專利名稱：一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦合金或非晶合金領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)保型鈦基塊體非晶合金。
背景技術(shù)：
在目前的鈦合金或鈦基非晶合金的研制中，在合金成分不含貴金屬鈀Pd和不含有毒元素 鈹Be的鈦合金系中，其非晶形成能力比較有限，非晶臨界尺寸較小，最大的不到6mm。經(jīng)查 詢相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)鈦基塊體非晶現(xiàn)在尺寸最大的達(dá)到小10mm，但含有貴金屬鈀Pd，見文獻(xiàn)[S丄. Zhu， X.M. Wang, A. Inoue. Glass-forming ability and mechanical properties of Ti-based bulk glassy alloys with large diameters of up to 1 cm. Intermetallics, 2008, 16: 1031 1035].另一種鈦基非晶 尺寸較大的達(dá)到令8mm，但含有劇毒元素鈹Be，參見文獻(xiàn)[Gang Duan, Aaron Wiest, Mary Laura Lind, Annelen Kahl and William L. Johnson. Lightweight Ti-based bulk metallic glasses excluding late transition metals. Scripta Materialia 58 (2008) 465 -468].在文獻(xiàn)[Tao Zhang and Akihisa Inoue. Thermal and Mechanical Properties of Ti-M-Cu-Sn Amorphous Alloys with a Wide Supercooled Liquid Region before Crystallization. Materials Transactions, JIM, 1998， 10:1001 1006],報(bào)導(dǎo)了Ti50Nil5Cu25Sn5Zr5的非晶尺寸最大達(dá)到直徑5mm,但此文獻(xiàn)中其相應(yīng)的XRD 檢測(cè)數(shù)據(jù)和力學(xué)性能數(shù)據(jù)和熱性能數(shù)據(jù)不詳；在文獻(xiàn)[X.R Wu ， Z.Y. Suoa, Y. Sia, L.K. Menga, K.Q. Qiu . Bulk metallic glass formation in a ternary Ti-Cu—Ni alloy system. Journal of Alloys and Compounds, 452 (2008) 268-272]，報(bào)導(dǎo)了Ti50Cu42Ni8的非晶尺寸最大達(dá)到直徑2mm，過冷液 相區(qū)為ATx56K,約化溫度為0.56，最大壓縮斷裂強(qiáng)度為2008MPa，壓縮塑料性工程應(yīng)變?yōu)?0%，但尚缺失其lmm的情況和其他相鄰成分lmm的情況；在文獻(xiàn)[Yan-Ling Wanga, EvanMab and Jian Xu. Bulk metallic glass formation near the TiCu - TiNi pseudo-binary eutectic composition. Philosophical Magazine Letters, Vol. 8S, No. 5， May 2008， 319 — 325]，牛艮導(dǎo)了 Ti50Cu43Ni7的非晶尺寸最大達(dá)到直徑1.5mm。其直徑lmm時(shí)，過冷液相區(qū)ATx為38 K，最大 壓縮屈服強(qiáng)度為1914MPa,壓縮斷裂強(qiáng)度為2050MPa，壓縮塑性工程應(yīng)變?yōu)?-11%;在文 獻(xiàn)[黃永江，沈軍，孫劍飛.Ti42.5Zr7.5Cu40Ni5Sn5塊體非晶合金的形成、熱穩(wěn)定性與力學(xué)行 為.中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)200S年第38巻第4期417 ~ 422]，報(bào)導(dǎo)了 Ti42.5Cu40Zr7.5Ni5Sn5的非晶尺寸最大達(dá)到直徑4mm。其直徑2.5mm時(shí)，過冷液相區(qū)為64K, 約化溫度為0.56，最大壓縮屈服強(qiáng)度為1978MPa,壓縮斷裂強(qiáng)度為2162MPa，壓縮塑性工 程應(yīng)變?yōu)?.9%。在文獻(xiàn)[Yan-Ling Wang; Jian Xu. Ti (Zr)-Cu-Ni Bulk Metallic Glasses withOptimal Glass-Forming Ability and Their Compressive Properties. Metallurgical and Materials Transactions; Dec 2008; 39A， 12; Academic Research library pg. 2990]， 報(bào)導(dǎo)了 Ti44.2Zr7.8Cu38Nil0的壓縮塑性工程應(yīng)變?yōu)?-5。/。，壓縮斷裂強(qiáng)度2230Mpa,最大非晶尺寸 (j)3mm，過冷液相區(qū)ATx44K。
在以上的文獻(xiàn)資料反應(yīng)的數(shù)據(jù)中，在不同程度上反映出了或非晶形成的成分范圍較窄， 或其最大非晶尺寸較小，或強(qiáng)度相對(duì)不高，或塑性變形能力較差(壓縮工程應(yīng)變較小)，等等 問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非晶形成能力強(qiáng)、最大非晶尺寸較大、同時(shí)能提高強(qiáng)度和塑 性的鈦基塊體非晶合金。
