一種高比強度輕質鈦基非晶合金的製作方法

2023-11-01 15:05:32

專利名稱：一種高比強度輕質鈦基非晶合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金材料及其製備技術，特別涉及一種高比強度輕質鈦基非晶合
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背景技術：
鈦合金通常指晶態合金，因具有比重小、強度高、比強度高、耐蝕性和耐磨性優異、 資源豐富等特點，已經廣泛應用於航空、航天、化工、艦船等領域。固體材料內部原子呈長程無序堆垛排列特徵，即為非晶態結構時，Ti基非晶合金材料的上述性能更加優異。因此Ti 基非晶合金是一類性能很好的高性能材料，並是極具發展潛力的結構材料。但相比ττ基、 Pd基、Mg基、Fe基等非晶合金系，Ti基非晶合金的非晶形成能力較小，能夠製備出的塊體非晶合金材料的臨界尺寸較小。目前尺寸較大的Ti-Zr-Cu-Pd-Sn塊體非晶合金的臨界尺寸僅為10mm，Ti-Zr-Be-Cr塊體非晶合金的臨界尺寸僅為8mm，多數Ti基非晶合金的臨界尺寸均小於5mm。因此，調整合金成分製備出具有大臨界尺寸、性能更加優異的塊體非晶合金材料很有必要。

發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種高比強度輕質鈦基非晶合金，其具有較大的臨界尺寸、高的比強度和綜合力學性能較好的特點。本發明採用的技術方案如下一種高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於組成表達式為TiaZrbBeeAld,所述 a、b、c和d為原子百分數，其中，40彡a彡46，19彡b彡26，22彡c彡34,0彡d彡12，且 a、b、c、d 之和為 100。進一步所述組成表達式具體為Ti41^25Be5IxAlx,其中，0 < χ彡10，Ti的原子百分數為41，Zr的原子百分數為25，Be的原子百分數為M 34，Al的原子百分數為0 10。進一步所述組成表達式具體為Ti43_x&23+xBe29Al5，其中，0彡χ彡3，Ti的原子百分數為40 46，Zr的原子百分數為20 26，Be的原子百分數為29，Al的原子百分數為 5。進一步所述組成表達式具體為Ti41Zi^xBe534Alx,其中，0 < χ彡6，Ti的原子百分數為41 ；Zr的原子百分數為19 25 ；Be的原子百分數為34 ；Al的原子百分數為0 6。進一步按照所述組成表達式TiaZrbBeeAld的質量百分比進行合金配料的配置，在高真空和氬氣保護條件下，將所述合金配料熔煉為母合金，將熔化後母合金吸鑄或噴鑄到銅模中，急冷得到鈦基非晶合金。進一步所述鈦基非晶合金的臨界尺寸至少為2mm。進一步所述合金配料選用純度為99. 4%鈦棒、純度為99. 7%鋯棒。與現有Ti基非晶合金材料相比較，本發明的有益效果包括1、選用輕質鋁元素作為添加元素，使非晶形成能力和力學性能的得到改善，並使
3該非晶合金具有高比強度。2、本發明製備出的非晶合金材料，具有較大的臨界尺寸和綜合力學性能較好的特
點ο3、使用較低純度的合金配料(如鈦Ti和鋯Zr)代替相應高純合金配料，有利於降低生產成本。4、採用現有主流工藝，簡單易行，有利於廣泛應用。5、禾Ij用本發明獲得的鈦基非晶合金具有較低的比重和約4. OX 105Nm/kg以上的比強度。


