[发明专利]具有高玻璃形成能力无镍无铍锆基非晶合金及制备和应用

说明书

本发明属于块体非晶合金，尤其涉及具有高玻璃形成能力无镍无铍锆基非晶合金及制备和应用，所述无镍无铍锆基非晶合金成分的原子百分比表达式为：Zr_aCu_bAl_cCo_dM_e，其中56≤a≤58，23≤b≤27，5≤c≤9，2≤d≤9，1≤e≤3，M为Nb、Hf、Ag、Y、Si或Ge，且需满足a+b+c+d+e=100。本发明的锆基块体非晶合金择优成分具有7%的塑性变形能力和超过1600MPa的屈服强度，较高的玻璃转变温度和初始晶化温度，较宽的过冷液相区，同时不含Ni、Be等生物不相容元素，在体育器材、医疗器械、高端微机械零部件等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于块体非晶合金，具体涉及一种不含金属元素Ni和Be的具有高玻璃形成能力无镍无铍锆基非晶合金及制备和应用。

技术背景

非晶态合金是通过熔体急冷得到的一种短程有序长程无序的合金，使得它们具有通常晶态金属材料无法比拟的功能特性，比如高强度、大的弹性极限、高的断裂强度、高硬度、耐腐蚀等，在结构材料、微型精密器件、体育器材等方面有着广阔的应用前景。

自上世纪九十年代末以来，世界各地科研人员相继在Pd基、La基、Mg基、Fe基、Ni基、Zr基、稀土基等诸多体系获得了块体非晶材料。这其中Zr基块体非晶因其具有优异的非晶形成能力和出色的力学性能而备受关注，特别是在生物医用材料如人工关节、股骨头支撑体等因其具有的生物相容性以及相比医用不锈钢材料来说有着更接近自然骨的低弹性模量和弹性极限而受到青睐。此外锆基非晶相比其他体系非晶在拥有更好的力学性能如高强度、高硬度、耐磨耐腐蚀、耐氧化等的同时，还具备相对更低的材料成本，这使得锆基非晶合金在工程材料、航空航天、体育器材等领域有着更大的应用前景。然而目前开发的具有强玻璃形成能力的锆基非晶合金几乎都含有金属镍或者铍。镍和铍都是些高细胞毒性生物不相容的元素，特别是在这些高玻璃形成能力的非晶合金成分中剔除Be和Ni元素，往往会极大降低该体系的非晶形成能力，而无法制备出大尺寸非晶合金。另一方面这些含Be的Zr基非晶合金室温脆性会导致材料发生突然的灾难性断裂限制了其实际应用。

发明内容

本发明开发出一种具有高玻璃形成能力的无镍无铍锆基非晶合金，目的在于不仅去除对细胞具有毒副作用的Be和Ni元素，而且具有强玻璃形成能力，通过常规电弧熔炼铜模吸铸法即可制备出厘米级块体非晶合金，以及具有较大室温塑性变形能力的生物相容性非晶合金。

本发明的技术方案是：一种具有高玻璃形成能力的无镍无铍锆基非晶合金，所述无镍无铍锆基非晶合金成分的原子百分比表达式为：Zr_aCu_bAl_cCo_dM_e，其中56≤a≤58，23≤b≤27，5≤c≤9，2≤d≤9，1≤e≤3，M为Nb、Hf、Ag、Y、Si或Ge，且需满足a+b+c+d+e=100。

进一步，一种具有高玻璃形成能力的无镍无铍锆基非晶合金，所述无镍无铍锆基非晶合金成分的原子百分比表达式为：Zr_aCu_bAl_cCo_dM_e，其中56≤a≤58，23≤b≤27，5≤c≤9，3≤d≤9，1≤e≤3，M为Nb、Hf、Ag、Y、Si或Ge，且需满足a+b+c+d+e=100。

进一步，当M为Nb元素，a=56，b=26.7，c=7.5，d=6.8，e=3，所述无镍无铍锆基非晶合金成分的原子百分比表达式为：Zr₅₆Cu_26.7Al_7.5Co_6.8Nb₃，合金能够形成大块非晶的临界尺寸不小于10mm，塑性形变不小于5%。