一种兼具高强度和高塑变应性的锆基金属玻璃合金及其制法和用途的制作方法

1.本发明属于功能金属合金材料领域，具体涉及一种兼具高强度和高塑变应性的锆基金属玻璃合金及其制法和用途。


背景技术：

2.zr基金属玻璃具有较大的玻璃形成能力，可以生产出厘米级直径的块状金属玻璃，可同时表现出屈服强度为1400～1600mpa，断裂强度为1500～1700mpa，弹性模量为85～90gpa，弹性应变为1.8～2.0％，维氏硬度为470～550，同时耐磨性和抗划伤性比不锈钢(sus304)高1～2倍，还具有良好的精模具铸造性，粘性流动加工性，表面平滑性，光泽性，高电阻，低热传导，低热膨胀率等在结晶合金不具备的优异特性。根据这些特征性质，zr基金属玻璃可以大量运用于精密机械材料、光学设备材料、智能手机和pc等电子设备的外壳、医疗器械、医疗设备材料、眼镜框架、书写用具材料、运动用具材料、刀具、装饰材料、手表材料、压力传感器等领域。
3.但是，这些zr基金属玻璃在单轴的拉伸变形或压缩变形中屈服强度下降，最大剪切应力面上发生滑移带时，沿该滑移带进行变形，没有表现出宏观上的塑性伸长或塑性应变，直至最终断裂。这种弹塑性变形/断裂行为归因于块体金属玻璃不具有加工硬化特性。
4.作为在块状金属玻璃的加工硬化中发现的特点，块状金属玻璃内分散析出体心立方构造(bcc)结晶相，在bcc结晶和玻璃相的界面使块状金属玻璃相变形，即，通过大量导入滑移变形带的发生点，发现加工硬化特性，积极地进行了使断裂强度上升和塑性伸长以及塑性应变增大的尝试。其结果为，bccβ-zr相作为枝晶初晶进行结晶后，残液在随后的冷却过程中凝固为玻璃相，生成β-zr分散的块状金属玻璃，显示加工硬化和塑性应变的合金，被用于开发zr-ti-be-ni-cu系和zr-al-ni-cu系金属玻璃。
5.但是，这些复合金属存在材料强度特性中最重要的屈服强度下降的问题。迫切需要制造出不使屈服强度降低，产生加工硬化并增加塑性应变的新的复相块状金属玻璃。


