[发明专利]Ni-Ta二元块体金属玻璃

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有大玻璃形成能力、最高玻璃化转变温度以及高强度的Ni-Ta二元块体金属玻璃。

背景技术

从结构角度，非晶体合金通常在几个原子间距范围内存在着短程有序、但不具有晶体合金的长程有序结构特征。它们具有很高的综合力学性能和独特的物理化学性能，但由于受到合金的玻璃形成能力的影响，使得制备这类材料比较困难，需要较高的冷却速率，一般的临界冷却速率在10⁵K/s。早期时，通常采用一些急冷技术，如熔体雾化、薄膜沉积技术以及铜辊急冷甩带技术等，制备出低维材料如粉末、薄带等。因此材料尺寸严重限制了这类材料的应用范围。

从上个世纪九十年代初以来，以日本和美国为首，发现了一系列具有大玻璃形成能力的合金成分，其中以Zr基最为易于制备，其临界冷却速率仅在1K/s量级，可以用铜模铸造和水淬等方法制备成三维块体金属玻璃。块体金属玻璃由于具有优异的力学和物理化学性能而得到广泛关注，有望作为作结构材料。此外，由于这类材料在其过冷液相区间内可实现精密快速成型，这种良好的工艺性能进一步拓展了其应用范围。目前，美、日等国已发展出了Zr基、Ti基、Pd基、Fe基、RE(稀土)基、Ni基和Cu基等块体金属玻璃，并将部分块体金属玻璃材料实用化，取得了明显效益。

大尺寸块体金属玻璃通常都是在多组元复杂体系中形成，一般为三个组元以上，且能够厘米的块体材料都含有更多的组元。这为寻找大形成能力的块体金属玻璃成分带来了困难。目前能在简单二元体系中做出块体金属玻璃的只有Cu-Zr、Cu-Hf和Ni-Nb，其临界形成尺寸为1-2mm。无论是简单体系，还是复杂体系，合金成分的选取具有很大的随意性。

和传统的Zr基、Cu基块体金属玻璃相比，Ni基块体金属玻璃具有较高的玻璃转变温度和热稳定性、高强度、高硬度以及优良的耐腐蚀性能，并且完全由过渡金属形成的Ni基金属玻璃还可用作催化材料和透氢材料。即便在多组元合金体系中，完全由过渡金属组成的Ni基合金也具有较弱的玻璃形成能力，临界尺寸不超过5mm，如Ni₅₉Zr₁₆Ti₁₃Si₃Sn₂Nb₇和Ni₄₀Zr_28.5Ti_16.5Al₁₀Cu₅块体金属玻璃，其临界尺寸为5mm。二元体系只有Ni-Nb，在其它二元体系中还未有块体金属玻璃报道过。在本发明中，我们采用“团簇+连接原子”结构模型对Ni-Ta二元合金进行成分设计，使得Ni-Ta二元合金在现有技术条件下能够形成直径为2mm的块体金属棒。尽管Ni基合金的玻璃形成能力较弱，但独特的性能使得它们具有重大的工程应用前景。

现有的研究表明：块体金属玻璃常含有多个组元，且都属于成分敏感的合金相，即化学成分是影响合金玻璃形成能力的关键因素，一般的，在特定的玻璃形成体系中，具有最强玻璃形成能力的合金成分在相图上往往接近于点成分，如果偏离该成分，合金的非晶形成能力将大大降低，因此，制备块体金属玻璃时，成分的选择和控制至关重要，这样就存在如下不足：①对于二元和多组元体系成分的优化选择十分复杂，目前主要依赖于大量实验，这必然存在一定的主观性和随意性；②目前在Ni-Ta二元合金体系中未有块体金属玻璃报道过。因此，针对Ni基块体金属玻璃的研究现状，本发明利用设计块体金属玻璃成分的“团簇+连接原子”结构模型来设计合金成分，并利用铜模吹铸工艺发展出新的具有大玻璃形成能力的Ni-Ta二元块体金属玻璃。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：①不能在Ni-Ta二元合金体系中制备块体金属玻璃，②在成分选择上带有随意性和优化复杂的不足。在本发明中，我们采用“团簇+连接原子”结构模型对Ni-Ta二元合金进行成分设计，开发出新的Ni-Ta二元块体金属玻璃和确定其块体金属玻璃的形成范围以及性能测试。

本发明采用的技术解决方案是：一种Ni-Ta二元块体金属玻璃，包括Ni和Ta元素，其特征在于：

(a)根据“团簇+连接原子”结构模型设计的Ni-Ta二元合金的成分范围为Ni_xTa_100-x，x＝59～62at.％(原子百分比)，形成直径为2mm的块体金属玻璃棒；

(b)Ni-Ta块体金属玻璃在目前所有块体金属玻璃形成体系中具有最高的玻璃化转变温度，即993K。