本發(fā)明的提供的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于是一種含
有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為 [Ti44. 10Cu37. 04Zr9. 80Ni7. 06Sn2. 00(at%)]，用該非晶合金制的(()I X2mm非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù) 據(jù)為最大屈服強(qiáng)度o y為2215MPa,最大壓縮斷裂強(qiáng)度o f為2542MPa和最大的壓縮塑性E p 為10.62%。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于該合金的非晶 棒的直徑至少達(dá)到2mm以上的尺寸。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于該非晶合金的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為630K，晶化溫度Tx為692K，液相溫度T,為1167K，過冷液相區(qū)AT^TVTg 為62 K，約化溫度TVg-Tg/T,為0.54。
本發(fā)明提供的第二種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于是一種 含有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為 [Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4 (at%)]，用該非晶合金制的令l X2咖非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為 最大壓縮斷裂強(qiáng)度o f為2537MPa。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于該合金的非晶 棒的直徑至少達(dá)到lmm以上的尺寸。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于該非晶合金的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為666K,晶化溫度Tx為715K，過冷液相區(qū)ATX=TX-Tg為49 K。
本發(fā)明提供的第三種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于是一種 含有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為 [Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6 (at%)]，用該非晶合金制的cj)l X 2mm非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為最 大壓縮斷裂強(qiáng)度o f為1825MPa。在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于該合金的非晶 棒的直徑至少達(dá)到l咖以上的尺寸。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于該非晶合金的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為683K，晶化溫度Tx為739K,過冷液相區(qū)AT^TVTg為56 K。
本發(fā)明提供的第四種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于是一種 含有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni四種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為 [Ti45. 00Cu37. 80Zrl0. 00Ni7. 20 (at%)]，用該非晶合金制的cj)l X 2mm非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為 最大壓縮斷裂強(qiáng)度o r為1983MPa。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于該合金的非晶 棒的直徑至少達(dá)到2ram以上的尺寸。
在上述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于該非晶合金的玻 璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為641K，晶化溫度1V為680K，液相溫度1\為1167K，過冷液相區(qū)AT^Tx-Tg 為39 K，約化溫度Trg=Tg/Ti為0.54。
本發(fā)明的新合金由于經(jīng)濟(jì)且環(huán)保，綜合力學(xué)性能好，非晶形成能力強(qiáng)，是理論研究和應(yīng) 用研究較為理想的Ti基非晶材料。具體表現(xiàn)為
(一) 新合金Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2元素為環(huán)保經(jīng)濟(jì)型材料，不含貴金屬，如 鈀(Pd)，不含有毒金屬，如鈹(Be);
(二) 新合金Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2具有良好的綜合力學(xué)性能(參照?qǐng)D2壓縮 試驗(yàn))。SP小1X2咖的非晶試樣具有極高的壓縮屈服強(qiáng)度oy為2215MPa，壓縮斷裂強(qiáng) 度o f為2542MPa和極高的壓縮塑性工程應(yīng)變s p為10.62%;
