металлическое стекло и способ получения металлического стекла

Формула изобретения

1. Металлическое стекло, образованное сплавом, содержащим бериллий, отличающееся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее 10³ К/с, и стекло образовано сплавом, дополнительно содержащим по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей цирконий и титан - 30 - 75

По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель - 5 - 62

Бериллий - Остальное

2. Стекло по п. 1, отличающееся тем, что оно образовано сплавом, дополнительно содержащим по крайней мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

(Zr_1-xTi_x)_a1ETM_a2 (Cu_1-yNi_y)_b1LTM_b2Be_c1,

где ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, гафний и хром, причем атомное процентное содержание хрома не превышает 0,2 a1;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий;

x и y - атомные доли;

a1, a2, b1, b2 и c - атомные проценты;

значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение y лежит в интервале от 0 до 1; значение a2 не превышает 0,4a1; значение (a1+a2) лежит в интервале 30 - 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

3. Стекло по п. 2, отличающееся тем, что если значение b1+b2 лежит в интервале от 10 до 49, то 3c не превышает (100-b1-b2).

4. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 6 до 47.

5. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение с лежит в интервале от 2 до 47.

6. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

7. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 42.

8. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 30.

9. Стекло по любому из пп. 2 - 8, отличающееся тем, что значение (a1+a2) лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2) лежит в интервале от 10 до 48; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 10 до 35.

10. Металлическое стекло, образованное сплавом, содержащим бериллий, отличающееся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10³ К/с, и образовано из сплава, дополнительно содержащего по меньшей мере металл, выбранный из группы, содержащей цирконий, титан и гафний, и по меньшей мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

((Zr, Hf, Ti)_x)ETM_1-xa(Cu_1-yNi_y)_b1LTM_b2Be_c,

где ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, иттрий, неодим, гадолиний и другие РЗМ, хром, молибден, тантал и вольфрам;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей никель, медь, железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий;

x и y - атомные доли;

a, b1, b2 и c - атомные проценты,

при этом атомная доля титана в фрагменте ((Hf, Zr, Ti)ETM) составляет менее 0,7, значение x лежит в интервале от 0,8 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 57; значение c лежит в интервале от 6 до 45.

11. Стекло по п. 10, отличающееся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2)лежит в интервале от 10 до 48, значение c лежит в интервале от 10 до 35.

12. Способ получения металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, включающий изготовление сплава, содержащего бериллий, и охлаждение его от температуры выше температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью, предотвращающей образование более 50% кристаллической фазы, отличающийся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10³ К/с, и изготавливают сплав, дополнительно содержащий по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей цирконий и титан - 30 - 75

По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель - 5 - 62

Бериллий - Остальное

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что изготовляют сплав, дополнительно содержащий по крайней мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

(Zr_1-xTi_x)_a1ETM_a2(Cu_1-yNi_y)_b1LTM_b2Be_c,

где x и y - атомные доли;

a1, a2, b1, b2 и c - атомные проценты;

ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, гафний и хром, причем атомное процентное содержание хрома не превышает 0,2a1;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий; значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение y лежит в интервале от 0 до 1; значение a2 не превышает 0,4a1; значение (a1+a2) лежит в интервале 30 - 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что если значение b1+b2 лежит в интервале от 10 до 49, то значение 3c не превышают (100-b1-b2).

15. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 6 до 47.

16. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

17. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

18. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 42.

19. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 30.

20. Способ по любому из пп. 13 - 19, отличающийся тем, что значение (a1+a2) лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2) лежит в интервале от 10 до 48; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 10 до 35.

21. Способ получения металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, включающий изготовление сплава, содержащего бериллий, и по меньшей мере один металл из группы, содержащей гафний, цирконий и титан, и охлаждение его температуры выше температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью, предотвращающей образование более 50% кристаллической фазы, отличающийся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10³ К/с и изготавливают сплав, дополнительно включающий по меньшей мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

((Zr, Hf, Ti)_x)ETM_1-x)_a(Cu_1-yNi_y)_b1LTM_b2Be_c,

где ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, иттрий, неодим, гадолиний и другие РЗМ, хром, молибден, тантал и вольфрам;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей никель, медь, железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий;

x и y - атомные доли;

a, b1, b2 и c - атомные проценты,

при этом атомная доля титана в фрагменте ((Hf, Zr, Ti)ETM) составляет менее 0,7; значение x лежит в интервале от 0,8 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 57; значение c лежит в интервале от 6 до 45.

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2) лежит в интервале от 10 до 48; значение c лежит в интервале от 10 до 35.

23. Металлическое стекло, образованное сплавом, содержащим бериллий, отличающееся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10³ К/с и стекло образовано сплавом, дополнительно содержащим по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов:

(Zr_1-xTi_x)_a(Cu_1-yNi_y))_bBe_c,

где x и y - атомные доли;

a, b и c - атомные проценты,

при этом значение y лежит в интервале от 0 до 1 и где значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

24. Стекло по п. 23, отличающееся тем, что если значение b лежит в интервале от 10 до 49, то 3c не превышает (100-b).

25. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 6 до 47.

26. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

27. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

28. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 42.

29. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 30.

30. Стекло по любому из пп. 23 - 29, отличающееся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение b лежит в интервале от 10 до 48; значение c лежит в интервале от 10 до 35.

31. Стекло по любому из пп. 23 - 30, отличающееся тем, что фрагмент (Zr_1-xTi_x) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат. %: гафний - до 25, ниобий - до 20, иттрий - до 15, хром - до 10, ванадий - до 20, молибден - до 5, тантал - до 5, вольфрам - до 5, и лантан, лантаниды, актиний и актиниды - до 5; фрагмент (Cu_1-yNi_y) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей ат.%: железо - до 25, кобальт - до 25, марганец - до 15, металлы из групп VII-XI - до 5, а бериллиевый фрагмент дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат.%: алюминий - до 15 при значении c, равном не менее 6, кремний - не более 5 и бор - не более 5.

32. Способ получения металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, включающий изготовление сплава, содержащего бериллий, и охлаждение его от температуры выше температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью, предотвращающей образование более 50% кристаллической фазы, отличающийся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10³ К/с, изготовляют сплав, дополнительно содержащий по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

(Zr_1-xTi_x)_a(Cu_1-yNi_y)_bBe_c,

где x и y - атомные доли;

a, b и c - атомные проценты,

при этом значение y лежит в интервале от 0 до 1 и где значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что если значение b лежит в интервале от 10 до 49, то 3c не превышает (100-b).

34. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 6 до 47.

35. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

36. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47.

37. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение с лежит в интервале от 2 до 42.

38. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 30.

39. Способ по любому из пп. 32 - 38, отличающийся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение b лежит в интервале от 10 до 48; значение c лежит в интервале от 10 до 35.

40. Способ по любому из пп. 32 - 39, отличающийся тем, что фрагмент (Zr_1-xTi_x) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат. %: гафний - до 25, ниобий - до 20, иттрий - до 15, хром - до 10, ванадий - до 2, молибден - до 5, тантал - до 5, вольфрам - до 5 и лантан, лантаниды, актиний и актиниды - до 5; фрагмент (Cu_1-yNi_y) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат.%: железо - до 25, кобальт - до 25, марганец - до 15, металлы из групп VII-XI - до 5, а бериллиевый фрагмент дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат.%: алюминий - до 15 при значении c, равном не менее 6, кремний - не более 5 и бор - не более 5.

Приоритет по пунктам:

07.04.93 по пп. 1-11 и 23-31;

18.02.94 - по пп. 12-22 и 32-40.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аморфным металлическим сплавам, обычно называемым металлическими стеклами, которые образуются при отверждении расплавов в процессе охлаждения сплава до температуры ниже температуры его стеклования, прежде чем произойдет значительное гомогенноe зародышеобразование и кристаллизация.

В последние годы значительный интерес вызывают металлические сплавы, которые являются аморфными или стеклообразными при низких температурах. Обычные металлы и сплавы кристаллизуются при охлаждении их жидкой фазы. Однако было обнаружено, что некоторые металлы и сплавы при достаточно быстром охлаждении могут существовать в переохлажденном состоянии и сохраняться при комнатной температуре в виде чрезвычайно вязкой жидкости или стекла. Обычно при этом требуются скорости охлаждения порядка от 10⁴ до 10⁶ К/с.

Для того чтобы достичь таких высоких скоростей охлаждения, очень тонкий слой (например, толщиной менее 100 мкм) или маленькие капли металла вводят в контакт с проводящей подложкой, температуру которой поддерживают на уровне комнатной. Небольшие размеры аморфного вещества являются следствием необходимости отобрать тепло с достаточно большой скоростью, чтобы подавить кристаллизацию. Таким образом, ранее разработанные аморфные сплавы были доступны лишь в виде тонких лент или пленок или же в виде порошков. Подобные ленты, пленки или порошки могут быть получены быстрым охлаждением расплава на вращающейся охлажденной подложке, формованием тонкой пленки отливкой на холодной подложке, перемещающейся под узлом соплом, или "охлаждением разбрызгиванием" капель между охлажденными подложками.

Значительные усилия были затрачены на поиск аморфных сплавов, обладающих большей устойчивостью к кристаллизации, с тем чтобы можно было использовать менее критические скорости охлаждения. Если можно было бы подавить кристаллизацию при меньших скоростях охлаждения, то можно было бы получить более толстые образцы аморфных сплавов.

При формировании аморфных металлических сплавов всегда приходится сталкиваться с трудноустранимой тенденцией переохлажденного расплава к кристаллизации. Кристаллизация происходит за счет зародышеобразования и роста кристаллов. Вообще говоря, переохлажденная жидкость кристаллизуется быстро. Для того чтобы получить твердый аморфный сплав, необходимо расплавить исходное вещество и охладить жидкость от температуры плавления T_m до температуры ниже температуры стеклования T_g, минуя кристаллизацию.

На фиг. 1 схематично представлена диаграмма, на которой в логарифмической шкале показана зависимость температуры от времени. Указаны температура плавления T_m и температура стеклования T_g. Представленная типичная кривая "a" показывает начало кристаллизации как функцию времени и температуры. Для того чтобы получить твердое аморфное вещество, сплав необходимо охладить от температуры выше температуры плавления до температуры стеклования, не пересекая выступающую часть кривой кристаллизации. Приведенная кривая кристаллизации "a" в схематичном виде показывает начало кристаллизации некоторых ранее полученных сплавов, из которых были сформированы металлические стекла. Как правило, для этого требовались скорости охлаждения более 10⁵ К/с, обычно порядка 10⁶ К/с.

Вторая кривая "b" на фиг. 1 представляет собой кривую кристаллизации для позднее разработанных металлических стекол. Требуемые скорости охлаждения для образования аморфных сплавов были снижены на один, два и даже три порядка, что является весьма существенным. Третья кривая кристаллизации "c" схематично указывает на величину дополнительных улучшений, которые становятся возможными при использовании настоящего изобретения. Выступающая часть кривой кристаллизации смещена на два или более порядков в сторону больших времен. Становятся возможными скорости охлаждения менее 10² К/с и предпочтительно менее 10³ К/с. Были получены аморфные сплавы при такой низкой скорости охлаждения, как 2 или 3 К/с.

Образование аморфного сплава составляет лишь часть проблемы. Желательно иметь возможность получать из аморфных материалов компоненты изделий сложной формы и трехмерные объекты с достаточно большими размерами. Для того чтобы получить аморфный сплав или связанный аморфный порошок и сформировать из них трехмерный объект, обладающий хорошей механической целостностью, необходимо, чтобы сплав можно было бы деформировать. Аморфные сплавы претерпевают значительные гомогенные деформации под действием приложенной нагрузки лишь в том случае, когда они нагреты до температуры, близкой или превышающей температуру стеклования. Вновь следует подчеркнуть, что в этом интервале температур обычно происходит быстрая кристаллизация.

Таким образом, как следует из фиг. 1, если однажды сформированное аморфное твердое вещество вновь нагревают выше температуры стеклования, то может существовать очень небольшой промежуток времени, прежде чем сплав пересечет кривую кристаллизации. Для первых полученных аморфных сплавов кривая кристаллизации "a" пересекается в течение миллисекунд, и механическая формовка выше температуры стеклования практически невозможна. Даже для улучшенных сплавов время, в течение которого можно проводить обработку, все еще составляет порядка долей секунд или нескольких секунд.

