一种钼基块体非晶合金及其制备方法

技术领域

本发明属于非晶合金材料技术领域，具体涉及一种钼基块体非晶合金及其制备方法。

背景技术

非晶合金是指内部原子排列无规则、混乱而不具有周期性的一类亚稳态合金。与常规的合金材料相比，非晶合金没有晶界、位错等晶态合金材料不可避免的缺陷，这使得非晶合金表现出远胜于相同化学成分的晶态合金机械性能和耐腐蚀特性。独特的结构也赋予非晶合金独特的物理和化学特性。如铁基非晶合金的软磁特性和催化特性，以及一些稀土基非晶合金的磁致冷功能。因此，非晶合金在航空航天、军工、电子、民用材料领域具有引人瞩目的潜在应用前景。

迄今为止，非晶合金已开发出了种类繁多、功能各异的不同合金体系。如锆基、镁基、铁基等。然而，从热力学角度而言，非晶合金处于亚稳态能量位置，当温度达到非晶合金的晶化温度时，非晶合金会迅速由原来的无序结构转变为周期性的晶态结构，进而丧失其功能特性。遗憾的是，大多数非晶合金体系的晶化温度低于500℃，这意味着这些非晶合金体系无法在高温服役。这种固有缺陷极大的限制了非晶合金的高温应用和长时间使用。为了解决这一问题，研究人员开发出了一系列难熔金属基非晶合金。这类非晶合金具有高的热稳定性，晶化温度高于1000K，在高温下可以长期保持非晶结构。例如Ta-W-Si非晶合金薄膜在1000℃保温20min而不致晶化(McGlone,J.M.et al.,2017.7(3):p.715-720)。因为非晶合金具有遗传特性，难熔金属基非晶合金遗传了难熔金属高模量，展现出高的刚性。同时，难熔金属基非晶合金具有超高的硬度，可以与陶瓷材料媲美。此外，难熔金属基非晶合金具有优异的高温力学性能，在高温时依旧可以保持与室温相当的强度，IrNiTa非晶合金在1000K时压缩强度可达3.7GPa(Li,M.X.et al.,2019.569(7754):p.99-103)。与此同时，难熔金属基非晶合金还遗传了难熔金属具有的催化特性和耐腐蚀性能等化学特性特点。

然而，由于难熔金属具有高的熔点，这导致难熔金属基非晶合金的非晶形成能力弱，只能形成丝材或条带，无法满足大尺寸的需求。例如：有文献公开了(Kim,J.et al.,Materials&Design,2016.98:p.31-40)一系列的钼基非晶合金，但是其非晶形成能力弱，只能形成条带，无法形成三维块体。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钼基块体非晶合金及其制备方法，该钼基块体非晶合金具有高的晶化温度，同时具有强的非晶形成能力，可获得三维尺寸不小于1毫米的块体材料。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种钼基块体非晶合金，所述钼基块体非晶合金的化学分子式为：Mo

作为优选的技术方案，a＝48～53，b＝31～35，c＝15～18。

作为优选的技术方案，a＝51，b＝34，c＝15。

作为优选的技术方案，a＝48，b＝35，c＝17。

作为优选的技术方案，a＝50，b＝32，c＝18。

作为优选的技术方案，a＝53，b＝31，c＝16。

作为优选的技术方案，所述钼基块体非晶合金由单一的非晶相所组成，其临界非晶形成直径≥1mm。

作为优选的技术方案，所述钼基块体非晶合金的抗压强度为4000～5300MPa，维氏硬度为1300～1500，在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀电流密度为2.5×10

本发明还提供了所述的钼基块体非晶合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照所述钼基块体非晶合金中各元素的原子百分比含量进行称重配料；

(2)将步骤(1)称取的原材料放入电弧炉中，在低真空下熔炼均匀，获得母合金锭；

(3)将步骤(2)获得的母合金锭加热至液态，通过水冷铜模吸铸进行快速凝固冷却，制备出钼基块体非晶合金。

作为优选的技术方案，所述步骤(2)中，在低真空下熔炼均匀是指抽真空至电弧炉内气压到20Pa以下，再充入氩气直接熔炼。

本发明的有益效果在于：

本发明的钼基块体非晶合金以难熔金属中成本最为低廉的钼金属作为主要组成元素，然后通过合理的化学组成和含量的调控可获得三维尺寸不小于1毫米的块体材料。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明所获得的钼基块体非晶合金其主要组元为难熔金属钼，因此该钼基块体非晶合金遗传了金属钼的特点，具有高的热稳定性，其晶化温度不低于1000K，远高于现有的锆基、铜基等非晶合金。高的热稳定性为其高温服役提供了保障。

2、本发明从Co2Mo3相设计出发，该相具有类准晶结构，这使得母合金由液态冷却到固态时容易形成二十面体结构以减缓液体的动力学行为避免晶化，进而形成非晶态合金。另外还加入了适量的小原子B，有效的提高了原子间的堆垛密度，降低了形核驱动力，提高了非晶形成能力。最终，该钼基块体非晶合金可以形成三维尺寸不低于1毫米的块体材料，优于目前已开发的难熔金属基非晶合金。强的非晶形成能力使其在制成不同规格形态的器件的同时依旧保持其优异的功能特性。

