[发明专利]一种锆基块体金属玻璃及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶态合金领域，具体地说是涉及一种以常见金属(锆、铜、镍、铝)为主要组元，通过合适的成分设计得到的具有超高塑性和强度的锆基块体金属玻璃。

背景技术

在通常的冷却速度下，合金凝固过程中将会结晶，从而成长为晶体。但是在冷却速率足够高的情况下，金属合金可以越过结晶过程，在玻璃化转变温度凝固形成非晶态合金，称之为金属玻璃。相对于晶态合金而言，非晶态合金的力学性能显著提高，特别是强度的提高异常明显，已经接近于理论强度。然而，不幸的是，在强度提高的同时，金属玻璃的塑性变形能力几乎完全丧失。即使在相对稳定的压缩条件下，通常的金属玻璃也仅仅表现出2％左右的塑性应变。在拉伸条件下，它们几乎表现不出任何的塑性应变，因此在使用过程中很容易引发灾难性破坏。作为一种非常有前景的结构材料，这种脆性的断裂方式严重的制约了它们的应用。因此，如何提高金属玻璃的塑性变形能力成为这个领域的热点研究课题。

围绕这个问题，科研人员提出了多种方法用以提高金属玻璃的塑性。总的来说，这些方法主要集中在制备复合材料上，并可以分为两大类：一类是内生塑性晶体相；另一类是外加第二相。通过复合材料的方法虽然在一定程度上提高了金属玻璃的塑性，但是其强度却因此而降低，这主要是因为第二相的强度一般低于金属玻璃，复合后的总体强度也因此而降低。另外，制备复合材料的工艺相对复杂，而且受很多条件的制约而难以控制第二相的形态，分布和数量。

前期研究工作表明，块体金属玻璃的塑性和其弹性模量，特别是泊松比，有密切的关系。泊松比越大，塑性就越高。并且，块体金属玻璃的弹性模量可以通过组元的弹性模量来估计。因此，可以通过这两个关系来控制金属玻璃的泊松比，从而以成分设计的方法获得大塑性、高强度的块体金属玻璃。由于最后得到的是单一的玻璃相，所以通过成分设计得到的块体金属玻璃在塑性提高的同时还能够保持高的强度。本发明采用价格相对便宜的常见金属作为块体金属玻璃的组元，因此更具有应用前景。

发明内容

本发明的目的在于通过控制弹性模量(特别是泊松比)进行适当的成分设计，从而提供一系列以常见金属元素为组元，抑制结晶能力强，具有高的玻璃形成能力，可以在较低冷却速度下制备的大尺寸的具有很大塑性、高强度和硬度的锆基金属玻璃。

本发明的另一个目的是提供一种获得所述锆基金属玻璃的制备方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明所提供的锆基块体金属玻璃以锆、铜、镍和铝为组元，其组成可用公式表示(Zr_aCu_bNi_c)_1-xAl_x，其中65.5≤a≤74，15≤b≤22，10.5≤c≤18，0.08≤x≤0.12，且a+b+c＝100。

本发明的锆基块体金属玻璃包含不低于85％体积百分比的非晶相，该非晶相的比例是通过计算热焓来确定的。

本发明提供一种上述锆基块体金属玻璃的制备方法，包括如下的步骤：

1)配料：按照通式(Zr_aCu_bNi_c)_1-xAl_x所需要的原子摩尔比例将上述组分中的Zr、Cu、Ni、Al配料；

2)铸锭：在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，将步骤1)中的各组分配料经过熔炼后混合均匀，之后在炉内自然冷却后得到母合金铸锭；

3)吸铸：使用常规的金属型铸造法，将步骤2)制得的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷金属模，得到锆基块体金属玻璃(Zr_aCu_bNi_c)_1-xAl_x。

所述步骤1)中各元素Zr、Cu、Ni、Al原料的纯度均不低于99.9wt％(重量百分比)。

本发明提供的锆基块体金属玻璃与现有的非晶态合金相比，其优点在于：

1.本发明的锆基块体金属玻璃具有优秀的塑性变形能力，其塑性真应变超过200％，并可以继续变形，同时其强度并不因塑性提高而降低，抗压强度达到或超过1700MPa。因此该锆基非晶合金可以在结构材料领域具有广泛的应用范围。

2.本发明形成的锆基块体金属玻璃所需临界冷却速率低，抑制结晶能力较强，可以在很低(＜100K/s)的冷却速率下制得更大尺寸的合金，即易于形成大尺寸的非晶合金，其尺寸在各个维度不小于5毫米。