[发明专利]一种无铍无镍的高塑性锆基块体非晶合金及其制备方法

说明书

一种无铍无镍的高塑性锆基块体非晶合金及其制备方法，该合金各成分的原子百分比为：Zr 38‑50%，Hf 2‑15%，Cu 20‑30%，Fe 5‑10%，Al 10‑15%，Co 0‑5%，Ag 0‑5%，Nb 0‑5%；采用电弧熔炼铜模吸铸的方法制备。该非晶合金不含有Be和Ni等金属元素，提高了Zr基合金的生物相容性；具有强非晶形成能力，采用铜模吸铸法可制备出临界尺寸不小于5mm的Zr基块体非晶合金；具有高的硬度，且维氏硬度均大于540Hv；具有>3%的塑性变形能力；具有宽的过冷液相区范围，最大可达到92K。在精密复杂医用零器件、人工关节以及人杂骨骼等生物医用材料领域具有非常广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于块体非晶合金，具体涉及一种不含金属元素Be和Ni的高塑性Zr基块体非晶合金，其临界尺寸不小于5mm，塑性变形能力不低于3％。

技术背景

非晶态合金(金属玻璃)是近年来出现的有望作为新一代结构和功能应用的金属材料。和传统金属材料中原子具有长程有序的排列不同，非晶态合金的原子是无规排列的，并不具有长程有序性，在其微观组织中不存在晶界、位错等缺陷，因此非晶态合金表现出传统晶态合金无法实现的高强度、高硬度、高弹性极限、低模量以及耐腐蚀等优异的性能。除此之外，非晶合金在过冷液相区内表现出很高的黏性流动，呈现出超塑性变形特征。非晶合金的这种特性能够使其在过冷液相区内精确地压制成型。这些优越的性能使得非晶态合金在很多领域具有十分广阔的应用前景。

近年来，研究者已在Zr基、Pd基、La基、Mg基、Fe基、Ni基等十余种合金体系中获得了块体非晶材料。与其他体系的合金相比，Zr基块体非晶合金因其优异的非晶形成能力而备受关注。近期开发的Zr-Ti-Cu-Ni-Be、Zr-Ti-Cu-Ni-Al、Zr-Cu-Ni-Al、Zr-Cu-Al-Be等Zr非晶合金具有高强度(2GPa),高韧性(K_IC～60MPam^1/2)，高弹性极限(2％)和低弹性模量(50-100GPa)等特性。然而，在非晶形成能力强的Zr基块体非晶合金体系中，为提高非晶形成能力，Be或Ni在该合金体系中常不可或缺。但含Be和达到弹性极限之后材料发生突然的灾难性断裂。由此可见，Zr基非晶合金的生物相容性及室温脆性限制其实际应用，因此，有必要开发具有强非晶形成能力的不含Be和Ni元素的新型高塑性Zr基非晶合金，以拓宽块体非晶合金在生物医学领域的应用。

发明内容

本发明开发出一种无铍无镍的高塑性锆基块体非晶合金，目的在于不仅去除对人体具有毒副作用的Be和Ni元素，生物相容性好，而且具有强非晶形成能力和塑性变形能力，以获得非晶合金在安全性、加工性和经济性三方面都良好的综合效果。

本发明的技术方案是：一种无铍无镍的高塑性锆基块体非晶合金，该非晶合金的原子百分比表达Zr_aHf_bCu_cFe_dAl_eL_f，且各组分：38≤a≤50，2≤b≤15，20≤c≤30，5≤d≤10，10≤e≤15，0≤f≤5，且a+b+c+d+e+f＝100，其中L为J或K中的一种或多种，J为Mn、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一种；K为V、Ta、Nb、Cr、W、Mo、Y中的至少一种。

进一步当L为Ag，a＝39，b＝14，c＝26，d＝8，e＝12，f＝1，Zr₃₉Hf₁₄Cu₂₆Fe₈Al₁₂Ag₁合金能够形成大块非晶的临界尺寸不小于5mm，维氏硬度不小于558Hv，塑性应变不小于3％，且过冷液相区宽度不小于53K。