[发明专利]一种氮氧合金化的钛基非晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于设计金属材料及其制备领域，提供了一种氮氧合金化的钛基非晶合金及其制备方法。

背景技术

非晶态合金(金属玻璃)是具有特殊原子排列方式与优异性能的新型金属材料。与传统金属材料具有长程有序的原子排列不同，非晶态合金的原子排列具有长程无序短程有序的结构特征，在其微观组织中不存在晶界、位错等缺陷。因此非晶态合金表现出传统晶态合金无法比拟的高强度、高硬度、高弹性极限、低模量以及耐腐蚀等优异的性能，有望成为新一代结构和功能金属材料，应用前景广阔。

钛基非晶与其非晶合金相比，具有高比强度，低模量，生物相容性优异等特性，在轻质结构材料、航空航天和生物医学等方面展现十分明显的优势。然而，与其他非晶合金体系(如锆基和稀土基非晶)相比，钛基非晶的形成能力有限，临界尺寸较小。通常提高钛基非晶合金形成能力，往往通过添加剧毒的Be或高成本的Pd、Pt等合金化元素实现。另外，由于非晶合金的形成对杂质元素与制备环境的要求苛刻，非晶材料的制备过程中，需要高纯元素作为原料，在高真空或高纯氩气保护环境下进行冶炼，严重限制了非晶材料的制备成本。

钛基非晶合金的力学性能和其他的非晶态合金类似，受载荷作用表现出脆性断裂特征，大部分钛基非晶合金没有塑性变形能力。非晶态合金的塑性变形集中在宽度只有几十纳米的剪切带内，由于缺乏阻碍剪切带滑动、诱发多重剪切带的机制，主剪切带一旦形成，在应力作用下，剪切带迅速扩展，导致材料断裂失效。

由于非晶态合金的形成能力低塑性变形能力差，非晶态合金的工业应用严重受限，通过合金化来提高非晶形成能力和塑性的是目前最常用的方法。但合金化往往意味着牺牲成本、比强度和环境友好特性。本发明使用N、O元素的合金化来提高钛基非晶合金的形成能力，并同时提高其压缩塑性。N、O元素的添加也意味着该类钛基合金的可以在低真空条件下制备。

发明内容

本发明是开发出具有非晶形成能力强，有一定压缩塑性的钛基非晶合金，随着N、O元素的添加，非晶的形成能力和压缩断裂强度提高，同时O元素的添加也可以提高该系列钛基非晶的压缩塑性。

本发明是通过如下技术方案实现：一种氮氧合金化的钛基非晶合金，所述非晶合金材料通过微合金化N、O中的一种或两种元素显著提高合金的非晶形成能力和压缩塑性。

该非晶合金的原子百分比表达式为(Ti_aCu_bZr_cNi_dSn_e)_nN_pO_q,且各组分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5；且a+b+c+d+e＝100,n+p+q＝100，a、b、c、d、e、p、q之和为100。

进一步，该非晶合金的原子百分比表达(Ti_aCu_bZr_cNi_dSn_eM_f)_nN_pO_q，且各组分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5,且a+b+c+d+e+f＝100，n+p+q＝100,M为I、J、L或K中的一种或多种，其中I为C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种；J为Mn、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一种；K为V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种；L取自稀土元素，a、b、c、d、e、f、p、q之和为100。

所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表达式为(Ti_aCu_bZr_cNi_dSn_eI_f)_nN_pO_q，其中I为C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种，其中20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5。