一種氮氧合金化的鈦基非晶合金及其制備方法技術

本發(fā)明專利技術一種氮氧合金化的鈦基非晶合金及其制備方法，該非晶合金的原子百分比表達式(TiaCubZrcNidSne)nNpOq,且各組分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5且a+b+c+d+e=100,n+p+q=100。步驟：將金屬原料Ti、Cu、Zr、Ni、Sn按摩爾比稱量，同時加入氮化物和氧化物后在非自耗真空電弧爐或冷坩堝懸浮爐里熔煉，然后真空吸鑄或澆鑄獲得合金。本發(fā)明專利技術通過添加N、O中的一種或兩種元素提高非晶合金的非晶形成能力和壓縮塑性。最大臨界尺寸達到5mm。抗壓強度超過2000MPa，斷裂應變超過5.7%。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種氮氧合金化的鈦基非晶合金及其制備方法
本專利技術屬于設計金屬材料及其制備領域，提供了一種氮氧合金化的鈦基非晶合金及其制備方法。
技術介紹
非晶態(tài)合金(金屬玻璃)是具有特殊原子排列方式與優(yōu)異性能的新型金屬材料。與傳統(tǒng)金屬材料具有長程有序的原子排列不同，非晶態(tài)合金的原子排列具有長程無序短程有序的結構特征，在其微觀組織中不存在晶界、位錯等缺陷。因此非晶態(tài)合金表現(xiàn)出傳統(tǒng)晶態(tài)合金無法比擬的高強度、高硬度、高彈性極限、低模量以及耐腐蝕等優(yōu)異的性能，有望成為新一代結構和功能金屬材料，應用前景廣闊。鈦基非晶與其非晶合金相比，具有高比強度，低模量，生物相容性優(yōu)異等特性，在輕質(zhì)結構材料、航空航天和生物醫(yī)學等方面展現(xiàn)十分明顯的優(yōu)勢。然而，與其他非晶合金體系(如鋯基和稀土基非晶)相比，鈦基非晶的形成能力有限，臨界尺寸較小。通常提高鈦基非晶合金形成能力，往往通過添加劇毒的Be或高成本的Pd、Pt等合金化元素實現(xiàn)。另外，由于非晶合金的形成對雜質(zhì)元素與制備環(huán)境的要求苛刻，非晶材料的制備過程中，需要高純元素作為原料，在高真空或高純氬氣保護環(huán)境下進行冶煉，嚴重限制了非晶材料的制備成本。鈦基非晶合金的力學性能和其他的非晶態(tài)合金類似，受載荷作用表現(xiàn)出脆性斷裂特征，大部分鈦基非晶合金沒有塑性變形能力。非晶態(tài)合金的塑性變形集中在寬度只有幾十納米的剪切帶內(nèi)，由于缺乏阻礙剪切帶滑動、誘發(fā)多重剪切帶的機制，主剪切帶一旦形成，在應力作用下，剪切帶迅速擴展，導致材料斷裂失效。由于非晶態(tài)合金的形成能力低塑性變形能力差，非晶態(tài)合金的工業(yè)應用嚴重受限，通過合金化來提高非晶形成能力和塑性的是目前最常用的方法。但合金化往往意味著犧牲成本、比強度和環(huán)境友好特性。本專利技術使用N、O元素的合金化來提高鈦基非晶合金的形成能力，并同時提高其壓縮塑性。N、O元素的添加也意味著該類鈦基合金的可以在低真空條件下制備。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術是開發(fā)出具有非晶形成能力強，有一定壓縮塑性的鈦基非晶合金，隨著N、O元素的添加，非晶的形成能力和壓縮斷裂強度提高，同時O元素的添加也可以提高該系列鈦基非晶的壓縮塑性。本專利技術是通過如下技術方案實現(xiàn)：一種氮氧合金化的鈦基非晶合金，所述非晶合金材料通過微合金化N、O中的一種或兩種元素顯著提高合金的非晶形成能力和壓縮塑性。該非晶合金的原子百分比表達式為(TiaCubZrcNidSne)nNpOq,且各組分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5；且a+b+c+d+e＝100,n+p+q＝100，a、b、c、d、e、p、q之和為100。進一步，該非晶合金的原子百分比表達(TiaCubZrcNidSneMf)nNpOq，且各組分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5,且a+b+c+d+e+f＝100，n+p+q＝100,M為I、J、L或K中的一種或多種，其中I為C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一種；J為Mn、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一種；K為V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一種；L取自稀土元素，a、b、c、d、e、f、p、q之和為100。所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表達式為(TiaCubZrcNidSneIf)nNpOq，其中I為C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一種，其中20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5。所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表達式為(TiaCubZrcNidSneJf)nNpOq，其中J為Mn、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一種，其中20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5,且a+b+c+d+e+f＝100，n+p+q＝100。