專利名稱：塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法及其專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非晶及其復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài) 韌性相晶體球狀化的方法及其專用裝置。
背景技術(shù)：
塊狀非晶合金由于具有極高的斷裂強度、彈性極限、斷裂韌性以及優(yōu)良的動 態(tài)壓縮性等獨特的力學(xué)性能，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，已被成功地用作高爾 夫球桿等體育器材。但與以往的條帶等非晶合金相同，塊狀非晶合金在室溫下的 變形是通過形成高度局域化的剪切帶進行的，整個變形量取決于剪切帶的數(shù)量。 雖然在每一個剪切帶內(nèi)部局部塑性變形量非常大，但在平面應(yīng)力即無約束條件下 (如單向拉伸)，在失效前僅有很少一部分剪切帶被激活，破壞會沿著單一剪切帶 橫穿試樣截面，導(dǎo)致試樣突然失效而沒有宏觀塑性變形的產(chǎn)生，表現(xiàn)為脆性材料 的特征，這就限制這種材料作為結(jié)構(gòu)材料使用。
要使非晶合金能夠產(chǎn)生大量、均勻的塑性變形就應(yīng)設(shè)法增加剪切帶的數(shù)量， 最有效的方法是在非晶合金中引入晶態(tài)金屬，組成晶態(tài)金屬/非晶基復(fù)合材料。制 備方法有外加復(fù)合和內(nèi)生復(fù)合兩種，外加復(fù)合存在外加顆粒與基體發(fā)生界面反應(yīng)、 潤濕性差、熱膨脹與比密度不相容及帶入污染等缺點。內(nèi)生復(fù)合也有兩種不同的 制備方法， 一種為對塊狀非晶合金進行部分晶化處理，在非晶基體上析出細(xì)小而 均勻的初生相。這種相一般為脆性的金屬間化合物，只能有限提高強度，并不能 提高塑性，許多使塑性下降。另一種內(nèi)生復(fù)合方法是在熔體冷卻過程中控制冷卻 條件，在非晶基體上鑄態(tài)原位析出韌性晶態(tài)相，不同程度地提高了材料的塑性變 形能力。其中尤以在非晶基體上析出bcc-P等韌性固溶體相塑韌化效果最好。如 在Zr-Ti-Cu-Ni-Be塊狀非晶形成成分基礎(chǔ)上加入Nb元素在非晶基體上鑄態(tài)原位析 出微米尺度的bcc-J3Zr(Ti、 Nb)樹枝晶固熔體，最大壓縮應(yīng)變率達(dá)8.26%。
雖然鑄態(tài)韌性相增強非晶基復(fù)合材料韌性和塑性得到明顯改善，但由于塊狀 非晶及其復(fù)合材料都是采用金屬型、水淬等激冷鑄造方法制備，在液態(tài)下先析出的韌性相的形狀大多為樹枝狀，少量為星狀或花瓣狀，且分布極不均勻，這將不 利于非晶力學(xué)性能尤其是塑韌性的改善。另外，這類韌性相的形成、大小及分布 受冷卻速度的影響很大。即使在只有cp3mm的截面上韌性相的分布也很不均勻， 只在心部形成，其余為非晶相；Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Al合金除生成bcc(3-Ti型韌性相 外，在心部還出現(xiàn)脆性的準(zhǔn)晶和納米晶。這些都是截面各處冷卻速度不同造成的。 韌性相的形狀同樣受冷卻速度影響，對于Ti50Cu23Ni20Sn7非晶基復(fù)合材料，直 徑為2mm試樣斷面的J3相為細(xì)小的枝晶狀和粒狀，當(dāng)直徑增加到3mm后變?yōu)榛?瓣枝晶狀。
綜上，采用目前的制備方法制得的鑄態(tài)韌性相增強非晶基復(fù)合材料中的韌性 相的形成、形狀、大小及分布狀況不利于材料力學(xué)性能的大幅提高。這涉及到改 變先析出韌性相的形核和長大方式即凝固方式。但有關(guān)這方面的研究鮮有報道。 最近，南京理工大學(xué)鑒于內(nèi)生晶體相形貌對復(fù)合材料性能影響顯著，設(shè)計了內(nèi)生 塑性球晶/BMG復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和制備方法。它采用具有強玻璃形成能力的 合金成分，在保護氣氛下熔煉成母合金錠，然后將母合金錠破碎，置于真空加熱 爐中的石英管中，石英管的底部帶有小孔，抽真空后，通入保護氣氛將合金加熱 熔化，再將合金熔體鑄入水冷銅模，制備出塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃復(fù)合材料板 狀試樣，然后再將塑性樹枝晶/大塊金屬玻璃復(fù)合材料板狀試樣剪成條狀，裝入石 英管中，抽真空后，裝石英管置于900 95(TC的保溫爐中，等溫5 10分鐘，水淬 后得到塑性球晶/BMG復(fù)合材料，球晶相的平均直徑和體積分?jǐn)?shù)分別約為18pm和 30%。