成條件十分有利。

 

 

    利用水冷銅坩堝熔煉方法制備樣品的 X 射線衍射譜（ XRD） , 樣品中部和下部的XRD 曲線表現為非晶材料特有的漫散射峰， 沒有出現晶化峰 ,可以認為是完全非晶組織； 而樣品上部的 XRD曲線的漫散射峰上有個別不明顯的尖峰出現 ,說明在樣品的上部開始有少量細小的結晶相， 但從 XRD 曲線初步分析仍可以認定樣品是非晶態的。該樣品是利用水冷銅坩堝吸注成型工藝制備的最大尺寸的非晶合金（ 近似地認為是臨界尺寸） 。

    利用石墨坩堝法制備樣品的 XRD 曲線，上 、 中、下 3個部位的XRD 曲線均表現了完整的漫散射峰 ,沒有晶化峰出現 ,且漫散射峰形狀十分相似 ,說明樣品是均勻的完全非晶組織 。可見熔煉工藝的改進確實改善了非晶的形成條件，對非晶的形成起到了積極的促進作用。

 

    對利用石墨坩堝熔煉法制備的非晶合金進行 DSC分析， 測得其玻璃轉變溫度 t g 為351 ℃，晶化溫度 t x 為 421. 2 ℃， 過冷液相區 Δt x 高達70 . 2 ℃，與文獻報道的結果一致。表明熔體在凝固前具有較強的非晶形成能力 。

 

    結論

 

    通過對電弧熔煉銅模直接吸注成型的非晶合金制備工藝過程的改進 ,嘗試利用石墨坩堝在電弧爐中熔煉母合金再行吸注成型的工藝 ,改善了冷卻條件， 有利于合金非晶態的形成 ,并成功獲得了直徑達 20mm ,長度為90mm 的 Zr 41. 2 Ti 13. 8 Cu 12. 5 Ni 10 Be 22 . 5 大塊非晶合金 ,樣品表面潔凈， 具典型金屬玻璃光澤 ,無明顯增碳現象。

責任編輯：曾祥偉

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