本发明属于材料技术领域，涉及一种合金材料，更具体地说，是涉及一种原位生成的铜包壳结构的铁基棒状块体非晶合金组合物及其制备方法。
背景技术：
铁基非晶合金由于其独特的原子无序结构，使其具有优异的软磁和力学性能。在软磁性能方面，铁基非晶合金具有低矫顽力、高磁导率和低能量损耗等优点，现已广泛应用于变压器芯材、互感器铁芯和传感器等领域。在力学性能方面，铁基非晶合金具有超高的强度(大于3500mpa)和硬度(维氏硬度大于900)，但铁基块体非晶合金的塑性变形率极低，通常小于2％，因此无法获得工业应用。
目前提升铁基非晶合金塑性的手段主要从以下几个方面进行：①元素替代法：用泊松比相对较大的ni元素替代铁基非晶合金中的fe元素，但是这一方法提升铁基非晶合金的塑性变形率有限，一般都在2％以内；②氧化物提纯法：利用b2o3等氧化物在合金熔点以上进行真空提纯，这种方法可以有效提升块体非晶合金的塑性变形能力，但这种方法工艺极其复杂，需要在高温下进行长时间(十几小时)提纯，并且只能通过水淬法获得非晶合金，由于冷速及铁基合金的非晶形成能力有限，因此无法获得大尺寸块体非晶合金，一般棒状样品的直径都小于2mm，且无法实现大规模制备；③第二相析出法：通过合理的成分设计，在应用铜模进行吸铸的同时，在棒状非晶样品的内部原位弥散析出晶粒，这一方法也可大幅提升铁基块体非晶合金的形成能力，但由于在铜模吸铸的过程中，腔体内部金属熔体冷速不均，无法实现析出相的均匀分布，因此这一方法也仅限于直径为1mm左右块体非晶样品的制备，当尺寸扩大后，在样品的心部会有大量粗大晶化相析出，急速恶化合金的强度和塑性；④外加材料复合法：这一方法包含两类，一类为在应用铜模进行吸铸之前，在铜模腔体内加入弹簧或金属棒等材料，这样在吸铸的过程中，合金熔体将弹簧或金属棒包覆，最终形成弹簧或金属棒与非晶的复合材料，可在一定程度上提升铁基非晶合金的塑性变形能力，但在吸铸的过程中，合金熔体与金属棒或弹簧等材料无法实现完全润湿，容易在两类材料的界面处产生孔洞等缺陷，从而降低材料的力学性能。另一类为在铁基非晶合金棒材表面喷涂或电镀一层金属材料，形成包壳结构，但是通过这些方法制备获得材料芯部的非晶与外壳的见面结合力较差，容易脱落。
综上，现阶段还没有简单有效的方法提升铁基块体非晶合金的塑性变形能力，需要拓展新思路来实现铁基块体非晶合金塑性变形能力的提升。
技术实现要素：
本发明的目的是：针对传统方法提升铁基非晶合金塑性变形能力有限及工艺复杂等缺点，通过合理的成分优化结合简单的铜模吸铸工艺制备原位生成包壳结构fe-co-b-si-nb-cu系块体非晶合金，实现铁基非晶合金塑性变形能力的有效提升。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种原位生成包壳结构的铁基块体非晶合金组合物，按质量百分比含量由组分：co0-50％、b3-6％、si2-5％、nb9-16％，cu2-5％，余量为fe组成，总质量百分比为100％。
进一步优选，所述co的纯度为≥99.9％的纯钴。
进一步优选，所述b的纯度为≥99.5％的纯硼。
进一步优选，所述si的纯度为≥99.99％的纯硅。
进一步优选，所述nb的纯度为≥99.95％的纯铌。
进一步优选，所述cu的纯度为≥99.99％的纯铜。
进一步优选，所述fe的纯度为≥99.99％的纯铁。
一种原位生成包壳结构的铁基块体非晶合金组合物的制备方法，包括如下步骤：
步骤s1：备料：按质量百分比将各元素单质按fe-co-b-si-nb-cu合金成分进行称料，称量过程中质量精确到0.001克；
步骤s2：母合金锭的熔炼：将步骤s1中称量好的单质合金进行混合，放入真空熔炼炉内，真空度小于10pa，混合过程中将铌单质放在混合物的最上侧，然后在氩气或氮气保护下在水冷铜坩埚内进行非自耗电弧熔炼，第一次熔炼完成后将合金锭上下翻转进行第二次熔炼，依此类推，最终将合金熔炼四次，以保证母合金锭熔炼均匀；母合金锭熔炼后的重量损失控制在1％以内；
步骤s3：包壳结构棒状块体非晶合金的制备：将母合金锭放置在下部开有圆孔的水冷铜坩埚内，在氩气保护下，由电弧直接将母合金锭熔化，然后在负压下吸入圆柱形水冷铜模型腔体内，快速冷却，即制备获得包壳厚度为1-30μm的圆柱状铜包壳结构的铁基块体非晶。
本发明的实验检测手段为：
利用x射线衍射仪对制得块体样品进行结构检测。若x射线衍射图谱上显示为典型非晶态特征的漫散馒头峰，则表明合金为单一的非晶组织，并可由透射电子显微镜进行确认。利用热分析仪测定非晶样品的热学参数，包括：玻璃态转变温度、晶化温度、熔化开始温度和熔化结束温度，其中玻璃转变温度和晶化温度是表征非晶合金热稳定性的特征参数，晶化温度越高，表明非晶样品抵抗晶化的能力越强，热稳定性越高。应用金相显微镜和扫描电子显微镜观察并测量铜包壳的厚度。应用万能力学试验机测试包壳块体非晶样品的压缩力学性能，包括：压缩强度和塑性变形率，测试时棒状样品的直径为1-2.5mm，径向长度为直径的2倍。
