一種高強度非晶合金及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種非晶合金材料，具體設及一種高強度的、非晶形成能力好的錯基 非晶合金材料及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 機械結構材料是指W材料的機械或者力學性能為主要應用指標的一類工程材料， 具體說來，包括材料的屈服強度、斷裂強度、斷裂初性、塑性延伸率、彈性模量、深沖性能、疲 勞性能等關鍵性指標。傳統(tǒng)的機械結構材料有工模具鋼、不誘鋼、耐熱鋼、侶合金、儀合金、 鐵合金，還包括各類復合材料，如陶瓷增強金屬基復合材料等，上述材料在應用中各有優(yōu) 勢，也都有各自無法克服的缺點，如鋼材類易腐蝕、侶合金強度低、復合材料界面控制工藝 困難等等。在某些特殊的領域，結構材料都會遇到一些特殊的要求，往往傳統(tǒng)材料無法企 及。與傳統(tǒng)晶態(tài)合金材料相比，塊體非晶合金材料在多項使用性能方面極具優(yōu)勢，具有更為 優(yōu)異的力學性能、加工性能、軟磁硬磁及獨特的膨脹特性、抗多種介質(zhì)腐蝕的能力、良好的 生物相容性等，運些優(yōu)良特性使得非晶合金在許多領域具有廣闊的應用前景。迄今為止，非 晶合金體系已開發(fā)出許多具有優(yōu)異性能的產(chǎn)品可用于機械結構材料，如Co化TaB塊體非晶 合金的壓縮強度可達到5185MPa，創(chuàng)造了自然界金屬材料強度的最高紀錄；ZrTi化NiBe塊 體非晶合金有室溫脆性但是彈性應變極限可達2% ;化ZrAl塊體非晶合金有室溫塑性又可 加工硬化。在諸多非晶合金體系中，Zr-A^^-Ni四元合金體系可制備出非晶形成能力和 熱穩(wěn)定性都非常好的非晶合金材料，如Z；T(aAl7.；)Nii(Aii7.；)。在該四元合金體系的基礎上也通 過改變制備工藝和合金成分配比研制出了許多具備其他功能的新的非晶合金材料。
[0003] 專利申請?zhí)枮?01510222401. 6的名為《一系列具有室溫壓縮塑性和高強度 的Zr-Al-Ni-化塊體非晶合金》中國專利中公開了 一系列Zr-Al-Ni-化體系的非晶 合金及其制備工藝，制備出了Zrsi.sAln.e化 14.9化20、Zrs2Ali2.9化 13.8化21.3、Zr52.sAli2.2化 12.6 CU22.7、ZrssAlu.gNiujCl%.?、Zr53.5Al10.9Ni10.6Cl%、Zr54Ali〇.2Nig.4CU26.4、ZrsA.sAlg.eNis.ACUzY.S和Zrs日Als.gNi7.3Cu28.8。合金的屈服強度為 1737. 5-2041. 9MPa，抗壓強度為 1892. 6-2184. 6MPa， 塑性應變?yōu)?.4-19. 1%。
[0004] 專利申請?zhí)枮?01210435848. 8的名為《一種具有超高強度和可控塑性的侶基復 合材料的制備方法》的中國專利中公開了一種Ni-Co-Y-La-Al五元合金體系，該體系的侶基 非晶合金通過改進配方與工藝制備出具有ISOOMPaW上斷裂強度的侶基符合材料，且塑性 可達到21%。
[0005] 如何制備出既具有更為優(yōu)異的力學性能，又具備好的非晶形成能力和成型能力， 具備大規(guī)?；€(wěn)定生產(chǎn)能力的非晶合金仍舊是研究努力的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種高強度、塑性好、非晶形成能力優(yōu)良、致密的、非晶成型能力好 的Zr基非晶合金及其制備方法，該Zr基非晶合金尤其改善斷裂強度。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題通過W下技術方案予W實現(xiàn)： 陽00引 1、原料配方
[0009] 非晶合金組成為ZraAliAicNidBeeSnfMlgM2h，其中曰、b、C、d、e、f、g、h為所述非晶合 金中對應的原子百分含量，分別為40%《a《70%，5%《b《30%，5%《C《15%，5% 《d《15%，0. 05%《e《3%，0. 2%《f《4%，0. 5%《g《5%，l%《h《5%;Ml為 Hf、Ta、銅系元素中的一種或多種，M2為Ti、Sc、Fe、Co元素中的一種或多種。其中，WZr、 A1、化、Ni為主量元素可W保證非晶合金整體上的穩(wěn)定性和一定的非晶形成能力。
[0010] 進一步優(yōu)選，55%《a《65%，10%《b《30%，7%《c《12%，7%《d《12%， 0.
