大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法
2023-07-28 21:11:41 2
專利名稱：大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬玻璃複合材料的製備技術，特別是一種大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法。
二
背景技術：
大塊金屬玻璃(BMG)具有一系列不同於晶態合金的優異性能，已涉及到了軍工產品、電子產品殼體、醫療器械、體育休閒用品和空間工程材料等5大工程應用領域。特別是其具有3～4倍於相應晶態合金的強度，使得其在武器裝備的輕量化方面極具吸引力。但是，在其具有超高強度的同時，處於平面應力狀態的BMG在室溫下幾乎沒有非彈性行為。這使得其破壞形式為突然性的失效。
為了解決這個問題，人們在BMG基體上引入晶態相後，製備出了晶態相/BMG基體兩相複合材料。與單相非晶材料比較，複合材料在承載過程中的剪切帶形成和擴展行為得到了有效的改變，使得其延展性、韌性和衝擊抗力明顯增加。這種超高強度兼具良好室溫宏觀塑性的兩相複合材料在武器裝備的輕量化和提高裝甲防護能力方面具有獨特的優勢。
迄今，晶態相/BMG基體兩相複合材料中，晶態相的形態有以文獻1(Conner R D，Dandliker R B，Johnson W L Mechanical properties of tungsten and steel fiber reinforcedZr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5metallic glass matrix composites[J].Acta Mater 1998，46(17)6089-6102.)為代表的纖維狀，文獻2(Cang Fan，Chunfei Li，InoueA.Deformationbehavior of Zr-based bulk nanocrystalline amorphous alloys[J].Phys Rev B，2000，61(6)R3761-R3763.)為代表的納米顆粒狀和文獻3(Hays C C，Kim C P，Johnson W L.Microstructure controlled shear band pattern formation and enhanced plasticity of bulkmetallic glasses containing in situ formed ductile phase dendrite dispersions[J].Phys RevLett，2000，84(13)2901-2904.)為代表的樹枝狀三種。
從目前的研究情況來看，纖維狀晶態相都是通過外加複合的方法製備出來的，其與基體之間的界面能較高，因此兩相之間穩定而牢固的結合是一個問題；顆粒狀納米相是通過非晶部分晶化得到的，且一般來說，晶化後所得到的納米相大多是脆性的金屬間化合物相，因而只是少量納米相可能有好的強化效果，適量提高塑性和韌性，但提高的幅度太小，室溫壓縮延伸率僅為2.5％；樹枝狀晶態相是在熔體急冷過程中直接析出的，當其為固溶體型塑性相、尺度在微米級、體積分數為25％時，複合材料試樣在保持1.447和1.669GPa的高拉伸和壓縮強度的同時，斷裂之前的最大應變率分別達到了5.49和8.26％。分析認為，固溶體型塑性樹枝晶相在改變了非晶剪切形變機制的同時，也攙雜了晶體相自身的變形，導致了材料室溫力學行為的改變。因此，樹枝晶的形態、數量、大小和分布對複合材料塑性有極大的影響。
三
發明內容
本發明的目的在於提供一種把樹枝晶改變為球狀晶，進而得到一種塑性球晶/大塊金屬玻璃基體的兩相複合材料的製備方法。
實現本發明目的的技術解決方案一種大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，包括以下步驟首先，選取具有強的玻璃形成能力的合金成分，通過對合金成分的調整，使該合計成分偏離共晶點，並具有先析出固溶體相，按照調整好的合金成分配料；其次，將配好的料在保護氣氛下熔煉成母合金錠；然後將母合金錠破碎、重熔，並通過低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣；再將板狀塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料試樣進行等溫處理，然後水淬即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料。
本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法中，選取純度大於99.5％的金屬組元，按照Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5的原子百分比進行配料。
本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法中，在Ti吸氣、Ar氣氛保護的水冷銅坩堝中熔煉母合金數次，得到成分均勻的母合金鑄錠。
本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法中，把母合金錠破碎後，將其置於底部帶孔的石英管中；將石英管置於自製的低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統，抽真空至4～5×10-3Pa；通過高純氬氣在0.015MPa的壓力下，將感應加熱熔化後的合金熔體鑄入到內腔尺寸為50mm×50mm×3mm的水冷銅模之中，製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣。
本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法中，將板狀塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料試樣剪裁為條狀裝入內徑為8mm的石英管中抽真空至4～5×10-3Pa，然後將石英管置於預先設定溫度為900～950℃的保溫爐中等溫5～10分鐘；最後水淬，即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料棒狀試樣。
本發明與現有技術相比，其顯著優點是塑性β相不再具有典型的樹枝狀形貌，而表現為團球狀形貌。這將有利於大塊金屬玻璃複合材料室溫塑性的改善。
四
圖1是本發明銅模鑄造製備的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5β相樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣的XRD譜圖。
圖2是本發明銅模鑄造製備的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5β相樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣的光學顯微組織圖。
圖3是本發明熔體水淬法製備的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5β相球晶/大塊金屬玻璃複合材料棒狀試樣的XRD譜圖。
