一種高韌性的非晶復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非晶復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種高韌性的非晶復(fù)合材 料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 非晶合金是指原子排列短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序呈密堆排列結(jié)構(gòu)的合金材料，所以非 晶合金不具有晶態(tài)材料的晶界、位錯(cuò)等缺陷。這種結(jié)構(gòu)特征使非晶合金具有非常多的優(yōu)異 的力學(xué)性能，如高硬度、高強(qiáng)度、良好耐蝕性能，但同時(shí)非晶合金也具有塑性和韌性差，作為 結(jié)構(gòu)件時(shí)易發(fā)生脆性斷裂的問(wèn)題，這些缺點(diǎn)一直制約著非晶合金構(gòu)件的使用。
[0003] 金屬的韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，韌性越好，則 發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性越好的材料，其抗沖擊強(qiáng)度的能力就越大，在受到?jīng)_擊載 荷的作用下不發(fā)生破壞的性質(zhì)就越好。為了提高非晶合金的韌性，許多研究人員做了大量 的研究。如申請(qǐng)?zhí)枮?01010609177. 3名為《非晶合金表面處理方法及采用該方法制得的非 晶合金件》的中國(guó)專利中提供一種Zr-Cu-Ni-Nb-Al系非晶合金，然后對(duì)該非晶合金件拋光 后進(jìn)行噴砂，使非晶合金件表面形成多個(gè)微裂痕作為剪切帶以改善該非晶合金件的屈服強(qiáng) 度、增強(qiáng)其塑性變形能力。
[0004] 上述方案工藝不僅復(fù)雜、在復(fù)雜的非晶合金構(gòu)件上無(wú)法使用，而且完全無(wú)法應(yīng)用 于那些對(duì)外觀品質(zhì)有要求的構(gòu)件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的第一目的在 于提供一種高硬度非晶復(fù)合材料，本發(fā)明通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)合金體系與韌性增強(qiáng)體系的成分進(jìn)行 改進(jìn)，添加新的組分元素，調(diào)整組分含量，得到一種高韌性和耐沖擊性的，形成能力佳的非 晶復(fù)合材料，適合制成復(fù)雜構(gòu)件。
[0006] 本發(fā)明的第二個(gè)目的是為了提供一種高韌性的非晶復(fù)合材料的制備方法，可適應(yīng) 于批量化的生產(chǎn)。
[0007] 本發(fā)明的第三個(gè)目的是為了提供一種高韌性的非晶復(fù)合材料的應(yīng)用。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0009] -種高韌性的非晶復(fù)合材料，由基礎(chǔ)合金部分和韌性增強(qiáng)部分制備而成；
[0010] 所述基礎(chǔ)合金部分的元素組成及原子摩爾百分含量為Zr :45-65%，Hf :5-15%， Al :10-20%，Ni :10-20%，Ml 組分：5-10%，M2 組分：2-8% ;所述 Ml 組分為 Sn、Bi、Si、Cu 元素中的一種或幾種；所述M2組分為Ag、Pd元素中一種或兩種；所述基礎(chǔ)合金部分的各個(gè) 元素純度大于99. 9% ;
[0011] 所述韌性增強(qiáng)部分為WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉中的一種或幾種，其添加量 為上述基礎(chǔ)合金部分體積的2-10%。
[0012] Zr基塊體非晶復(fù)合材料具有較高的玻璃形成能力、耐蝕性和成型能力，添加同族 的Hf原子在合金中對(duì)Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金屬原子之間的作用力 增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為冷卻后合金結(jié)構(gòu)較為致密成型性能良好，Al、Ni是Zr基非晶合金中常用 添加元素。
[0013] 本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，添加 Sn、Bi、Si、Cu元素中的一種或幾種能夠有效 增加上述Zr基非晶合金的塑性和韌性，究其原因，從微觀結(jié)構(gòu)上看，Sn、Bi、Si、Cu原子大小 和表面能與Zr、Hf相仿，且略有差異，在形成非晶合金的密堆結(jié)構(gòu)中，Sn、Bi、Si、Cu原子易 擴(kuò)散至Zr和Hf原子間形成各種無(wú)方向的金屬鍵，添加 Ag、Pd元素則更加加強(qiáng)了整個(gè)合金 體系的熵值和混亂度，直至這些無(wú)序金屬鍵與增強(qiáng)部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC相遇，形成 類似晶態(tài)的塑性顆粒。這樣形成的非晶復(fù)合材料在變形過(guò)程中，一旦基體局部受到?jīng)_擊力， 在變形的過(guò)程中，這些類似晶態(tài)的塑性顆粒將把剪切帶隔離開(kāi)，從而阻止剪切帶的擴(kuò)張，從 而實(shí)現(xiàn)宏觀上良好的抗沖擊韌性。WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉粒徑控制于IO-IOOnm為 宜，過(guò)細(xì)的納米微粉由于制備工藝復(fù)雜成本較高，而過(guò)粗的粒徑則會(huì)導(dǎo)致合金體系不均勻。
