[發(fā)明專利]Ni-Ta二元塊體金屬玻璃

無效

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• 申請日: 2009-12-08
• 公開（公告）號: CN101724794A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羌建兵;王清;王英敏;董闖
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C22C45/00
• 分類號: C22C45/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有大玻璃形成能力、最高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及高強(qiáng)度的Ni-Ta二元塊體金屬玻璃。

背景技術(shù)

從結(jié)構(gòu)角度，非晶體合金通常在幾個(gè)原子間距范圍內(nèi)存在著短程有序、但不具有晶體合金的長程有序結(jié)構(gòu)特征。它們具有很高的綜合力學(xué)性能和獨(dú)特的物理化學(xué)性能，但由于受到合金的玻璃形成能力的影響，使得制備這類材料比較困難，需要較高的冷卻速率，一般的臨界冷卻速率在10⁵K/s。早期時(shí)，通常采用一些急冷技術(shù)，如熔體霧化、薄膜沉積技術(shù)以及銅輥急冷甩帶技術(shù)等，制備出低維材料如粉末、薄帶等。因此材料尺寸嚴(yán)重限制了這類材料的應(yīng)用范圍。

從上個(gè)世紀(jì)九十年代初以來，以日本和美國為首，發(fā)現(xiàn)了一系列具有大玻璃形成能力的合金成分，其中以Zr基最為易于制備，其臨界冷卻速率僅在1K/s量級，可以用銅模鑄造和水淬等方法制備成三維塊體金屬玻璃。塊體金屬玻璃由于具有優(yōu)異的力學(xué)和物理化學(xué)性能而得到廣泛關(guān)注，有望作為作結(jié)構(gòu)材料。此外，由于這類材料在其過冷液相區(qū)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)精密快速成型，這種良好的工藝性能進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。目前，美、日等國已發(fā)展出了Zr基、Ti基、Pd基、Fe基、RE(稀土)基、Ni基和Cu基等塊體金屬玻璃，并將部分塊體金屬玻璃材料實(shí)用化，取得了明顯效益。

大尺寸塊體金屬玻璃通常都是在多組元復(fù)雜體系中形成，一般為三個(gè)組元以上，且能夠厘米的塊體材料都含有更多的組元。這為尋找大形成能力的塊體金屬玻璃成分帶來了困難。目前能在簡單二元體系中做出塊體金屬玻璃的只有Cu-Zr、Cu-Hf和Ni-Nb，其臨界形成尺寸為1-2mm。無論是簡單體系，還是復(fù)雜體系，合金成分的選取具有很大的隨意性。

和傳統(tǒng)的Zr基、Cu基塊體金屬玻璃相比，Ni基塊體金屬玻璃具有較高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和熱穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、高硬度以及優(yōu)良的耐腐蝕性能，并且完全由過渡金屬形成的Ni基金屬玻璃還可用作催化材料和透氫材料。即便在多組元合金體系中，完全由過渡金屬組成的Ni基合金也具有較弱的玻璃形成能力，臨界尺寸不超過5mm，如Ni₅₉Zr₁₆Ti₁₃Si₃Sn₂Nb₇和Ni₄₀Zr_28.5Ti_16.5Al₁₀Cu₅塊體金屬玻璃，其臨界尺寸為5mm。二元體系只有Ni-Nb，在其它二元體系中還未有塊體金屬玻璃報(bào)道過。在本發(fā)明中，我們采用“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型對Ni-Ta二元合金進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，使得Ni-Ta二元合金在現(xiàn)有技術(shù)條件下能夠形成直徑為2mm的塊體金屬棒。盡管Ni基合金的玻璃形成能力較弱，但獨(dú)特的性能使得它們具有重大的工程應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的研究表明：塊體金屬玻璃常含有多個(gè)組元，且都屬于成分敏感的合金相，即化學(xué)成分是影響合金玻璃形成能力的關(guān)鍵因素，一般的，在特定的玻璃形成體系中，具有最強(qiáng)玻璃形成能力的合金成分在相圖上往往接近于點(diǎn)成分，如果偏離該成分，合金的非晶形成能力將大大降低，因此，制備塊體金屬玻璃時(shí)，成分的選擇和控制至關(guān)重要，這樣就存在如下不足：①對于二元和多組元體系成分的優(yōu)化選擇十分復(fù)雜，目前主要依賴于大量實(shí)驗(yàn)，這必然存在一定的主觀性和隨意性；②目前在Ni-Ta二元合金體系中未有塊體金屬玻璃報(bào)道過。因此，針對Ni基塊體金屬玻璃的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明利用設(shè)計(jì)塊體金屬玻璃成分的“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型來設(shè)計(jì)合金成分，并利用銅模吹鑄工藝發(fā)展出新的具有大玻璃形成能力的Ni-Ta二元塊體金屬玻璃。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：①不能在Ni-Ta二元合金體系中制備塊體金屬玻璃，②在成分選擇上帶有隨意性和優(yōu)化復(fù)雜的不足。在本發(fā)明中，我們采用“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型對Ni-Ta二元合金進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，開發(fā)出新的Ni-Ta二元塊體金屬玻璃和確定其塊體金屬玻璃的形成范圍以及性能測試。

本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案是：一種Ni-Ta二元塊體金屬玻璃，包括Ni和Ta元素，其特征在于：

(a)根據(jù)“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的Ni-Ta二元合金的成分范圍為Ni_xTa_100-x，x＝59～62at.％(原子百分比)，形成直徑為2mm的塊體金屬玻璃棒；

(b)Ni-Ta塊體金屬玻璃在目前所有塊體金屬玻璃形成體系中具有最高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，即993K。