[0011] 進一步優(yōu)選，Ml為Hf、Ta中的一種或兩者。
[0012] 本發(fā)明人通過大量實驗得出，極少量Be元素的添加可使得非晶合金中的各類原 子團簇更為致密。非晶合金烙煉時，能夠明顯看出添加少量Be元素即可從整體上提升非晶 合金烙融體的粘稠度，從而提升非晶合金整體成型能力和終產(chǎn)品的致密程度。因為Be元素 的氧化物有一定的毒性，而且Be元素的添加也會影響非晶的形成能力，故Be添加量不宜過 多，原子百分含量占整體合金的0. 05~3 %即可，可優(yōu)選為0. 1 %~2 %，再進一步優(yōu)選為 1 %~2%，該添加范圍內(nèi)Be元素毒性可忽略不計。
[0013] 許多強度高的非晶合金成型性能和塑性較差，盡管本身力學性能優(yōu)異，但是沒有 在工業(yè)中應用的實用性。本發(fā)明中添加Sn元素，Sn烙點低易氧化，少量添加有助于提升非 晶合金產(chǎn)品塑性，能夠增強該非晶合金材料的實用性能，且對強度無影響。
[0014] 銅系元素、Hf、化為同周期相鄰元素，性質(zhì)相近，在錯基非晶合金中都能夠不同程 度的取代主量元素Zr,增加了不同元素原子之間的作用力，宏觀表現(xiàn)為冷卻后合金結構較 為致密、成型性能好。銅系、Hf、化元素的添加可W抑制非晶合金的晶化趨勢，提高烙體的 穩(wěn)定性，即提升非晶形成能力。同等添加劑量下，優(yōu)選順序為Hf>化>銅系元素。該類元 素添加原子百分含量0. 5 %~5 %即可獲得較好的效果，可優(yōu)選為1 %~4 %，再進一步優(yōu)選 為1%~3%。
[0015] Ti、Sc、Fe、Co為同周期元素，本身性質(zhì)非常穩(wěn)定，同時Ti、Sc、Fe、Co可與Zr、Be、 Al形成禪合原子對，微觀上形成混亂度極高的密堆結構，能夠極大地提升非晶合金的強度 和變性能力。Ti、Sc、Fe、Co元素單獨添加至Zr-A^^-化四元體系合金時會極大地減小非 晶形成能力，添加過多會得不到有實用價值的塊狀非晶合金，必須同時添加銅系、Hf、Ta元 素才會將Ti、Sc、Fe、Co元素帶來的非晶形成能力的降低相抵消。Ti、Sc、Fe、Co元素添加 原子百分含量為1 %~5%，可優(yōu)選為2%~5%，再進一步優(yōu)選為3%~5%。
[0016] 進一步地，上述非晶合金中還可添加原子百分含量為0. 1%~0. 5%的Mn元素。Mn 元素穩(wěn)定，在非晶合金相中可取代A1、Cu,增加了不同元素原子之間的作用力，改善非晶形 成能力，同時還能夠與Zr、Be、Al形成禪合原子對，能夠極大地提升非晶合金的強度和變形 能力。
[0017] 2、制備方法
[0018] 步驟一、按照非晶合金組成比例稱取金屬原料，金屬原料的純度大于99. 5%。一般 來說，要得到非晶形成能力好的非晶合金，非晶的原料純度要非常高，往往需大于99. 9%， 因為一旦原料中雜質(zhì)過多，會和原料中的氧元素生成氧化物，在非晶成型的過程中作為種 晶誘發(fā)合金內(nèi)部晶體化，從而影響非晶態(tài)金屬的形成。本發(fā)明中添加的銅系元素、Hf、Ta、Sn元素則正好可W抑制該晶化趨勢，吸收合金中的氧，抑制晶核的形成，提高合金中非晶態(tài) 金屬的形成能力。采用本發(fā)明中的配比添加銅系元素、冊、化、Sn元素可使非晶合金原料的 純度要求降低，且不影響產(chǎn)出的非晶合金產(chǎn)品的品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本。
[0019] 步驟二、將原料混合后在氣氣氣氛或真空條件下通過電弧