金属材料以及用于制造金属材料的方法技术

本申请涉及金属材料以及用于制造金属材料的方法，其中所述金属材料包括：由多个金属原子构成的超纳晶粒，所述超纳晶粒具有由至少两相构成的晶体结构；其中，所述至少两相包括晶相和非晶相。金属材料具有理论强度的纳米双相玻璃纳米晶结构，此种纳米晶具有的超高强度将使其在高强度MEMS器件、高耐磨涂层及高强度3D打印结构方面有很好应用前景。

【技术实现步骤摘要】
金属材料以及用于制造金属材料的方法
本专利技术涉及金属材料以及用于制造金属材料的方法，并且具体地，但非唯一地，涉及一种用于通过在磁控溅射过程沉积金属膜制造金属材料的方法。
技术介绍
材料的强度反映了能够经受施加的载荷或者抵抗塑料变形的能力。每种材料是独一无二的，因此每一者具有不同的强度。材料的强度包括拉伸强度、压缩强度时以及剪切强度。以拉伸强度为例，其表现为以对抗材料撕开(例如通过拉伸)而承受的最大应力，同时在断裂之前材料会延展或者塑性形变。一些材料在没有塑料变形的情况下可能会非常脆并且会迅速地断裂，同时，一些材料(特别是金属)通常柔软，并且可以经受某种程度的弹性变形(另一塑料变形)并且在最终断裂之前甚至会变细。因此，重要的是研究不太软的材料的强度，由此将这些材料用于正确的应用中。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种金属材料，包括：由多个金属原子构成的超纳晶粒，所述超纳晶粒具有由至少两相构成的晶体结构；其中，所述至少两相包括晶相和非晶相。优选地，所述晶相包括超纳米晶相，而非晶相包括超纳米非晶相。优选地，所述多个金属原子构成球形等轴晶结构。优选地，所述多个金属原子还形成非晶壳。优选地，所述球形等轴晶结构的至少一部分被非晶壳所环绕。优选地，所述超纳晶粒基本上无位错。优选地，每一个所述的非晶壳具有小于或等于10nm的超纳米尺寸。优选地，每一个所述的球形晶体结构具有小于或等于10nm的超纳米尺寸。优选地，超纳米晶相与超纳非晶相的体积比例基本上在1:2到2:1的范围。优选地，所述比例基本上等于1:1。优选地，两相在三维空间上均匀分布。优选地，其强度大于或等于E/20的材料理论强度值，其中，E表示金属材料的弹性模量。优选地，其强度为3.3GPa。优选地，其具有包括金属玻璃结构双相结构。优选地，其化学组分包括镁。优选地，所述化学组分还包括钇和铜中的至少一种。优选地，所述晶相为富含铜并且所述非晶相富含镁。根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于制造金属材料的方法，包括以下步骤：将包括多种金属元素的金属膜沉积在基材上；其中，多种金属元素布置在具有至少两个相的晶体结构中；其中，所述至少两个相包括晶相和非晶相。优选地，所述金属层在磁控溅射工艺中沉积。优选地，镁合金靶用在磁控溅射工艺中。优选地，镁合金靶的成分包括镁、钇和铜。优选地，镁、钇和铜的原子比等于65:25:10。优选地，镁合金靶通过冶炼而制造。优选地，磁控溅射工艺包括以下参数：-背景真空度：小于等于1x10-4Pa；-氩气压：0.2—0.5Pa；-基材负偏压：-50—-100V；以及-基材温度：100—200℃。优选地，所述基材包括以下至少一种基材：硅基材、玻璃基材和金属基材。优选地，沉积金属膜的过程中包括以下步骤：在沉积过程中调节基材的温度。本专利技术中具有理论强度的纳米双相玻璃纳米晶结构及其制备方法因此提供了许多优点。其中纳米双相玻璃纳米晶结构的两相分别为纳米晶体相与纳米非晶相，每一相的尺寸都小于10nm，晶体相与非晶相所占体积比为2:1～1:2，两相在三维各个方向分布均匀，球形的纳米晶体相被纳米非晶相所包覆，且晶体相基本不含位错。区别于传统的近理想强度材料的纳米级小尺寸，此材料可具有100mm×100mm×10μm的大面积尺寸，有利于大面积应用。另一方面，区别于传统的近理想强度材料苛刻的制备方法，本专利技术可采用单靶磁控溅射单次沉积的方法，控制溅射参数可以较容易地调节具有理论强度的纳米双相玻璃纳米晶的成分及厚度，拓宽了具有理论强度材料在合金膜材料领域的应用。此种具有理论强度的纳米双相玻璃纳米晶具有的超高强度将使其在高强度MEMS器件、高耐磨涂层及高强度3D打印结构方面有很好应用前景。附图说明参考附图，作为示例，现在将描述本专利技术的多个实施方式，其中：图1a为根据本专利技术的纳米双相结构的示意图；图1b为根据本专利技术的带有SEAD图案和晶粒尺寸分布的镁基NDP-GC的三维重建的TEM图像；图2为具有理论强度的镁基超纳双相玻璃纳米晶的高分辨透射电子显微术(HRTEM)图像；图3为具有理论强度的镁基超纳双相玻璃纳米晶的扫描透射电子显微术(STEM)高角度环形暗场成像(HAADF)图像；图4为超纳米晶以及非晶壳的STEM能量弥散X射线谱(EDS)成分分布；图5是具有理论强度的微柱镁基超纳双相玻璃纳米晶、镁基金属玻璃和镁基晶态合金的工程应力-应变曲线；以及图6显示了与其他传统镁合金、纳米晶(NC)镁合金、镁基块体金属玻璃(BMG)和块体金属玻璃复合材料(BMGMC)相比，镁基超纳双相玻璃纳米晶的最大应力和弹性模量之间的关系；图7显示了与其他合金相比，镁基超纳双相玻璃纳米晶的比强度和弹性模量之间的关系；图8是直径为1300nm、760nm和300nm的镁基NDP-GC柱的压缩应力-应变曲线；图9提供了剪切带的各种视图，其中，(a)是材料的变形机制，显示出主剪切带被其前面的纳米晶体所阻挡，并且初始剪切带内的纳米晶体被切割和旋转，(b)是初始剪切带尖端附近区域的截面TEM图像，以及微压缩后微米柱的整体图像，显示初始剪切带变为辐射形状的多个次级初期剪切带，(c)是在图像(b)中指示的初始剪切带的尖端处的“A”区域的HRTEM图像，显示初始剪切带由MgCu2纳米晶体(由具有0.21nm平面距离的(222)面证明)阻止，产生两个子剪切带，(d)在初始剪切带内部的“B”区域的HRTEM图像，显示MgCu2纳米晶体被剪切带切割，(e)是图像(d)的IFT图像，显示MgCu2纳米晶体的两个部分具有40°的错位取向；图10为基于根据本专利技术的本构模型，镁基BMG、镁基合金和镁基NDP-GC的模拟应力-应变关系；图11显示了镁基BMG以及NDP-GC中的镁基MG相的应力-应变关系；图12显示了镁基BMG和NDP-GC中的镁基MG相随着应变而改变的自由体积浓度；图13显示了在镁基NDP-GC的起始剪切带内耗散的临界能量以及随着应变而变化的变形能量；以及图14显示了形成剪切带的数目与所需的临界应变之间的关系。具体实施方式不希望受理论束缚，本专利技术人通过自己的试验和实验研究发现，现有的加强机制如晶界或相界强化、孪晶界强化、固溶强化和弥散加强颗粒强化。这些方法都是基于控制缺陷以阻止位错的运动。但是，这些效果无法无限制地增大。引入太多缺陷可能导致主导的变形机制从位错相关过程变化为缺陷软化行为。例如，当晶粒尺寸小于10nm时，塑料变形可以通过晶界滑移和晶界软化主导，由此引起了反霍尔-佩奇(ReverseHall-Petch)效应的发生。对于具有500nm晶粒尺寸，孪晶间距小于15nm的铜，它的强度也会随孪晶间距的减小而下降。这是由于在孪晶界处已存在位错源，并且塑性形变由晶界运动代替了在孪晶界处的滑移。因此，纳米晶/纳米挛晶材料的强度通常符合σ≈E/85原则，其中σ为强度，E为弹性模量。非晶化是另一种提高材料强度的有效途径。这是由于非晶结构不含诸如晶界或位错等软区。金属玻璃的强度通常符合σ≈E/50原则，其强度通常远大于其晶态形式的强度。然而，由于剪切带的软化效应，金属玻璃的最高应力只能保持在2％应变处。因此，非晶材料的强度也不能达到σ≈E/20的理论强度。近理想强度的材料通常存在于几乎不含缺陷的单晶晶须，晶态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料，包括：由多个金属原子构成的超纳晶粒，所述超纳晶粒具有由至少两相构成的晶体结构；其中，所述至少两相包括晶相和非晶相。