Фиг. 2 представляет собой схематическую диаграмму температуры и вязкости в логарифмической шкале для аморфных сплавов в виде переохлажденных жидкостей в интервале от температуры плавления до температуры стеклования. Температурой стеклования обычно считается температура, при которой вязкость сплава составляет порядка 10¹² П. Жидкий сплав, с другой стороны, может иметь вязкость менее чем 1 П (вода при комнатной температуре имеет вязкость приблизительно 1 сП).

Как видно из схематически представленной фиг. 2, вязкость аморфного сплава медленно уменьшается при низких температурах, затем быстро изменяется при температуре выше температуры стеклования. Повышение температуры всего на 5^oC способно привести к уменьшению вязкости на порядок. Чтобы деформации стали возможны при низких приложенных нагрузках, желательно уменьшить вязкость аморфного сплава до величины не более 10⁵ П. Это означает, что необходимо нагреть вещество значительно выше температуры стеклования. Время обработки аморфного сплава (т.е. время, которое пройдет от момента нагрева выше температуры стеклования до момента пересечения с кривой кристаллизации на фиг. 1) предпочтительно составляет порядка нескольких секунд или более, так что имеется достаточно времени, чтобы нагреть, осуществить необходимые действия, обработать и охладить сплав, прежде чем произойдет заметная кристаллизация. Таким образом, для придания хорошей способности к изменению формы, необходимо, чтобы кривая кристаллизации была сдвинута вправо, т.е. в сторону больших времен.

Стойкость металлического стекла к кристаллизации можно связать со скоростью охлаждения, необходимой для формирования стекла при охлаждении из сплава. Она является индикатором стабильности аморфной фазы при нагреве в процессе обработки выше температуры стеклования. Желательно, чтобы скорость охлаждения, необходимая для подавления кристаллизации, находилась в интервале от 1 до 10³ К/с или даже меньше. По мере уменьшения критической скорости охлаждения остается больше времени для обработки, и могут быть получены образцы с большим сечением. Далее подобные сплавы можно нагреть до температуры, значительно превышающей температуру стеклования, при этом в течение времени, достаточного для проведения обработки в промышленных условиях, кристаллизация не наблюдается.

Таким образом, в настоящем изобретении в соответствии с предпочтительным вариантом его осуществления заявляется класс сплавов, которые образуют металлическое стекло при охлаждении ниже температуры стеклования со скоростью охлаждения менее 10² К/с. Указанные сплавы содержат бериллий в диапазоне от 2 до 4 ат.% или в более узком диапазоне в зависимости от других элементов, входящих в состав сплава, и требуемой критической скорости охлаждения, и по крайней мере два переходных металла. Переходные металлы представляют собой по крайней мере один ранний переходный металл, который входит в состав сплава в количестве от 30 до 75 ат.%, и по крайней мере один поздний переходный металл, который входит в состав сплава в количестве от 5 до 62 ат.%, в зависимости от того, какие элементы составляют сплав. Ранние переходные металлы включают элементы 3, 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы, в том числе лантаниды и актиниды. Поздние переходные металлы включают элементы 7, 8, 9, 10 и 11 групп Периодической таблицы.

Предпочтительная группа металлических стекол имеет формулу (Zr_1-xTi_x)_a)Cu_1-yNi_y)_b, Be_c, где x и y обозначают атомные доли; а, b и с обозначают атомные проценты. В указанной формуле значения a, b и c частично зависят от пропорций циркония и титана. Так, если значение x находится в интервале от 0 до 0,15, то значение а лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение с лежит в интервале от 6 до 47%. Если значение х находится в интервале от 0,15 до 0,4, то значение а лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение с лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,4 до 0,6, значение а лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,6 до 0,8, значение а лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение с лежит в интервале от 2 до 42%. Когда значение x находится в интервале от 0,8 до 1, значение а лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, a значение с лежит в интервале от 2 до 30%, с тем ограничением, что значение 3c не превышает (100-b), когда значение b лежит в интервале от 10 до 49%.

Далее фрагмент (Zr_1-xTi_x) также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей от 0 до 25% гафния, от 0 до 20% ниобия, от 0 до 15% иттрия, от 0 до 10% хрома, от 0 до 20% ванадия, от 0 до 5% молибдена, от 0 до 5% тантала, от 0 до 50 вольфрама и от 0 до 5% лантана, лантанидов, актиния и актинидов. Фрагмент (Cu_1-yNi_y) также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей от 0 до 25% железа, от 0 до 25% кобальта, от 0 до 15% марганца и от 0 до 5% других металлов из групп 7 - 11. Бериллиевый фрагмент также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей до 15% алюминия, при этом содержание бериллия составляет по крайней мере 6%, до 5% кремния и до 5% бора. Содержание других элементов не должно превышать двух атомных процентов.

Эти и другие особенности настоящего изобретения станут очевидными из следующего далее подробного описания, которое поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 схематично представлены кривые кристаллизации сплавов, являющихся аморфными или представляющими собой металлические стекла; на фиг. 2 схематично представлена вязкость аморфного стеклянного сплава; на фиг. 3 - диаграмма состояния квазитрехкомпонентной системы, на которой указана область стеклования в сплавах по настоящему изобретению; на фиг. 4 - диаграмма состояния квазитрехкомпонентной системы, на которой указана область стеклования для предпочтительной группы стеклообразующих сплавов, содержащих титан, медь, никель и бериллий; на фиг. 5 - диаграммa состояния квазитрехкомпонентной системы, на которой указана область стеклования для предпочтительной группы стеклообразующих сплавов, содержащих титан, цирконий, медь, никель и бериллий.

Подробное описание изобретения

В контексте настоящего изобретения металлическим стеклом называется вещество, которое содержит, по крайней мере, 50 об.% стеклообразной или аморфной фазы. Способность образовывать стекло может быть установлена с применением метода охлаждения разбрызгиванием со скоростью охлаждения порядка 10⁶ К/с. Чаще всего вещество, используемое по настоящему изобретению, содержит практически 100% аморфной фазы. Для сплавов, пригодных для изготовления деталей с размерами более 1 мкм, предпочтительны скорости охлаждения менее 10³ К/с. Чтобы избежать кристаллизации, скорости охлаждения должны составлять от 1 до 100 К/с или менее. Приемлемые стеклообразующие сплавы можно идентифицировать по их способности образовывать при охлаждении слои с толщиной по крайней мере 1 мм.

