[发明专利]块状非晶基复合材料铸态韧性相晶体球状化的方法及其专用装置

说明书

技术领域

本发明属于非晶及其复合材料领域，特别涉及一种块状非晶基复合材料铸态韧性相晶体球状化的方法及其专用装置。 

背景技术

块状非晶合金由于具有极高的断裂强度、弹性极限、断裂韧性以及优良的动态压缩性等独特的力学性能，受到国内外学者的广泛关注，已被成功地用作高尔夫球杆等体育器材。但与以往的条带等非晶合金相同，块状非晶合金在室温下的变形是通过形成高度局域化的剪切带进行的，整个变形量取决于剪切带的数量。虽然在每一个剪切带内部局部塑性变形量非常大，但在平面应力即无约束条件下(如单向拉伸)，在失效前仅有很少一部分剪切带被激活，破坏会沿着单一剪切带横穿试样截面，导致试样突然失效而没有宏观塑性变形的产生，表现为脆性材料的特征，这就限制这种材料作为结构材料使用。 

要使非晶合金能够产生大量、均匀的塑性变形就应设法增加剪切带的数量，最有效的方法是在非晶合金中引入晶态金属，组成晶态金属/非晶基复合材料。制备方法有外加复合和内生复合两种，外加复合存在外加颗粒与基体发生界面反应、润湿性差、热膨胀与比密度不相容及带入污染等缺点。内生复合也有两种不同的制备方法，一种为对块状非晶合金进行部分晶化处理，在非晶基体上析出细小而均匀的初生相。这种相一般为脆性的金属间化合物，只能有限提高强度，并不能提高塑性，许多使塑性下降。另一种内生复合方法是在熔体冷却过程中控制冷却条件，在非晶基体上铸态原位析出韧性晶态相，不同程度地提高了材料的塑性变形能力。其中尤以在非晶基体上析出bcc-β等韧性固溶体相塑韧化效果最好。如在Zr-Ti-Cu-Ni-Be块状非晶形成成分基础上加入Nb元素在非晶基体上铸态原位析出微米尺度的bcc-βZr(Ti、Nb)树枝晶固熔体，最大压缩应变率达8.26％。 

虽然铸态韧性相增强非晶基复合材料韧性和塑性得到明显改善，但由于块状非晶及其复合材料都是采用金属型、水淬等激冷铸造方法制备，在液态下先析出 的韧性相的形状大多为树枝状，少量为星状或花瓣状，且分布极不均匀，这将不利于非晶力学性能尤其是塑韧性的改善。另外，这类韧性相的形成、大小及分布受冷却速度的影响很大。即使在只有 3mm的截面上韧性相的分布也很不均匀，只在心部形成，其余为非晶相；Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Al合金除生成bccβ-Ti型韧性相外，在心部还出现脆性的准晶和纳米晶。这些都是截面各处冷却速度不同造成的。韧性相的形状同样受冷却速度影响，对于Ti50Cu23Ni20Sn7非晶基复合材料，直径为2mm试样断面的β相为细小的枝晶状和粒状，当直径增加到3mm后变为花瓣枝晶状。 

综上，采用目前的制备方法制得的铸态韧性相增强非晶基复合材料中的韧性相的形成、形状、大小及分布状况不利于材料力学性能的大幅提高。这涉及到改变先析出韧性相的形核和长大方式即凝固方式。但有关这方面的研究鲜有报道。最近，南京理工大学鉴于内生晶体相形貌对复合材料性能影响显著，设计了内生塑性球晶/BMG复合材料的组织结构和制备方法。它采用具有强玻璃形成能力的合金成分，在保护气氛下熔炼成母合金锭，然后将母合金锭破碎，置于真空加热炉中的石英管中，石英管的底部带有小孔，抽真空后，通入保护气氛将合金加热熔化，再将合金熔体铸入水冷铜模，制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样，然后再将塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样剪成条状，装入石英管中，抽真空后，装石英管置于900～950℃的保温炉中，等温5～10分钟，水淬后得到塑性球晶/BMG复合材料，球晶相的平均直径和体积分数分别约为18μm和30％。室温压缩时，这种含球晶的复合材料屈服强度和断裂塑性应变分别达到1325MPa和12.0％，与化学成分相同并含有相同体积分数β相树枝晶/BMG复合材料相比，屈服强度和断裂塑性应变分别提高了13％和20％。但这种复合材料中β相球状晶需经过熔炼母合金锭，制备β相树枝晶/BMG复合材料板状试样，进行二次加热，在固液两相区进行等温处理等多道工序才能获得，工序多，升温、保温时间长，增加了熔体污染的机会。且只能制备水淬试样，即只适用于制备非晶形成能力很强的合金体系。另外，该类复合材料所具有的仍然是压缩塑性，离工程应用仍有距离。 

发明内容

本发明的目是解决现有技术中存在的问题，提供一种初晶球化效率高、球化与组织易控制、工艺简单、处理时间短、合金污染少的块状非晶基复合材料铸态韧性相晶体球状化的方法及其专用装置。

本发明的块状非晶基复合材料铸态韧性相晶体球状化的方法包括以下工艺步骤：