一种高硬度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硬度非晶复合材料及其制备方法和应用，包括基础合金部分、硬质添加部分和粘结添加部分；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：5-15％、Ni：8-22％、Cu：6-14％；硬质添加部分为ZrC或WC纳米微粉，其添加量为所述基础合金部分质量的12-26％，WC纳米微粉的粒径为10-100nm；粘结添加部分为Re、W、Mo元素中的一种或两种，其添加量为上述基础合金部分质量的4-8％。本发明专利技术通过对Zr-Al-Ni-Cu为基础的合金体系的成分进行改进，添加新的组分元素，调整组分含量，得到一种形成能力好、成形性佳的高硬度Zr基非晶合金。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非晶复合材料，具体涉及一种高硬度非晶复合材料及其制备方法 和应用。
技术介绍
非晶合金原子在空间排列上不呈现周期性和平移对称性，但是在l_2nm的微小尺 度内与邻近的原子间的键合具有一定的规律性，这样的结构特征使非晶合金具有非常多的 优异性能，如高强度、高弹性、耐腐蚀性好，等等，这使得非晶合金具有非常广阔的应用前 景，如何进一步提升非晶合金的性能是现阶段非晶合金研究的重要方向。 金属的硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，与材料的抵抗弹 性形变、塑性形变或破坏的能力有非常大的关联，是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性 能的一个综合的表征。为了提升非晶合金的硬度，许多研究人员做了大量的研究。目前 获得高硬度非晶合金的主要方法是非晶合金的基体使用难熔金属，如W-Fe-B、Mo-Ru-Si、 W-Ru-B-Hf体系的非晶合金，这些非晶合金受到合金成分的限制，不仅非晶合金的形成能力 普遍较低，而且难以通过热塑成型的方法进行加工，很大程度上限制了该类材料的应用范 围。也有些技术方案针对这些缺点进行了改进，如申请号为201410769681. 8的名为《一种 具有高硬度的Re-B-M非晶合金及其制备方法》的中国专利，通过在Re-B合金中添加过渡族 金属元素Co、Fe获得较高硬度和宽过冷液相区间的非晶合金。该方案仍旧使用的是难熔金 属基材料，改进范围有限，而且并未对非晶合金的加工成型能力有明显的改进。
技术实现思路
针对现有技术的不足，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Zr-Al-Ni-Cu为基础的合金体系的成分进行改进，添加新的组分元素，调整组 分含量，得到一种形成能力好、成形性佳的高硬度Zr基非晶合金。 本专利技术的第二个目的是为了提供一种高硬度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硬度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： -种高硬度非晶复合材料，其特征在于，包括基础合金部分、硬质添加部分和粘结 添加部分；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%、 A1 :5-15%、Ni:8-22%、Cu:6-14% ; 所述硬质添加部分为ZrC或WC纳米微粉，其添加量为所述基础合金部分质量的 12-26%，WC纳米微粉的粒径为10-100nm;所述粘结添加部分为Re、W、Mo元素中的一种或两种，其添加量为上述基础合金部 分质量的4-8%。 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:54-58%，Hf:6-8 %，A1 :10-15%、Ni: 15-20%，Cu:8-12 %。Zr基非晶合金是目前应用最为广泛的非晶合金体系之一，Zr-Al-Ni-Cu四元合金 体系因其形成能力较好、合金原料相对易得而成为Zr基非晶合金中应用最为广泛的合金 体系之一。Zr-Al-Ni-Cu四元合金体系形成能力好，本专利技术中的基础合金部分不仅调整了 21*、六1、附、(：11四种元素的含量，同时添加了5-10%的!^元素。！^元素为21'元素的同族元 素，在熔炼过程中对Zr原子有一定的取代作用，使合金中Zr原子与其他元素的原子之间的 作用力增强，使非晶复合材料的密堆结构更加稳定，宏观上表现为非晶复合材料更为致密。 