[发明专利]一种Ti基高熵非晶-枝晶复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种Ti基高熵非晶‑枝晶复合材料的制备方法，主要是利用真空电弧炉对预先设计好的合金配比Ti₂₀Zr₂₀Hf₂₀Nb₁₀Cu₁₀Be₂₀进行合金化，包括以下步骤：按照Ti₂₅Zr₂₅Hf₂₅Nb₂₅原子配比称取纯度大于等于99.9％的各单质元素并熔炼得到第一中间合金，然后按照Ti_16.67Zr_16.67Hf_16.67Cu_16.67Be_33.32原子配比称取各单质元素并熔炼得到第二中间合金，最后将第一中间合金和第二中间合金混合熔炼并吸铸得到高熵非晶‑枝晶复合材料Ti₂₀Zr₂₀Hf₂₀Nb₁₀Cu₁₀Be₂₀。本发明制备方法简单，易于操作，得到的复合材料压缩性能显著提高，该方法适用于工业生产和推广。

技术领域

本发明涉及非晶复合材料或高熵合金技术领域，具体为一种Ti基高熵非晶-枝晶复合材料的制备方法。

背景技术

非晶合金，又称为金属玻璃，是一种具有诸多新奇性能的材料。非晶态是指物质内部原子结构处于长程无序、短程有序的排列状态。不同于传统氧化物玻璃，非晶合金中原子间结合键是金属键，而非共价键。由于其独特的无序结构使得其不具有晶体材料中位错、空位等缺陷，因此，非晶合金具有优异的力学、物理和化学性能，例如高的强度(约为1/50杨氏模量)、高的耐腐蚀性、优异的磁学性能及一定温度下的超塑性。这些优异的物理化学和力学特性以及良好的成形特性，使得非晶合金在电子、电力、化工、航空、航天、机械和微电子等领域具有广阔的应用空间。然而非晶合金的室温脆断和稳定性严重制约了其工程应用。

传统的非晶合金通常具有一个主元素，近年来，由五种或者五种以上元素按照等原子比或近似等原子比合金化形成的非晶合金称为高熵非晶合金。高熵非晶合金除了具有上述提到的非晶合金的优点以外，其高熵效应使得高熵非晶相比于传统非晶合金具有更高的强度，以Ti-Zr-Ni-Cu-Be体系为例， Ti₂₀Zr₂₀Ni₂₀Cu₂₀Be₂₀高熵非晶压缩强度可达2300MPa，而相同体系的传统非晶合金压缩强度最大仅2000MPa；高熵非晶相比于传统非晶具有的另一优点在于其热稳定性更好，即相同条件下高熵非晶由非晶态结构转变为晶体结构所需要的时间更长。这些优异的物理和力学性能使得高熵非晶合金成为一种潜在的工程结构材料。

高熵非晶合金可以作为一种新的结构材料使用，还必须要求其具有一定的塑性，以保证使用的安全性。但是直到2017年，已有的文献表明，几乎所有的高熵非晶合金都具有很低的塑性。通常认为限制高熵非晶塑性的主要原因是其缺乏晶体材料中的位错滑移、孪生等塑性变形机制，在变形过程中高熵非晶会发生高度局域化的单一剪切变形，并沿着剪切带发生脆性断裂。通常大部分高熵非晶合金在拉伸状态下其塑性应变几乎为零，压缩状态下塑性应变也小于 2％。正因为很难获得高强韧的高熵非晶材料，近年来对提高高熵非晶合金韧性的研究越来越多。

通常，在传统非晶结构中引入原位析出第二相是获得高强韧非晶材料的一种有效途径。原理是利用原位生成的第二相抑制单一剪切带的失稳扩展，促进其多重分叉和扩展，这一过程使得非晶合金内存在大量不同取向的剪切带从而提供了有效的塑性变形能力。所以在非晶合金内原位形成第二相枝晶是非常有利于力学性能的提高的。