所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表達式為(TiaCubZrcNidSneKf)nNpOq，其中K為V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一種，其中20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5,且a+b+c+d+e+f＝100，n+p+q＝100。所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表達式為(TiaCubZrcNidSneLf)nNpOq，其中L為稀土元素中的至少一種，其中20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5,且a+b+c+d+e+f＝100，n+p+q＝100。所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表達式為[TiaCubZrcNidSne(IJKL)f]nNpOq，其中I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一種，J取自Mn、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一種，K取自V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一種，L取自稀土元素中的至少一種，其中20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0≤p≤5,0≤q≤5,且a+b+c+d+e+f＝100，n+p+q＝100。本專利技術的另一目的是提供上述合金的制備方法，具體包括以下步驟：按照上述表達式的原子百分比換算成質(zhì)量比稱取各個原料，其中，N元素以粉體或塊體氮化物的方式加入，O元素以粉體或塊體氧化物的方式加入；步驟2.將步驟1稱取后原料和氮化物、氧化物的表面雜物去除，并使用工業(yè)乙醇清洗原料；步驟3.將步驟2處理后的金屬原料按熔點高低順序堆放于坩堝中，將非金屬原料包裹在金屬原料內(nèi)，在非自耗真空電弧爐或冷坩堝懸浮爐里熔煉，至少熔煉8次，使高熔點的氧化物氮化物完全溶解于合金中。待母合金充分熔煉均勻后，使用真空吸鑄設備，將合金吸鑄進入水冷銅模中，獲得非晶合金材料。本專利技術的非晶合金非晶形成能力強，最大臨界尺寸達到5mm，壓縮塑性優(yōu)異。抗壓強度超過2000MPa,斷裂應變超過5.7％。本專利技術的優(yōu)點在于：1、本專利技術所涉及的一系列鈦基非晶合金，其非晶形成能力強，最大臨界尺寸達到5mm。2、本專利技術提供的氮氧合金化的鈦基非晶合金材料的主要元素為普通純金屬原料，不含有毒或貴金屬元素，TiN、TiO2也是普通的陶瓷原料，價格便宜，且具有制備方便，工藝簡單，使用安全等優(yōu)點。4、本專利技術所涉及的氮氧合金化的鈦基非晶合金材料強度高，壓縮斷裂強度超過2000MPa，最大斷裂應變超過5.7％。5、相比常規(guī)非晶合金，本專利技術所提供的氮氧合金化的鈦基非晶合金材料可以在低真空下制備，成本大大降低。附圖說明圖1為(Ti42.5Cu40Zr10Ni5Sn2.5)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種氮氧合金化的鈦基非晶合金，其特征在于，所述非晶合金材料通過微合金化N、O中的一種或兩種元素顯著提高合金的非晶形成能力和壓縮塑性。

【技術特征摘要】
1.一種氮氧合金化的鈦基非晶合金，其特征在于，所述非晶合金材料通過微合金化N、O兩種元素顯著提高合金的非晶形成能力和壓縮塑性，該非晶合金的原子百分比表達式為(TiaCubZrcNidSne)nNpOq,且各組分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，90≤n＜100,0＜p≤5,0＜q≤5；且a+b+c+d+e=100,n+p+q=100。2.根據(jù)權利要求1所述的氮氧合金化的鈦基非晶合金，其特征在于，該非晶合金的原子百分比表達(TiaCubZrcNidSneMf)nNpOq，且各組分：20＜a≤60，0＜b≤60，0＜c≤50，0＜d≤50，0＜e≤50，0＜f≤50，90≤n＜100,0＜p≤5,0＜q≤5,且a+b+c+d+e+f=100，n+p+q=100,M為I、J、L或K中的一種或多種，其中I為C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一種；J為Mn、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一種；K為V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Mg、Ca中的至少一種；L取自稀土元素。3.根據(jù)權利要求2所述的...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：呂昭平，曹迪，王輝，吳淵，劉雄軍，雷智鋒，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11