Zr-Al-Ni-Cu-Hf五元合金体系作为基础合金，既能够保证该非晶合金体系的形成能力，而 且该合金体系的熔液包覆性能好，能够与添加的硬质添加部分和粘结添加部分形成非常好 的融合效果。 本专利技术的专利技术人在实践中发现，添加ZrC或WC纳米微粉能够有效增加 Zr-Al-Ni-Cu-Hf系非晶合金的硬度。但是单独添加ZrC或WC纳米微粉会造成熔炼过程中 合金体系的炸裂，适量添加Re、W、Mo元素中的一种或两种则可很好地避免出现这种情况。 ZrC或WC纳米微粉能够在Zr基非晶合金中与合金体系中存在的无序金属键形成类似晶态 的结构，这些无序的结构在基体局部受到外力作用时，可作为缓冲带阻止外力破坏带来的 形变扩张，从而实现宏观上良好的抗打击、抗变形的能力，即提升了非晶复合材料的硬度。 ZrC或WC纳米微粉的粒径不宜过大，否则不易融入合金体系中，粒径过小则会增加原料的 成本，本专利技术中纳米微粉的粒径选为10-1OOnm为宜。 作为本专利技术的一种优选的方案，所述硬质添加部分选用ZrC纳米微粉，其添加量 为基础合金部分质量的12-18%。添加ZrC纳米微粉除了增强合金体系的硬度外，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。 Re和W为Hf的同周期元素，Mo为Zr的同周期元素，Re、W、Mo原子与Zr、Hf原子 在结构和电性上非常相似。Re、W、Mo原子可在合金体系中对Zr、Hf有不同程度的取代作 用，增强合金体系中原子间的结合力，在合金体系中可起到如同粘结剂的作用，可使基础合 金部分与ZrC或WC纳米微粉结合的更为紧密，避免熔炼过程中的合金炸裂。同时。添加 Re、W、Mo元素还可增加非晶合金系统的熵值，增强非晶合金的形成能力。 进一步优选，粘结添加部分为Re，其添加量为基础合金部分质量的8%。 为进一步增强本专利技术中非晶复合材料的硬度，还包括质量占基础合金部分质量的 0.5-2%的B或Si元素。 为进一步提升本专利技术中非晶复合材料的形成能力，还包括质量占基础合金部分质 量的0. 5-2 %的Nd元素。 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： -种高硬度非晶复合材料的制备方法，按如下步骤进行： 1)按照配方配比分别称取基础合金部分的原料、粘结添加部分的原料以及基础合 金部分的原料；首先将硬质添加部分的原料与粘结添加部分的原料混合均匀，得到混合原 料；然后将混合原料放置于基础合金部分的原料的底部，得到待处理合金原料； 2)将待处理合金原料在惰性气氛中通过电弧熔炼的方式进行熔炼，分两次进行； 第一次熔炼控制电流为10-50A，缓慢加热，使合金原料全部变成液态即可；第二次熔炼则 加大电流，控制熔炼电流为200-900A，使液态的合金原料迅速均匀混合；经过冷却后，得到 非晶复合材料铸锭；熔炼过程中控制惰性气氛的压力为〇. 01-0. 〇5MPa，冷却过程中控制冷 却速度为l〇2_l〇3K/s; 本专利技术的专利技术人在实践中发现，硬质添加部分的ZrC或WC纳米微粉与基础合金部 分的非晶复合材料融合效果不佳，直接混合所有原料按照常规方法进行熔炼所得到的非晶 合金容易炸裂。依照本专利技术中的方法，先将硬质添加部分的合金原料与粘结添加部分的合 金原料混合均匀后放置于基础合金部分原料的底部，第一次熔炼时使用小电流电弧环扫， 控制电流为10-50A，缓慢加热，使合金原料全部变成液态，增强原料的流动性，液态的基础 合金原料慢慢对硬质添加部分的ZrC或WC纳米微粉进行包覆，粘结添加部分熔化后也逐渐 与硬质添加部分的ZrC或WC纳米微粉融合，待原料初步融合后进行第二次熔炼，控制熔炼 电流为200-900A，加大电流使液态的合金原料快速均匀混合。 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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硬度非晶复合材料，其特征在于，包括基础合金部分、硬质添加部分和粘结添加部分；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：5‑15％，Ni：8‑22％，Cu：6‑14％；所述硬质添加部分为ZrC或WC纳米微粉，其添加量为所述基础合金部分质量的12‑26％，WC纳米微粉的粒径为10‑100nm；所述粘结添加部分为Re、W、Mo元素中的一种或两种，其添加量为上述基础合金部分质量的4‑8％。

【技术特征摘要】

【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