[发明专利]一种高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料及制备方法

权利要求书

1.一种高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，其特征在于：包括合金元素Fe和Cu形成液相分离合金Fe-Cu，以及添加的促进非晶形成的其他合金元素Zr和Al；合金熔体在发生玻璃转变之前，发生纳米尺度相分离，形成两个都以Zr为主要组元的液相，其中一个液相以液滴形式或者互联形式分布于另一个基体液相中；在单辊熔甩或铜模铸造的快速冷却条件下，两液相发生玻璃转变，原位内生形成含有高数量密度球形纳米金属玻璃粒子和基体金属玻璃的块体纳米金属玻璃材料；液滴中的Fe含量比基体液相中的高，而球形液滴中的Cu含量比基体液相中的低，Al在两液相中分布较均匀；块体纳米金属玻璃材料中，球形纳米金属玻璃粒子的直径主要在2～10 nm范围内；球形纳米金属玻璃粒子的数量密度为10²⁰～10²⁴ m^–3，体积分数为45～49.5%；在室温下压缩变形，块体纳米金属玻璃材料由高度:直径=2:1的柱状塑性变形成高度:直径<1:1的饼状，其屈服强度在1.6～1.7GPa，其弹性极限不低2%。

2.按照权利要求1所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，其特征在于：块体纳米金属玻璃材料中，合金元素Fe所占的原子比例为9～16%，合金元素Cu所占的原子比例为16～24%，合金元素Zr所占的原子比例为55～65%，合金元素Al所占的原子比例为2～10%。

3.按照权利要求1所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，其特征在于：球形纳米金属玻璃粒子中的合金元素Fe所占的原子比例12～20%，而基体金属玻璃中的合金元素Fe所占的原子比例9～15%。

4.按照权利要求1所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，其特征在于：球形纳米金属玻璃粒子中的合金元素Cu所占的原子比例10～17%，而基体金属玻璃中的合金元素Cu所占的原子比例21～30%。

5.按照权利要求1所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，其特征在于：球形纳米金属玻璃粒子和基体金属玻璃中的合金元素Zr所占的原子比例都在55～65%，合金元素Al在球形纳米金属玻璃粒子和基体金属玻璃中的所占原子比例相当。

6.按照权利要求1所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，其特征在于：块体纳米金属玻璃材料中，球形纳米金属玻璃粒子的直径和数量密度在2～10 nm和10²⁰～10²⁴m^–3范围内，通过变化合金元素Fe与Cu的原子比n_Fe/n_Cu或者外加微量合金元素X进行调控，X=Nb或Ta。

7.按照权利要求1所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）基于相分离现象，通过合金元素选择与化学成分优化设计，使合金熔体在发生玻璃转变之前，先发生纳米尺度的液-液相分离，产生高数量密度的纳米尺度的液滴，控制合金成分，使基体液相和纳米液滴的体积分数相当，纳米液滴均匀分布于基体液相中；

（2）所用Fe、Cu、Zr、Al金属原料的纯度不低于99.9wt%，表面清洁的市售的金属原料置于电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，熔炼室真空度在不低于2.5×10^-3 Pa后，电弧熔炼前充入体积纯度为99.999%的高纯氩气，直至熔炼室的气压达到0.05 MPa，在熔炼Fe、Cu、Zr、Al金属原料前，先熔炼Ti锭吸收杂质，进一步纯化保护气体，在熔炼Fe、Cu、Zr、Al金属原料时，采用电磁搅拌，熔炼电流控制在200～300A，反复熔炼3～4遍，从而获得Fe-Cu-Zr-Al母合金锭；

（3）取母合金置于石英坩埚中，在真空度不低于2.5×10^-3 Pa的真空环境下感应加热快速熔化合金，当温度达到1100～1250℃后，采用冷却速度不低于10³～10⁶ K/s的单辊熔甩或者铜模铸造快速凝固技术制备纳米金属玻璃材料。