(三) 新合金具有較高的非晶形成能力(參照?qǐng)D3的小2mm合金棒XRD曲線、閨4的DSC 曲線)，完全非晶的棒直徑尺寸至少達(dá)(()2mm以上，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為630K，晶化溫 度Tx為692K，液相溫度T,為H67K，過冷液相區(qū)AT產(chǎn)TVTg為62 K，約化溫度TVg-Tg/T, 為0.54。


圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)與制備工藝路線圖。
圖2為非晶合金[Ti44. 10Cu37. 04Zr9. 80Ni7. 06Sn2. 00 (at%)]的壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
單軸向壓縮，應(yīng)變速率-4X10—'s人試樣尺寸小1X2國。 圖3為非晶合金[Ti44. 10Cu37. 04Zr9. 80Ni7. 06Sn2. 00(at%)]的X光衍射曲線(XRD) (小2mm合金棒試樣)
在CuKa耙條件下。圖4為非晶合金[Ti44. 10Cu37. 04Zr9.80Ni7. 06Sn2.00(att)]的差示掃描量熱曲線 (DSC):
在加熱速率-0.33K/s條件下。 圖5為非晶合金[Ti43.20Cu36.288Zi9.60Ni6.912Sn4 (at%)]的壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
單軸向壓縮，應(yīng)變速率=4乂10—Y',試樣尺寸小lX2mm。 圖6為非晶合金[丁143.200136.28821"9.60> 6.9128114 (at°/。)]的X光衍射曲線(XRD) (小lmm合金棒試樣)
在CuKoc耙條件下。
圖7為非晶合金[Ti43.20Cu36.288Zr9.60M6.912Sn4 (at°/。)]的差示掃描量熱曲線(DSC):
在加熱速率-0.33K/s條件下。 圖8為非晶合金[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6 (at%)]的壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
單軸向壓縮，應(yīng)變速率-4Xl(Ts、試樣尺寸(j)lX2mm。 圖9為非晶合金[Ti42.30Cu35,53Zr9.40Ni6.77Sn6 (at%)]的X光衍射曲線(XRD) (小lmm合金棒試樣)
在CuKa耙條件下。
圖10為非晶合金[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6 (at%)]的差示掃描量熱曲線(DSC):
在加熱速率-0.33K7s條件下。 圖11為非晶合金[Ti45Zrl0Cu37.8Ni7.2 (at%)]的壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
單軸向壓縮，應(yīng)變速率-4X10—Y，試樣尺寸小lX2ram。 圖12為非晶合金[Ti45Zrl0Cu37.8Ni7.2 (at%)]的X光衍射曲線(XRD) ((|> lmm合金棒試樣)
在CuKoc耙條件下。 圖13為非晶合金[Ti45Zrl0Cu37.8Ni7.2 (at%)]的差示掃描量熱曲線(DSC):
在加熱速率峋.33K/s條件下。
具體實(shí)施例方式
第一步，非晶合金成分的設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)出合金的原子百分比成分為(at。/。) Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2 ，再將合金原子百分比轉(zhuǎn)化成重量百分比(wt% ) Ti35.13Cu39.16Zrl4.87Ni6.89Sn3.95;第二步，去皮清潔。選用99. 99°/。的原料，如鈦棒(Ti 元素)，銅片(Cu元素)，鎳板(Ni元素)，鋯棒(Zr元素)錫錠(Sn元素)。原材料配制前必須去除其表層的氧化皮層和油污；第三步，配制合金原料，按設(shè)計(jì)好的重量百分比 Ti35.13Cu39.16Zrl4.87Ni6.89Sn3.95 (wt%)來配制合金錠，采用分析天平，秤量精度為正負(fù) 0.0001g;第四步，電弧熔煉。采用高真空氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行電弧熔煉合金錠；第五步，吸 鑄或噴鑄合金試棒，壓差為O.lMPa。無論是吸鑄還是噴鑄合金試棒，都是在真空和氬氣保護(hù) 條下進(jìn)行，絕對(duì)真空度為1.0x10—3Pa，充氬氣后相對(duì)真空度為-0.05MPa。用導(dǎo)熱性極好的無氧 銅做成形模具；第六步，制樣。將制好的合金試棒按要求切割成非晶試樣(t)lX2min，然后進(jìn) 行X光衍射(XRD)、差熱掃描量熱(DSC)、壓縮破壞性試驗(yàn)，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，分別為壓縮 屈服強(qiáng)度o y為2215MPa,壓縮斷裂強(qiáng)度。f為2542MPa和極高的壓縮塑性工程應(yīng)變e P為 10.62%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為630K，晶化溫度Tx為692K,液相溫度T,為1167K，過冷液 相區(qū)ATfTVTg為62K，約化溫度T^Tg/T,為0.54。
權(quán)利要求