圖1為Ti41Zr25Be32A12非晶合金的X射線衍射圖譜；圖2為Ti41Zr25Be30A14非晶合金的X射線衍射圖譜；圖3為Ti41Zr25Be29A15非晶合金的X射線衍射圖譜；圖4為Ti41Zr25Be28A16非晶合金的X射線衍射圖譜；圖5為Ti41Zr25Be26A18非晶合金的X射線衍射圖譜；圖6為Ti41Zr25Be24A110非晶合金的X射線衍射圖譜；圖7為Ti40Zr26Be29A15非晶合金的X射線衍射圖譜；圖8為Ti43Zr2;3Be29A15非晶合金的X射線衍射圖譜；圖9為Ti46Zr20Be29A15非晶合金的X射線衍射圖譜；圖10為Ti41Zr25-XBe34AlX非晶合金的X射線衍射圖譜；圖11為各實施例非晶合金的熱分析曲線，包括圖11(a)、圖11(b)和圖11(c)；圖12為各實施例非晶合金的單軸壓縮應力應變曲線，包括圖12(a)、圖12(b)和圖 12(c)。
具體實施例方式本發明高比強度輕質鈦基非晶合金，其組成表達式為TiaZrbBe。Ald，a、b、c、d均為原子百分數，40彡a彡46，19彡b彡26,22彡c彡34，0彡d彡12，且a、b、c、d之和為100。 上述鈦基非晶合金，通過添加適量的鋁(Al)元素、調整鈦(Ti)和鋯(Zr)元素的比例，可顯著提高屈服強度和比強度(此處比強度採用「壓縮屈服強度/密度」進行計算)。鈦基非晶合金TiaZrbBeeAld可以是Ti41&25Bii34_xAlx，其中，0 < χ彡10，Ti的原子百分數為41，Zr的原子百分數為25，Be的原子百分數為M 34，A1的原子百分數為0 10 ；或者，鈦基非晶合金TiaZrbBeeAld可以為Ti43_xZr23+xB%9Al5，其中，0彡χ彡3，Ti的原子百分數為40 46， Zr的原子百分數為20 ^5，Be的原子百分數為29，Al的原子百分數為5 ；或者，鈦基非晶合金TiaZrbBeeAld為Ti41Zr25_xBe34Alx，其中，0 < χ彡6，Ti的原子百分數為41, Zr的原子百分數為19 25，Be的原子百分數為34，Al的原子百分數為0 6。上述鈦基非晶合金臨界尺寸大，至少為2mm。高比強度輕質鈦基非晶合金TiaZrbBeeAld的製備方法，是按照下列步驟進行的1、按通式TiaZrbBeeAld組成轉換成質量百分比進行合金配料配置，其中，a、b、c、d 均為原子百分數，40 ^ a^ 46,19 ^b ^ 26,22 ^ c ^ 34,0 ^ d^ 12，且 a、b、c、d 之和
4為 100 ；2、在高真空和氬氣保護條件下，將所述合金配料熔煉為母合金；3、將熔化後母合金吸鑄或噴鑄到銅模中，急冷得到鈦基非晶合金。下面參考附圖和優選實施例，對本發明的技術方案做進一步詳細描述。實施例1製備Ti41^25Be32Al2塊體非晶合金材料第一步，將合金配料按Ti41^25Be32Al2的原子百分比成分轉化為質量百分比，用精確度0. OOOlg的高精度天平計量合金配料，選取純度為99. 4%的鈦棒、純度為99. 7%的鋯棒、純度為99. 99%的鈹塊和純度為99. 99%的鋁片進行合金配料配置。採用較低純度的鈦棒和鋯棒代替相應高純合金配料，有利於節約生產成本。第二步，在高真空和氬氣保護條件下，將上述合金配料通過電弧熔煉或感應熔煉製備母合金錠。第三步，將熔化後母合金吸鑄或噴鑄到銅模中，急冷得到鈦基非晶合金棒材、板材或其他形狀樣品。第四步，檢測鈦基非晶合金的非晶態結構和熱力學性能數據。採用本優選方式，製備的鈦基非晶合金棒直徑至少為5mm。以下為測試結果，如圖1所示，採用X射線衍射表徵鈦基非晶合金樣品的非晶態結構，所製備的鈦基非晶合金樣品具有非晶態結構；如圖11. (a)和表1所示，採用差熱掃描量熱儀(DSC)測合金的熱力學性能數據，其非晶轉變溫度1； = 6181(，起始晶化溫度TX = 67;3K， 過冷液相溫度區間ΔΤ = 55Κ。表1為各實施例非晶合金的熱力學性能數據及非晶形成臨界尺寸
權利要求
1.一種高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於組成表達式為TiaZrbBeeAld,所述a、 b、c和d為原子百分數，其中，40彡a彡46，19彡b彡26,22彡c彡34,0彡d彡12，且a、 b、c、d之和為100。
2.如權利要求1所述的高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於所述組成表達式具體為Ti41&25Bi334_xAlx，其中，0 < x^ 10, Ti的原子百分數為41，Zr的原子百分數為25，Be 的原子百分數為M 34，Al的原子百分數為0 10。
3.如權利要求1所述的高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於所述組成表達式具體為Ti43_x&23+xBe29Al5，其中，0彡χ彡3，Ti的原子百分數為40 46，Zr的原子百分數為 20 26，Be的原子百分數為29，Al的原子百分數為5。
4.如權利要求1所述的高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於所述組成表達式具體為Ti41Zr25_xB%4Alx，其中，0 < χ彡6，Ti的原子百分數為41 ；Zr的原子百分數為19 25 ； Be的原子百分數為34 ；Al的原子百分數為0 6。
5.如權利要求1所述的高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於按照所述組成表達式TiaZrbBecAld的質量百分比進行合金配料的配置，在高真空和氬氣保護條件下，將所述合金配料熔煉為母合金，將熔化後母合金吸鑄或噴鑄到銅模中，急冷得到鈦基非晶合金。
6.如權利要求5所述的高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於所述鈦基非晶合金的臨界尺寸至少為2mm。
7.如權利要求5所述的高比強度輕質鈦基非晶合金，其特徵在於所述合金配料選用純度為99. 4%鈦棒、純度為99. 7%鋯棒。
全文摘要
本發明公開了一種高比強度輕質鈦基非晶合金，組成通式為TiaZrbBecAld；a、b、c、d均為原子百分數，40≤a≤46，19≤b≤26，22≤c≤34，0≤d≤12，且a、b、c、d之和為100。本發明具有較大的臨界尺寸、高的比強度和綜合力學性能較好的特點，適用於航空航天等諸多領域。
文檔編號C22C45/10GK102268618SQ20111021891
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月1日 優先權日2011年8月1日
發明者姚可夫, 龔攀 申請人:清華大學