[发明专利]非晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶复合材料设计与制备技术，具体地说是结合难混溶合金液-液相变冶金学特征和合金玻璃转变的特点，设计一种非晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料及制备方法。

背景技术

非晶态合金(即金属玻璃)具有高强度、高硬度、耐腐蚀、各向同性等一系列优良的特性，在汽车、航空航天、电子、机械、医用材料、体育用品等领域具有广泛的应用前景。通常，非晶态合金的形成条件是在10⁴～10⁶K/s冷却速度下，合金熔体冷却到低于其玻璃转变温度T_g，使合金熔体避免发生晶体形核和结晶，从而快速凝固形成非晶态(或玻璃态)合金。随着快速冷却的技术不断提高，通过合金组元的多元化和合金化学成分的优化设计后，不论是在块体金属玻璃尺寸还是在非晶态合金种类上得到了迅猛的发展。研究者们陆续研究发现了多种非晶态合金，如Cu基、Fe基、Ca基、Al基、La基、Zr基、Pd基、Co基、Ti基、Ni基、Y基等。到目前为止，临界直径能达到10mm的合金系有Cu基、Fe基、La基、Zr基、Pd基、Ti基、Pt基、Y基，Mg基、Ca基等，其中Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀是玻璃形成能力最强的合金，临界直径达到72mm，这是迄今所报道的尺寸最大的块体金属玻璃。

尽管非晶态合金具有很高的屈服强度、弹性应变极限和较高的断裂韧性，但是非晶态合金的塑性很差，使其在开发与应用上受到了极大的限制。这也是摆在研究者们面前的重大研究课题和急需解决的难题。解决这一难题的方法就是在非晶合金中引入晶态相，促进形成多重剪切带，进一步增强非晶态合金基体，改善和提高其韧性和塑性，即形成韧性和塑性较好的第二相颗粒弥散分布于合金基体中的非晶复合材料。然而，以往研究的都是针对单相非晶合金开展的。对于某金属基的非晶合金的机械性能在某种程度上是确定的，而且不同金属基的非晶合金的物理和力学性能是不同的。例如，Fe、Co、Ni基非晶合金具有软磁性，Mg基非晶合金具有比强度大等特点，Cu、Fe、Zr基非晶合金具有较高的断裂强度和杨氏、剪切模量，Ni-Nb基非晶合金具有较高的弹性模量和硬度。通常，复合材料的机械性能可以表示为P_c＝∑X_iP_i，其中，P_c为复合材料的性能，X_i和P_i分别为第i组成相的性能和体积百分数。为了结合不同种类非晶合金的物理和力学性能，设计和制备两相复合非晶合金材料对提高非晶材料的综合性能以及促进其在工业中的应用将起着深远影响。两相复合非晶材料可以通过粉末冶金法制备，其工艺过程一般首先利用雾化或机械合金化制备不同的非晶合金粉，将非晶合金粉进行筛选后，将不同的种类的非晶粉进行热压等工序。这种方法制备的两相非晶复合材料中，不同非晶相间的界面结合较差，耐蚀性不好；由于各种非晶的晶化温度不同，在热压时易使其中某一种非晶相发生热稳定性转变；这种粉末冶金制备法工艺复杂、成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料及其制备方法，设计一种两相复合非晶材料。

本发明的技术方案是：

一种非晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，包括合金元素M和N形成的难混溶合金M-N，以及添加的其他合金元素，合金熔体冷却过程中首先发生液-液相变，添加的其他合金元素分别与合金元素M和N混溶形成富M的非晶态合金基体结构和富N非晶态球形粒子，富N的非晶态球形粒子相中，合金元素N所占的原子比例为35～90％，富N非晶态球形粒子均匀分布于富M非晶合金基体中，富M的非晶态金基体相中，合金元素M所占的原子比例为35～90％，富N球形粒子的直径范围10纳米～100微米，体积百分数为1～50％。

所述的非晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，难混溶合金M-N优选为Ti-La、Ti-Y、Nb-Y、La-Zr、Ca-Nd、Ca-Y、Ca-La、Hf-La、Cu-Fe、Ti-Ce合金之一。

所述的非晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，添加的其他合金元素为分别与合金元素M和N相应的非晶合金体系成分的一种或多种，添加的其他合金元素与合金元素M或N之间的混合焓ΔH_Mix^-为负，混溶了添加的其他合金元素的富M基体液相合金和富N球形液相合金在10～10⁶K/s冷却速度下发生玻璃转变。