內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料及其制備方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料及其制備方法。其合金成分原子百分比表達式為：ZraTibCucNidBee，其中30≤a≤39，10≤b≤12，6≤c≤9，4≤d≤8，32≤e≤50，a+b+c+d+e=100。制備上述的內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料方法，包括以下步驟：選取塊體金屬玻璃合金體系，根據(jù)相選擇原理，調整合金成分，使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相；采用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金；母合金重新熔化，采用重力鑄造或銅模吸鑄成型材；將型材放入處理好的坩堝中，采用感應熔煉至熔融狀態(tài)，保溫后快速順序凝固，獲得金屬間化合物第二相均勻分布于金屬玻璃基體上的鑄態(tài)內生復合材料。本發(fā)明專利技術在保持塊體金屬玻璃高強度、高硬度的同時，可以大幅度提高其室溫塑性。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于金屬基復合材料技術，特別是一種。
技術介紹
塊體金屬玻璃(BMG)材料雖然具有高的斷裂強度和硬度以及高的彈性應變極限，但是由于單相金屬玻璃的塑性變形是通過高度局域剪切變形來實現(xiàn)，斷裂前能夠開動的剪切帶數(shù)量十分有限，BMG在室溫下會發(fā)生無宏觀塑性變形的災難性脆性斷裂。因此，室溫脆 性問題已經發(fā)展成為BMG材料應用的重要瓶頸。為改善BMG材料的室溫脆性，2000年美國Johnson研究小組首次通過在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系中添加Nb合金化元素,制備出微米尺寸P-Zr(Ti)固溶體相增塑的BMG復合材料，其拉伸塑性應變達到3%。隨后，陳光等人通過對樹枝晶β-ZrCTi)相固溶體進行球化處理，將BMG復合材料的拉伸塑性提高到6%以上(具有拉伸塑性的大尺寸金屬玻璃復合材料及其制備方法，專利申請?zhí)枮?01110099685. 6)。雖然上述鑄態(tài)內生固溶體增塑BMG復合材料增塑效果顯著,但是由于塑性固溶體相的強度遠低于金屬玻璃基體，因此造成復合材料強度大幅度下降。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提供一種新型內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料。該復合材料的結構特點是以BMG為基體，以鑄態(tài)內生金屬間化合物相(IMC)作為第二相。該復合材料在保證金屬玻璃的高屈服強度的同時，能夠顯著改善其室溫脆性。實現(xiàn)本專利技術目的的技術解決方案為一種內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料，其合金成分原子百分比表達式為=ZraTibCueNidBee,其中30彡a彡39，10彡b彡12，6彡c彡9，4彡d彡8，32彡e彡50，a+b+c+d+e=100。該成分制備的金屬玻璃復合材料在其玻璃基體上均勻彌散分布硬質脆性第二相ZrBe2。一種制備上述的內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料方法，包括以下步驟 第一步選取塊體金屬玻璃合金體系，根據(jù)相選擇原理，調整合金成分ZraTibCucNidBee，其中 30 彡 a 彡 39，10 彡 b 彡 12，6 彡 c 彡 9，4 彡 d 彡 8，32 彡 e 彡 50，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相ZrBe2 ； 第二步采用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金； 第三步母合金重新熔化，銅模吸鑄制成型材； 第四步再將型材放入處理好的坩堝中，采用感應熔煉至熔融狀態(tài)，保溫后采用快速順序凝固工藝，從而制備出塊體金屬玻璃基體上均勻分布不同體積分數(shù)的鑄態(tài)內生金屬間化合物相的復合材料。第一步中所述的合金組元純度大于99. 5%。第四步中所述的快速順序凝固工藝的抽拉速率為O. 83-5mm/s。本專利技術與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點(I)保持現(xiàn)有BMG高強度?，F(xiàn)有技術大都是以具有一定塑性的內生固溶體相(如β-Zr(Ti)相)作為增塑第二相，但是固溶體相的強度(80(T950MPa)與金屬玻璃(1800MPa)相比，其強度低50%以上。這樣所得到的復合材料強度明顯低于原始金屬玻璃，而且隨著固溶體相的體積分數(shù)增加，復合材料的強度會進一步下降。本專利技術采用硬質脆性的金屬間化合物相作為第二相，該相具有高的強度(如ZrBe2相的強度>1400MPa)，接近于塊體金屬玻璃。小體積分數(shù)的金屬間化合物相不會對于最終復合材料的強度造成明顯影響。