Подобную скорость охлаждения можно обеспечить при использовании широкого круга методик, таких как охлаждение сплавов разбрызгиванием в охлажденную медную пресс-форму для получения из аморфных веществ пластинок, лент или деталей с развитой поверхностью с размерами от 1 до 10 мм или более, или охлаждение разбрызгиванием в контейнер из кремния или стекла с целью получения стержней с примерным диаметром 15 мм и более.

Для охлаждения стеклообразных сплавов могут использоваться обычные методы, такие как охлаждение разбрызгиванием для получения тонкой фольги, быстрое охлаждение расплава на одновалковой или двухвалковой мельнице, охлаждение расплава водой или формовка в планарном потоке для получения листов. Поскольку можно использовать низкие скорости охлаждения, а аморфная фаза устойчива после охлаждения, то могут применяться другие более экономичные способы изготовления деталей с развитой поверхностью или больших образцов, которые можно деформировать для получения деталей с развитой поверхностью, таких как отливка прутков или чушек, отливка в форму, прессование порошка металла и т.п.

Аморфный сплав в виде быстро отвержденного порошка можно получить также по способу распыления, в котором жидкость разбивается на капли. Примерами являются струйное распыление и газовое распыление. Если капли жидкости вступают в контакт с холодной электропроводящей подложкой, обладающей высокой теплопроводностью, или попадают в инертную жидкость, то могут быть получены гранулированные вещества с размерами частиц до 1 мм, содержащие по крайней мере 50% аморфной фазы. Получение указанных веществ преимущественно осуществляют в инертной атмосфере или в вакууме, поскольку многие из этих веществ обладают высокой реакционноспособностью.

В соответствии с настоящим изобретением идентифицирован ряд новых стеклообразующих сплавов. Интервал композиций сплавов, пригодных для получения стеклообразных или аморфных веществ, может быть установлен несколькими способами. Некоторые композиции формируют металлические стекла при относительно больших скоростях охлаждения, в то время как предпочтительные композиции образуют металлические стекла при сравнительно низких скоростях охлаждения. Хотя интервалы композиций сплавов определяются в соответствии с диаграммами состояния трехкомпонентной или квазитрехкомпонентной системы, такими как диаграммы, приведенные на фиг. 3 - 5, границы существования сплава могут несколько варьировать, поскольку вводятся новые материалы. Границы охватывают сплавы, которые образуют металлическое стекло при охлаждении от температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью менее приблизительно 10⁶ К/с, преимущественно менее 10³ К/с, а часто со значительно меньшими скоростями, наиболее предпочтительно со скоростью менее 100 К/с.

Вообще говоря, приемлемые стеклообразующие сплавы содержат по крайней мере один ранний переходный металл, по крайней мере один поздний переходный металл и берилий. Хорошее стеклование может наблюдаться к некоторых трехкомпонентных берилиевых сплавов. Однако еще лучше стеклование, т.е. стеклование при низких критических скоростях охлаждения, позволяющих избежать кристаллизации, может наблюдаться у четырехкомпонентных сплавов, содержащих по крайней мере три переходных металла. Еще более низкие критические скорости наблюдаются у пятикомпонентных сплавов, в частности, содержащих по крайней мере два ранних переходных металла и по крайней мере два поздних переходных металла.

Общим свойством широкого круга металлических стекол является то, что сплавы содержат от 2 до 47 ат.% бериллия. (Если специально не оговаривается, процентные составы, приведенные здесь, обозначают атомные проценты). Содержание бериллия преимущественно составляет приблизительно от 0 до 35% в зависимости от других присутствующих в сплаве металлов. Широкий интервал содержания бериллия (от 6 до 47% иллюстрируется диаграммой состояния трехкомпонентной или квазитрехкомпонентной систем, приведенной на фиг. 3, для состава стекла, в котором ранним переходным металлом является цирконий и/или цирконий, содержащий сравнительно небольшое количество титана, в частности 5%.

Вторая вершина диаграммы состояний трехкомпонентной системы, приведенной на фиг. 3, представляет собой ранний переходный металл (ЕТМ) или смесь ранних переходных металлов. В соответствии с настоящим изобретением ранний переходный металл включает металл 3, 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы, в том числе лантениды и актиниды. Ранее принятое обозначение для этих групп по классификации Международного союза чистой и прикладной химии было IIIA, IVA, VA и VIA. Содержание раннего переходного металла составляет от 30 до 75 ат. %. Содержание раннего переходного металла преимущественно составляет от 40 до 67%.

Третью вершину диаграммы состояния трехкомпонентной системы образует поздний переходный металл (LTM) или смесь поздних переходных металлов. В соответствии с настоящим изобретением, поздний переходный металл включает металл 7, 8, 9, 10 и 11 групп Периодической таблицы, в том числе лантаниды и актиниды. Ранее принятое обозначение для этих групп по классификации Международного союза чистой и прикладной химии было VIIA, VIIIA и IB. Получают стеклообразные сплавы, в которых содержание позднего переходного металла в трехкомпонентных или более сложных сплавах составляет от 5 до 62 ат.%. Содержание позднего переходного металла преимущественно составляет от 10 до 48%.

Многие составы трехкомпонентных сплавов с по крайней мере одним ранним переходным металлом и по крайней мере одним поздним переходным металлом, содержание бериллия в которых составляет от 2 до 47 ат.%, образуют хорошие стекла при охлаждении с приемлемой скоростью охлаждения. Содержание раннего переходного металла составляет от 30 до 75%, а содержание позднего переходного металла составляет от 5 до 62%.

На фиг. 3 на диаграмме состояния трехкомпонентной системы показана меньшая шестиугольная фигура, обозначающая границы предпочтительных композиций сплава, для которых скорость охлаждения при формировании стекла составляет меньше чем 10³ К/с, а многие из них имеют критические скорости охлаждения меньше 100 К/с. На указанной тройной диаграмме состояния ЕТМ обозначает ранние переходные металлы, приведенные выше, а LTM обозначает поздние переходные металлы. Диаграмму можно рассматривать как квазитройную, поскольку многие из стеклообразующих композиций включают по крайней мере три переходных металла и могут быть четырехкомпонентными или иметь более сложный состав.

Площадь большего шестиугольника, как это показано на фиг.3, обозначает область стеклообразования для сплава, имеющего несколько большую критическую скорость охлаждения. Эти площади ограничены интервалами композиций для сплавов, имеющих формулу

(Zr_1-xTi_x)_a1 ETM_a2(Cu_1-yNi_y)_b1LTM_b2Be_c.

