[发明专利]一种塑性锆基金属玻璃及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术，特别是一种塑性锆基金属玻璃及其制备方法。

背景技术

块体金属玻璃（BMG）材料虽然具有高的断裂强度和硬度以及高的弹性应变极限，但是由于单相金属玻璃的塑性变形是通过高度局域剪切变形来实现，断裂前能够开动的剪切带数量十分有限，BMG在室温下会发生无宏观塑性变形的灾难性脆性断裂。因此，室温脆性问题已经发展成为BMG材料应用的重要瓶颈。

为改善BMG材料的室温脆性，国内外研究人员在金属玻璃中引入了不同强度和弹性模量的第二相来制备出BMG复合材料，利用第二相来阻碍单一剪切带的滑移，并通过多剪切带的产生、分叉和偏转以及湮灭来提高材料的宏观塑性。其中最具有代表性的工作是2000年美国Johnson研究小组通过在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系中添加Nb合金化元素，制备出微米尺寸β-Zr(Ti)固溶体相增塑的BMG复合材料，其断裂应变可以达到8.26%。微观结构控制方面，陈光等人通过对树枝晶β-Zr(Ti) 相固溶体进行球化处理，将BMG复合材料的断裂塑性已经提高到20%（大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，专利申请号为200610085409.3）。

虽然上述铸态内生固溶体增塑BMG复合材料增塑效果显著，但是由于塑性固溶体相的强度远低于金属玻璃基体，因此造成复合材料强度大幅度下降。

发明内容

本发明的目的在于通过适当的成分设计，以常见金属元素为组元，开发出具有强玻璃形成能力并高强高韧的塑性锆基金属玻璃。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种塑性锆基金属玻璃，其合金元素原子百分比表达式为：Zr_aTi_bCu_cNi_dBe_e，其中46≤a≤50, 14≤b≤18, 9≤c≤11, 7≤d≤9, 16≤e≤19, a+b+c+d+e=100。

一种制备上述的塑性锆基金属玻璃方法，包括以下步骤：

第一步：选取块体金属玻璃合金体系，根据相选择原理，结合二元合金相图，设计并调整合金成分Zr_aTi_bCu_cNi_dBe_e，其中46≤a≤50, 14≤b≤18, 9≤c≤11, 7≤d≤9, 16≤e≤19, a+b+c+d+e=100；

第二步：采用电弧熔炼的方法，将合金原料熔炼成母合金；

第三步：母合金重新熔化，铜模重力铸造得到塑性锆基金属玻璃。

第一步中所述的合金组元的纯度大于99.5%。

第三步中所述的塑性锆基金属玻璃的压缩塑性最大可达到10%。

第三步中所述的塑性锆基金属玻璃为全非晶结构，其最大直径为35mm 。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1) 本发明的锆基金属玻璃具有优异的综合力学性能，其室温压缩强度达到了1900MPa，塑性应变也超过了8%；(2) 本发明的锆基金属玻璃具有非常强的玻璃形成能力，采用水冷铜模重力铸造可制备35mm直径的全非晶试棒。

附图说明

图1是本发明塑性锆基金属玻璃制备流程图。

图2是实施例1塑性锆基金属玻璃金相组织及XRD图（a为微观组织图，b为XRD图）。

图3是实施例1塑性锆基金属玻璃室温压缩曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述

(1) 合金成分设计：

选择具有良好玻璃形成能力(GFA)的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金体系，根据相选择原理，结合二元合金相图，进行合金成分设计。具体而言，就是通过调整合金元素Zr、Ti、Cu、Ni、Be的相对比例，得到所需合金成分范围，Zr_aTi_bCu_cNi_dBe_e（原子百分比）表示，其中46≤a≤50, 14≤b≤18, 9≤c≤11, 7≤d≤9, 16≤e≤19, a+b+c+d+e=100。

(2) 母合金熔炼：

根据(1)成分设计所得到的不同合金元素之间的原子百分比换算出质量百分比，采用高纯金属组元配置出所需的合金。在高纯Ar气保护下，利用熔炼Ti或Zr纯金属去除腔内残余氧，采用水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼设备熔制母合金。母合金多次熔炼的同时进行电磁搅拌以得到混合均匀的母合金扣锭。 

(3) 材料成型：