[发明专利]一种具有强玻璃形成能力的锆基非晶合金

说明书

技术领域

本发明属于非晶态合金领域，特别提供一种具有强玻璃形成能力的锆基非晶合金。

背景技术

金属玻璃特指由熔体快冷得到的一种非晶态合金。有别于普通晶态合金，非晶态合金的结构特点表现为原子排列长程无序而短程有序。因此，金属玻璃既没有晶格结构，也没有其它微观缺陷如晶界、位错等。与普通晶态金属材料相比较，金属玻璃具有高弹性极限、高断裂强度、耐腐蚀等优异性能。

在合金熔体凝固过程中，只有在极短的时间内以足够快的冷却速率抽取熔体的热量，抑制过冷液体的结晶过程，才能够得到金属玻璃。早期（20世纪60年代）发展的大多数非晶态合金其玻璃形成能力非常有限，只能够通过快速凝固技术如将合金熔体滴落在低温金属锤砧之间、喷射在快速转动的冷却铜辊上、或者是将低温基板快速通过狭窄的喷嘴等方法来获得粉末、薄带、细丝、薄片等形态。合金形成玻璃态的临界冷却速率一般在10⁵～10⁶K/s数量级。由于这些金属玻璃的尺寸太小，大大限制了其使应用范围。

合金的玻璃形成能力强烈的依赖于其化学成分及特定化学组成计量比。自20世纪90年代起，世界各国的研究者相继在锆基、钯基、铂基、钇基、铁基、铜基、镧基、镁基等合金中发现了可以用铜模铸造形成板材厚度或棒材直径为厘米量级的块体非晶态合金材料。这些体系及特定成分合金的玻璃形成临界冷却速率在数量级上小于10K/秒。与普通晶态合金相比，非晶态合金具有优异的力学、物理和化学等性能，同时因其在过冷液态转变区具有黏质流变行为可实现对材料的近净型加工，并且铸态金属玻璃具有耀眼的金属光泽。另外，与常用的不锈钢材料相比，具有强非晶形成能力的合金成分一般靠近共晶点，熔点相对较低，熔体具有更好的流动性及铸造性能，适用于浇铸复杂形状的器件；与屈服强度一般为150～300MPa的铸造镁合金或铸造铝合金相比，铸态非晶合金具有更高的屈服强度。正是基于这些优越的特性，非晶合金在工程材料、生物医疗、航空航天、微机械、通信器材、便携式电脑、体育器材、手表及珠宝饰品等诸多领域具有很好的应用前景。目前，已有少数非晶合金材料在一些领域实现商业化应用。

在目前已经发现的块体非晶合金体系中，锆基非晶态合金具有较好的玻璃形成能力和相对较高的断裂韧性，同时不含有稀有的贵金属元素，制造成本相对低廉，是最有希望得到大规模商业化应用的一种非晶态合金，因此受到广泛关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有强玻璃形成能力的锆基非晶合金，其择优成分在铜模浇铸的条件下形成完全非晶态棒材的临界直径可以达到8毫米，同时具有高断裂强度、高弹性极限、高断裂韧性、耐腐蚀等特点。

本发明具体提供了一种具有强玻璃形成能力的锆基非晶合金，其特征在于：所述合金由Zr、Hf、Ti、Ni、Al五种元素组成，合金成分表达式为：Zr_a–Hf_b–Ti_c–Ni_d–Al_e，其中各元素的原子百分比（at.%）为：a=48～56，b=1.5～8，c=1.5～8，d=19～25，e=17.1～21，a+b+c+d+e=100。

在此成分范围的合金具有易于形成非晶态材料的能力，其熔体经铜模铸造后，可形成非晶态结构的块体材料或者零部件，同时非晶合金还具有良好的综合力学性能，断裂强度为1700～1900MPa，杨氏模量为85～100GPa，断裂韧性为70～100MPa·m^1/2。以具体实施合金Zr_51.1Hf₄Ti_3.9Ni₂₂Al₁₉为例，其铜模浇铸形成完全非晶态圆棒的临界直径为8mm，杨氏模量为95.8GPa，弹性极限2.0%，剪切模量为35.3GPa，室温下压缩断裂强度为1850MPa，拉伸断裂强度为1700MPa，缺口韧性为89MPa·m^1/2。该非晶合金同时具有较好的耐腐蚀性能，其在3Mass%氯化钠水溶液中的钝化电流密度为0.68μA/cm²，均匀腐蚀速率为0.01mm/a。