一种氮氧合金化的钛基非晶合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于设计金属材料及其制备领域，提供了一种氮氧合金化的钛基非晶合金 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 非晶态合金（金属玻璃）是具有特殊原子排列方式与优异性能的新型金属材料。 与传统金属材料具有长程有序的原子排列不同，非晶态合金的原子排列具有长程无序短程 有序的结构特征，在其微观组织中不存在晶界、位错等缺陷。因此非晶态合金表现出传统晶 态合金无法比拟的高强度、高硬度、高弹性极限、低模量以及耐腐蚀等优异的性能，有望成 为新一代结构和功能金属材料，应用前景广阔。
[0003]钛基非晶与其非晶合金相比，具有高比强度，低模量，生物相容性优异等特性，在 轻质结构材料、航空航天和生物医学等方面展现十分明显的优势。然而，与其他非晶合金体 系（如锆基和稀土基非晶）相比，钛基非晶的形成能力有限，临界尺寸较小。通常提高钛基 非晶合金形成能力，往往通过添加剧毒的Be或高成本的Pd、Pt等合金化元素实现。另外， 由于非晶合金的形成对杂质元素与制备环境的要求苛刻，非晶材料的制备过程中，需要高 纯元素作为原料，在高真空或高纯氩气保护环境下进行冶炼，严重限制了非晶材料的制备 成本。
[0004]钛基非晶合金的力学性能和其他的非晶态合金类似，受载荷作用表现出脆性断裂 特征，大部分钛基非晶合金没有塑性变形能力。非晶态合金的塑性变形集中在宽度只有几 十纳米的剪切带内，由于缺乏阻碍剪切带滑动、诱发多重剪切带的机制，主剪切带一旦形 成，在应力作用下，剪切带迅速扩展，导致材料断裂失效。
[0005]由于非晶态合金的形成能力低塑性变形能力差，非晶态合金的工业应用严重受 限，通过合金化来提高非晶形成能力和塑性的是目前最常用的方法。但合金化往往意味着 牺牲成本、比强度和环境友好特性。本发明使用N、0元素的合金化来提高钛基非晶合金的 形成能力，并同时提高其压缩塑性。N、0元素的添加也意味着该类钛基合金的可以在低真 空条件下制备。
【发明内容】
[0006]本发明是开发出具有非晶形成能力强，有一定压缩塑性的钛基非晶合金，随着N、 〇元素的添加，非晶的形成能力和压缩断裂强度提高，同时〇元素的添加也可以提高该系列 钛基非晶的压缩塑性。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现：一种氮氧合金化的钛基非晶合金，所述非晶合 金材料通过微合金化N、0中的一种或两种元素显著提高合金的非晶形成能力和压缩塑性。
[0008] 该非晶合金的原子百分比表达式为（TiaCubZ^NidSr〇nNpOq，且各组 分：20 < a彡60,0 < b彡60,0 < c彡50,0 < d彡50,0 < e彡50,90彡η <100, 0<p^i5,0^iq^i5;且a+b+c+d+e=100, n+p+q=100，a、b、c、d、e、p、q之和为 100ο
[0009] 进一步，该非晶合金的原子百分比表达（TiaCubZreNidSn eMf)nNp0q，且各组分： 20 <a彡 60,0 <b彡 60,0 <c彡 50,0 <d彡 50,0 <e彡 50,0 <f彡 50,90 彡η <100,0彡卩彡5,0彡9彡5，且&+匕+。+(1+6+€=100，11+口+9=100，]\1为1、了、1^或1(中的 一种或多种，其中I为〇、8、厶1、31、卩、63、111、？13、66、厶8、313、了6中的至少一种；了为血、卩6、 Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、Os、Ir中的至少一种；Κ为V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、 Ca中的至少一种；L取自稀土元素，a、b、c、d、e、f、p、q之和为100。
[0010] 所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表达式为 (TiaCubZrcNidSn eIf)nNp0q，其中I为C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中的至少一种， 其中 20 <a彡 60,0 <b彡 60,0 <c彡 50,0 <d彡 50,0 <e彡 50,0 <f彡 50,90 彡η < 100, 0^p^5, 0^q^5〇
[0011] 所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表达式为 (TiaCubZrcNidSnJ f)nNpOq，其中J为Mn、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、0s、Ir中的至 少一种，其中 20 <a彡 60,0 <b彡 60,0 <c彡 50,0 <d彡 50,0 <e彡 50,0 <f彡 50， 90 <n< 100, 0<卩<5,0^^<5，且a+b+c+d+e+f= 100,n+p+q= 100。