技术实现要素：

6.发明目的：这部分的内容紧接上文，上文指出了什么缺陷，解决克服这些缺陷就是本发明的目的。
7.本发明的目的通过下述技术方案实现：
8.一种兼具高强度和高塑变应性的锆基金属玻璃合金，其组成为zr
x
alynizcu
α
，其中x、y、z、α为各成分占基底合金的原子百分比，x＝70-80，y＝5-10，z＝10-20，α＝1-10；
9.优选地，x＝73-74，y＝7，z＝13-16，α＝4-6；
10.所述锆基金属玻璃合金的zr，可在≤15％(原子百分比)的范围内以ti、hf、nb或ta中的一种以上替换，优选在≤10％(原子百分比)的范围内替换；
11.所述的锆基金属玻璃合金，可在≤1％(原子百分比)的范围内加入稀土类金属、
pd、pt、v、cr或mo中的一种以上。
12.上述锆基金属玻璃合金的制作方法，包括以下步骤：
13.将各合金成分(金属小块或粉末)熔炼制成合金的熔融物，然后使熔融物保持在过冷液体状态下冷却并凝固，得到锆基金属玻璃合金；
14.所述的熔炼为电弧熔炼或中频加热熔炼中的至少一种。
15.所述的锆基金属玻璃合金可以通过铜模差压铸造法、喷射铸造法、锻造铸造法、锁模铸造法、倾斜铸造法或铸模溶液喷射法等现有技术方法制成直径2～5mm的圆柱状棒材或者厚度2～4mm的板材。
16.本发明的锆基金属玻璃合金可用于制备精密机械材料、光学设备材料、电子设备外壳、医疗器械、眼镜框架、书写用具材料、运动用具材料、刀具、装饰材料、手表材料、压力传感器等。
17.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
18.本发明在zr-al-ni-cu合金中添加高浓度zr(70～80％)，同时ni/cu的浓度比率约为5～12，5～10％的al量是不可缺少的，如此通过在bccβ-zr的冷却中使发生了向六方晶构造ω-zr相变而产生的[β-zr+ω-zr]混合存在的结晶相分散在块状金属玻璃中，不让屈服强度降低，而能够增大塑性应变。这是因为，相对于ni、cu，ag为β-zr相稳定型元素，al是使β-zr相不稳定化并形成密排六方结构的α-zr的元素。因此，可以认为作为从β-zr向α-zr的相变的中间相生成了ω-zr。另外，[β-zr+ω-zr]相的体积总量在25～65％的范围内，随着zr量的增加，其体积量增大。
具体实施方式
[0019]
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0020]
实施例
[0021]
按表1和表2所示的合金成分配取合金原料，采用电弧熔炼法制成母合金的熔融物之后，保持在过冷液体状态下冷却并凝固，通过铜模吸铸法制成试料直径2mm的圆柱状棒材的试料，检测其各项特性参数。
[0022]
上述的母合金熔融物也可以通过将母合金放入石英坩埚，用中频加热熔化后制备得到。
[0023]
本发明实施例合金样品的成分组成和特性参数如表1所示，对比例样品的成分组成和特性参数如表2所示。
[0024]
使用英斯特朗(型)试验机通过压缩试验法测定压缩应力-应变曲线，根据该曲线来评价塑性应变。
[0025]
此外，由英斯特朗试验机在拉伸负载下、压缩负载下，在室温下，以应变速度2
×
10-4
～9
×
10-4
/秒来获得应力-伸长曲线或应力-应变曲线，根据该曲线测定断裂强度(mpa)和屈服强度(mpa)。
[0026]
由表1和表2可以看出，本发明合金zr
x
alynizcu
α
的弹性模量为78～80gpa，屈服强度1480～1540mpa，断裂强度1640～1700mpa，塑性应变为17～25％(表1)。
[0027]
另外两种合金(zr
x
alynizcu
α
ag
β
和zr
x
alynizag
α
)，弹性模量在75gpa以下，屈服强度1410mpa以下，断裂强度1470mpa以下，塑性应变不足5％(表2)。
[0028]
可见本发明合金zr
x
alynizcu
α
兼具高强度和高塑性应变的特点，有望扩大应用范围和提高相关材料性能。
[0029]
表1：实施例合金样品的成分组成和特性参数
[0030][0031]
表2：对比例合金样品的成分组成和特性参数
[0032][0033]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种兼具高强度和高塑变应性的锆基金属玻璃合金，其特征在于：以原子百分比计，组成为zr
x
al
y
ni
z
cu
α
，其中x、y、z、α为各成分占基底合金的百分比，x＝70-80，y＝5-10，z＝10-20，α＝1-10。2.根据权利要求1所述的锆基金属玻璃合金，其特征在于：所述的x＝73-74，y＝7，z＝13-16，α＝4-6。3.根据权利要求1所述的锆基金属玻璃合金，其特征在于：所述锆基金属玻璃合金中的zr，以原子百分比计，在≤15％的范围内以ti、hf、nb或ta中的一种以上替换。4.根据权利要求1所述的锆基金属玻璃合金，其特征在于：所述锆基金属玻璃合金中的zr，以原子百分比计，在≤10％的范围内以ti、hf、nb或ta中的一种以上替换。5.根据权利要求1所述的锆基金属玻璃合金，其特征在于：所述的锆基金属玻璃合金，以原子百分比计，在≤1％的范围内加入稀土类金属、pd、pt、v、cr或mo中的一种以上。6.权利要求1～5任一项所述锆基金属玻璃合金的制作方法，其特征在于包括以下步骤：取合金成分熔炼制成合金的熔融物，然后使熔融物保持在过冷液体状态下冷却并凝固，得到锆基金属玻璃合金。7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：将锆基金属玻璃合金进一步制成圆柱状棒材或者板材。8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：所述的锆基金属玻璃合金是通过铜模差压铸造法、喷射铸造法、锻造铸造法、锁模铸造法、倾斜铸造法或铸模溶液喷射法制成圆柱状棒材或者板材。9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：所述圆柱状棒材的直径为2～5mm；所述板材的厚度为2～4mm。10.权利要求1～5任一项所述的锆基金属玻璃合金在制备精密机械材料、光学设备材料、电子设备外壳、医疗器械、眼镜框架、书写用具材料、运动用具材料、刀具、装饰材料、手表材料和压力传感器中的应用。

技术总结
本发明提供了一种兼具高强度和高塑变应性的锆基金属玻璃合金及其制法和用途。本发明在Zr-Al-Ni-Cu合金中添加高浓度Zr(70～80％)，同时Ni/Cu的浓度比率约为5～12，5～10％的Al量是不可缺少的，如此通过在bccβ-Zr的冷却中使发生了向六方晶构造ω-Zr相变而产生的[β-Zr+ω-Zr]混合存在的结晶相分散在块状金属玻璃中，不让屈服强度降低，而能够增大塑性应变。本发明的锆基金属玻璃合金可用于制备精密机械材料、光学设备材料、电子设备外壳、医疗器械、眼镜框架、书写用具材料、运动用具材料、刀具、装饰材料、手表材料、压力传感器等。压力传感器等。


技术研发人员：井上明久 刘丛 朱胜利 孔凡利 曹勇
受保护的技术使用者：广州爱克科技有限公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/3/2