[发明专利]Co基Co-B-Si-Ta块体金属玻璃

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有大玻璃形成能力、高强度以及磁性能的Co基Co-B-Si-Ta块体金属玻璃。

背景技术

非晶态金属合金是一类具有短程有序、长程无序结构特征的金属或合金，它们具有很高的综合力学性能和独特的物理化学性能。然而由于受到合金的玻璃形成能力的影响，制备该类材料需要较高的冷却速率，一般的临界冷却速率在10⁵K/s。以冷速从高到低为序，常用的急冷技术有：熔体雾化、薄膜沉积技术以及铜辊急冷甩带技术，材料形态常为低维材料如粉末、薄带等，其应用范围因此受到很大限制。

从二十世纪九十年代初以来，以日本和美国为首，发现了一系列具有强玻璃形成能力的合金成分，其中以Zr基最为易于制备，其临界冷却速率仅在1K/s量级，可以用铜模铸造和水淬等方法制备成三维块体材料，被称为块体金属玻璃。块体金属玻璃优异的力学和物理化学性能，有望作为作结构材料。此外，由于这类材料在其过冷液相区间内可实现精密快速成型，这种良好的工艺性能进一步拓展了其应用范围。目前，美、日等国已发展出了Zr基、Ti基、Pd基、Fe基、RE(rare earth)基、Ni基和Cu基等块体金属玻璃，并将部分块体金属玻璃材料实用化，取得了明显效益。

由于块体金属玻璃的性能通常优越于与之相对应的晶体合金，这在很大程度上促进了人们对具有独特软磁性能的Fe基和Co基块体金属玻璃的研究，这种磁性能是相应晶体合金所不具备的。Co基块体金属玻璃具有优越的工程应用性能：高强度和硬度、优良的磁性能和耐蚀性能、高的热稳定性，可作为结构材料和功能材料；尤其可利用其软磁性能，制成各种磁性器件应用于电力电子技术领域，如电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器、互感器、及传感器等。然而，和Zr基、Cu基块体金属玻璃相比，Co基合金的玻璃形成能力相对较弱，难以制备出具有大尺寸的块体金属玻璃，且都是在多组元合金体系中才能形成。目前，已报道的Co基块体金属玻璃大都含有五个或五个以上组元，如报道的Co-Fe-Si-B-Nb合金体系，形成的块体金属玻璃具有超高强度和良好的磁性能。该体系中形成的块体金属玻璃成分为(Co_1-xFe_x)₇₂B_19.2Si_4.8Nb₄，其中x＝0.1～0.4，这些金属玻璃成分是用部分Fe替代Co元素形成的；并且基础成分Co₇₂B_19.2Si_4.8Nb₄是源自于Fe₇₂B_19.2Si_4.8Nb₄，这样成分的选择就具有很大的随意性。而我们设计的块体金属玻璃成分，是依据团簇线判据先确定基础三元成分，然后再进行优化而得到，具有创新性、新颖性。在Co-B-Si-Ta四元合金体系中还未有块体金属玻璃报道过，并且在简单Co基合金体系中，形成的金属玻璃都是以带状形式存在，而本发明中Co-B-Si-Ta典型的成分可以形成直径4mm的金属玻璃棒，成为现有技术条件下的典型合金。尽管Co基合金的玻璃形成能力较弱，但独特的性能使得它们具有重大的工程应用前景，因此为了拓展磁性金属玻璃的工业应用，就促使人们不断去寻找具有大玻璃形成能力的磁性Co基金属玻璃体系。

现有的研究表明：块体金属玻璃常含有多个组元，且都属于成分敏感的合金相，即化学成分是影响合金玻璃形成能力的关键因素，一般的，在特定的玻璃形成体系中，具有最强玻璃形成能力的合金成分在相图上往往接近于点成分，如果偏离该成分，合金的非晶形成能力将大大降低，因此，制备块体金属玻璃时，成分的选择和控制至关重要。由于能够形成大尺寸的Co基块体金属玻璃大都含有五个或五个以上组元，这样就存在如下不足：①多组元体系成分的优化选择十分复杂，目前主要依赖于大量实验，这必然存在一定的主观性和随意性；②目前在Co-B-Si-Ta四元合金体系中未有块体金属玻璃报道过。因此，针对Co基块体金属玻璃的研究现状，本发明利用设计块体金属玻璃成分的“团簇线判据”以及其它组元对团簇的微合金化原理来设计合金成分，并利用铜模吸铸工艺发展出新的具有大玻璃形成能力的Co基Co-B-Si-Ta块体金属玻璃。

发明内容