一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用，该非晶复合材料由基础合金部分和韧性增强部分制备而成；基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45-65％，Hf：5-15％，Al：10-20％，Ni：10-20％，M1组分：5-10％，M2组分：2-8％；所述M1组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种；所述M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；基础合金部分的各个元素纯度大于99.9％；韧性增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分体积的2-10％。本发明专利技术中的非晶复合材料冲击韧性良好，无需进行机械加工即具有高韧性和耐冲击的特性。

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及非晶复合材料
，更具体地说，涉及一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
非晶合金是指原子排列短程有序、长程无序呈密堆排列结构的合金材料，所以非晶合金不具有晶态材料的晶界、位错等缺陷。这种结构特征使非晶合金具有非常多的优异的力学性能，如高硬度、高强度、良好耐蚀性能，但同时非晶合金也具有塑性和韧性差，作为结构件时易发生脆性断裂的问题，这些缺点一直制约着非晶合金构件的使用。金属的韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性越好的材料，其抗冲击强度的能力就越大，在受到冲击载荷的作用下不发生破坏的性质就越好。为了提高非晶合金的韧性，许多研究人员做了大量的研究。如申请号为201010609177.3名为《非晶合金表面处理方法及采用该方法制得的非晶合金件》的中国专利中提供一种Zr-Cu-Ni-Nb-Al系非晶合金，然后对该非晶合金件抛光后进行喷砂，使非晶合金件表面形成多个微裂痕作为剪切带以改善该非晶合金件的屈服强度、增强其塑性变形能力。上述方案工艺不仅复杂、在复杂的非晶合金构件上无法使用，而且完全无法应用于那些对外观品质有要求的构件。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，本专利技术的第一目的在于提供一种高硬度非晶复合材料，本专利技术通过对基础合金体系与韧性增强体系的成分进行改进，添加新的组分元素，调整组分含量，得到一种高韧性和耐冲击性的，形成能力佳的非晶复合材料，适合制成复杂构件。本专利技术的第二个目的是为了提供一种高韧性的非晶复合材料的制备方法，可适应于批量化的生产。本专利技术的第三个目的是为了提供一种高韧性的非晶复合材料的应用。实现本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种高韧性的非晶复合材料，由基础合金部分和韧性增强部分制备而成；所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45-65％，Hf：5-15％，Al：10-20％，Ni：10-20％，M1组分：5-10％，M2组分：2-8％；所述M1组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种；所述M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；所述基础合金部分的各个元素纯度大于99.9％；所述韧性增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分体积的2-10％。Zr基块体非晶复合材料具有较高的玻璃形成能力、耐蚀性和成型能力，添加同族的Hf原子在合金中对Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金属原子之间的作用力增强，宏观表现为冷却后合金结构较为致密成型性能良好，Al、Ni是Zr基非晶合金中常用添加元素。本专利技术的专利技术人在实践中发现，添加Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种能够有效增加上述Zr基非晶合金的塑性和韧性，究其原因，从微观结构上看，Sn、Bi、Si、Cu原子大小和表面能与Zr、Hf相仿，且略有差异，在形成非晶合金的密堆结构中，Sn、Bi、Si、Cu原子易扩散至Zr和Hf原子间形成各种无方向的金属键，添加Ag、Pd元素则更加加强了整个合金体系的熵值和混乱度，直至这些无序金属键与增强部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC相遇，形成类似晶态的塑性颗粒。这样形成的非晶复合材料在变形过程中，一旦基体局部受到冲击力，在变形的过程中，这些类似晶态的塑性颗粒将把剪切带隔离开，从而阻止剪切带的扩张，从而实现宏观上良好的抗冲击韧性。WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉粒径控制于10-100nm为宜，过细的纳米微粉由于制备工艺复杂成本较高，而过粗的粒径则会导致合金体系不均匀。作为本专利技术的一种优选的方案，所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45-60％，Hf：5-10％，Al：10-15％，Ni：15-20％，M1组分：5-8％，M2组分：5-8％。作为本专利技术的一种优选的方案，所述M1组分为Sn或Cu最佳。作为本专利技术的一种优选的方案，所述韧性增强部分中各个纳米微粉的粒径为10-100nm。作为本专利技术的一种优选的方案，所述韧性增强部分为ZrC纳米微粉最佳。