3、本发明所获得的钼基块体非晶合金主要元素为高模量的金属钼，该钼基块体非晶合金遗传了这一特点，因而表现出高的刚性。同时，类金属B的加入促进了原子间共价键的形成，从而提高了该材料的强度和硬度。因此，该钼基块体非晶合金的杨氏模量不低于220GPa,维氏硬度不低于1300，抗压强度不低于4000MPa。

4、本发明所获得的钼基块体非晶合金为非晶态结构，无晶界、偏析等晶态材料所固有的缺陷，结构均匀。因此在腐蚀过程中表现为均匀腐蚀，从而具有比晶态材料更加优异的耐蚀特性。此外，钼本身为耐蚀性元素，在腐蚀发生时促进氧离子的扩散，进而在样品表面迅速形成致密的氧化物薄膜，阻止腐蚀的进一步发生，从而保护了材料。最终，该钼基块体非晶合金在模拟海水中的腐蚀电流密度低至2.5×10

5、本发明的钼基块体非晶合金的制备方法简单，只需在低真空下熔炼，无需现有熔炼方法所要求的高真空以及反复洗气过程。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为Mo

图2为Mo

图3为Mo

图4为Mo

图5为Mo

图6为Mo

图7为Mo

图8为Mo

图9为Mo

图10为Mo

图11为Mo

图12为Mo

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一：制备Mo

(1)配料：按照化学式Mo

(2)熔炼：将上一步骤配制的原材料放入感应电弧炉内，将感应电弧炉抽真空至电弧炉内气压到20Pa，再充入氩气，在氩气保护气氛下将原材料熔炼多次获得母合金锭。

(3)吸铸样品：将母合金锭放至吸铸铜模上，在高纯氩气气氛下熔化至液态后吸入铜模中，待冷却后取出直径1mm的钼基块体非晶合金。

Mo

(a)采用x射线衍射表征样品的非晶结构，如图1所示，所制备样品为完全的非晶结构。

(b)利用差示热分析仪探究样品的热稳定性，如图2所示，Mo

(c)通过纳米纳米压痕仪研究样品的杨氏模量和纳米硬度，如图3所示，经计算，Mo

(d)采用电化学工作站研究样品在3.5wt.％NaCl溶液中的腐蚀性能，如图4所示，其腐蚀电流为2.5×10

实施例二：制备Mo

(1)配料：按照化学式Mo

(2)熔炼：将上一步骤配制的原材料放入感应电弧炉内，将感应电弧炉抽真空至电弧炉内气压到20Pa，再充入氩气，在氩气保护气氛下将原材料熔炼多次获得母合金锭。

(3)吸铸样品：将母合金锭放至吸铸铜模上，在高纯氩气气氛下熔化至液态后吸入铜模中，待冷却后取出直径1mm的钼基块体非晶合金。

Mo

(a)采用x射线衍射表征样品的非晶结构，如图5所示，所制备样品为完全的非晶结构。

(b)利用差示热分析仪探究样品的热稳定性，如图6所示，Mo

(c)利用万能试验机测试材料的力学性能，如图7所示，Mo

(d)通过纳米纳米压痕仪研究样品的杨氏模量和纳米硬度，如图8所示，经计算，Mo

实施例三：制备Mo

(1)配料：按照化学式Mo

(2)熔炼：将上一步骤配制的原材料放入感应电弧炉内，将感应电弧炉抽真空至电弧炉内气压到20Pa，再充入氩气，在氩气保护气氛下将原材料熔炼多次获得母合金锭。

(3)吸铸样品：将母合金锭放至吸铸铜模上，在高纯氩气气氛下熔化至液态后吸入铜模中，待冷却后取出直径1mm的钼基块体非晶合金。

Mo

(a)采用x射线衍射表征样品的非晶结构，如图9所示，所制备样品为完全的非晶结构。

(b)利用差示热分析仪探究样品的热稳定性，如图10所示，Mo

实施例四：制备Mo

(1)配料：按照化学式Mo

(2)熔炼：将上一步骤配制的原材料放入感应电弧炉内，将感应电弧炉抽真空至电弧炉内气压到20Pa，再充入氩气，在氩气保护气氛下将原材料熔炼多次获得母合金锭。

(3)吸铸样品：将母合金锭放至吸铸铜模上，在高纯氩气气氛下熔化至液态后吸入铜模中，待冷却后取出直径1mm的钼基块体非晶合金。

Mo

(a)采用x射线衍射表征样品的非晶结构，如图11所示，所制备样品为完全的非晶结构。

(b)利用差示热分析仪探究样品的热稳定性，如图12所示，Mo

以上实施例的钼基块体非晶合金，通过合理的化学组成和含量的调控获得了三维尺寸不小于1毫米的块体材料，其非晶形成能力远远强于现有文献报道的钼基非晶合金。

根据以上实施例，本领域技术人员可以预测的是：Mo

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。