[發(fā)明專利]一種大尺寸TRIP非晶復(fù)合材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104498844A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂昭平;宋溫麗;吳淵;王輝;劉雄軍;杜清;曹迪;周捷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: C22C45/10
• 分類號: C22C45/10;C22C45/00;C22C1/02;B22D18/06
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明屬于非晶態(tài)合金及其復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地說就是通過合適的成分設(shè)計和工藝調(diào)節(jié)制備出大尺寸的內(nèi)生形變誘導(dǎo)相變增韌（TRIP）的非晶復(fù)合材料，進(jìn)而通過合金化的方法均勻彌散晶體相。該大尺寸復(fù)合材料具有大拉伸塑性和優(yōu)良的加工硬化能力，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

非晶態(tài)合金材料的結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)晶體金屬材料，其原子排列呈現(xiàn)長程無序、短程有序的特點。非晶態(tài)合金獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出許多優(yōu)異的力學(xué)性能，如大的彈性極限（約２％）、高的斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性、較高的硬度、較強(qiáng)的耐磨性和良好的耐腐蝕性能等，使之成為新一代最具潛力材料之一。但是這種結(jié)構(gòu)由于缺乏常規(guī)晶體材料的位錯變形機(jī)制，使得非晶態(tài)合金的室溫變形主要是通過局域剪切進(jìn)行，因而也造成了其重要的缺陷——室溫脆性和應(yīng)變軟化，極大地限制了非晶態(tài)合金作為結(jié)構(gòu)材料的工程應(yīng)用。

為了解決該問題，科學(xué)家們通過內(nèi)生或外加的方法在非晶態(tài)合金中引入韌性第二相，顯著地提高了材料的塑性和韌性。2008年以來，以美國加州理工學(xué)院W.?L.?Johnson教授研究組為首的幾個研究組采用成分調(diào)控和半固態(tài)處理的方法，通過在非晶態(tài)合金的基體中內(nèi)生形成枝晶相，在鋯-鈦基非晶態(tài)合金中開發(fā)出了幾種枝晶增韌非晶復(fù)合材料，這些非晶復(fù)合材料能夠具有大于10%的拉伸塑性，但其在拉伸過程中過早出現(xiàn)頸縮，呈現(xiàn)加工軟化的特征。其原因是枝晶相的加工硬化不能顯著彌補(bǔ)非晶基體相的加工軟化。材料整體的加工軟化特征使其在屈服后會發(fā)生迅速的斷裂，而沒有后續(xù)的承載能力，因而該類非晶復(fù)合材料很難作為結(jié)構(gòu)材料得到工程應(yīng)用。2010年，北京科技大學(xué)的呂昭平教授和吳淵副教授將形變誘導(dǎo)相變的概念引入非晶態(tài)合金，成功制備出直徑為3mm的同時具有拉伸塑性和加工硬化能力的非晶復(fù)合材料（專利號：101787501）。球形第二相強(qiáng)烈的加工硬化能力不僅能有效彌補(bǔ)基體的加工軟化，而且能使得材料整體呈現(xiàn)加工硬化特征和良好的塑性變形能力。但是較小的復(fù)合材料形成尺寸嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用，因此亟待開發(fā)大尺寸的具有加工硬化能力和拉伸塑性的非晶復(fù)合材料，為其工程應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。與此同時，由于晶體相為亞穩(wěn)相，晶體相在液態(tài)合金冷卻過程中容易分解或聯(lián)結(jié)長大，這種現(xiàn)象隨著冷卻速度的降低或者材料尺寸的增加變得尤為突出，如何有效地穩(wěn)定并彌散化晶體相成為開拓該類非晶復(fù)合材料的重要技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于通過合金化方案及工藝調(diào)節(jié)提高非晶復(fù)合材料基體的非晶形成能力并生成彌散分布的具有相變誘導(dǎo)塑性效應(yīng)的晶態(tài)第二相，通過第二相在變形過程中發(fā)生形變誘導(dǎo)相變來獲得較大的拉伸塑性和強(qiáng)烈的加工硬化能力，從而成功制備大尺寸、高強(qiáng)度和良好塑性的非晶復(fù)合材料。因此，本發(fā)明提供了一系列大尺寸、組織均勻，具有良好的室溫拉伸塑性和強(qiáng)烈的加工硬化能力的非晶復(fù)合材料及其晶體相彌散化方法，且制備工藝簡單易行。同時，本發(fā)明還提供了一種大尺寸相變誘導(dǎo)塑性非晶復(fù)合材料的材料設(shè)計方法，通過加入能夠提高合金非晶形成能力以及促進(jìn)析出相彌散的合金化元素，達(dá)到提高樣品尺寸及調(diào)控晶體相組織特征的雙重目的。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下所示：

一種大尺寸相變誘導(dǎo)塑性非晶復(fù)合材料，合金成分原子摩爾比的表達(dá)式為：Cu_aZr_bM_cN_dX_e，其中M為Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一種，N為Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中的至少一種，X為Si、C、B、Sn、Ga、Ge、In中的至少一種，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e=100。

上述的一種大尺寸相變誘導(dǎo)塑性非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟：

1）配料：合金成分原子摩爾比的表達(dá)式為：Cu_aZr_bM_cN_dX_e，其中M為Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一種，N為Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中的至少一種，X為Si、C、B、Sn、Ga、Ge、In中的至少一種，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e=100，采用市售純度大于99.9%的純金屬元素配料；