[發(fā)明專利]球晶增韌的非晶基復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210295303.1
• 申請(qǐng)日: 2012-08-20
• 公開（公告）號(hào): CN102776453A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬珺威;張勇;楊慧君;周禾豐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C45/10
• 分類號(hào): C22C45/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及通過一種新方法——半固態(tài)保溫復(fù)合液態(tài)金屬定向凝固法制備球晶增韌的非晶基復(fù)合材料。

技術(shù)背景

塊體非晶合金由于其較高的彈性極限、較大的拉伸和壓縮強(qiáng)度以及較強(qiáng)的抗腐蝕能力等諸多特性引起了眾多材料科學(xué)工作者的關(guān)注。然而，絕大多數(shù)塊體非晶合金在室溫下承載時(shí)，表現(xiàn)出脆性斷裂，這是由于其在變形過程中形成了高度局域化的剪切帶所造成的，當(dāng)進(jìn)一步變形時(shí)這些剪切帶軟化，最終在軟化的剪切面上發(fā)生斷裂，限制了塊體非晶的工程應(yīng)用【1】。因此，一些研究者通過成分調(diào)節(jié)和控制冷速使得合金熔體在冷卻時(shí)先析出塑性晶體相，在后繼冷卻過程中剩余熔體形成非晶基體制得了內(nèi)生晶體非晶復(fù)合材料。此類材料在承受載荷時(shí)晶體相阻止了單一剪切帶貫穿整個(gè)試樣，并促成了多重剪切帶的形成，最終提高了材料的塑性。

通常，內(nèi)生晶體增塑的非晶復(fù)合材料都是通過銅模吸鑄的方法制得，銅模吸鑄屬于極端冷卻，且沿棒狀試樣直徑方向的冷卻速率不可控制，這樣制備得到的材料的組織在徑向存在梯度，晶體相在非晶基體上的分布不均勻，而通常非晶的使用都是棒材，這樣組織不均勻會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能不均勻，而影響其作為結(jié)構(gòu)材料的使用；此外，吸鑄法的冷卻速度是固定的，不能調(diào)節(jié)，不利于材料制備的工業(yè)化。為了解決非晶復(fù)合材料組織均勻的問題，研究人員發(fā)明了定向凝固法【2】和半固態(tài)成型法【3】制備非晶基復(fù)合材料。這里作簡(jiǎn)要介紹，定向凝固法：將樣品放入石英管或者剛玉管中加熱到完全融化，選取不同的抽拉速度進(jìn)行定向凝固，凝固過程中散熱沿著棒材的軸向方向，因此樣品內(nèi)部的冷卻速度是均勻的，這樣得到的非晶基復(fù)合材料組織均勻；半固態(tài)成型法：由于非晶基體和析出的第二相熔點(diǎn)不同(非晶基體的熔點(diǎn)比第二相晶體的低)，將原材料加熱兩個(gè)熔點(diǎn)區(qū)間的某一溫度保溫使得組織均勻化，然后瞬間中斷熱源，使得液體經(jīng)過一定的冷卻速度形成非晶基體。目前通過這兩種方法合成的內(nèi)生晶相的形貌均是樹枝狀的，由于樹枝晶組織比較細(xì)小，受力過程中對(duì)剪切帶的擴(kuò)展阻礙作用較小，導(dǎo)致材料的塑韌性均比較低。如果使材料的內(nèi)生枝晶的形貌由樹枝狀表現(xiàn)為球狀，將會(huì)大大改善材料的室溫塑性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)該技術(shù)問題，本發(fā)明提出了采用半固態(tài)保溫球化復(fù)合液態(tài)金屬冷卻定向凝固法制備成分為Zr_aTi_bNb_cCu_dNi_eBe_f的球晶增韌非晶基復(fù)合材料，其中a，b，c，d，e，f表示原子百分比且a+b+c+d+e+f＝100。該該制備方法的特征在于包括以下步驟：選用Zr，Ti，Cu，Ni，Be和Nb作為原料，按照Z(yǔ)r_aTi_bNb_cCu_dNi_eBe_f的原子成分進(jìn)行配比；用高真空非自耗電弧熔煉爐并在99.999％的高純Ar保護(hù)下將原料熔煉成母合金紐扣錠；將鑄錠機(jī)械打碎裝入剛玉管中，抽真空并在99.999％的高純Ar保護(hù)下，用定向凝固爐的感應(yīng)線圈加熱剛玉管至1200℃，1分鐘后降溫至900℃-920℃；在900℃-920℃保溫10分鐘；進(jìn)行定向凝固，軸向溫度梯度為45K/min，抽拉速度選取為0.2-1.0mm/s，冷卻介質(zhì)為Ga-In液態(tài)合金。

球晶增韌非晶基復(fù)合材料的成分最好是Zr_60.0Ti_14.7Nb_5.3Cu_5.6Ni_4.4Be_10.0。選用原料Zr，Ti，Cu，Ni，Be和Nb的純度最好是高于99.9％。剛玉管的內(nèi)徑可以選為3mm，壁厚可以選為1mm。

采用本發(fā)明方法制備得到的非晶復(fù)合材料強(qiáng)度高，斷裂塑性好，展現(xiàn)出非常優(yōu)異的力學(xué)性能，非常適于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

附圖說明

圖1是定向凝固原理示意圖；

圖2A是保溫10分鐘的直徑為3mm的棒狀Zr_60.0Ti_14.7Nb_5.3Cu_5.6Ni_4.4Be_10.0試樣的金相顯微組織，其抽拉速度為0.2mm/s，其中插圖為局部放大圖；