[发明专利]一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及非晶复合材料技术领域，更具体地说，涉及一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

非晶合金是指原子排列短程有序、长程无序呈密堆排列结构的合金材料，所以非晶合金不具有晶态材料的晶界、位错等缺陷。这种结构特征使非晶合金具有非常多的优异的力学性能，如高硬度、高强度、良好耐蚀性能，但同时非晶合金也具有塑性和韧性差，作为结构件时易发生脆性断裂的问题，这些缺点一直制约着非晶合金构件的使用。

金属的韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性越好的材料，其抗冲击强度的能力就越大，在受到冲击载荷的作用下不发生破坏的性质就越好。为了提高非晶合金的韧性，许多研究人员做了大量的研究。如申请号为201010609177.3名为《非晶合金表面处理方法及采用该方法制得的非晶合金件》的中国专利中提供一种Zr-Cu-Ni-Nb-Al系非晶合金，然后对该非晶合金件抛光后进行喷砂，使非晶合金件表面形成多个微裂痕作为剪切带以改善该非晶合金件的屈服强度、增强其塑性变形能力。

上述方案工艺不仅复杂、在复杂的非晶合金构件上无法使用，而且完全无法应用于那些对外观品质有要求的构件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，本发明的第一目的在于提供一种高硬度非晶复合材料，本发明通过对基础合金体系与韧性增强体系的成分进行改进，添加新的组分元素，调整组分含量，得到一种高韧性和耐冲击性的，形成能力佳的非晶复合材料，适合制成复杂构件。

本发明的第二个目的是为了提供一种高韧性的非晶复合材料的制备方法，可适应于批量化的生产。

本发明的第三个目的是为了提供一种高韧性的非晶复合材料的应用。

实现本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种高韧性的非晶复合材料，由基础合金部分和韧性增强部分制备而成；

所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45-65％，Hf：5-15％，Al：10-20％，Ni：10-20％，M1组分：5-10％，M2组分：2-8％；所述M1组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种；所述M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；所述基础合金部分的各个元素纯度大于99.9％；

所述韧性增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分体积的2-10％。

Zr基块体非晶复合材料具有较高的玻璃形成能力、耐蚀性和成型能力，添加同族的Hf原子在合金中对Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金属原子之间的作用力增强，宏观表现为冷却后合金结构较为致密成型性能良好，Al、Ni是Zr基非晶合金中常用添加元素。

本发明的发明人在实践中发现，添加Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种能够有效增加上述Zr基非晶合金的塑性和韧性，究其原因，从微观结构上看，Sn、Bi、Si、Cu原子大小和表面能与Zr、Hf相仿，且略有差异，在形成非晶合金的密堆结构中，Sn、Bi、Si、Cu原子易扩散至Zr和Hf原子间形成各种无方向的金属键，添加Ag、Pd元素则更加加强了整个合金体系的熵值和混乱度，直至这些无序金属键与增强部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC相遇，形成类似晶态的塑性颗粒。这样形成的非晶复合材料在变形过程中，一旦基体局部受到冲击力，在变形的过程中，这些类似晶态的塑性颗粒将把剪切带隔离开，从而阻止剪切带的扩张，从而实现宏观上良好的抗冲击韧性。WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉粒径控制于10-100nm为宜，过细的纳米微粉由于制备工艺复杂成本较高，而过粗的粒径则会导致合金体系不均匀。

作为本发明的一种优选的方案，所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45-60％，Hf：5-10％，Al：10-15％，Ni：15-20％，M1组分：5-8％，M2组分：5-8％。

作为本发明的一种优选的方案，所述M1组分为Sn或Cu最佳。

作为本发明的一种优选的方案，所述韧性增强部分中各个纳米微粉的粒径为10-100nm。

作为本发明的一种优选的方案，所述韧性增强部分为ZrC纳米微粉最佳。因为ZrC不仅能够增强非晶复合材料整体的韧性，而且对于Zr基非晶合金来说没有引入其他杂质元素，避免了过多元素的加入可能导致的合金晶化。