一种塑性增强的大块金属玻璃材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种塑性增强的大块金属玻璃材料，其为一金属管包裹的金属玻璃合金圆柱状材料，所述的金属管的内径为３－１０毫米，厚度为０．５－２毫米，长度为３－１０厘米；所包裹的金属玻璃合金为锆基、铜基、铁基、稀土基等所有非晶形成能力在３毫米以上的合金体系；所述的金属管为塑性良好的各种金属管材。本发明专利技术提供上述塑性增强的大块金属玻璃材料的制备方法，是将纯度不低于９９．９％的单质金属按照非晶合金的原子配方配制好，然后熔炼、冷却得到母合金铸锭；将其熔炼，然后吸铸进经处理并夹置在水冷铜模具中的金属管中，冷却即得。本发明专利技术不仅提高了非晶的塑性，而且没有影响大块金属玻璃的形成能力，适用于所有块体金属玻璃体系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于凝聚态物理和材料科学领域，具体地说是涉及一种塑性增强的大块金 属玻璃材料，及其制备方法。
技术介绍
自Inoue、 Johnson等制备出了多种合金体系的大块非晶合金(即大块金属玻璃)， 如Mg-Y-Ni-Cu, Pd-Ni-Cu-P， Zr-Ti-Cu-Ni-Be以来，大块金属玻璃材料由于其独特的性 能(超高强度 2-5GPa、高弹性 2%、优异的抗腐蚀能力等)已引起了人们的极大关注。Zr4uTiu.8Cu,2.5NiK)Be22.5(Vitl)作为具有最强玻璃形成能力的合金体系之一，能形成直径达十多厘米的块材，非晶形成能力接近传统的氧化物玻璃，其强度可达到 2000MPa以上，再加上其高弹性高硬度的特性，具有广阔的应用前景。但是，大块金 属玻璃普遍塑性很小，而且不能产生加工硬化，例如，锆基金属玻璃在断裂前只有0.5 的塑性应变，这在很大程度上限制了大块金属玻璃的应用。目前，开发具有大塑性的大块金属玻璃材料己经成为国际非晶材料领域研究的热 点。中科院物理所的汪卫华研究组开发出了具有大塑性并且有加工硬化的Cu-Zr-Al体 系，清华大学的姚可夫等人，也开发出了具有超塑性的Pd-Si大块金属玻璃。这些金 属玻璃材料不仅具有一定的塑性，而且还可以产生加工硬化。但是，这类具有大塑性 的非晶合金体系的形成能力有限，往往只能做成2毫米左右的块材，而且当尺寸增大 时塑性急剧降低，同样也限制了金属玻璃的实际应用。现有技术在制备具有较高塑性的金属玻璃时，最常采用的方法是在非晶基体上， 引入第二相来增韧。 一种方法是在制备非晶的过程中引入钨丝、碳化钩、碳化锆等， 形成非晶复合材料，可以使材料的塑性增加到10%左右，而强度有所降低。但是，这 种引入第二相的方法，其制备工艺比较复杂，往往掺杂材料和基体结合不紧密，会大 大降低二者复合的效果，从而影响复合材料的性能。另一种方法是在制备金属玻璃的过程中改变制备条件，比如降低冷却速率，可以 制备出非晶相与晶相共存的非晶复合材料，这时作为晶相的第二相是原位形成的，比从外界引入的第二相结合力要强很多，这样做出来的材料也能提高金属玻璃的塑性。 但是这种方法往往很难控制第二相的百分比，不能重复制备出性能一致的复合材料。 总之，由于复合材料的制备是一个复杂的过程，需要很多附加条件(掺杂方法、 制备环境等)，与材料制备相关的设备也需要改进，增加了复合材料的制备难度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种既保持其形成能力，又能改进其力学性能、尤其使塑 性增强的大块金属玻璃材料。本专利技术的另一目的在于提供一种有效、实用、简单而又不损失非晶优异性能的、 制备上述塑性增强的大块金属玻璃材料的方法。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本专利技术提供的塑性增强的大块金属玻璃材料，其为一金属管包裹的金属玻璃合金圆柱状材料，所述的金属管的内径为3 — 10毫米，厚度为0.5—2毫米，长度为3 —10 厘米。所包裹的金属玻璃合金为锆基、铜基、铁基、稀土基等所有非晶形成能力在3毫 米以上的合金体系，例如Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1()Be22.5;所述的金属管为塑性良好的各种金属管材，如国内生产的普通铜管、钢管、铝合 金管、或者其他金属管。