В приведенной формуле x и y обозначают атомные доли, а a1, a2, b1, b2 и c обозначают атомные проценты. ETM обозначает по крайней мере один дополнительный ранний переходный металл. LTM обозначает по крайней мере один дополнительный поздний переходный металл. В приведенном примере количество другого раннего переходного металла составляет от 0 до 0,4 от общего количества циркония и титана, а значение x лежит в интервале от 0 до 0,15. Общее содержание раннего переходного металла, в том числе циркония и/или титана, составляет от 30 до 70 ат.%. Общее содержание позднего переходного металла, в том числе меди и никеля, составляет от 5 до 62%. Количество бериллия составляет от 6 до 47%.

Внутри шестиугольника с меньшей площадью, изображенного на фиг. 3, находятся сплавы, имеющие низкие критические скорости охлаждения. Подобные сплавы содержат по крайней мере один ранний переходный металл, по крайней мере один поздний переходный металл и от 10 до 35% бериллия. Общее содержание раннего переходного металла составляет от 40 до 67%, а общее содержание позднего переходного металла составляет от 10 до 48%.

Если в состав сплава в качестве единственных поздних переходных металлов входят медь и никель, то содержание никеля предпочтительно должно быть ограничено. Так, если b2 равно 0 (т.е. если нет другого позднего переходного металла) и помимо циркония и/или титана присутствует какой-либо ранний переходный металл, то пропорции никеля и меди предпочтительно должны быть приблизительно равными. Это желательно, поскольку другие ранние переходные металлы труднорастворимы в меди и дополнительное количество никеля способствует растворимости таких элементов, как ванадий, ниобий и т.п.

Если содержание другого раннего переходного металла низкое или же цирконий и титан являются единственными ранними переходными металлами, то содержание никеля в композиции предпочтительно составляет приблизительно от 5 до 15%. Это можно установить из стехиометрической формулы, в которой b.y составляет от 5 до 15.

Предыдущие исследования касались двух- или трехкомпонентных сплавов, которые образуют металлическое стекло при сравнительно больших скоростях охлаждения. Было показано, что четырехкомпонентные, пятикомпонентные и более сложные сплавы, содержащие по крайней мере три переходных металла и бериллий, образуют металлические стекла при значительно меньших критических скоростях охлаждения, чем ранее считалось возможным.

Было также показано, что при соответствующем содержании бериллия трехкомпонентные сплавы, содержащие по крайней мере один ранний переходный металл и по крайней мере один поздний переходный металл, образуют металлические стекла при более низких критических скоростях охлаждения, чем ранее полученные сплавы.

Помимо переходных металлов, указанных выше, металлические стекла могут содержать до 20 ат.% алюминия, при этом содержание бериллия остается выше шести процентов, до двух атомных процентов кремния и до пяти атомных процентов бора, а в некоторых сплавах до пяти атомных процентов других элементов, таких как висмут, магний, германий, фосфор, углерод, кислород и т.д. Доля других элементов в стеклообразующем сплаве преимущественно составляет менее 2%. Предпочтительные пропорции других элементов составляют от 0 до 15% алюминия, от 0 до 2% бора и от 0 до 2% кремния.

Для того чтобы обеспечить низкие скорости охлаждения и относительно длительное время обработки, содержание бериллия в вышеуказанных металлических стеклах должно предпочтительно составлять по крайней мере 10%.

Ранние переходные металлы выбирают из группы, включающей цирконий, гафний, титан, ванадий, ниобий, хром, иттрий, неодим, гадолиний и другие редкоземельные элементы, молибден, тантал и вольфрам в порядке убывания их предпочтения. Поздние переходные металлы выбирают из группы, включающeй никель, медь, железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий в порядке убывания их предпочтения.

Наиболее предпочтительную группу составляют такие ранние переходные металлы, как цирконий, гафний, титан, ниобий и хром (до 20% составляет общее содержание циркония и титана), и такие поздние переходные металлы, как никель, медь, железо, кобальт и марганец. Самые низкие критические скорости охлаждения наблюдаются для сплавов, содержащих ранние переходные металлы, выбранные из группы, включающей цирконий, гафний и титан, и поздние переходные металлы, выбранные из группы, включающей никель, медь, железо и кобальт.

Предпочтительная группа металлических стекол имеет формулу (Zr_1-xTi_x)_a (Cu_1-yNi_y)_bBe_c, где х и y обозначают атомные доли, а "a", "b" и "c" обозначают атомные проценты. В указанной композиции x лежит в интервале от 0 до 1, а значение y лежит в интервале от 0 до 1. Значение a, b и c в некоторой степени зависят от величины x. Когда значение x находится в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 6 до 47%. Если значение x находится в интервале от 0,15 до 0,4%, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, а значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,4 до 0,6, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 42%. Когда значение x находится в интервале от 0,6 до 0,8, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,8 до 1, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 30%, с тем ограничением, что значение 3c не превышает (100-b), когда значение b лежит в интервале от 10 до 49%.

На фиг. 4 и 5 показаны области стеклования для двух примерных композиций в системе (Zr, Ti) (Cu, Ni)Be. Например, на фиг. 4 приведена диаграмма состояния для квазитрехкомпонентной системы, где х = 1, т.е. титан-бериллиевой системы, в которой третью вершину диаграмм состояния трехкомпонентной системы образуют медь и никель. Большая площадь на фиг. 4 ограничивает область стеклования, как указано выше в числовом выражении, для системы Ti (Cu, Ni)Be. Составы внутри большей области образуют стекла при охлаждении от температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования. Предпочтительные сплавы указаны двумя более маленькими областями. Сплавы, состав которых попадает в этот диапазон, имеют наиболее низкие критические скорости охлаждения.

Аналогично на фиг. 5 показан шестиугольник большей площади, соответствующий композициям, в которых x = 0,5. Металлические стекла образованы при охлаждении сплавов, состав которых находится внутри площади шестиугольника.

Далее фрагмент (Zr_1-xTi_x) в указанных композициях может содержать металл, выбранный из группы, включающей до 25% гафния, до 20% ниобия, до 15% иттрия, до 10% хрома, до 20% ванадия, причем эти значения даны для всей композиции сплава, а не только для фрагмента (Zr_1-xTi_x). Другими словами, указанные ранние переходные металлы могут замещать цирконий и/или титан, при этом фрагмент сохраняется, как это описано ранее, а содержание замещающего элемента приведены в процентном отношении ко всему сплаву. При соответствующих обстоятельствах может также включаться до 10% металла, выбранного из группы, содержащей молибден, тантал, вольфрам, лантан, лантаниды, актиний и актиниды. Если требуется получить плотный сплав, то могут, например, включаться тантал или уран.