對于一些強度較低的塊體金屬玻璃(Mg-BMG等)，金屬間化合物相甚至可以起到強化玻璃基體的作用。(2)提高材料的塑性。雖然所專利技術復合材料的基體相和第二相單相存在時，都表現(xiàn)出室溫宏觀脆性，但是由它們構成的復合材料卻具有顯著的壓縮塑性。由于BMG材料的室溫脆性是由于剪切帶的局域化造成，而每個剪切帶內塑性應變是很大的，本申請利用金屬間化合物相(MC)來充分激發(fā)BMG基體相的本身塑性。在施加應力載荷時，硬質的金屬間化合物相阻礙了單個剪切帶的迅速擴展，激發(fā)多剪切帶的產生。剪切帶在擴展過程中被金屬間化合物相所阻斷，被迫停止或者繞過IMC顆粒。金屬間化合物相的尺寸為微米尺寸量級大大超過了塊體金屬玻璃基體的剪切帶間距，能夠有效的對剪切帶擴展進行阻礙。因此，雖然金屬間化合物相是高強度的硬質相，但是我們所獲得的塊體金屬玻璃內生復合材料仍然具有較好的塑性。附圖說明圖I是本專利技術內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料制備流程圖。圖2是實施例IMC/BMG復合材料顯微結構圖(a為顯微組織圖，b為XRD圖)。圖3是實施例UMC/BMG復合材料的室溫壓縮曲線圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術做進一步詳細描述 (I)合金成分設計 選擇具有良好玻璃形成能力(GFA)的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金體系，根據(jù)相選擇原理，結合金屬間化合物相的形核生長規(guī)律，進行合金成分設計。具體而言，選取塊體金屬玻璃Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5，通過調整合金元素Zr,Ti,Cu,Ni,Be的相對比例，使其靠近ZrBe2,得到所需合金成分范圍，ZraTibCucNidBee (原子百分比)，其中30彡a彡39，10彡b彡12，6 彡 c 彡 9，4 彡 d 彡 8，32 彡 e 彡 50，a+b+c+d+e=100。(2)母合金熔煉 根據(jù)(I)成分設計所得到的不同合金元素之間的原子百分比換算出質量百分比，采用高純金屬組元配置出所需的合金。在高純Ar氣保護下，利用熔煉Ti或Zr純金屬去除腔內殘余氧，采用水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉設備熔制母合金。母合金多次熔煉的同時進行電磁攪拌以得到混合均勻的母合金扣錠。(3)材料成型 將母合金重熔后，通過銅模吸鑄或吹鑄成所需型材，其形狀和尺寸可根據(jù)需要對銅模的內腔進行設計。(4)快速順序凝固將銅模成形的型材放入與處理好的石墨坩堝中，抽真空后充入高純氬氣，進行感應加熱使合金熔融，保溫后以不同的抽拉速率浸入冷卻能力極強的Ga-In-Sn液態(tài)合金中。(5)結構表征 利用X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、光學顯微鏡(OM)和電子掃描顯微鏡(SEM)等對制備的復合材料進行微觀結構表征，并進一步對其進行力學性能表征，以確定具有最佳綜合力學性能的復合材料微觀組織及其相應的制備工藝參數(shù)。下面結合具體實施例和附圖對本專利技術作進一步說明。實施例I (I)原材料的選用 本專利技術制備母合金錠選用的各金屬組元的純度如表1，合金成分為Zr39Ti12Cu9Ni8Be32 (原子百分比)。表I制備母合金錠選用金屬組兀的純度(%)權利要求1.一種內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料，其特征在于所述的復合材料合金成分原子百分比表達式為:ZrJibCucNidBee，其中30彡a彡39，10彡b彡12，6彡c彡9，4彡d彡8，32 ^ e ^ 50, a+b+c+d+e=100。2.根據(jù)權利要求I所述的內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料，其特征在于所述合金成分制備的金屬玻璃復合材料在其玻璃基體上均勻彌散分布硬質脆性第二相ZrBe2。3.一種制備上述內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 第一步選取塊體金屬玻璃合金體系，根據(jù)相選擇原理，調整合金成分ZraTibCucNidBee,其中 30≤a≤ 39，10≤b≤ 12，6 ≤ c≤9，4≤ d≤8，32≤ 50，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過程中能夠本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種內生金屬間化合物金屬玻璃復合材料，其特征在于所述的復合材料合金成分原子百分比表達式為：ZraTibCucNidBee，其中30≤a≤39，10≤b≤12，6≤c≤9，4≤d≤8，32≤e≤50，a+b+c+d+e=100。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：陳光，成家林，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：