[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

说明书

技术领域

本发明属于金属玻璃材料设计与制备技术，具体地说是一种高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料及其制备方法，利用相分离冶金学特征和合金优化设计理论，采用快速凝固技术获得具有高强高弹高塑性的原位内生块体纳米金属玻璃材料。

背景技术

金属玻璃材料(即非晶态合金)具有优异力学、物理、化学性能，在汽车、航空航天、电子、机械、医用材料、体育用品等领域具有广泛的应用前景。自从1960年首次以薄带形式发现了Au-Si合金金属玻璃材料以来，人们对该类新型金属材料产生了极大兴趣。在1982年，首次报道了临界尺寸大于1mm的块体金属玻璃。随后，科研工作者对金属玻璃的非晶形成能力开展了大量研究，发现了各种合金系的块体金属玻璃的化学成分。直至当前，不论是在块体金属玻璃尺寸还是在金属玻璃合金种类上得到了迅猛的发展。研究者们陆续研究发现了多种金属玻璃合金，如Cu基、Fe基、Ca基、Al基、La基、Zr基、Pd基、Co基、Ti基、Ni基、Y基、Nd基、La基等等。临界直径能达到10mm的合金系有Cu基、Fe基、La基、Zr基、Pd基、Ti基、Pt基、Y基，Mg基、Ca基等，其中Pd基和Zr基合金玻璃形成能力为最强，临界直径均超过70mm。虽然一些合金的非晶形成能力得到了大幅提升，但是非晶合金普遍存在一个瓶颈问题——室温塑性差。这严重限制了金属玻璃作为关键材料在实际中的应用。

近年来，德国的Gleiter提出了纳米玻璃(nanoglasses)材料概念。纳米金属玻璃材料的结构特征在于每个金属玻璃组成单元都是非晶态而且其尺寸在纳米尺度，并存在大量金属玻璃/金属玻璃界面。制备这种材料的技术主要是采用蒸发和磁控溅射，以致这种材料生产效率和样品尺寸受到了局限。2011年Chen采用磁控溅射技术在硅衬底上沉积获得了AuAgPdCuSiAl纳米金属玻璃薄膜材料。此外，2012年Gleiter研究组的Fang采用蒸发+惰性气体冷凝法制备了Sc₇₅Fe₂₅纳米玻璃粉体，然后采用类似传统粉末冶金技术将粉体压制成薄片状的Sc₇₅Fe₂₅纳米玻璃。2015年Chen采用磁控溅射技术，利用合金元素Fe与Cu之间的相互排斥反应，制备了FeCuSc纳米金属玻璃材料。研究表明，纳米金属玻璃材料具有优异的力学、磁性、电化学性、生物兼容性、催化等性能。然而，采用蒸发或磁控溅射技术制备纳米金属玻璃存在工艺复杂、控制难度大、成本高、周期长等缺点，尤其是很难实现工业应用所要求的生产率和材料尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料及其制备方法，通过合金优化设计，使合金在快速冷却过程中不但发生玻璃转变，而且还内生原位形成纳米玻璃组织结构。一方面是解决块体纳米金属玻璃材料的合金设计和制备技术，另一方面是解决块体金属玻璃材料室温塑性差瓶颈问题，设计一种高强度、大弹性极限和超塑性集于一身的新材料。

本发明的技术方案是：

一种高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，包含合金元素Fe和Cu形成的液-液相分离合金Fe-Cu，以及添加的促进合金非晶转变的其他合金元素Zr和Al。合金熔体在快速冷却过程中发生玻璃转变和液-液相分离，要求液-液相分离温度略大于玻璃转变温度，即合金玻璃转变发生在合金液-液相分离刚开始，确保合金熔体在玻璃转变之前仅发生纳米尺度相分离。液-液分离形成两个均以合金元素Zr为主要组元的液相，其中一个液相以液滴或者互联形式分布于另一个基体液相中；球形液滴中的合金元素Fe含量较基体液相高，但液滴中合金元素Cu含量较基体液相低，而合金元素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2～10nm范围内；球形纳米金属玻璃粒子的数量密度为10²⁰～10²⁴m^–3，粒子体积分数为45～49.5％；在室温下压缩变形，块体纳米金属玻璃材料可由高度:直径＝2:1的柱状塑性变形成高度:直径<1:1的饼状，不发生灾难性断裂，具有超高塑性，块体纳米金属玻璃材料的屈服强度1.6～1.7GPa且弹性极限不低2％。

所述的高强高弹高塑性的块体纳米金属玻璃材料，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％；