高通量筛选高强度合金的方法及高强度非晶合金

本发明涉及合金领域，具体涉及一种高通量筛选高强度合金的方法及高强度非晶合金。

背景技术：

1、非晶合金是由高温熔体通过超快速冷却过程得到一种新型金属材料。由于微观原子结构的无序性，非晶合金表现出诸多优异的力学性能，例如，高弹性应变、高断裂韧性、高耐磨性以及高强度。得益于非晶合金优异的力学性能，其在军工装备，电子信息，医疗器件和航空航天等领域得到广泛应用。然而，这些高端领域对所要使用的非晶合金材料的强度提出了更高要求。因此，如何既快速又高效地找到具有高强度的非晶合金成分成为本领域的研究热点和难点之一。

2、在过去几十年的研究中，研究人员已经提出了多种用于估算材料强度的具体方法，例如对材料的拉伸和压缩实验。这些传统的实验方法都是基于试错法的思路来进行，一次只能表征一种成分，耗时且低效，而且随着合金成分的变化，合金中元素数目的增加，这些基于试错法的实验方法会大大增加研究成本。以拉伸测试为例，主要有以下步骤：1)选择所需的金属原材料，按照金属成分百分比，通过电子秤进行配平；2)将配平好的金属材料放入熔炼炉中熔炼，制备成多元素合金锭；3)将熔好的锭子放入电弧吸铸熔炼炉中，制备成铸态非晶合金；4)将铸态非晶合金使用切割机进行切割，符合拉伸测试的尺寸要求；5)将切割完成的铸态非晶合金在万能实验机上进行拉伸测试。但是，整个过程一次只能得到一个成分的强度值，对于不同成分的材料需要多次制备样品，多次测量，不仅需要大量人力财力，还存在试验周期长，实验效率低的问题。

3、与试错法相对应，高通量实验作为材料基因组新材料研发计划的重要一环，是将传统的顺序迭代流程改变为并行实验,通过快速的多成分材料制备、性能和结构的高通量表征,完成相图的绘制、材料性能的优化和新材料的快速筛选，是一种新型的新材料开发策略。尽管目前高通量方法所采用的都是薄膜样品材料，考虑到非晶合金具有长程无序原子排列、无位错晶界等特点，非晶合金薄膜样品可以基本反映块状样品的物理性质,特别是力学性能，这为高通量实验策略在具有优异力学性能的非晶合金新材料的开发提供了独特的优势。

4、目前，非晶合金薄膜样品强度性能的表征主要使用微柱压缩的方法进行，需要在薄膜表面使用聚焦离子束加工技术加工出尺寸在微米级别的圆柱，之后再进行压缩试验，因此这种方法同样不符合快速，高效的要求。

技术实现思路

1、针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种高通量筛选高强度合金的方法，能够快速地筛选出具有高强度的合金成分。

2、一种高通量筛选高强度合金的方法，包括：

3、在衬底上设置掩膜版，将衬底表面划分为多个子区域；

4、采用物理气相沉积(pvd)共溅射方法基于不同金属元素靶材在所述衬底表面一次性沉积得到金属元素含量随所述衬底表面位置变化而变化的合金，不同子区域表面沉积的合金组成不同；

5、对各子区域进行纳米压痕测试，得到各子区域合金的弹性模量，基于合金抗拉伸强度与弹性模量之间的关系，计算各子区域合金的强度，筛选出强度最大值所在子区域的合金组成。

6、各子区域沉积的合金元素组成可通过采用能量色散光谱分析法测量得到。

7、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述的金属元素含量随所述衬底表面位置变化而变化，这种金属元素含量的变化具体可以是递增或递减趋势，可按成分梯度进行排列，即不同元素的原子百分比。以铜锆二元合金为例，合金成分可从100％cu-0％zr到50％cu-50％zr再到0％cu-100％zr连续变化。

8、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，在所述衬底表面建立坐标系，为各子区域赋予相应坐标位置，通过所述坐标位置建立子区域-合金强度-合金组成之间的关联。

9、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，各子区域形状和面积完全相同。

10、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，各子区域沉积的合金厚度相等。

11、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，各子区域沉积的合金厚度可为0.1～2微米。

12、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，纳米压痕测试的压入深度不超过子区域沉积的合金厚度的1/10。压入深度过大，纳米压痕测量值无法反映出合金真实性能。

13、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述合金的组成元素可包括zr、fe、co、ni、cu、ti、al中的至少两种。

14、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，各子区域沉积的合金表面粗糙度小于1纳米。合金表面粗糙度小于1纳米，有利于在进行纳米压痕测试时减小误差，使得到的结果准确可靠。

15、在一实施例中，所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述纳米压痕测试可采用位移控制法进行，得到p-h曲线，通过公式拟合卸载曲线得到测试点对应的弹性模量的值。

16、进一步的，公式拟合卸载曲线如下：

17、

18、即：

19、er为被测材料的约化弹性模量，a为理想压头的投影面积，以berkovich压头为例，其投影面积a＝24.65h2，s为积分项，h为位移距离，可参见图3。

20、被测材料的约化弹性模量er可在纳米压痕测试结果中直接得到，约化弹性模量er与材料本身的弹性模量e关系式为：

21、

22、ei、vi分别为压头的弹性模量与泊松比，金刚石材质的压头分别为1140吉帕斯卡与0.07，v为材料本身的泊松比。

23、所述的高通量筛选高强度合金的方法，对于非晶材料而言，抗拉伸强度σy与弹性模量之间的关系：σy＝0.02e。

24、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述纳米压痕测试采用的压头材料可为金刚石。

25、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述纳米压痕测试采用的纳米压痕压头可为维氏压头、berkovich压头中的任意一种。

26、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述纳米压痕测试的参数可为：无固定压入速率，压入载荷为0牛，保载时间为10秒。

27、所述的高通量筛选高强度合金的方法，可将所有子区域的集合称为高通量样品库。

28、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述合金可为二元合金、三元合金、四元合金、五元合金、六元合金、七元合金、八元合金等中的任意一种。

29、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述衬底可为单晶硅、石英中的任意一种，且不限于此。选择衬底材料的目的是保证制备的合金具有光滑、平坦的性质，满足力学性能测试条件。

30、所述的高通量筛选高强度合金的方法，所述物理气相沉积共溅射可为磁控溅射、蒸镀、油墨打印等中的任意一种方式，且不限于此。

31、本发明还提供了一种高强度zr-ti-cu-al四元非晶合金，所述高强度zr-ti-cu-al四元非晶合金的原子比组成为zr40ti9cu28al23。

32、本发明还提供了一种高强度cu-zr二元非晶合金，所述高强度cu-zr二元非晶合金的原子比组成为cu27zr73、cu25zr75或cu22zr78。

33、本发明与现有技术相比，有益效果有：

34、本发明通过在高通量样品库中设置压痕测试点，利用纳米压痕得到每个压痕测试点的弹性模量，依据强度与弹性模量的关系，基于设定的压痕测试点，将高通量样品库中的不同原子比的合金元素与测量得到的强度值一一对应，从而快速、高效的从高通量样品库中筛选出来强度最大的合金元素原子比，即强度最大的合金。