本专利技术提供的上述塑性增强的大块金属玻璃材料的制备方法，是通过利用金属管 包裹大块金属玻璃，进行表面改性以增加材料的塑性，如图1所示，具体包括如下的 步骤1) 将纯度不低于99.9%的单质金属按照非晶合金的原子配方配制好，然后放置于 电弧炉中，让真空度保持在l(T3Pa以上，然后充入氩气清洗，再抽真空，反复几次， 保证熔炼环境清洁后，最后在钛吸附的氩气环境中电弧熔炼，反复熔炼四次以上使之 混合均匀，冷却得到母合金铸锭；所述的非晶合金为锆基、铜基、铁基、稀土基等所有非晶形成能力在3毫米以上 的合金体系，例如Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1()Be22.5;2) 将金属管经抛光处理去除掉表面的氧化物，使用氢氟酸腐蚀金属管的内表面5 一10分钟，然后将其夹置在吸铸水冷铜模具中；所述的金属管为塑性良好的各种金属管材，如国内生产的普通铜管、钢管、铝合 金管、或者其他金属管；所述的金属管的内径为3 — 10亳米，厚度为0.5—2毫米，长度为3 — 10厘米； 3)把模具放置于电弧炉中，将步骤l)得到的母合金铸锭在氩气保护的电弧炉中 熔炼，在炉体内的气压为1一2倍大气压的条件下把合金熔体吸铸进该金属管中，以l —100K/s或更高的冷却速率冷却，即得到本专利技术的塑性增强的大块金属玻璃材料。以Zr4i.2Tin.8CiH2.5NiK)Be22.5非晶合金为例，通过扫描电子显微镜(SEM)来检测 本专利技术上述方法得到的塑性增强的大块金属玻璃材料，如图3所示，金属玻璃与金属 管结合的非常紧密，没有缝隙存在。对本专利技术的塑性增强的大块金属玻璃材料的整体、中心部位以及打开包裹铜管后 的侧面进行了X射线扫描，如图4所示，侧面、中心都没有明显的晶化峰，只有表征 非晶特征的一个弥散峰，整体的XRD图中有一尖锐的晶化锋，为包裹的铜管的衍射 峰，这样的结果显示，样品为完美的铜管包裹的金属玻璃材料，不会丧失金属玻璃优 良的力学性能。对本专利技术的塑性增强的大块金属玻璃材料进行了单轴压縮实验，如图5所示。原 始的未加包裹的非晶合金的压縮曲线，只有0.5%左右的压縮塑性，曲线A为我们制 备的加铜管包裹的非晶合金样品，样品直到6%的塑性变形才发生断裂，即本专利技术通 过包裹样品提高了大块金属玻璃的塑性，提高了 12倍以上。此外，经过包裹的非晶合 金还有一定的加工硬化。本专利技术是在急冷制备大块金属玻璃的时候，把母合金吸铸进预先处理好的金属管 材中，金属管经过热冷紧縮，紧紧包裹住金属玻璃，在其表面产生正压力。在单轴压 縮过程中，这个作用力大大延缓了金属玻璃的断裂，有利于产生致密的剪切带分布， 从而有效的提高了金属玻璃的塑性。与现有技术相比，本专利技术不仅提高了非晶的塑性，而且没有影响大块金属玻璃的 形成能力，适用于所有块体金属玻璃体系。塑性缺乏是大块金属玻璃应用的瓶颈，此 专利技术为金属玻璃的应用提供了可能。附图说明图1为本专利技术提供的塑性增强的大块金属玻璃材料的制备方法的示意图在氩气 气氛下，用电弧将母合金锭熔化，然后用机械真空泵把熔体吸铸进装置有金属管的水冷铜模中；图2是没有包裹的Zr4L2Tb.8QH2.5Nh()Be22.5金属玻璃(左)和实施例1制备的铜 管包裹的21"41.21113.80112.5> 1(3622.5金属玻璃(右)的实物照片；图3是实施例1制备的铜管包裹的2^21113.80112.5> 1(^22.5金属玻璃的SEM照片；图4是实施例1制备的铜管包裹的Zr4L2Ti。.8Cuu5NiK)Be22.5金属玻璃的XRD结果； 由上至下依次为样品整体、中心和侧面的XRD扫描曲线；图5是没有包裹的Zr4L2Tb.8ClH2.5NiK)Be22.5金属玻璃(左)和实施例1制备的铜管包裹的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1()Be22.5金属玻璃(右)的单轴压縮曲线，插图为包裹样品的真实应力应变；图6是压縮后样品的扫描电镜照片；其中，a)为实施例1制备的铜管包裹的 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种塑性增强的大块金属玻璃材料，其为一金属管包裹的金属玻璃合金圆柱状材料，所述的金属管的内径为３－１０毫米，厚度为０．５－２毫米，长度为３－１０厘米；所包裹的金属玻璃合金为非晶形成能力在３毫米以上的锆基、铜基、铁基、稀土基的合金体系；所述的金属管为塑性良好的各种金属管材。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余鹏，柳延辉，白海洋，赵德乾，潘明祥，汪卫华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]