專利名稱：鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)，特別是一種鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
塊體金屬玻璃(BMG)材料雖然具有高的斷裂強(qiáng)度和硬度以及高的彈性應(yīng)變極限，但是由于單相金屬玻璃的塑性變形是通過(guò)高度局域剪切變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，斷裂前能夠開(kāi)動(dòng)的剪切帶數(shù)量十分有限，BMG在室溫下會(huì)發(fā)生無(wú)宏觀塑性變形的災(zāi)難性脆性斷裂。因此，室溫脆性問(wèn)題已經(jīng)發(fā)展成為BMG材料應(yīng)用的重要瓶頸。為改善BMG材料的室溫脆性，2000年美國(guó)Johnson研究小組首次通過(guò)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(fù)合材料，其拉伸塑性應(yīng)變達(dá)到3%。隨后，陳光等人通過(guò)對(duì)樹(shù)枝晶β-ZrCTi)相固溶體進(jìn)行球化處理，將BMG復(fù)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(fù)合材料及其制備方法，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110099685. 6)。雖然上述鑄態(tài)內(nèi)生固溶體增塑BMG復(fù)合材料增塑效果顯著,但是由于塑性固溶體相的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于金屬玻璃基體，因此造成復(fù)合材料強(qiáng)度大幅度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料。該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以BMG為基體，析出鑄態(tài)內(nèi)生固溶體第二相，并在固溶體第二相中析出細(xì)小、彌散分布的高硬度的第三相，從而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。該復(fù)合材料在保持以往鑄態(tài)內(nèi)生固溶體增塑BMG復(fù)合材料增塑效果的同時(shí)，顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種錯(cuò)基金屬玻璃多相復(fù)合材料，其合金成分的原子百分比表達(dá)式為ZraTibCueNidBee,其中52彡a彡70，17彡b彡22，2彡c彡9，2彡d彡7，4彡e彡15，a+b+c+d+e=100。該成分的金屬玻璃復(fù)合材料具有多相復(fù)合結(jié)構(gòu)，其金屬玻璃基體上均勻分布著固溶體第二相β -Zr,并且固溶體第二相中沉淀出細(xì)小、彌散分布的高硬度的第三相《-Zr?！N制備上述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的方法，包括以下步驟
第一步選取塊體金屬玻璃，根據(jù)相選擇原理，調(diào)整合金成分ZraTibCueNidBee，其中52 彡 a 彡 70，17 彡 b 彡 22，2 彡 c 彡 9，2 彡 d 彡 7，4 彡 e 彡 15，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過(guò)程中能夠先析出鋯的固溶體第二相，并且固溶體第二相在隨后冷卻過(guò)程中析出高硬度的第三相；
第二步采用電弧熔煉的方法，將合金原料熔煉成母合金；
第三步母合金重新熔化，銅模重力鑄造得到鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料。第一步中所述的合金各組元純度大于99. 5%。第三步中所述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的壓縮塑性最大達(dá)到10%。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明首次開(kāi)發(fā)出了一種新型鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其在塊體金屬玻璃基體上析出鑄態(tài)內(nèi)生固溶體第二相，并在固溶體第二相中析出細(xì)小、彌散分布的高硬度的第三相，從而產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。因此，該復(fù)合材料在保持一般鑄態(tài)內(nèi)生固溶體增塑BMG復(fù)合材料增塑效果的同時(shí)，大幅度提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。此外，該復(fù)合材料隨著β-Zr相和ω-Zr相的析出，剩余合金熔體具有很強(qiáng)的玻璃形成能力，能夠獲得最大直徑35mm的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料。


圖I是為本發(fā)明鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料制備流程圖。圖2是實(shí)施例I鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)和XRD圖譜(a為顯微組織圖，b為XRD圖譜)。圖3是實(shí)施例I鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的室溫壓縮曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述
(I)合金成分設(shè)計(jì)
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、二元合金相圖，并對(duì)相的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而確定合金成分，得到所需合金成分范圍，ZraTibCucNidBee (原子百分比)，其中52彡a彡70，17彡b彡22，2彡c彡9，2彡d彡7，
4^ e ^ 15, a+b+c+d+e=100。(2)母合金熔煉
根據(jù)(I)成分設(shè)計(jì)所得到的不同合金元素之間的原子百分比換算出質(zhì)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(hù)下，利用熔煉Ti或Zr純金屬去除腔內(nèi)殘余氧，采用水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉設(shè)備熔制母合金。母合金多次熔煉的同時(shí)進(jìn)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(guò)銅模重力鑄造或吹鑄成形，其形狀和尺寸可根據(jù)需要對(duì)銅模的內(nèi)腔進(jìn)行設(shè)計(jì)。(4)結(jié)構(gòu)表征
利用X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、光學(xué)顯微鏡(OM)和電子掃描顯微鏡(SEM)等對(duì)制備的合金進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能表征，以確定具有最佳綜合力學(xué)性能的合金成分。下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I
(I)原材料的選用
本發(fā)明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Zr60TI20Cu5 6Ni4.4Be10 (原子百分比)。表I制備母合金錠選用金屬組兀的純度(%)