因为ZrC不仅能够增强非晶复合材料整体的韧性，而且对于Zr基非晶合金来说没有引入其他杂质元素，避免了过多元素的加入可能导致的合金晶化。作为本专利技术的一种优选的方案，所述韧性增强部分的添加量为基础合金部分体积的8-10％。实现本专利技术的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种高韧性的非晶复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：(1)按照配方配比分别称取基础合金部分的原料、韧性增强部分的原料，将基础合金部分的原料与韧性增强部分的原料混合均匀，得到混合原料；(2)将步骤(1)得到的混合原料在真空条件或氩气气氛中通过电弧熔炼将原料熔炼，在原料熔化过程中，在规律震动熔炼炉条件下，使原料全部转化为熔液，反复熔炼3-4次；熔炼过程的真空度为10-1-10-3Pa，氩气气氛压力为0.01-0.05MPa，经过冷却后，得到非晶复合材料铸锭；本专利技术的专利技术人在实践中发现，因非晶复合材料原料中添加有韧性增强部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉，所以在合金冶炼过程中，将合金原料混合均匀至关重要，如果不均匀，将造成非晶复合材料局部缺陷，导致局部力学性能的缺陷产生。因此，在制备本专利技术的非晶合金的过程中，原料熔化过程需有规律震动熔炼炉至原料全部转化为熔液为止，这一功能通过适当改进熔炼炉，如配备可夹紧熔炼炉并进行规律运动的耐高温金属的机械装置即可实现，在此不加赘述。(3)通过常规的金属材料成型工艺对非晶复合材料铸锭进行成型，得到高韧性非晶复合材料产品。作为优选，步骤(2)中经熔炼后，冷却速度为10-103K/s。作为优选，步骤(3)中，常规的金属材料成型工艺是指常规的压铸工艺或常规的吸铸工艺。实现本专利技术的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：本专利技术的第一个目的所述高硬度非晶复合材料的应用：将它用于消费类电子产品、医疗器械产品、航空航天工业产品、机器仪表工业产品、汽车工业产品。如冲压设备中的冲头、压接块等。实施本专利技术的有益效果在于：(1)通过对基础合金体系与韧性增强体系的成分进行改进，添加新的组分元素，调整组分含量，得到一种高韧性和耐冲击性的，形成能力佳的非晶复合材料，适合制成复杂构件。(2)本专利技术中的非晶复合材料形成尺寸最大可达30mm，适合制成复杂结构件。3、本专利技术中的非晶复合材料的制备工艺简单易行，不需要特殊条件即可生产，适合工业化生产。具体实施方式下面，结合具体实施方式，对本专利技术做进一步描述：实施例1-13：实施例1-13的非晶复合材料按照表1中配比秤取相应的原料，然后按照如下步骤进行制备而得，基础合金部分原料和韧性增强部分原料配方如下表1所示，数值为对应的原子摩尔百分含量：表1基础合金部分原料和韧性增强部分原料的配方实施例中选用的合金原料纯度大于99.9％，合金的增强部分为ZrC纳米微粉，微粉平均粒径为100nm，ZrC纳米微粉的添加量为基础合金部分体积的8％。本专利技术所用原料均可从市场中购得。高韧性非晶合金的制备方法：(1)将纯度大于99.9％的基础合金部分原料和韧性增强部分的纳米微粉按照上述非晶合金组成进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高韧性的非晶复合材料，其特征在于，由基础合金部分和韧性增强部分制备而成；所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：45‑65％，Hf：5‑15％，Al：10‑20％，Ni：10‑20％，M1组分：5‑10％，M2组分：2‑8％；所述M1组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种；所述M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；所述基础合金部分的各个元素纯度大于99.9％；所述韧性增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分体积的2‑10％。

【技术特征摘要】
1.一种高韧性的非晶复合材料，其特征在于，由基础合金部分和韧性增强部分制备而成；所述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr：65％，Hf：5-15％，Al：10-20％，Ni：10-20％，M1组分：5-10％，M2组分：2-8％；所述M1组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种；所述M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；所述基础合金部分的各个元素纯度大于99.9％；所述韧性增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分体积的2-10％。2.根据权利要求1所述的高韧性的非晶复合材料，其特征在于，所述M1组分为Sn或Cu。3.根据权利要求1所述的高韧性的非晶复合材料，其特征在于，所述韧性增强部分中各个纳米微粉的粒径为10-100nm。4.根据权利要求1所述的高韧性的非晶复合材料，其特征在于，所述韧性增强部分为ZrC纳米微粉。5.根据权利要求1所述的高韧性的非晶复合材料，其特征在于，所述韧性增强部分的添加量为基础合金部分体积的8-10％。6.一种如权利要求1-5任一项所述高韧性的非晶复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李扬德，李卫荣，
申请(专利权)人：东莞宜安科技股份有限公司，东莞市镁安镁业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44