圖4是本發明熔體水淬法製備的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5β相球晶/大塊金屬玻璃複合材料棒狀試樣的顯微組織圖。
圖5是本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化方法的流程圖。
五
具體實施例方式
結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
結合圖5，本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，包括以下步驟首先，選取具有強的玻璃形成能力的合金成分，通過對合金成分的調整，使該合計成分偏離共晶點，並具有先析出固溶體相，按照調整好的合金成分配料，即選取純度大於99.5％的金屬組元，按照Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5的原子百分比進行配料。其次，將配好的料在保護氣氛下熔煉成母合金錠，即在Ti吸氣、Ar氣氛保護的水冷銅坩堝中熔煉母合金數次，得到成分均勻的母合金鑄錠。然後將母合金錠破碎、重熔，並通過低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣，即把母合金錠破碎後，將其置於底部帶孔的石英管中；將石英管置於自製的低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統，抽真空至4～5×10-3Pa；通過高純氬氣在0.015MPa的壓力下，將感應加熱熔化後的合金熔體鑄入到內腔尺寸為50mm×50mm×3mm的水冷銅模之中，製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣。再將板狀塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料試樣進行等溫處理，然後水淬即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料，即將板狀塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料試樣剪裁為條狀裝入內徑為8mm的石英管中抽真空至4～5×10-3Pa，然後將石英管置於預先設定溫度為900～950℃的保溫爐中等溫5～10分鐘；最後水淬，即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料棒狀試樣。
結合圖1至2，本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化方法製備的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5塑性樹枝晶/BMG複合材料板狀試樣的XRD譜圖表明複合材料具有bccβ-Zr固溶體/BMG基體兩相微觀組織；該複合材料板狀試樣的光學顯微組織中，β相具有典型的樹枝狀形貌。
結合圖3至4，本發明大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法製備的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5塑性球晶/BMG複合材料棒狀試樣的XRD譜圖表明複合材料也具有bccβ-Zr固溶體/BMG基體兩相微觀組織；該複合材料棒狀試樣的顯微組織圖中，塑性β相不再具有典型的樹枝狀形貌，而表現為團球狀形貌。
權利要求
1.一種大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，包括以下步驟首先，選取具有強的玻璃形成能力的合金成分，通過對合金成分的調整，使該合計成分偏離共晶點，並具有先析出固溶體相，按照調整好的合金成分配料；其次，將配好的料在保護氣氛下熔煉成母合金錠；然後將母合金錠破碎、重熔，並通過低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣；再將塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣進行等溫處理，然後水淬即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料。
2.根據權利要求1所述的大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，其特徵在於選取純度大於99.5％的金屬組元，按照Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5的原子百分比進行配料。
3.根據權利要求1所述的大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，其特徵在於在Ti吸氣和Ar氣氛保護的水冷銅坩堝中熔煉母合金數次，得到成分均勻的母合金鑄錠。
4.根據權利要求1所述的大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，其特徵在於把母合金錠破碎後，將其置於底部帶孔的石英管中；將石英管置於自製的低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統，抽真空至4～5×10-3Pa；通過高純氬氣在0.015MPa的壓力下，將感應加熱熔化後的合金熔體鑄入到內腔尺寸為50mm×50mm×3mm的水冷銅模之中，製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣。
5.根據權利要求1所述的大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法，其特徵在於將板狀塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料試樣剪裁為條狀裝入內徑為8mm的石英管中抽真空至4～5×10-3Pa，然後將石英管置於預先設定溫度為900～950℃的保溫爐中等溫5～10分鐘；最後水淬，即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料棒狀試樣。
全文摘要
本發明公開了一種大塊金屬玻璃複合材料中樹枝晶球化的方法。它包括以下步驟首先，選取具有強的玻璃形成能力的合金成分，通過對合金成分的調整，使該合計成分偏離共晶點，並具有先析出固溶體相，按照調整好的合金成分配料；其次，將配好的料在保護氣氛下熔煉成母合金錠；然後將母合金錠破碎、重熔，並通過低壓鑄造/水冷銅模急冷成形系統製備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣；再將塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃複合材料板狀試樣進行等溫處理，然後水淬即得到塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料。本發明製備的塑性球晶/大塊金屬玻璃複合材料的塑性β相不再具有典型的樹枝狀形貌，而表現為團球狀形貌。
文檔編號B22D27/04GK101089212SQ200610085409
公開日2007年12月19日 申請日期2006年6月14日 優先權日2006年6月14日
發明者陳 光, 孫國元, 陳國良 申請人:南京理工大學