[发明专利]一种厘米级Zr基块体非晶合金及其制备、应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体的说，本发明涉及一种厘米级Zr基块体非晶合金及其制备、应用方法。

背景技术

非晶合金，又称为金属玻璃，是一类原子排列呈长程无序短程有序结构特征的金属合金的总称。与传统的晶态合金相比，非晶合金缺少原子排列的周期对称性和各向异性，也没有晶体结构一样的位错和晶界，这就使得非晶合金具有传统晶态合金所无法比拟的物理和化学性能。但是由于合金的原子间结合力以无方向性的金属键形式存在，液态的粘度较低，原子扩散重排容易，有利于晶态相的形成。因此，通常需要高达10³-10⁶K/s的冷却速率才能制备出非晶合金。早期的非晶合金通常是细粉、细丝、薄带等低维材料，开发具有高非晶形成能力的合金体系一直是非晶材料研究者不懈的追求，具有重大的理论研究价值和生产应用意义。

早期发现的非晶合金的形成能力比较低，能够形成大尺寸的非晶合金材料仅限于贵金属基合金，因此没有作为工程材料而进行进一步的研究。自二十世纪八十年代末以La-Al-Ni-Cu、Zr-Ti-Ni-Cu-Be和Zr-Al-Ni-Cu合金为代表的一系列块体非晶（如Mg基、Fe基、Cu基、Co基块体非晶合金）研制成功后，使得采用常规的铜模铸造或水淬方法就能制备出在三维尺寸都能达到毫米级的非晶合金，称为“块体非晶合金”。由于其优异的力学和物理化学性能，使得非晶合金作为结构、功能材料在航空航天、机械电子、生物医疗、军事等领域有着广阔的应用前景，例如，非晶合金优异的力学性能及良好的耐腐蚀性能使其具有作为结构材料及生物医用材料应用的前景；具有良好软磁性能的非晶合金可作为软磁材料使用；利用非晶合金在过冷液体温度区间的超塑性及精密复写能力能够实现复杂形状的精密成形；非晶合金的美观和稀有性也使其具有装饰作用。目前，非晶合金已经成功应用于体育器材（高尔夫球头）、航天（太阳风收集器）及磁性材料（变压器铁芯）等领域。

在已开发的非晶合金体系中，Zr基非晶合金由于具有高强度、高硬度和高断裂韧性，因而受到人们广泛的关注和研究，尤其是在结构材料领域的应用。但是Zr基非晶合金的应用仍然受到几个因素的制约：（1）制备大尺寸的非晶合金。由于非晶合金自身的亚稳态特性，使得在凝固过程中具有自发向更稳定的晶态转变特点，因此需要非常高的冷却速率才能保持非晶态，目前，通过研究者的努力，已成功地开发出能够获得厘米级非晶合金制品的合金成分，如Zr-Ti-Cu-Ni-Be,Zr-Al-Ni-Cu,Zr-Al-Cu-Ag等。开发具有超高形成能力的Zr基非晶合金体系，为Zr基非晶合金的应用奠定了基础。（2）非晶合金的低塑性。非晶合金具有的长程无序短程有序特征，使得其具有比晶态合金高得多的强度，但是由于其在变形过程中的具有局域剪切特性，使得其在室温下的塑性很低，限制了其在工程上的应用。通过合金成分的调整，可以在一定程度上改善非晶合金的塑性，如在Zr-Al-Cu-Ag和Zr-Al-Ni-Cu合金体系中均发现了具有较高塑性变形能力的合金成分。（3）Zr基非晶合金的耐腐蚀性。由于目前已开发的具有高非晶形成能力且塑性较好的Zr基非晶合金体系大部分都含有较高含量的Cu元素，大大降低了Zr基非晶合金在氯离子环境下的耐腐蚀性能，限制了其应用范围。

发明内容

本发明针对目前具有高非晶形成能力和高塑性的Zr基非晶合金体系耐蚀性较差这一问题，提供一种同时具有高非晶形成能力，高强韧和高耐蚀的Zr-Al-Ni-Ag块体非晶合金，同时提供了该块体非晶合金的制备方法，以及利用该块体非晶合金制备薄带以及棒材的方法。

本发明提供的技术方案是：一种厘米级高强韧高耐蚀Zr基块体非晶合金，该合金具体化学成分为：Zr_aAl_bNi_cAg_d，其中54at.%<a<58at.%，12at.%<b<18at.%，18.2at.%<c<24at.%，5.6at.%<d<9at%，且a+b+c+d=100。

本发明所涉及的非晶合金，可以通过常规的铜模铸造工艺获得临界尺寸大于10mm的非晶合金棒材，其中Zr₅₆Al₁₆Ni_19.6Ag_8.4非晶合金的临界尺寸达到20mm。