[发明专利]准晶颗粒强化的镁基非晶合金内生复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体就是在合理设计合金成分的基础上，通过“升温—半固态凝固法”，制备出热力学稳定准晶强化的非晶合金基内生复合材料。

背景技术

由于Mg基非晶合金为成分均一的非晶相，没有晶界与位错的存在，故相比晶态Mg合金，Mg基非晶合金不仅拥有更高的强度（800-1000MPa），同时还表现出更为均匀的降解速率与降解性能。在Mg基非晶合金家族中，Mg-Zn-Ca非晶合金由于全部三种元素都具有很好的生物相容性，因而作为一种全新的镁合金生物医用材料，有着非常优异的性能潜力。特别是在2008年，瑞士科学家在《自然-材料》上报道发现，相比晶态Mg合金，Mg-Zn-Ca非晶合金不仅表现出优异的生物相容性与较低的降解速率，而且在Zn含量超过28at.%时，不再有H₂的释放。这些新的发现，使得Mg-Zn-Ca非晶合金作为生物医用材料的研究与应用进一步受到了人们的关注。

但是，与其它非晶合金一样，Mg-Zn-Ca非晶合金由于不存在位错，因而没有加工硬化能力，其在室温附近的形变不具有明显的塑性，通常会发生剪切带的失稳扩展，从而导致材料的灾难性断裂。所以，进一步改善Mg-Zn-Ca非晶合金的力学性能，对于其作为生物医用材料的成功应用具有非常重要的意义。

一般来说，提高非晶合金的塑性，人们广泛采用的方法是在非晶合金基体中引入第二相而形成复合材料。第二相颗粒的存在，可以促进非晶合金中多重剪切带的萌生，并阻碍裂纹扩展，从而提高非晶合金的塑性。对于Mg基非晶合金而言，由于早期Mg基块体非晶合金的发现主要集中在Mg-Cu(Ni)-Re(稀土)等合金系，故到目前为止，关于Mg基非晶合金复合材料的研究主要还是集中在Mg-Cu(Ni)-Re(稀土)等合金系，且一般通过在非晶基体中引入Fe、Nb、Mo、Ti等韧性金属颗粒，或者通过熔体中析出Mg的枝晶初生相来获得复合材料较高的塑性。另外，随着研究的深入，人们进一步发现某些脆性的陶瓷颗粒，如SiC、TiB₂等，也可以提高该Mg基非晶合金复合材料的塑性。

另外，自1993年我国科学家罗治平等人首先确定Mg-Zn-Y合金中的Mg₃Zn₆Y三元相为热力学稳定的二十面体准晶相以来，Mg-Zn-RE系准晶成为近年来准晶研究的热点，各国凝固物理学家们对Mg-Zn-RE三元系中准晶体的形成机制，结构和性能等展开了大量的研究工作。研究发现，Mg-Zn-RE系准晶具有优异的强化镁合金力学性能的作用。但目前大量的研究仅集中在Mg-Zn-RE系准晶强化晶态的镁合金，而关于Mg-Zn-RE系准晶强化的非晶态镁合金，目前国内外还未有报道。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术背景，提供一种Mg-Zn-RE系准晶强化的镁基非晶合金内生复合材料，该准晶体颗粒的引入，明显地提高了材料的强度与塑性。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种准晶颗粒强化的镁基非晶合金内生复合材料，其元素组成分子式为Mg_aZn_bCa_cRE_d，其中a、b、c、d为相应元素的原子含量，RE为稀土元素中的一种或几种的混合，20≤b≤40，2≤c≤12，0.2≤d≤12，a+b+c+d=100；并且，其微观结构由非晶相与准晶相组成，准晶体相主要由Mg、Zn及RE元素构成，非晶相主要由Mg、Zn及Ca元素构成。

作为优选，Ca含量为2≤c≤12，进一步优选为3≤c≤8；

作为优选，RE含量为0.2≤d≤12，进一步优选为0.5≤d≤5。

所述的准晶体相主要由Mg、Zn及RE元素构成，还可以包括少量固溶的Ca元素。作为一种情况，所述的准晶体相是由Mg、Zn及RE元素构成，该准晶体相可以是Mg₃Zn₆RE₁。

所述的非晶相主要由Mg、Zn及Ca等元素构成，其中还可以包含微量Y，该成分的合金具有铜模铸造条件下形成2～5mm完全非晶棒材的非晶形成能力，因此保证了后续工艺过程中非晶合金基体的顺利形成。