[发明专利]具有超大过冷区间的钴铁基块体金属玻璃及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶态合金领域，具体涉及一种具有超大过冷区间的钴铁基块体金属玻璃及其制备方法。

背景技术

在现代社会，传统金属材料和玻璃材料都是人类生产和生活中最广泛使用的材料之一。金属材料的特性是优异的机械性能、导电性和导热性，一些金属材料还表现出优异的磁特性。然而，金属零件的制造工艺相对复杂，特别是高强度和微型精密金属器件的加工和制造更加困难。

玻璃材料在软化温度以上，加压后很容易变形，降温或者压力消失后保持形状不变。结合吹、拉、压、铸、槽沉等多种成形方法，玻璃材料可以制成各种实心和空心制品，也可以通过焊接和粉末烧结等加工方法制成形状复杂、尺寸严格的器件。玻璃材料的缺点也是明显的：一是玻璃材料的断裂强度一般小于金属材料；二是玻璃是典型的脆性材料，表面与内部存在缺陷，在外力与环境介质作用下极易发生裂纹扩展，在应用上受到很大限制。

上世纪60年代初，Duwez等人发明了金属玻璃(W.Klement，R.H. Wilens，and P.Duwez，Nature.，181(1960)869-870)。常规金属合金都是晶态结构，即原子排列是长程有序的点阵结构。金属玻璃(非晶合金)原子排列是长程无序的。与传统氧化物玻璃相比，金属玻璃原子间结合是金属键，因此保留了金属材料的相关特性，例如具有一般金属材料的良好的电学性能(如导电性)和力学性能，另外它还具有同氧化物玻璃一样的过冷液相区超塑性，即金属玻璃可以在过冷液相区精确的压制成形，而保持原有的材料性能不变，但是这对于晶态金属合金是无法完成的。从一定意义上说，金属玻璃兼有金属和玻璃两种材料的特点，同时由于独特的长程无序短程有序结构，金属玻璃又拥有传统晶态合金材料不具备的优异性能，例如：高断裂强度、硬度，低弹性模量，高耐磨性能，优良的抗腐蚀能力，以及优异的软磁性能等(如Fe基、Co基或Ni基金属玻璃)。因此，金属玻璃在许多领域显示出广阔的应用潜力，引起人们的极大兴趣。

然而，随后开发出的金属玻璃合金体系，由于非晶形成能力普遍较弱，制备时需要极高的冷却速率(大于10⁶K/s)，得到的金属玻璃大多是低维材料，如：薄带、细丝、细粉等。由于形状限制，金属玻璃材料的许多优良特性在实际应用中不能充分发挥。而且，这些金属玻璃的过冷液相区太窄，难以发挥金属玻璃在过冷液相区的行为特性。如果金属玻璃的三维尺寸能达到毫米级则称为“块体金属玻璃”或“块体非晶合金”。上世纪90年代，不含贵金属元素的块体金属玻璃被开发出来。作为非晶态固体的一种，块体金属玻璃同传统氧化物玻璃一样具备过冷液相区超塑性加工成形能力。

过冷液相区宽度ΔT是块体金属玻璃超塑性成形能力的量度。ΔT数值越大，过冷液体就具备更高的热稳定性，块体金属玻璃就可以在更宽温度和更长时间范围内进行超塑性加工成形。

另外，随着生命科学、生物科学和信息技术的发展，需要越来越多的微型器件。这些微型器件不仅在尺寸上要求严格，更重要的是要求组成零件具有很好的力学性能。使用常规晶体材料和传统加工工艺，难以同时达到高强度、耐蚀和耐磨等要求。如上文所述，块体金属玻璃不仅具有良好的过冷液相区超塑性加工成形能力，而且具有优异的力学性能，这使得块体金属玻璃在微型精密器件领域有广阔的应用前景。此外，铁磁性块体金属玻璃还具有优异的软磁性能，例如高磁导率和低的矫顽力与高频损耗，同时又具有很高的机械强度和耐磨耐腐蚀性。因此Fe基和Co基块体金属玻璃材料还适用于高性能磁敏传感器、高频开关电源、高频变压器和互感器的芯体材料等方面的应用。

到目前为止，已研制的Fe基和Co基块体金属玻璃表现出很高的断裂强度和硬度，但是较小的过冷液相区的宽度和临界尺寸制约了其在超塑性成形领域的应用。一些贵金属基块体金属玻璃，例如Pd、Pt或Au基金属玻璃合金系，虽然表现出很强的非晶形成能力并具有宽过冷液相区，在过冷液相区有很好的超塑性和精密成形能力，但是高昂的原材料成本限制了其在工程领域的应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种钴铁基块体金属玻璃，该钴铁基块体金属玻璃具有强非晶形成能力与宽过冷液相区，同时具有超高强度以及优异的软磁性能，并且其原材料相对廉价，能够应用在微型精密器件和磁功能材料领域。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种具有超大过冷区间的钴铁基块体金属玻璃，其分子式为：

Co_aFe_bNb_cM_dB_e