[发明专利]晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶复合材料设计与制备技术，具体地说是结合难混溶合金液-液相变冶金学特征和合金玻璃转变的特点，设计一种晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料及其制备方法。

背景技术

非晶态合金(即金属玻璃)具有高强度、高硬度、耐腐蚀、各向同性等一系列优良的特性，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。通常，非晶态合金的形成条件是在10⁴～10⁶K/s冷却速度下，合金熔体冷却到低于其玻璃转变温度T_g，使合金熔体避免发生晶体形核和结晶，从而快速凝固形成非晶态(或玻璃态)合金。随着快速冷却的技术不断提高，通过合金组元的多元化和合金化学成分的优化设计后，不论是在块体金属玻璃尺寸还是在非晶态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非晶态合金，如Cu基、Fe基、Ca基、Al基、La基、Zr基、Pd基、Co基、Ti基、Ni基、Y基等。到目前为止，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Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀是玻璃形成能力最强的合金，临界直径达到72mm，这是迄今所报道的尺寸最大的块体金属玻璃。

尽管非晶态合金具有很高的屈服强度、弹性应变极限和较高的断裂韧性，但是非晶态合金的塑性很差，使其在开发与应用上受到了极大的限制。这也是摆在研究者们面前的重大研究课题和急需解决的难题。解决这一难题的方法就是在非晶合金中引入晶态相，促进形成多重剪切带，进一步增强非晶态合金基体，改善和提高其韧性和塑性，即形成韧性和塑性较好的第二相颗粒弥散分布于合金基体中的非晶复合材料。当今引入晶态相的途径主要有三种，其一是通过退火热处理使单一非晶合金中产生一些纳米尺度晶态相；其二是在非晶态合金中外加韧性和塑性较好的颗粒；第三种途径是非晶态合金熔体在玻璃转变之前内生枝晶。然而，这三种途径各有优缺点，第一种途径获得的晶态相尺寸太小，工艺较难控制；第二种途径很难使外加的颗粒分布均匀，还存在颗粒与基体界面结合问题；第三种途径只能获得首析枝晶相体积分数和尺寸较小的复合材料，否则会增加合金熔体的粘度，大大降低浇铸速度，导致合金熔体晶化。第二、三途径中外加或内生固相都会影响合金熔体玻璃形成能力。此外，退火热处理、外加颗粒和内生枝晶的方法制备的复合材料的类型单一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料及其制备方法，解决非晶态合金的塑性很差等问题。

本发明的技术方案是：

一种晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，包括合金元素M和N形成的难混溶合金M-N，以及添加的其他合金元素，合金熔体冷却过程中首先发生液-液相变，添加的其他合金元素与合金元素M混溶形成富M的非晶态合金基体结构，富M的非晶态合金基体相中，任一其他合金元素都比合金元素M所占的比例小，富M相中的合金元素M与添加的合金元素之和所占的原子比例为75～95％；合金元素N以晶态合金富N的球形粒子形式弥散分布于非晶态合金基体中，富N的球形粒子相中，合金元素N所占的原子比例为60～95％；球形粒子N的直径范围10纳米～100微米，体积百分数为1～50％。

所述的晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，难混溶合金M-N优选为Al-Pb、Al-Bi、Al-In、Al-Cd、Ca-Gd、Ca-Na、Ce-V、Cu-Li、Cu-Nb、Cu-Fe、Cu-Co、Cu-Ta、Cu-Pb、Cu-Bi、Cu-W、Fe-In、Fe-Sn、Fe-Sr、Mg-Na、Ni-Pb、Ni-Ag、Sc-V、Sm-Ba、Ti-Gd、Y-V、Y-Cr合金之一。

所述的晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，添加的其他合金元素为与合金元素M相应的非晶合金体系成分的一种或多种，添加的其他合金元素与合金元素M之间的混合焓ΔH_Mix^-为负，混溶了添加的其他合金元素的富M基体液相合金在10～10⁶K/s冷却速度下发生玻璃转变。

所述的晶态合金球形粒子/非晶态合金基复合材料，合金元素M和N在液态下为难混溶合金系，难混溶合金是组元之间混合焓为正，组元原子间相互排斥，液态时互不混溶的合金，添加的其他合金元素和合金元素N在液态下互不混溶，富N液相在10～10⁶K/s冷却速度下不发生玻璃转变。