本發(fā)明屬于鐵基塊體非晶合金材料領(lǐng)域，主要涉及一種具有大玻璃化形成能力的耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、非晶合金也稱為金屬玻璃，是由合金熔體高速冷卻而形成的一種兼具玻璃和金屬特性的固態(tài)材料，其內(nèi)部原子排列具有長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的特殊結(jié)構(gòu)。與具有周期性原子排列的傳統(tǒng)晶態(tài)合金相比，非晶合金具有獨(dú)特的化學(xué)性能和物理性能。在眾多的非晶合金中，鐵基非晶合金因優(yōu)異的軟磁性能、機(jī)械性能以及優(yōu)異的耐腐耐磨性能，但是鐵基非晶合金的非晶形成能力較差，通常需要采用高純?cè)喜⒃诟哒婵占彼倮鋮s條件下制備。高的制備成本和低非晶形成能力限制了鐵基非晶合金在工程材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，發(fā)展具有大非晶形成能力的鐵基塊體非晶合金具有重要的意義。

2、先前的工作表明，選擇添加微量元素是提高合金非晶形成能力的有效方法。駱重陽(yáng)等人在大氣環(huán)境下采用銅模澆鑄工藝在fe44mn11cr10mo12c15b6ho2中加入稀土元素ho成功制備出直徑6mm的完全非晶棒材。呂昭平等人在fe63zr8co6al1mo7b15非晶合金中用2at.%y替換fe，使用銅模澆鑄技術(shù)制備了5mm直徑的非晶棒材。研究者將y等稀土元素能提高鐵基非晶合金形成能力的原因可以歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：首先，在非晶合金制備過(guò)程中，氧等雜質(zhì)會(huì)降低非晶合金的非晶形成能力，而稀土等元素與氧之間具有很強(qiáng)的親和力，因而少量稀土元素的加入能凈化合金熔體，形成稀土氧化物來(lái)降低熔體中氧的含量，使剩余的熔體具有較高的穩(wěn)定性，同時(shí)抑制非均勻形核，從而提高過(guò)冷液體的穩(wěn)定性和非晶形成能力；其次，從原子半徑和混合焓的角度考慮，稀土元素半徑較大，它們的加入使得合金組元中元素半徑分布更加分散；此外，與鐵元素相比，稀土元素與c、b、p等類金屬元素之間有較大的負(fù)混合焓，能產(chǎn)生更多結(jié)合力強(qiáng)的原子對(duì)。這些因素都有利于合金gfa的提升。此外，inoue等[1]均發(fā)現(xiàn)，稀土元素不僅能夠明顯改善鐵基非晶的玻璃形成能力，同時(shí)也對(duì)塊體非晶合金的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能及功能特性產(chǎn)生重大的影響。結(jié)果表明，較高的y摻雜水平（>1.5at.%）可以提高fe基非晶合金鈍化膜的穩(wěn)定性，而較低的摻雜水平（<0.5at.%）則降低其鈍化膜的穩(wěn)定性。maddala.d.r等人（wear.294-295(2012)246-256.）研究了fe50-xcr15mo14c15b6erx(x=0，1，2at.%)塊體非晶合金的滑動(dòng)磨損行為。結(jié)果表明，添加1-2at%er會(huì)導(dǎo)致合金硬度增加，但壓痕斷裂韌性惡化，合金的耐磨性隨著er含量的增加而增加。其中，添加2at.%er時(shí)合金的耐磨性最好，硬度提高14%，耐磨性提高約50%。

3、目前，稀土元素對(duì)非晶合金的性能影響局限于zr基、cu基非晶體系，對(duì)fe基非晶合金的關(guān)注較少，并且添加的稀土元素主要集中在y、er、ce等。2002年，美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)能源部啟動(dòng)了“hpcrm”（highperformancecorrosionresistantmaterials）工程及“sam”（structureamorphousmetal）重大研究項(xiàng)目，其目的旨在推動(dòng)非晶合金在工業(yè)中的應(yīng)用并致力于高耐蝕非晶合金防護(hù)涂層的研發(fā)。通過(guò)該項(xiàng)目發(fā)展的sam（fe41co7cr15mo14c15b6y2），展現(xiàn)了優(yōu)異的耐磨耐蝕性能，使目前國(guó)際上普遍采用的耐磨耐蝕fe基非晶合金涂層成分。因此，在sam非晶合金基礎(chǔ)上，用lu、tm、tb替換y元素，開(kāi)發(fā)具有大非晶形成能力、高熱穩(wěn)定性、優(yōu)異力學(xué)性能、耐蝕性能以及耐磨損性能的塊體非晶合金，為后續(xù)開(kāi)發(fā)制備性能優(yōu)異的新鐵基非晶合金涂層提供理論指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)，具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種全新的鐵基塊體非晶合金及其制備方法（具有大玻璃化形成能力的新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金）；該鐵基塊體非晶合金具有大的非晶形成能力、良好的耐腐蝕性和優(yōu)異的耐磨性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供如下技術(shù)方案：