否全元素 |Zr |Ti |Cu |Ni |BeWk /% |99. 95 |99. 95 |99. 99 |99. 99 |99. 5(2)母合金錠的制備
在Ti吸氣、高純氬氣保護(hù)條件下，用非自耗電弧熔煉爐熔制母合金扣錠，其具體程序如下
a、將金屬原料的表面機(jī)械打磨去掉表面的氧化皮后，按照設(shè)計(jì)好的成分配比料備料；按照每錠80g左右的重量將配好的料放入熔煉爐內(nèi)的水冷銅坩堝內(nèi)，蓋上爐蓋抽真空至 2X KT3Pa ;向爐內(nèi)充入一定量壓力的高純氬氣(99. 99%)，氬氣壓力范圍為O. 4 0· 6MPa ；
b、在熔制母合金錠之前，將用于吸氣的Ti錠熔煉2 3遍；
C、多道次熔煉母合金錠采用非自耗鎢電極先將Zr、Ti、Cu、Ni、Be合金元素一起熔煉2 3遍，并施加電磁攪拌作用，得到混合均勻的母合金扣錠。熔煉時(shí)采用的電流為50(Γ650Α，電磁攪拌采用的電壓為I 3V。(3)材料成型
將母合金扣錠置于水冷銅坩堝與水冷銅模緊密結(jié)合的成形系統(tǒng)中。系統(tǒng)抽真空至4 5 X KT4Pa ;電弧加熱重熔后，在O. 6MPa的惰性氣體(99. 999%的高純氬)保護(hù)氣氛下，依靠自身重力注入水冷銅模中，制備出所需直徑的棒狀試樣。(4)結(jié)構(gòu)和性能表征
圖2是采用上述工藝條件制備的35mm直徑Zr6tlTi2tlCu5.6Ni4.4Be1(l合金的微觀組織及XRD圖譜，可以看出，該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)為塊體金屬玻璃基體上均勻分布著10 30μπι的β-Zr相，而在β-Zr相中又均勻彌散分布著細(xì)小的ω-Zr顆粒。圖3為鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實(shí)驗(yàn)條件為樣品為
03X 6mm柱狀試樣，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫(25°C)，壓縮應(yīng)變速率為ZXKT4iT1。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明所制備的復(fù)合材料屈服強(qiáng)度達(dá)到了 1450MPa，壓縮塑性超過(guò)了 10%。事實(shí)證明，相比于以往內(nèi)生固溶體相增塑金屬玻璃復(fù)合材料，鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料在保持了良好塑性的基礎(chǔ)上，顯著提高材料的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的良好結(jié)
口 ο實(shí)施例2
采用與實(shí)施例I相同的方法，合金成分為Zr56.3Ti18.7Cu6.9Ni5.6Be12.5，制備了 25mm直徑的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，屈服強(qiáng)度達(dá)到了 1580MPa，壓縮塑性達(dá)到了 8%。實(shí)施例3
采用與實(shí)施例I相同的方法，合金成分為Zr52Ti17Cu9Ni7Be15，制備了 30mm直徑的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，屈服強(qiáng)度超過(guò)了 1650MPa，壓縮塑性達(dá)到了 6%。實(shí)施例4
采用與實(shí)施例I相同的方法，合金成分為Zr7Ji22Cu2Ni2Be4，制備了 30mm直徑的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，屈服強(qiáng)度超過(guò)了 1350MPa，壓縮塑性達(dá)到了 10%。
權(quán)利要求
1.一種鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，其特征在于所述復(fù)合材料的合金成分的原子百分比表達(dá)式為ZraTibCucNidBee，其中52彡a彡70，17彡b彡22，2彡c彡9，2彡d彡7，4 ^ e ^ 15，a+b+c+d+e=100。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，其特征在于所述成分的復(fù)合材料具有多相復(fù)合結(jié)構(gòu)，其金屬玻璃基體上均勻分布著固溶體第二相β -Zr,并且固溶體第二相中沉淀出細(xì)小、彌散分布的高硬度的第三相ω -Zr。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合材料的最大直徑為35mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合材料的壓縮塑性最大達(dá)到10%。
5.一種制備上述鋯基金屬玻璃多相復(fù)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，根據(jù)相選擇原理，調(diào)整合金成分ZraTibCueNidBee，其中52 彡 a 彡 70，17 彡 b 彡 22，2 彡 c 彡 9，2 彡 d 彡 7，4 彡 15，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過(guò)程中能夠先析出鋯的固溶體第二相β-Zr，并且固溶體第二相在隨后冷卻過(guò)程中析出高硬度的第三相ω-Zr ； 第二步采用電弧熔煉的方法，將合金原料熔煉成母合金； 第三步母合金重新熔化，銅模重力鑄造得到鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備錯(cuò)基金屬玻璃多相復(fù)合材料的方法,其特征在于第一步中所述的合金各組元純度大于99. 5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的方法，其特征在于第二步中所述熔煉時(shí)采用的電流為50(Γ650Α，電磁攪拌采用的電壓為f 3V。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的方法，其特征在于第三步中所述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的最大直徑為35mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的方法，其特征在于第三步中所述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的壓縮塑性最大達(dá)到10%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料的成分原子百分比表達(dá)式為ZraTibCucNidBee，其中52≤a≤70,17≤b≤22,2≤c≤9,2≤d≤7,4≤e≤15,a+b+c+d+e=100。制備上述的鋯基金屬玻璃多相復(fù)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(diào)整合金成分，使其在凝固過(guò)程中首先析出鋯的固溶體第二相，并且固溶體第二相在隨后冷卻過(guò)程中析出高硬度的第三相；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，銅模重力鑄造得到金屬玻璃多相復(fù)合材料。本發(fā)明的鋯基金屬玻璃多相復(fù)合材料在提高金屬玻璃塑性的同時(shí)，具有高強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的良好結(jié)合。
文檔編號(hào)C22C45/10GK102888572SQ20121040163
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者陳 光, 成家林 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)