[发明专利]一种高韧性、塑性的非晶合金及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非晶合金，具体涉及一种韧性、塑性都好的非晶合金以及该非晶合金的制备方法以及该非晶合金的应用。

背景技术

非晶态合金，简称非晶合金，是近三十年以来才出现的具有新型微观组织结构的金属功能材料。非晶态合金与晶态合金一样，都是多组元的合金体系，但是与晶态合金中原子的周期性排列不同，在非晶态合金中，原子的排列不具有长程有序的特点，而仅在单个原子的附近具有一定程度的短程有序。由于非晶态合金具有特殊的结构特征，没有传统晶体材料的晶界、位错和孪晶等缺陷，因此表现出许多超越了相应晶态材料的奇特性能，如独特的电磁性能、机械性能以及耐腐蚀性能。

锆基体的块体非晶合金有较高的玻璃形成能力，是非晶合金材料中常用的一种。大多数的锆基非晶合金材料，如Zr-Ti-Cu-Ni-Be体系合金，室温脆性较大，但是弹性应变的极限很大（2%），同时没有明显的弯曲塑性，这样的物理性能极大的影响了锆基非晶合金的应用。许多研究针对改善非晶合金的韧性和塑性进行了试验，发现了许多可以增进非晶合金韧性或/和塑性的方法，如通过轧制变形或者物理冲击在非晶合金基体中引入大量均匀分布的剪切带，从而改善和金的弯曲塑性，但是上述方法操作工艺复杂繁琐，且难以控制。

申请号为201210163602.X名为《改善锆基块体非晶合金弯曲塑性的方法》的中国专利中，提供了一种通过控制非晶合金的母合金铸锭的凝固组织达到改善非晶合金塑性的目的。该方案中，首先多试反复熔炼原始非晶母合金铸锭，使得到的块体非晶合金微观结构的无需度和自由体积含量显著增加，然后再次调整工艺参数对非晶母合金铸锭凝固组织进行细化。上述方案虽然工艺方法简单，无需特殊设备的投入，但是并非对于所有锆基体系的非晶合金都有同样的效果，同时控制其熔炼的工艺步骤多，人力物力消耗也大。

发明内容

本发明通过对非晶合金的成分和制备工艺进行改进，提供了一种新的锆基非晶合金的成分以及利用该成分的特性制备高韧性、塑性的非晶合金材料的工艺方法。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

1、原料配方

本发明提供了一种高韧性、塑性的非晶合金，其元素组成及原子摩尔百分含量为Zr50-60%、Al10-16%、M1组分26-30%、M2组分2-5%；M1组分为Cu、Co、Ni、Fe、Ti、Sc、Mn、Mo中的两种元素，其中单种元素的原子摩尔百分含量不低于12%；M2组分为Y、Ag、Nb、Ta、Hf中的一种。

Zr基非晶合金是最常被开发出新配方成分的非晶体系之一，在现有技术的开发过程中，从最早期的两元合金、三元合金发展至现在的五元、六元直至更多中组分的合金，如近几年来开发出的名为“高熵合金”的非晶合金。高熵合金为多组元等原子比合金，因具有高的混合熵，因此得名。多组分非晶合金体系与高熵合金体系的性质相似，在热力学上易处于亚稳态，从动力学上来说，多组元合金相的析出还涉及多元素的重新分配以及置换型扩散，会造成合金在动力学上变化迟缓，组元原子不易有效扩散、合金的形核和长大过程受到抑制，因此，多组元合金和高熵合金更容易形成各种亚稳相以及呈现出非晶化的状态。为增强非晶合金的形成能力，许多研究者一味追求非晶态的形成从而忽视了其他相关性能。本发明的发明人发现，适当增加合金组元固然有助于非晶合金的非晶态的形成能力，然而组元过多，非晶化程度太过则不利于非晶合金材料的宏观机械性能。

本发明的发明人在实践中发现，当Zr基非晶合金的组成为上述五元体系时，在本发明提供的制备方法下，不仅能够形成非晶态合金，在非晶态组成中还有少量树枝状晶体产生，这些树枝状晶体不仅使非晶合金的结构更加稳定，同时，这些晶体还可以被看做是预先存在的软化区域，在塑性变形中可能导致应力集中，有利于剪切带的形核，同时有利于在非晶合金的整体范围内出现剪切转变，增强了非晶合金受到外力作用后的塑性变形能力。本发明中，以Zr、Al为主合金成分，选用Cu、Co、Ni、Fe、Ti、Sc、Mn、Mo中两种元素作为另外两种合金主成分，且两种元素成分含量差异不宜过大；进一步地，还选用有利于在Zr体系中形成密堆结构的为Y、Ag、Nb、Ta、Hf元素中的一种作为另一种主合金成分。

进一步优选，所述非晶合金的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr55-58%、Al10-14%、M1组分27-28%、M2组分3-5%。

再进一步优选，所述非晶合金元素组成的M1组分选用Cu和Ni时性能最佳，最佳情况下M1组分中Ni与Cu的原子摩尔百分比为1:（1.05-1.35）。