室溫壓縮時，這種含球晶的復(fù)合材料屈服強度和斷裂塑性應(yīng)變分別達(dá)到 1325MPa和12.0%，與化學(xué)成分相同并含有相同體積分?jǐn)?shù)P相樹枝晶/BMG復(fù)合 材料相比，屈服強度和斷裂塑性應(yīng)變分別提高了 13%和20%。但這種復(fù)合材料中 P相球狀晶需經(jīng)過熔煉母合金錠，制備P相樹枝晶/BMG復(fù)合材料板狀試樣，進行 二次加熱，在固液兩相區(qū)進行等溫處理等多道工序才能獲得，工序多，升溫、保 溫時間長，增加了熔體污染的機會。且只能制備水淬試樣，即只適用于制備非晶 形成能力很強的合金體系。另外，該類復(fù)合材料所具有的仍然是壓縮塑性，離工 程應(yīng)用仍有距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種初晶 化效率高、球化與組織易控制、工藝簡單、處理時間短、合金污染少的塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài) 韌性相晶體球狀化的方法及其專用裝置。
本發(fā)明的塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法包括以下工藝步
驟
(1) 選取具有非晶形成能力、在鑄態(tài)能原位析出固溶體型韌性晶態(tài)相的合金， 作為制備球形韌性相增韌非晶基復(fù)合材料的成分，將該合金成分在保護氣氛下熔 煉成母合金錠；
(2) 將母合金錠破碎成合金塊，放入石英玻璃管中；
(3) 抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5xlO^Pa后，對合金塊加熱，合金塊熔化后溫度 達(dá)到液相線溫度以上50 7(TC，停止加熱，保溫2 10分鐘，得到過熱熔體；
(4) 然后將該熔體降溫至液相線溫度以上5 1(TC，得到低過熱度熔體；
(5) 對低過熱度熔體施加電磁攪拌，攪拌的同時，熔體冷卻至合金液相線溫 度以下5 35t:，應(yīng)高于共晶轉(zhuǎn)變溫度，得到含有球狀或粒狀初晶的低溫熔體；
(6) 將該低溫熔體淬入水淬池中，或者用氬氣將其噴入金屬型銅模中，繼續(xù) 電磁攪拌直至熔體完全凝固，即得到含有球狀或粒狀初晶的非晶基體復(fù)合材料。
所述的復(fù)合材料組成元素的原料純度為99~99.999%。
一種實施上述塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法的制備水淬 試樣的專用裝置，包括加熱爐、石英玻璃管、測溫裝置及水淬池，加熱爐由加熱 元件、耐火材料層、絕緣保溫材料層及上蓋構(gòu)成，其特殊之處是，在加熱爐和水 淬池的外面裝有電磁攪拌器，在石英玻璃管上接有與真空泵相連接的真空橡膠管。
在耐火材料層構(gòu)成的爐腔下部有一個底部保溫層，加熱時裝入，降溫時取下。
一種實施上述塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法的制備金屬 型銅模試樣的專用裝置，包括真空室、加熱爐、敞口石英玻璃管、測溫裝置及金 屬型銅模，加熱爐由加熱元件、耐火材料層、絕緣保溫材料層及上蓋構(gòu)成，敞口 石英玻璃管的上端有一個氬氣噴管，其特殊之處是，在加熱爐和金屬型銅模的外 面裝有電磁攪拌器。
本發(fā)明的優(yōu)點在于-
1、初晶球化效率高，球化與組織易控制，由于電磁攪拌的作用，熔體中心與 邊緣溫度趨于一致，當(dāng)溫度下降至液相線以下時，晶體將從整個斷面的液相中均勻析出。隨著溫度的進一步下降，晶體長大，電磁攪拌的作用可消除固相凝固前 沿在液相中的成分過冷，使晶體不易長成枝晶而成為等軸晶，電磁攪拌又加速了 等軸晶伸長部分根部的熔斷、分離，剩余部分保留下來形成球形或近球性，熔斷、 分離部分長大成為新的結(jié)晶核心，使晶核的數(shù)目增加。熔體在液相線溫度以下的 連續(xù)冷卻保證了細(xì)小晶體高的存活率，這樣在熔體液固區(qū)域一定時期的過冷和電 磁攪拌雙重作用下，較快地形成了球狀或近球狀并均勻布滿整個熔體斷面，獲得 了高的球化效率，只要淬火或噴鑄溫度不低于共晶溫度，隨后的激冷就可保證剩 余熔體只形成非晶和部分球狀或近球狀韌性晶，而不析出脆性相，因此，球化溫 度范圍較寬，易控制，且本發(fā)明在整個熔體中包括邊緣析出晶態(tài)相及在淬火或噴 鑄后繼續(xù)施加電磁攪拌，形成溫度、濃度均一效應(yīng)，避免或減小了在試樣表層形 成全非晶、心部形成脆性相等現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性。