Фрагмент (Cu_1-yNi_y) также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей до 25% железа, до 25% кобальта и до 15% марганца, причем эти значения даны для всей композиции сплава, а не только для фрагмента (Cu_1-yNi_y). Может включаться до 10% других металлов из групп 7 - 11, однако они слишком дороги для сплавов, рассчитанных на промышленный выпуск. Некоторые из драгоценных металлов могут добавляться с целью придания антикоррозионных свойств, хотя устойчивость к коррозии металлических стекол обычно хорошая по сравнению с устойчивостью к коррозии этих же сплавов в кристаллической форме.

Бериллиевый фрагмент также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей до 15% алюминия, при этом содержание беррилия составляет по крайней мере 0%, кремния до 5% и бора до 5% от состава всего сплава, предпочтительное содержание бериллия в сплаве составляет по крайней мере 10 ат.%.

Вообще говоря, в стеклообразном сплаве допускается от 5 до 10% любого переходного металла. Следует также отметить, что стеклообразный сплав может выдержать присутствие значительных количеств веществ, которые могут считаться случайными или примесными. Например, в металлическом стекле может растворяться без заметного смещения кривой кристаллизации значительное количество кислорода. Другие случайные элементы, такие как германий, фосфор, углерод, азот или кислород могут присутствовать с общим количеством приблизительно менее пяти атомных процентов и предпочтительно с общим количеством приблизительно менее одного атомного процента. Допустимо также небольшое количество щелочных металлов, щелочноземельных металлов или тяжелых металлов.

Существуют разные способы для выражения состава, который является хорошим для стеклообразующих сплавов. Они включают формулы для составов, в которых пропорции различных элементов выражены в алгебраической форме. Пропорции являются взаимозависимыми, поскольку высокие пропорции некоторых элементов, которые легко промотируют сохранение стеклообразной фазы, могут преодолеть влияние других элементов, которые способны промотировать кристаллизацию. Важное влияние может оказать также присутствие других элементов помимо переходных металлов и бериллия.

Мы полагаем, что кислород в количестве, которое превосходит растворимость кислорода в твердом сплаве, способен промотировать кристаллизацию. Как мы полагаем, именно в этом заключается причина того, что особенно хорошие стеклообразующие сплавы включают значительные количества циркония, титана или гафния (гафний в заметной степени взаимозаменяем с цирконием). Цирконий, титан и гафний в твердом состоянии хорошо растворяют кислород. Промышленный бериллий содержит или взаимодействует со значительным количеством кислорода. В отсутствие циркония, титана или гафния кислород может образовывать нерастворимые оксиды, которые являются центрами гетерогенной кристаллизации. Это следует из испытаний некоторых трехкомпонентных сплавов, которые не содержат цирконий, титан или гафний. Внешний вид образцов, полученных разбрызгиванием при охлаждении, которые не образуют аморфных твердых веществ, заставляет предположить наличие высадившихся оксидных фаз.

Некоторые элементы, входящие в состав композиции в небольших пропорциях, могут влиять на свойства стекла. Хром, железо и ванадий повышают прочность. Однако содержание хрома должно составлять не более приблизительно 20%, а предпочтительно менее 15% от общего количества циркония, гафния или титана.

Для цирконий-, гафний- и титансодержащих сплавов в общем случае является предпочтительным, чтобы атомная фракция титана во фрагменте сплава, содержащем ранний переходный металл, составляла менее 0,7.

Не все ранние переходные металлы одинаково желательны в составе композиции. Наиболее предпочтительными ранними переходами металлами являются цирконий и титан. Следующими в ряду предпочтения ранними переходными металлами являются ванадий, ниобий и гафний. Следующий порядок предпочтения составляют иттрий и хром, при этом содержание хрома ограничено, как указано ранее. В ограниченных количествах могут также включаться лантан, актиний и лантаниды и актиниды. Последними из предпочтительных ранних переходных металлов являются молибден, тантал и вольфрам, хотя в некоторых случаях они могут оказаться желательными. Например, вольфрам и тантал могут быть полезными в металлических стеклах с относительно большой плотностью.

Из поздних переходных металлов наиболее предпочтительны медь и никель. В некоторых композициях особенно желательно присутствие железа. Следующий ряд предпочтения из поздних переходных металлов составляют кобальт и марганец. Некоторые композиции предпочтительно не должны содержать серебро.

Кремний, германий, бор и алюминий можно рассматривать как компоненты бериллиевого фрагмента сплава, и в его состав могут входить любые из них. Если присутствует алюминий, то содержание бериллия должно составлять по крайней мере 6%. Содержание алюминия предпочтительно должно составлять менее 20%, а еще более предпочтительно менее 15%.

Наиболее предпочтительные композиции содержат смесь меди и никеля приблизительно в равных пропорциях. Таким образом, предпочтительная композиция содержит цирконий и/или титан, бериллий и смесь меди и никеля, при этом количество меди, например, составляет от 35 до 65% от общего количества меди и никеля.

Далее приводятся выражения для формул стеклообразующих композиций различного размера и состава. Подобные сплавы могут быть получены в виде металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, при охлаждении сплава от температуры выше температуры плавления, минуя температуру стеклования с достаточной скоростью, чтобы избежать образования более чем 50% кристаллической фазы. В каждой из приводимых далее формул x и y обозначают атомные фракции. Подстрочные знаки a, a1, b, b1, c и т.д. обозначают атомные проценты.

Примерные стеклообразующие сплавы имеют формулу

(Zr_1-xTi_x)_al ETM_a2(Cu_1-y Ni_y)_b1LTM_b2Be_c

где ранние переходные металла включают Y, Nb, Hf и Cr,

при этом содержание хрома составляет из них не более 20%.

Поздними переходными металлами преимущественно являются Fe, Co, Mn, Ru, Ag и/или Pd. Количество другого раннего переходного металла составляет до 40% от количества фрагмента (Zr_1-xTi_x). Когда значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, значение (a1+a2) составляет от 30 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 6 до 47%. Когда значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, значение (a1+a2) составляет от 30 до 75%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 47%,

Преимущественно значение (a1+a2) составляет от 40 до 67%, значение (b1+b2) составляет от 10 до 40%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 10 до 35%.

