[发明专利]一种高锆含量的塑性ZrAlFe块体非晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种块体非晶合金材料，更具体地说，是一种具有高锆含量和良好塑性的Zr-Al-Fe系块体非晶合金及其制备方法。

背景技术

非晶合金是组成原子排列不呈周期性和对称性的一类新型合金材料。非晶合金的特殊的微观结构赋予了它们优越的力学、物理及化学性能，使得非晶合金在许多领域具有应用潜力。锆基非晶合金具有高强度、高硬度、高断裂韧性和优异的耐腐蚀性能，因而受到人们广泛的关注和研究，尤其是在结构材料和生物材料领域的应用。锆基非晶合金在模拟人体溶液中具有与传统生物材料相当的极化阻力，具有很高的耐腐蚀性与良好的生物相容性。另外，锆基非晶合金还具有高的弹性极限和较低的弹性模量，如弹性极限为2％左右(医用不锈钢仅为0.3％)，弹性模量为70～100GPa(钛及钛合金为110～125GPa，医用316L不锈钢为200GPa)，比目前常用的医用金属材料更接近自然骨(自然骨的弹性极限约为1％，弹性模量为20～40GPa)，这使得锆基非晶合金在人工关节，股骨头支撑体及牙科种植体等生物医用方面具有广阔的应用前景。

然而，许多锆基非晶合金都含有对人体毒性较大的镍和铜元素，在使用过程中由于腐蚀溶出除了会对人体产生过敏反应外，还存在着致畸、致癌的危险性，严重威胁人体健康。许多国家对日用和医用金属材料中镍含量的限制越来越严格，标准文件中所允许的最高镍含量也越来越少。另外，非晶合金较低的塑性制约了其在结构材料领域的应用。

发明内容

为了降低锆基非晶合金的生物毒性，以及提高非晶合金塑性，本发明开发了一种ZrAlFe块体非晶合金。通过在Zr-Al-Fe系非晶合金中增加锆的含量(锆的原子百分含量在67.5％以上)，来改善非晶合金的塑性，降低其弹性模量，使其具有更好的力学生物相容性；采用Fe元素降低了合金的成本。

本发明是一种高锆含量的塑性ZrAlFe块体非晶合金，该合金由Zr、Al和Fe三种元素组成，所述Zr的原子百分含量在67.5％以上；ZrAlFe块体非晶合金的化学成分为Zr_aAl_bFe_c，a的原子百分比为67.5～75，b的原子百分比为5～17.5，c的原子百分比为12.5～22.5，且a+b+c＝100。

本发明采用铜模铸造法制备高锆含量的塑性ZrAlFe块体非晶合金，其包括有下列步骤：

步骤一：配料

按Zr_aAl_bFe_c的名义成分称取各元素，其中锆(Zr)的质量百分比纯度为99.8％；铁(Fe)的质量百分比纯度为99.8％；铝(Al)的质量百分比纯度为99.9％；

步骤二：熔炼制Zr_aAl_bFe_c母合金

将步骤一称得的所需原料放入真空冶炼炉中；

调节真空冶炼炉的真空室的真空度2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至0.1×10⁵Pa～0.8×10⁵Pa；

经电弧熔炼120～300s后，断弧形成第一合金锭；

翻转第一合金锭，经电弧熔炼120～300s后，断弧形成第二合金锭；

翻转第二合金锭，经电弧熔炼120～300s后，断弧，随炉冷却，取出，制得Zr_aAl_bFe_c母合金；

步骤三：铜模铸造法制备Zr_aAl_bFe_c块体非晶合金试样

将步骤二制备得到的Zr_aAl_bFe_c母合金放入快速凝固感应炉中；

调节感应炉的真空室的真空度2×10^-3Pa～5×10^-3Pa，然后充高纯氩气使真空室的真空度至0.1×10⁵Pa～0.8×10⁵Pa；

在感应温度1300～1500K下熔炼时间1～3min后喷射入铜模中，并随铜模冷却即制得Zr_aAl_bFe_c块体非晶合金棒材。

本发明Zr-Al-Fe块体非晶合金的优点在于：