[0012] 所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表达式为 (TiaCubZrcNidSn eKf)nNp0q，其中K为V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，其 中 20 <a彡 60,0 <b彡 60,0 <c彡 50,0 <d彡 50,0 <e彡 50,0 <f彡 50,90 彡η < 100, 0<卩<5,0^^<5，且a+b+c+d+e+f= 100,n+p+q= 100。
[0013] 所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表达式为 (TiaCubZrcNidSn eLf)nNp0q，其中L为稀土元素中的至少一种，其中20 <a彡60,0 <b彡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。
[0014] 所述的氮氧合金化的非晶合金材料成分的原子百分比表达式为 [TiaCubZrcNidSn e(IJKL)f]nNp0q，其中I取自C、B、Al、Si、P、Ga、In、Pb、Ge、As、Sb、Te中 的至少一种，J取自Μη、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Pd、Pt、Cd、Ru、Re、0s、Ir中的至少一种，K取 自V、Ta、Hf、Nb、Cr、W、Mo、Y、Mg、Ca中的至少一种，L取自稀土元素中的至少一种，其 中 20 <a彡 60,0 <b彡 60,0 <c彡 50,0 <d彡 50,0 <e彡 50,0 <f彡 50,90 彡η < 100, 5, 5，且a+b+c+d+e+f= 100,n+p+q= 100。
[0015] 本发明的另一目的是提供上述合金的制备方法，具体包括以下步骤：
[0016] 按照上述表达式的原子百分比换算成质量比称取各个原料，其中，N元素以粉体或 块体氮化物的方式加入，〇元素以粉体或块体氧化物的方式加入；
[0017] 步骤2.将步骤1称取后原料和氮化物、氧化物的表面杂物去除，并使用工业乙醇 清洗原料；
[0018] 步骤3.将步骤2处理后的金属原料按熔点高低顺序堆放于坩埚中，将非金属原料 包裹在金属原料内，在非自耗真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉里熔炼，至少熔炼8次，使高熔点 的氧化物氮化物完全溶解于合金中。待母合金充分熔炼均匀后，使用真空吸铸设备，将合金 吸铸进入水冷铜模中，获得非晶合金材料。
[0019] 本发明的非晶合金非晶形成能力强，最大临界尺寸达到5_，压缩塑性优异。抗压 强度超过2000MPa，断裂应变超过5. 7%。
[0020] 本发明的优点在于：
[0021] 1、本发明所涉及的一系列钛基非晶合金，其非晶形成能力强，最大临界尺寸达到 5mm〇
[0022] 2、本发明提供的氮氧合金化的钛基非晶合金材料的主要元素为普通纯金属原料， 不含有毒或贵金属元素，TiN、Ti02也是普通的陶瓷原料，价格便宜，且具有制备方便，工艺 简单，使用安全等优点。
[0023] 4、本发明所涉及的氮氧合金化的钛基非晶合金材料强度高，压缩断裂强度超过 2000MPa，最大断裂应变超过5. 7 %。
[0024] 5、相比常规非晶合金，本发明所提供的氮氧合金化的钛基非晶合金材料可以在低 真空下制备，成本大大降低。
【附图说明】
[0025] 图1为〇142.5&14命 1。附55112.5)凡非晶合金体系的父1?图谱。
[0026] 图2为（^^叫命^附和^凡非晶合金的室温压缩应力应变曲线。
[0027] 图3为（1142.5(：114命 1。附55112.5)八非晶合金体系的父1?图谱。
[0028] 图4为〇142.5&14(^ 1。附55112.5)八非晶合金的室温压缩应力应变曲线。
[0029] 图5为（Ti42.5Cu40Zr1(]Ni5Sn2.5)nNp0q非晶合金形成能力汇总图。
[0030] 图6为（1142.5(：114命 1。附55112.5)八0，晶合金体系的父1?图谱。
[0031] 图 7 为=Si，Co,Hf)非晶合金体系的XRD图 谱。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实施例子对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0033] 实施