[0014] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述基礎(chǔ)合金部分的元素組成及原子摩爾百分含 量為 Zr :45-60%，Hf :5-10%，Al :10-15%，Ni :15-20%，Ml 組分：5-8%，M2 組分：5-8%。
[0015] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述Ml組分為Sn或Cu最佳。
[0016] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述韌性增強(qiáng)部分中各個(gè)納米微粉的粒徑為 10-100nm〇
[0017] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述韌性增強(qiáng)部分為ZrC納米微粉最佳。因?yàn)閆rC 不僅能夠增強(qiáng)非晶復(fù)合材料整體的韌性，而且對(duì)于Zr基非晶合金來(lái)說(shuō)沒(méi)有引入其他雜質(zhì) 元素，避免了過(guò)多元素的加入可能導(dǎo)致的合金晶化。
[0018] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述韌性增強(qiáng)部分的添加量為基礎(chǔ)合金部分體積 的 8-10 %〇
[0019] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0020] -種高韌性的非晶復(fù)合材料的制備方法，具體包括如下步驟：
[0021] (1)按照配方配比分別稱取基礎(chǔ)合金部分的原料、韌性增強(qiáng)部分的原料，將基礎(chǔ)合 金部分的原料與韌性增強(qiáng)部分的原料混合均勻，得到混合原料；
[0022] (2)將步驟（1)得到的混合原料在真空條件或氬氣氣氛中通過(guò)電弧熔煉將原料熔 煉，在原料熔化過(guò)程中，在規(guī)律震動(dòng)熔煉爐條件下，使原料全部轉(zhuǎn)化為熔液，反復(fù)熔煉3-4 次；熔煉過(guò)程的真空度為10 LlO 3Pa，氬氣氣氛壓力為0. 01-0. 05MPa，經(jīng)過(guò)冷卻后，得到非 晶復(fù)合材料鑄錠；
[0023] 本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，因非晶復(fù)合材料原料中添加有韌性增強(qiáng)部分的 WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉，所以在合金冶煉過(guò)程中，將合金原料混合均勻至關(guān)重要， 如果不均勻，將造成非晶復(fù)合材料局部缺陷，導(dǎo)致局部力學(xué)性能的缺陷產(chǎn)生。因此，在制備 本發(fā)明的非晶合金的過(guò)程中，原料熔化過(guò)程需有規(guī)律震動(dòng)熔煉爐至原料全部轉(zhuǎn)化為熔液為 止，這一功能通過(guò)適當(dāng)改進(jìn)熔煉爐，如配備可夾緊熔煉爐并進(jìn)行規(guī)律運(yùn)動(dòng)的耐高溫金屬的 機(jī)械裝置即可實(shí)現(xiàn)，在此不加贅述。
[0024] (3)通過(guò)常規(guī)的金屬材料成型工藝對(duì)非晶復(fù)合材料鑄錠進(jìn)行成型，得到高韌性非 晶復(fù)合材料廣品。
[0025] 作為優(yōu)選，步驟（2)中經(jīng)恪煉后，冷卻速度為10_103K/s。
[0026] 作為優(yōu)選，步驟（3)中，常規(guī)的金屬材料成型工藝是指常規(guī)的壓鑄工藝或常規(guī)的 吸鑄工藝。
[0027] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第三個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0028] 本發(fā)明的第一個(gè)目的所述高硬度非晶復(fù)合材料的應(yīng)用：將它用于消費(fèi)類電子產(chǎn) 品、醫(yī)療器械產(chǎn)品、航空航天工業(yè)產(chǎn)品、機(jī)器儀表工業(yè)產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)產(chǎn)品。如沖壓設(shè)備中的 沖頭、壓接塊等。
[0029] 實(shí)施本發(fā)明的有益效果在于：
[0030] (1)通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)合金體系與韌性增強(qiáng)體系的成分進(jìn)行改進(jìn)，添加新的組分元素，調(diào) 整組分含量，得到一種高韌性和耐沖擊性的，形成能力佳的非晶復(fù)合材料，適合制成復(fù)雜構(gòu) 件。
[0031] (2)本發(fā)明中的非晶復(fù)合材料形成尺寸最大可達(dá)30_，適合制成復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。
[0032] 3、本發(fā)明中的非晶復(fù)合材料的制備工藝簡(jiǎn)單易行，不需要特殊條件即可生產(chǎn)，適 合工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面，結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
[0034] 實(shí)施例 1-13 ：
[0035] 實(shí)施例1-13的非晶復(fù)合材料按照表1中配