3、一種新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金，其化學(xué)式為feacobcrcmodcebfreg，式中，re=y，為lu，tm和tb中的至少一種，各元素的含量以原子百分比（at.%）計(jì)，具體如下：38≤a≤45，5≤b≤10，10≤c≤20，10≤d≤20，12≤e≤18，4≤f≤8，1≤g≤3且a+b+c+d+e+f+g+h=100；所述的鐵基塊體非晶合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，不含有任何晶態(tài)結(jié)構(gòu)，具有大的非晶形成能力。所述的鐵基塊體非晶合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%nacl溶液中的腐蝕電流密度為（0.997～5.47）×10-7a/cm2；在室溫條件下的干滑動(dòng)磨損率約為（0.49～2.45）×10-4mm3·n-1·m-1。

4、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述的fe、cr、mo、co、y、lu、tm、tb、b和c元素的純度不低于99.9%。

5、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，鐵基塊體非晶合金采用水冷銅模制備技術(shù)制備而成，并且該鐵基塊體非晶合金包含合金棒材和合金板材中的至少一種，其中，合金棒材的直徑大于10mm，合金板材的厚度為3mm。

6、一種制備上述大玻璃化形成能力的新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金的方法，其包括以下步驟：

7、步驟1：配制合金原料：按照設(shè)計(jì)的feacobcrcmodcebfreg新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金的設(shè)計(jì)組成進(jìn)行配料，獲得合金原料；

8、步驟2：熔煉母合金：將稱量好的原料一同放入非自耗真空電弧熔煉爐中的銅坩堝中，關(guān)閉爐門，啟動(dòng)真空泵，對(duì)熔煉爐腔體抽真空，當(dāng)腔體真空達(dá)到-（3.5～4.5）×10–3pa后，并使用高純氬氣（99.99%）將爐體進(jìn)行洗氣2-3次，再向熔煉爐腔體充入氬氣作為保護(hù)氣，氬氣充氣至-0.04～-0.05pa，保持爐內(nèi)氣氛的穩(wěn)定；隨后將電極頭移動(dòng)到原料正上方，按引弧按鈕同時(shí)開(kāi)啟電磁攪拌，通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小控制電極頭電弧強(qiáng)度將原料進(jìn)行合金化，得到母合金；

9、步驟3：快淬：將得到的母合金破碎成小塊，在高純氬氣的保護(hù)下，重復(fù)熔煉母合金的流程，利用電極將母合金熔化，待母合金呈熔融態(tài)時(shí)，迅速打開(kāi)吸鑄按鈕并同時(shí)關(guān)閉引弧按鈕，大約五秒后關(guān)閉吸鑄按鈕，制備得到直徑大于10mm的合金圓棒以及厚度為3mm的合金板材中的至少一種。

10、本發(fā)明的有益效果在于：

11、（1）本發(fā)明制備的新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金具有≥10mm的臨界直徑；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的nacl溶液中，表現(xiàn)為低的腐蝕電流密度(0.997～8.72)×10-7a·cm-2，具有良好的耐腐蝕性能；在干滑動(dòng)摩擦條件下，磨損率為(0.49～2.45)×10-4mm3·n-1·m-1；

12、（2）本發(fā)明的新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金采用真空電弧爐的熔煉工藝，再用水冷銅?？焖倌碳夹g(shù)制備出塊體非晶合金樣棒，制備工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；

13、（3）本發(fā)明的新型耐磨耐蝕鐵基塊體非晶合金具有良好耐蝕性和耐磨損性，可廣泛的適用于高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)件、耐蝕耐磨涂層等應(yīng)用領(lǐng)域。