內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料及其製備方法
2023-06-18 22:02:01
專利名稱：內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬基複合材料技術，特別是一種內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料及其製備方法。
背景技術：
塊體金屬玻璃(BMG)材料雖然具有高的斷裂強度和硬度以及高的彈性應變極限，但是由於單相金屬玻璃的塑性變形是通過高度局域剪切變形來實現，斷裂前能夠開動的剪切帶數量十分有限，BMG在室溫下會發生無宏觀塑性變形的災難性脆性斷裂。因此，室溫脆 性問題已經發展成為BMG材料應用的重要瓶頸。為改善BMG材料的室溫脆性，2000年美國Johnson研究小組首次通過在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系中添加Nb合金化元素,製備出微米尺寸P-Zr(Ti)固溶體相增塑的BMG複合材料，其拉伸塑性應變達到3%。隨後，陳光等人通過對樹枝晶β-ZrCTi)相固溶體進行球化處理，將BMG複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複合材料及其製備方法，專利申請號為201110099685. 6)。雖然上述鑄態內生固溶體增塑BMG複合材料增塑效果顯著,但是由於塑性固溶體相的強度遠低於金屬玻璃基體，因此造成複合材料強度大幅度下降。
發明內容
本發明的目的在於提供一種新型內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料。該複合材料的結構特點是以BMG為基體，以鑄態內生金屬間化合物相(IMC)作為第二相。該複合材料在保證金屬玻璃的高屈服強度的同時，能夠顯著改善其室溫脆性。實現本發明目的的技術解決方案為一種內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料，其合金成分原子百分比表達式為=ZraTibCueNidBee,其中30彡a彡39，10彡b彡12，6彡c彡9，4彡d彡8，32彡e彡50，a+b+c+d+e=100。該成分製備的金屬玻璃複合材料在其玻璃基體上均勻彌散分布硬質脆性第二相ZrBe2。一種製備上述的內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料方法，包括以下步驟 第一步選取塊體金屬玻璃合金體系，根據相選擇原理，調整合金成分
ZraTibCucNidBee，其中 30 彡 a 彡 39，10 彡 b 彡 12，6 彡 c 彡 9，4 彡 d 彡 8，32 彡 e 彡 50，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相ZrBe2 ；
第二步採用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金；
第三步母合金重新熔化，銅模吸鑄製成型材；
第四步再將型材放入處理好的坩堝中，採用感應熔煉至熔融狀態，保溫後採用快速順序凝固工藝，從而製備出塊體金屬玻璃基體上均勻分布不同體積分數的鑄態內生金屬間化合物相的複合材料。第一步中所述的合金組元純度大於99. 5%。第四步中所述的快速順序凝固工藝的抽拉速率為O. 83-5mm/s。
本發明與現有技術相比，其顯著優點(I)保持現有BMG高強度。現有技術大都是以具有一定塑性的內生固溶體相(如β-Zr(Ti)相)作為增塑第二相，但是固溶體相的強度(80(T950MPa)與金屬玻璃(1800MPa)相比，其強度低50%以上。這樣所得到的複合材料強度明顯低於原始金屬玻璃，而且隨著固溶體相的體積分數增加，複合材料的強度會進一步下降。本發明採用硬質脆性的金屬間化合物相作為第二相，該相具有高的強度(如ZrBe2相的強度>1400MPa)，接近於塊體金屬玻璃。小體積分數的金屬間化合物相不會對於最終複合材料的強度造成明顯影響。對於一些強度較低的塊體金屬玻璃(Mg-BMG等)，金屬間化合物相甚至可以起到強化玻璃基體的作用。(2)提高材料的塑性。雖然所發明複合材料的基體相和第二相單相存在時，都表現出室溫宏觀脆性，但是由它們構成的複合材料卻具有顯著的壓縮塑性。由於BMG材料的室溫脆性是由於剪切帶的局域化造成，而每個剪切帶內塑性
應變是很大的，本申請利用金屬間化合物相(MC)來充分激發BMG基體相的本身塑性。在施加應力載荷時，硬質的金屬間化合物相阻礙了單個剪切帶的迅速擴展，激發多剪切帶的產生。剪切帶在擴展過程中被金屬間化合物相所阻斷，被迫停止或者繞過IMC顆粒。金屬間化合物相的尺寸為微米尺寸量級大大超過了塊體金屬玻璃基體的剪切帶間距，能夠有效的對剪切帶擴展進行阻礙。因此，雖然金屬間化合物相是高強度的硬質相，但是我們所獲得的塊體金屬玻璃內生複合材料仍然具有較好的塑性。
圖I是本發明內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料製備流程圖。圖2是實施例IMC/BMG複合材料顯微結構圖(a為顯微組織圖，b為XRD圖)。圖3是實施例UMC/BMG複合材料的室溫壓縮曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述 (I)合金成分設計