【技术特征摘要】
2016.11.11 US 15/349,3181.一种金属材料，包括：由多个金属原子构成的超纳晶粒，所述超纳晶粒具有由至少两相构成的晶体结构；其中，所述至少两相包括晶相和非晶相。2.如权利要求1所述的金属材料，其中，所述晶相包括超纳米晶相，而非晶相包括超纳米非晶相。3.如权利要求1所述的金属材料，其中，所述多个金属原子构成球形等轴晶结构。4.如权利要求3所述的金属材料，其中，所述多个金属原子还形成非晶壳。5.如权利要求4所述的金属材料，其中，所述球形等轴晶结构的至少一部分被非晶壳所环绕。6.如权利要求3所述的金属材料，其中，所述超纳晶粒基本上无位错。7.如权利要求4所述的金属材料，其中，每一个所述的非晶壳具有小于或等于10nm的超纳米尺寸。8.如权利要求3所述的金属材料，其中，每一个所述的球形晶体结构具有小于或等于10nm的超纳米尺寸。9.如权利要求1所述的金属材料，其中，超纳米晶相与超纳非晶相的体积比例基本上在1:2到2:1的范围。10.如权利要求9所述的金属材料，其中，所述比例基本上等于1:1。11.如权利要求1所述的金属材料，其中，两相在三维空间上均匀分布。12.如权利要求1所述的金属材料，其中，其强度大于或等于E/20的材料理论强度值，其中，E表示金属材料的弹性模量。13.如权利要求1所述的金属材料，其中，其强度为3.3GPa。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕坚，吴戈，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81