1、一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于是一種含有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]，用該非晶合金制的φ1×2mm非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為最大屈服強(qiáng)度σy為2215MPa，最大壓縮斷裂強(qiáng)度σf為2542MPa和最大的壓縮塑性εp為10.62％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于 該合金的非晶棒的直徑至少達(dá)到2mm以上的尺寸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于 該非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為630K,晶化溫度Tx為692K，液相溫度T,為1167K，過 冷液相區(qū)AT^Tx-Tg為62 K，約化溫度T^Tg/T,為0.54。
4、 一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于是一種含有鈦Ti、銅 Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為 [Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4 (at%)]，用該非晶合金制的(|)1 X 2腿非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為 最大壓縮斷裂強(qiáng)度o f為2537MPa。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于 該合金的非晶棒的直徑至少達(dá)到lmm以上的尺寸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于 該非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為666K，晶化溫度Tx為715K，過冷液相區(qū)AT^TVTg為49 K。
7、 一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于是一種含有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為 [Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6 (at%)]，用該非晶合金制的(()l X 2mm非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為最 大壓縮斷裂強(qiáng)度o f為1825MPa。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于 該合金的非晶棒的直徑至少達(dá)到l咖以上的尺寸。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在于 該非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為683K，晶化溫度Tx為739K，過冷液相區(qū)AT嚴(yán)TVTg為56 K。
10、 一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在于是一種含有鈦Ti、 銅Cu 、鋯Zr 、鎳Ni四種元素的非晶合金，該非晶合金名義成分為[Ti45. 00Cu37. 80ZrlO. 00Ni7. 20 (at%)]，用該非晶合金制的小l X2mm非晶棒壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為 最大壓縮斷裂強(qiáng)度o f為1983MPa。
11、根據(jù)權(quán)利要求IO所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，其特征在 于該合金的非晶棒的直徑至少達(dá)到2mm以上的尺寸。
12、根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金,其特征在 于該非晶合金的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為641K，晶化溫度Tx為680K，液相溫度T,為1167K, 過冷液相區(qū)AT^Tx-Tg為39K，約化溫度T^Tg/T,為0.54。
全文摘要
一種能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑性的鈦基塊體非晶合金，屬于鈦合金和非晶合金領(lǐng)域，其特征在于是一種含有鈦Ti、銅Cu、鋯Zr、鎳Ni和錫Sn五種元素[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]的非晶合金，能同時(shí)提高壓縮屈服強(qiáng)度和壓縮斷裂強(qiáng)度、壓縮塑性工程應(yīng)變和非晶形成能力?？捎糜诤娇蘸教祛I(lǐng)域、生命科學(xué)與工程領(lǐng)域、國防科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域之中的功能零部件和結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)研究與生產(chǎn)制造。
文檔編號(hào)C22C45/00GK101550522SQ20091008490
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者劉偉剛, 姚可夫, 謝克非, 黃天佑 申請(qǐng)人:清華大學(xué)