本发明的优点和有益效果是：
(1)通过合理的成分优化，在棒状块体非晶样品表面实现铜膜的原位析出，形成1-30μm的铜包壳的fe-co-b-si-nb-cu块体非晶合金，可有效提升铁基块体非晶合金的塑性变形率，获得包壳结构块体非晶的直径为1-2.5mm，最大压缩强度为4000mpa，最大屈服强度为3800mpa，最大压缩塑性变形率可达5％。相比于传统铜模吸铸法，本发明获得包壳结构块体非晶合金的塑性变形率可提升1倍以上；
(2)本发明涉及到的铜包壳铁基块体非晶合金只需通过简单的合金熔炼及铜模吸铸法即可制备获得，克服了氧化物提纯法制备块非晶合金的复杂性；
(3)本发明涉及到的铜包壳铁基块体非晶合金，原则上只要非晶合金的形成能力允许，可获得任意直径棒状样品，克服了氧化物提纯法和第二相析出法制备块体非晶合金尺寸的限制；
(4)本发明涉及到的铜包壳铁基块体非晶合金，铜包壳是由熔体凝固的过程中原位析出，因此界面结合力强且不存在缺陷，克服了外加材料复合法制备块体非晶合金结合力弱，存在孔洞缺陷等缺点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列举实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一、铁基非晶合金组合物的成分及含量：
fe82b5si2nb9cu2，其中fe的纯度为≥99.99％，b的纯度为≥99.5％，si的纯度为≥99.99％，nb的纯度为≥99.95％，cu的纯度为≥99.99％。
二、包壳结构铁基块体非晶合金的制备步骤：
s1：备料：按质量百分比将各元素单质按fe82b5si2nb9cu2合金成分进行称料，称量过程中质量精确到0.001克；
s2：母合金锭的熔炼：将步骤s1中称量好的单质合金进行混合，放入真空熔炼炉内，真空度小于10pa，混合过程中将铌单质放在混合物的最上侧，然后在氩气或氮气保护下在水冷铜坩埚内进行非自耗电弧熔炼，第一次熔炼完成后将合金锭上下翻转进行第二次熔炼，依此类推，最终将合金熔炼四次，以保证母合金锭熔炼均匀；母合金锭熔炼后的重量损失控制在1％以内；
s3：包壳结构棒状块体非晶合金的制备：将母合金锭放置在下部开有圆孔的水冷铜坩埚内，在氩气保护下，由电弧直接将母合金锭熔化，然后在负压下吸入圆柱形水冷铜模型腔体内，快速冷却，即制备获得包壳厚度为1μm的圆柱型铜包壳结构的铁基块体非晶。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
利用x射线衍射仪和透射电子显微镜对制得非晶合金样品进行结构检测；利用金相显微镜扫描电子显微镜观察铜包壳的厚度；应用热分析仪检测非晶样品的热参数，应用万能力学试验机测试样品的压缩强度及塑性变形率。
2、有益效果：
1)通过此实施例获得铜包壳棒状非晶样品的直径为2.5mm，铜包壳的厚度约为1μm；
2)通过此实施例获得的铜包壳棒状非晶样品屈服强度为3860mpa，塑性变形率为1％。
实施例2：
一、铁基非晶合金组合物的成分及含量：
fe50co25b5si3nb13cu4，其中fe的纯度为≥99.99％，co的纯度为≥99.9％，b的纯度为≥99.5％，si的纯度为≥99.99％，nb的纯度为≥99.95％，cu的纯度为≥99.99％。
二、包壳结构铁基块体非晶合金的制备步骤：
同实施例1
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
同实施例1。
2、有益效果：
1)通过此实施例获得铜包壳棒状非晶样品的直径为1.5mm，铜包壳的厚度约为5μm；
2)通过此实施例获得的铜包壳棒状非晶样品屈服强度为3900mpa，塑性变形率为3％。
实施例3：
一、铁基非晶合金组合物的成分及含量：
fe70b6si4nb15cu5，其中fe的纯度为≥99.99％，b的纯度为≥99.5％，si的纯度为≥99.99％，nb的纯度为≥99.95％，cu的纯度为≥99.99％。
二、包壳结构铁基块体非晶合金的制备步骤：
同实施例1
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
同实施例1。
2、有益效果：
1)通过此实施例获得铜包壳棒状非晶样品的直径为1mm，铜包壳的厚度约为20μm；
2)通过此实施例获得的铜包壳棒状非晶样品屈服强度为4000mpa，塑性变形率为5％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明做出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。