[发明专利]氮化物颗粒／非晶态合金基体的复合材料

说明书

本发明涉及一种复合材料。

目前非晶态合金具有高的屈服强度、弹性应变极限和较高的断裂韧性，但缺乏拉伸塑性，使其应用受到限制，通过引入第二相晶体颗粒，可抑制局部剪切带的萌生，促进多重剪切带的形成，从而增强非昌态合金基体，改善其韧、塑性，目前，用业作为增强体第二相粒子包括以下几类：(1)钽、钼、钨等难熔金属；(2)MgO、CeO、Al₂O₃、Y₂O₃等氧化物陶瓷；(3)WC、TiC、SiC、ZrC等碳化物陶瓷，颗粒的尺寸在几十至100微米，增强体引入非晶态合金的方法主要包括：(1)直接将第二相颗粒添加至合金熔体中，熔体冷却后即形成复合材料，其缺陷在于不易实现第二相颗粒在基体上的均匀分布；(2)将第二相颗粒与非晶态合金粉末机械混和，实现第二相颗粒在基体上的均匀分布，这一方法早期用于将氧化物第二相颗粒弥散于高温合金基体中，提高高温合金的高温强度，其缺点是易于引入来自球磨介质和气氛的杂质元素，如铁、氧、碳等。

本发明的目的提供一种以具有明显玻璃转变的非晶态合金为基体，引入氮化物颗粒作为增强体，形成“氮化物颗粒/非晶态合金基体的复合材料”，适量氮化物的引入有利于改进单相非晶态合金的热稳定性和力学性能，同时，氮化物的引入并不破坏基体非晶态合金在过冷液态温度区间的可加工特性，含氮化物颗粒的复合材料可由熔体铸造、粉末冶金等技术制备成块体材料，利用其在过冷液态温度区间的超塑性，可实现复杂形状零部件的近净形成型。

本发明氮化物颗粒/非晶态合金基体的复合材料，可根据不同的使用要求实施材料选择与与设计，包括氮化物颗粒的类型、体积相对量、平均粒度、颗粒形状以及构成基体的非晶态合金的类型，氮化物颗粒可选择常见的AlN、Si₃N₄、TiN、ZrN、TaN等，颗粒的平均粒度可为10纳米(nm)至100微米(μm)范围，基体合金可选择在晶化转变发生之前出现明显玻璃转变和过冷液态温度区间的多元非晶态合金中的任一种，例如，Al-Ni-Co-Y、Mg-Cu-Y、Mg-Nd-Y、Fe-Zr-B、Fe-Co-Ni-Nb-Zr-B、Ni-Co-Zr-Ti、Zr-Al-Ni-Cu、Zr-Ti-Nb-Ni-Cu、Cu-Ti-Ni-Zr、Pd-Ni-Cu-P、La-Al-Ni-Cu-Co等合金。

本发明氮化物颗粒/非晶态合金基体的复合材料含有三种以上元素的多元合金，或由多种材料制备方法中的任一种或几种复合使用来获得，取决于所需求的材料形式，如粉末，薄带，铸锭，板块等，(一)可由单辊熔体快淬方法制备成克级至公斤级批量的薄带材料(厚度30～900微米)，可由超声雾化、机械合金化等方法中的任一种获得克级至公斤级批量的复合材料粉体，如果以某些本征非晶形成能力较强的合金作为基体材料，可直接由常规熔体浇铸方法制备成块体材料；(二)可采用以下方法实现氮化物颗粒与基体合金的均匀混和；(1)将氮化物颗粒添加至合金熔体中，(电磁或机械)搅拌均匀后使熔体迅速冷却，将氮化物颗粒冻结于基体中，合金熔体同时形成非晶态合金；(2)将氮化物颗粒与合金粉末(或碎屑、碎片)经机械研磨混和，合金粉末(或碎屑、碎片)可为预非晶化的粉末(或碎屑、碎片)、经预熔炼合金化后破碎的粉末(或碎屑、碎片)、与具有明显玻璃转变特征的合金相同化学成分的元素粉末混合物；(三)利用高能量的机械研磨(即机械合金化)可将基体合金的非晶化与氮化物颗粒的均匀分布同时完成，并可使初始的氮化物颗粒进一步破碎，达到纳米尺度，形成“氮化物纳米颗粒/非晶态合金基复合材料”。

本发明与使用微米级氮化物颗粒作为增强体的复合材料相比较，“氮化物纳米颗粒/非晶态合金基复合材料”，具有更好的热稳定性和力学性能。