[发明专利]球晶增韧的非晶基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料制备技术领域，具体而言涉及通过一种新方法——半固态保温复合液态金属定向凝固法制备球晶增韧的非晶基复合材料。

技术背景

块体非晶合金由于其较高的弹性极限、较大的拉伸和压缩强度以及较强的抗腐蚀能力等诸多特性引起了众多材料科学工作者的关注。然而，绝大多数块体非晶合金在室温下承载时，表现出脆性断裂，这是由于其在变形过程中形成了高度局域化的剪切带所造成的，当进一步变形时这些剪切带软化，最终在软化的剪切面上发生断裂，限制了块体非晶的工程应用【1】。因此，一些研究者通过成分调节和控制冷速使得合金熔体在冷却时先析出塑性晶体相，在后继冷却过程中剩余熔体形成非晶基体制得了内生晶体非晶复合材料。此类材料在承受载荷时晶体相阻止了单一剪切带贯穿整个试样，并促成了多重剪切带的形成，最终提高了材料的塑性。

通常，内生晶体增塑的非晶复合材料都是通过铜模吸铸的方法制得，铜模吸铸属于极端冷却，且沿棒状试样直径方向的冷却速率不可控制，这样制备得到的材料的组织在径向存在梯度，晶体相在非晶基体上的分布不均匀，而通常非晶的使用都是棒材，这样组织不均匀会导致力学性能不均匀，而影响其作为结构材料的使用；此外，吸铸法的冷却速度是固定的，不能调节，不利于材料制备的工业化。为了解决非晶复合材料组织均匀的问题，研究人员发明了定向凝固法【2】和半固态成型法【3】制备非晶基复合材料。这里作简要介绍，定向凝固法：将样品放入石英管或者刚玉管中加热到完全融化，选取不同的抽拉速度进行定向凝固，凝固过程中散热沿着棒材的轴向方向，因此样品内部的冷却速度是均匀的，这样得到的非晶基复合材料组织均匀；半固态成型法：由于非晶基体和析出的第二相熔点不同(非晶基体的熔点比第二相晶体的低)，将原材料加热两个熔点区间的某一温度保温使得组织均匀化，然后瞬间中断热源，使得液体经过一定的冷却速度形成非晶基体。目前通过这两种方法合成的内生晶相的形貌均是树枝状的，由于树枝晶组织比较细小，受力过程中对剪切带的扩展阻碍作用较小，导致材料的塑韧性均比较低。如果使材料的内生枝晶的形貌由树枝状表现为球状，将会大大改善材料的室温塑性。

发明内容

针对该技术问题，本发明提出了采用半固态保温球化复合液态金属冷却定向凝固法制备成分为Zr_aTi_bNb_cCu_dNi_eBe_f的球晶增韧非晶基复合材料，其中a，b，c，d，e，f表示原子百分比且a+b+c+d+e+f＝100。该该制备方法的特征在于包括以下步骤：选用Zr，Ti，Cu，Ni，Be和Nb作为原料，按照Zr_aTi_bNb_cCu_dNi_eBe_f的原子成分进行配比；用高真空非自耗电弧熔炼炉并在99.999％的高纯Ar保护下将原料熔炼成母合金纽扣锭；将铸锭机械打碎装入刚玉管中，抽真空并在99.999％的高纯Ar保护下，用定向凝固炉的感应线圈加热刚玉管至1200℃，1分钟后降温至900℃-920℃；在900℃-920℃保温10分钟；进行定向凝固，轴向温度梯度为45K/min，抽拉速度选取为0.2-1.0mm/s，冷却介质为Ga-In液态合金。

球晶增韧非晶基复合材料的成分最好是Zr_60.0Ti_14.7Nb_5.3Cu_5.6Ni_4.4Be_10.0。选用原料Zr，Ti，Cu，Ni，Be和Nb的纯度最好是高于99.9％。刚玉管的内径可以选为3mm，壁厚可以选为1mm。

采用本发明方法制备得到的非晶复合材料强度高，断裂塑性好，展现出非常优异的力学性能，非常适于工业生产应用。

附图说明

图1是定向凝固原理示意图；

图2A是保温10分钟的直径为3mm的棒状Zr_60.0Ti_14.7Nb_5.3Cu_5.6Ni_4.4Be_10.0试样的金相显微组织，其抽拉速度为0.2mm/s，其中插图为局部放大图；