[发明专利]一种高硬度非晶复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非晶复合材料，具体涉及一种高硬度非晶复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

非晶合金原子在空间排列上不呈现周期性和平移对称性，但是在1-2nm的微小尺度内与邻近的原子间的键合具有一定的规律性，这样的结构特征使非晶合金具有非常多的优异性能，如高强度、高弹性、耐腐蚀性好，等等，这使得非晶合金具有非常广阔的应用前景，如何进一步提升非晶合金的性能是现阶段非晶合金研究的重要方向。

金属的硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，与材料的抵抗弹性形变、塑性形变或破坏的能力有非常大的关联，是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的一个综合的表征。为了提升非晶合金的硬度，许多研究人员做了大量的研究。目前获得高硬度非晶合金的主要方法是非晶合金的基体使用难熔金属，如W-Fe-B、Mo-Ru-Si、W-Ru-B-Hf体系的非晶合金，这些非晶合金受到合金成分的限制，不仅非晶合金的形成能力普遍较低，而且难以通过热塑成型的方法进行加工，很大程度上限制了该类材料的应用范围。也有些技术方案针对这些缺点进行了改进，如申请号为201410769681.8的名为《一种具有高硬度的Re-B-M非晶合金及其制备方法》的中国专利，通过在Re-B合金中添加过渡族金属元素Co、Fe获得较高硬度和宽过冷液相区间的非晶合金。该方案仍旧使用的是难熔金属基材料，改进范围有限，而且并未对非晶合金的加工成型能力有明显的改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一目的在于提供一种高硬度非晶复合材料，本发明通过对Zr-Al-Ni-Cu为基础的合金体系的成分进行改进，添加新的组分元素，调整组分含量，得到一种形成能力好、成形性佳的高硬度Zr基非晶合金。

本发明的第二个目的是为了提供一种高硬度非晶复合材料的制备方法，可适应于批量化的生产。

本发明的第三个目的是为了提供一种高硬度非晶复合材料的应用。

实现本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种高硬度非晶复合材料，其特征在于，包括基础合金部分、硬质添加部分和粘结添加部分；

所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45-60％、Hf：5-10％、Al：5-15％、Ni：8-22％、Cu：6-14％；

所述硬质添加部分为ZrC或WC纳米微粉，其添加量为所述基础合金部分质量的12-26％，WC纳米微粉的粒径为10-100nm；

所述粘结添加部分为Re、W、Mo元素中的一种或两种，其添加量为上述基础合金部分质量的4-8％。

作为本发明的一种优选的方案，所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：54-58％，Hf：6-8％，Al：10-15％、Ni：15-20％，Cu：8-12％。

Zr基非晶合金是目前应用最为广泛的非晶合金体系之一，Zr-Al-Ni-Cu四元合金体系因其形成能力较好、合金原料相对易得而成为Zr基非晶合金中应用最为广泛的合金体系之一。Zr-Al-Ni-Cu四元合金体系形成能力好，本发明中的基础合金部分不仅调整了Zr、Al、Ni、Cu四种元素的含量，同时添加了5-10％的Hf元素。Hf元素为Zr元素的同族元素，在熔炼过程中对Zr原子有一定的取代作用，使合金中Zr原子与其他元素的原子之间的作用力增强，使非晶复合材料的密堆结构更加稳定，宏观上表现为非晶复合材料更为致密。Zr-Al-Ni-Cu-Hf五元合金体系作为基础合金，既能够保证该非晶合金体系的形成能力，而且该合金体系的熔液包覆性能好，能够与添加的硬质添加部分和粘结添加部分形成非常好的融合效果。

本发明的发明人在实践中发现，添加ZrC或WC纳米微粉能够有效增加Zr-Al-Ni-Cu-Hf系非晶合金的硬度。但是单独添加ZrC或WC纳米微粉会造成熔炼过程中合金体系的炸裂，适量添加Re、W、Mo元素中的一种或两种则可很好地避免出现这种情况。ZrC或WC纳米微粉能够在Zr基非晶合金中与合金体系中存在的无序金属键形成类似晶态的结构，这些无序的结构在基体局部受到外力作用时，可作为缓冲带阻止外力破坏带来的形变扩张，从而实现宏观上良好的抗打击、抗变形的能力，即提升了非晶复合材料的硬度。ZrC或WC纳米微粉的粒径不宜过大，否则不易融入合金体系中，粒径过小则会增加原料的成本，本发明中纳米微粉的粒径选为10-100nm为宜。