選擇具有良好玻璃形成能力(GFA)的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金體系，根據相選擇原理，結合金屬間化合物相的形核生長規律，進行合金成分設計。具體而言，選取塊體金屬玻璃Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5，通過調整合金元素Zr,Ti,Cu,Ni,Be的相對比例，使其靠近ZrBe2,得到所需合金成分範圍，ZraTibCucNidBee (原子百分比)，其中30彡a彡39，10彡b彡12，6 彡 c 彡 9，4 彡 d 彡 8，32 彡 e 彡 50，a+b+c+d+e=100。(2)母合金熔煉
根據(I)成分設計所得到的不同合金元素之間的原子百分比換算出質量百分比，採用高純金屬組元配置出所需的合金。在高純Ar氣保護下，利用熔煉Ti或Zr純金屬去除腔內殘餘氧，採用水冷銅坩堝非自耗電弧熔煉設備熔制母合金。母合金多次熔煉的同時進行電磁攪拌以得到混合均勻的母合金扣錠。(3)材料成型
將母合金重熔後，通過銅模吸鑄或吹鑄成所需型材，其形狀和尺寸可根據需要對銅模的內腔進行設計。(4)快速順序凝固將銅模成形的型材放入與處理好的石墨坩堝中，抽真空後充入高純氬氣，進行感應加熱使合金熔融，保溫後以不同的抽拉速率浸入冷卻能力極強的Ga-In-Sn液態合金中。(5)結構表徵
利用X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、光學顯微鏡(OM)和電子掃描顯微鏡(SEM)等對製備的複合材料進行微觀結構表徵，並進一步對其進行力學性能表徵，以確定具有最佳綜合力學性能的複合材料微觀組織及其相應的製備工藝參數。下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明。實施例I
(I)原材料的選用
本發明製備母合金錠選用的各金屬組元的純度如表1，合金成分為Zr39Ti12Cu9Ni8Be32 (原子百分比)。表I製備母合金錠選用金屬組兀的純度(%)
權利要求
1.一種內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料，其特徵在於所述的複合材料合金成分原子百分比表達式為:ZrJibCucNidBee，其中30彡a彡39，10彡b彡12，6彡c彡9，4彡d彡8，32 ^ e ^ 50, a+b+c+d+e=100。
2.根據權利要求I所述的內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料，其特徵在於所述合金成分製備的金屬玻璃複合材料在其玻璃基體上均勻彌散分布硬質脆性第二相ZrBe2。
3.一種製備上述內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 第一步選取塊體金屬玻璃合金體系，根據相選擇原理，調整合金成分ZraTibCucNidBee,其中 30≤a≤ 39，10≤b≤ 12，6 ≤ c≤9，4≤ d≤8，32≤ 50，a+b+c+d+e=100,使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相ZrBe2 ； 第二步採用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金； 第三步母合金重新熔化，銅模吸鑄製成型材； 第四步再將型材放入處理好的坩堝中，採用感應熔煉至熔融狀態，保溫後採用快速順序凝固工藝，從而製備出塊體金屬玻璃基體上均勻分布不同體積分數的鑄態內生金屬間化合物相的複合材料。
4.根據權利要求3所述的製備內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料的方法，其特徵在於第一步中所述的合金組元純度大於99. 5%。
5.根據權利要求3所述的製備內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料的方法，其特徵在於第二步中熔煉時採用的電流為50(Γ650Α，電磁攪拌採用的電壓為f 3V。
6.根據權利要求3所述的製備內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料的方法，其特徵在於第四步中的快速順序凝固工藝的抽拉速率為O. 83-5mm/s。
全文摘要
本發明公開了一種內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料及其製備方法。其合金成分原子百分比表達式為ZraTibCucNidBee，其中30≤a≤39，10≤b≤12，6≤c≤9，4≤d≤8，32≤e≤50，a+b+c+d+e=100。製備上述的內生金屬間化合物金屬玻璃複合材料方法，包括以下步驟選取塊體金屬玻璃合金體系，根據相選擇原理，調整合金成分，使其在凝固過程中能夠先析出金屬間化合物相；採用電弧熔煉的方法，把第一步得到的合金成分熔煉成母合金；母合金重新熔化，採用重力鑄造或銅模吸鑄成型材；將型材放入處理好的坩堝中，採用感應熔煉至熔融狀態，保溫後快速順序凝固，獲得金屬間化合物第二相均勻分布於金屬玻璃基體上的鑄態內生複合材料。本發明在保持塊體金屬玻璃高強度、高硬度的同時，可以大幅度提高其室溫塑性。
文檔編號C22C45/10GK102912260SQ20121040158
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者陳 光, 成家林 申請人:南京理工大學