Когда значение x составляет более 0,4, то количество другого раннего переходного металла может составлять до 40% от количества циркониевого и титанового фрагмента. Затем, когда значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, значение (a1+a2) составляет от 35 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 47%. Когда значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, значение (a1+a2) составляет от 35 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 42%. Когда значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, значение (a1+a2) составляет от 35 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 30%. В указанных сплавах существует ограничение, заключающееся в том, что для значения x от 0,8 до 1, значение 3c не превышает (100-b1-b2), когда значение (b1+b2) составляет от 10 до 49%.

Предпочтительно, когда значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, значение (a1+a2) составляет от 40 до 67%, значение (b1+b2) составляет от 10 до 48%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 10 до 35%. Когда значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, значение (a1+a2) составляет от 40 до 67%, значение (b1+b2) составляет от 10 до 48%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 10 до 30%. Когда значение x лежит в интервале от 0,8 до 1 либо значение (a1+a2) составляет от 38 до 55%, значение (b1+b2) составляет от 35 до 60%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 15% либо значение (a1+a2) составляет от 65 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 15%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 17 до 20%.

Стеклообразующая композиция преимущественно представляет собой сплав ZrTiCuNiBe, имеющий формулу

(Zr_1-xTi_x)_a(Cu_1-yNi_y)Be_c,

где значение y находится в интервале от 0 до 1,

а значение x находится в интервале от 0 до 0,4. Когда значение x находится в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 6 до 47%. Если значение x находится в интервале от 0,15 до 0,4, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Предпочтительно значение a лежит в интервале от 40 до 67%, значение b лежит в интервале от 10 до 35%, а значение c лежит в интервале от 10 до 35%. Например, хорошей стеклообразующей композицией является Zr₃₄Ti₁₁Cu_32,5Ni₁₀Be_12,5. Если слегка отступить от приведенных пределов, то могут быть получены эквивалентные стеклообразующие сплавы.

Когда значение x в приведенной выше формуле находится в интервале от 0,4 до 0,6, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,6 до 0,8, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 42%. Когда значение x находится в интервале от 0,8 до 1, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 30%, c тем ограничением, что значение 3c не превышает (100-b), когда значение b лежит в интервале от 10 до 49%.

Предпочтительно, когда значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, значение a составляет от 40 до 67%, значение b составляет от 10 до 48%, значение c составляет от 10 до 35%. Когда значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, значение a составляет от 40 до 67%, значение b составляет от 10 до 48%, а значение c составляет от 10 до 30%. Когда значение x лежит в интервале от 0,8 до 1 либо значение a составляет от 38 до 55%, значение b составляет от 35 до 60%, а значение c составляет от 2 до 15%, либо значение a составляет от 65 до 75%, значение b составляет от 5 до 15%, а значение c составляет от 17 до 27%.

В наиболее предпочтительном интервале составов композиций фрагмент (Zr_1-xTi_x) может включать до 15% гафния, до 15% ниобия, до 10% иттрия, до 7% хрома, до 10% ванадия, до 5% молибдена, тантала или вольфрама, до 5% лантана, лантанидов, актиния и актинидов. Фрагмент (Cu_1-yNi_y) может также включать до 15% железа, до 10% кобальта, до 10% марганца, до 5% другого металла из групп 7 - 11. Бериллиевый фрагмент может также включать до 15% алюминия, до 5% кремния и до 5% бора. Общее содержание случайных элементов преимущественно составляет менее 1 ат.%.

Некоторые из стеклообразующих сплавов можно выразить формулой

((Zr, Hf, Ti)_xETM_1-x)_a(Cu_1-yNi_y)_b1 LTM_b2Be_c,

где атомная доля титана во фрагменте ((Hf, Zr, Ti)ETM) составляет менее 0,7, а значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение (b1 + b2) лежит в интервале от 5 до 57%, а значение c лежит в интервале от 6 до 45%. Предпочтительно значение а лежит в интервале от 40 до 67%, значение (b1 + b2) лежит в интервале от 40 до 67%, значение (b1 + b2) лежит в интервале от 10 до 48%, а значение c лежит в интервале от 10 до 35%.

Иначе формулу можно выразить в виде

((Zr, Hf, Ti)_xETM_1-x)_a)Cu_b1Ni_b2LTM_b3 Be_c,

где значение x лежит в интервале от 0,5 до 0,8.

Если ETM обозначает иттрий, неодим, гадолиний и другие редкоземельные элементы, то значение а лежит в интервале от 30 до 75%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 6 до 50%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до 50%, а значение c лежит в интервале от 6 до 45%. Если ETM обозначает хром, тантал, молибден или вольфрам, то значение а лежит в интервале от 30 до 60%, значение (b1 + b2 +b3) лежит в интервале от 10 до 50%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до x(b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 10 до 45%. Если ETM выбирают из группы, включающей ванадий и ниобий, то значение а лежит в интервале от 30 до 65%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 10 до 50%, значение b3 лежит в интервале от 10 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до x (b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 10 до 45%.

Предпочтительно, когда ETM обозначает иттрий, неодим, гадолиний и другие редкоземельные элементы, значение а лежит в интервале от 40 до 67%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 10 до 38%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до 38%, а значение c лежит в интервале от 10 до 35%. Если ETM обозначает хром, тантал, молибден или вольфрам, то значение а лежит в интервале от 35 до 50%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 15 до 35%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до x(b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 15 до 35%. Если ETM обозначает ванадий и ниобий, то значение а лежит в интервале от 35 до 55%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 15 до 35%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение 1 лежит в интервале от 0 до x(b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 15 до 35%.

На фиг. 4 и 5 показаны шестиугольники с несколько меньшей площадью, которые представляют предпочтительные стеклообразующие композиции, т.е. композиции, в которых x = 1 и x = 0,5 соответственно. Эти области представляют собой шестиугольники меньшей площади на диаграмме состояния квазитрехкомпонентной системы. Следует отметить, что на фиг. 4 обозначены два шестиугольника с относительно меньшей площадью для предпочтительных композиций стеклообразующих сплавов. Для обеих указанных предпочтительных областей существования композиции наблюдаются очень низкие критические скорости охлаждения.

В качестве примера очень хорошая стеклоообразующая композиция имеет приблизительную формулу

(Zr_0,75Ni_0,25)₅₅(Cu_0,36Ni_0,64) _22,5Be_22,5.

Образец этого вещества охлаждали в трубе из плавленого кварца с диаметром 15 мм, которую погружали в воду и получали полностью аморфный слиток. Скорость охлаждения от температуры плавления, минуя температуру стеклования, оценивается величиной приблизительно два - три градуса в секунду.

Среди разнообразных комбинаций веществ, которые попадают в указанные рамки, могут быть необычные смеси металлов, которые не образуют по крайней мере 50% стеклянной фазы при скоростях охлаждения менее приблизительно 10⁶К/с. Подходящие комбинации могут быть легко идентифицированы путем простого плавления с использованием соответствующего способа нагрева, охлаждения при разбрызгивании и проверки аморфности образца. Предпочтительные композиции легко интенсифицируются при низких критических скоростях охлаждения.

Аморфную природу металлических стекол легко установить с помощью ряда хорошо известных методов. На рентгенограммах полностью аморфных образцов наблюдаются широкие диффузные максимумы рассеивания. Если кристаллическое вещество присутствует совместно со стеклянной фазой, то можно наблюдать относительно острые пики брэгговской дифракции, соответствующие кристаллическому веществу. Относительные интенсивности, соответствующие острым пикам Брэгга, можно сравнить с интенсивностями, соответствующими диффузным максимумам, и оценить содержание аморфной фазы.

Содержание аморфной фазы можно также оценить методом дифференциального термического анализа. Сравнивают энтальпию при нагревании образца с целью инициировать кристаллизацию аморфной фазы с энтальпией кристаллизации полностью стеклообразного вещества. Отношение этих величин определяет молярную фракцию стеклообразного вещества в исходном образце. Для определения фракции стеклообразного вещества можно также применять метод электронной микроскопии на просвет. В методе электронной микроскопии стеклообразное вещество проявляет маленький контраст и может быть идентифицировано по своему относительно лишенному характерных черт изображению. Кристаллическое вещество обладает значительно большим контрастом и его легко отличить. Для подтверждения наличия обнаруженной фазы можно затем использовать дифракцию электродов. Объемную фракцию аморфного вещества в образце можно оценить при анализе изображений, наблюдаемых при использовании метода электронной микроскопии на просвет.

Металлические стекла, образуемые сплавами по настоящему изобретению, обычно проявляют значительную пластичность на изгиб. Фольга, полученная при охлаждении разбрызгиванием, проявляется пластичностью на изгибе в интервале от 90 до 180^o. В области предпочтительных составов полностью аморфные ленты толщиной 1 мм проявляют пластичность на изгиб и их также можно прокатать приблизительно до 1/3 от первоначальной толщины без образования макроскопических трещин. Подобные прокатанные образцы все еще можно согнуть под углом 90^o.

Аморфные сплавы по настоящему изобретению обладают высокой твердостью. Высокие значения величины твердости по Виккерсу свидетельствуют о высокой прочности. Поскольку многие из предпочтительных сплавов обладают относительно низкой плотностью, составляющей от 5 до 7 г/см³, то сплавы обладают высоким отношением прочности к весу. Однако, если необходима большая плотность, то в композиции могут быть включены тяжелые металлы, такие как вольфрам, тантал или уран. Например, металлическое стекло с большой плотностью может быть получено из сплава с общим составом (TaWHf)NiBe.

Желательно, чтобы в предпочтительных составах содержалось заметное количество ванадия и хрома, поскольку в этом случае сплавы проявляют большую прочность, чем сплавы, не содержащие ванадия и хрома.

Примеры.

Ниже приводится табл. 1 сплавов, которые можно отлить в виде полосок толщиной 1 мм, содержащих более 50% аморфной фазы. В табл. 1 для многих сплавов представлены также их свойства, в том числе температура стеклования Tg, выраженная в градусах Цельсия. В колонке, обозначенной Tx, приведена температура, при которой начинается кристаллизация в процессе нагревания аморфного сплава выше температуры стеклования. Применяемым методом измерения является дифференциальный технический анализ. Образец аморфного сплава нагревают выше температуры стеклования со скоростью 20^oC в 1 мин. Регистрируют температуру, при которой изменение энтальпии указывает на начало кристаллизации. Образцы нагревают в инертной газовой среде, однако его чистота соответствует чистоте промышленного инертного газа, а он содержит немного кислорода. Вследствие этого поверхность образцов слегка подкисляется. Нами показано, что существует более высокая температура, при которой образец имеет чистую поверхность, так что наблюдается не гетерогенное, а гомогенное зародышеобразование. Таким образом, вероятность гомогенной кристаллизации может быть на самом деле выше, чем установлено в указанных тестах для образцов, не содержащих оксидов на поверхности.

В колонке, обозначенной через T, указана разница между температурой кристаллизации и температурой стеклования, обе из которых определяют методом дифференциального термического анализа. Вообще говоря, более высокие значения T указывают на меньшую критическую скорость охлаждения для формирования аморфного сплава. Оно также указывает на то, что имеется большее количество времени для обработки аморфного сплава при температуре выше температуры стеклования. Величина T, превышающая 100^oC, указывает на особенно хороший стеклообразующий сплав.

Последняя колонка табл. 1, обозначенная через Hv, показывает твердость по Виккерсу аморфной композиции. Вообще говоря, более высокие значения твердости свидетельствуют о большей прочности металлического стекла.

В приведенной далее табл. 2 представлен ряд составов, которые, как установлено, являются аморфными при отливке в виде слоя толщиной 5 мм.

В табл. 3 приведен ряд композиций, которые, как установлено, содержат более 50% аморфной фазы, а обычно 100% аморфной фазы, при охлаждении разбрызгиванием с образованием фольги толщиной приблизительно 30 мкм.

Здесь рассмотрен ряд классов и примеров составов стеклообразующих сплавов, имеющих низкие критические скорости охлаждения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что приведенные границы областей стеклования являются приблизительными и композиции, состав которых несколько выходит за эти точные границы, могут быть хорошими стеклообразующими веществами, а композиции, состав которых приблизительно попадает в указанные границы, может не являться стеклообразующим веществом при скоростях охлаждения менее 1000 К/с. Таким образом, в пределах объема притязаний, указанного в формуле изобретения, настоящее изобретение можно осуществлять с некоторыми отклонениями от приведенных точных составов композиций.