2、 適用范圍廣，適應(yīng)性強，既可用于制備水淬試樣，又可用于制備金屬型銅 模試樣，使非晶形成能力不很強的合金制備塊狀鑄態(tài)球狀韌性相增韌非晶基復(fù)合 材料成為可能；可廣泛適應(yīng)于鋯基、鈦基、鎂基、銅基、鎳基、鐵基、鉆基及稀 土基等合金的塊狀鑄態(tài)球狀韌性相增韌非晶基復(fù)合材料的制備，采用鋯基和鈦基 等合金可制得具有大的拉伸塑性的非晶基復(fù)合材料；所制得的復(fù)合材料既可用作 零件的毛坯，也可作為過冷液相區(qū)壓力加工近終形零件的原始坯料。由于這種坯 料所含的晶體為球狀或粒狀非枝晶，在過冷液相區(qū)進行壓力加工時比枝晶組織阻 力小，易流變，有利于復(fù)雜、薄壁件的成型，擴大了該類材料及工藝的使用范圍。
3、 工序簡單，處理時間短，合金污染少，制得母合金錠后將其熔化成熔體、 降溫、攪拌至淬火， 一次完成。與二次加熱的等溫處理相比，工序少，合金液存 在的次數(shù)少，且在電磁攪拌力作用下，初生晶體球化、均勻化時間短，減少了合 金以液相存在的時間，合金受到的污染少，減小了由于復(fù)合材料初晶球化處理使 其基體非晶形成能力下降的可能性。
4、 有利于提高非晶形成能力和充型能力，由于本發(fā)明的熔體淬水或噴入金屬 型的溫度在液相線以下，熔體溫度低，在金屬熔體淬入水中或噴入銅模后，水或 金屬型升溫慢，使熔體在更大范圍內(nèi)的過冷度增大，有利于在更大截面獲得非晶基 體。另一方面，在凝固冷卻過程中繼續(xù)施加電磁攪拌，使熔體產(chǎn)生強迫對流，可 減小熔體與石英管壁或銅模壁的接觸熱阻，提高熔體的冷卻速度；熔體強烈對流的結(jié)果還使試樣整個斷面溫度趨于一致，加快了試樣中心熔體的散熱，使試樣整 個斷面各點濃度趨于一致。這些也有利于在更大截面獲得非晶基體。另外，熔體 強烈對流增加了金屬熔體的充型能力，使含有一定體積分?jǐn)?shù)固態(tài)晶體相的熔體能 夠順利充型，形成完整試樣。


圖1是本發(fā)明制備水淬試樣的專用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明制備金屬型銅模試樣的專用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
實施例1:
制備ZrTi塊狀鑄態(tài)韌性球狀晶/非晶基復(fù)合材料水淬試樣的工藝步驟如下
(1) 選取具有非晶形成能力、在鑄態(tài)能原位析出固溶體型韌性晶態(tài)相的合金， 作為制備球形韌性相增韌非晶基復(fù)合材料的成分，例如，取原料純度為99.9%的 Zr、 Ti、 Nb、 Cu、 Be的純金屬原材料，選取Zr37Ti32Nb7Cu6Be18為合金成分，確 保能夠獲得在非晶基體上分布韌性晶態(tài)相的組織，且室溫下具有大的拉伸塑性， 將該合金成分在Ti吸收和高純氬氣保護條件下熔煉成母合金錠，為使母合金成分 均勻，應(yīng)熔煉四遍以上，制得母合金錠；
(2) 將母合金錠破碎成合金塊，放入直徑為8毫米， 一端封閉的石英玻璃管 中，合金塊的大小能放入石英玻璃管即可；
(3) 石英玻璃管的另一端接真空泵抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5xl0—卞a后，將石 英玻璃管插入加熱爐中，對合金塊加熱，合金塊熔化后溫度達(dá)到液相線溫度以上 50~70°C，即940。C，停止加熱，保溫2 10分鐘，得到過熱熔體；
(4) 然后將該熔體自然降溫至液相線溫度以上5~10°C，即8卯'C，得到低過
熱度熔體；
(5) 對石英玻璃管內(nèi)的低過熱度熔體施加電磁攪拌，電磁攪拌的頻率為50Hz， 功率為3.8KW，攪拌的同時，熔體自然冷卻至合金液相線溫度以下5~35°C，即 855°C，應(yīng)高于共晶轉(zhuǎn)變溫度，得到含有球狀或粒狀初晶的低溫熔體；
(6) 將石英玻璃管中的低溫熔體淬入水淬池中，繼續(xù)電磁攪拌直至熔體完全 凝固，即得到含有球狀或粒狀初晶的非晶基體復(fù)合材料水淬試樣。
實施例2:
7制備Zr塊狀鑄態(tài)韌性球狀晶/非晶基復(fù)合材料金屬型銅模試樣的工藝步驟如
下
(1) 選取具有非晶形成能力、在鑄態(tài)能原位析出固溶體型韌性晶態(tài)相的合金，
作為制備球形韌性相增韌非晶基復(fù)合材料的成分，例如，取原料純度為99.9%的 Zr、 Ti、 Nb、 Cu、 Ni、 Be的純金屬原材料，選取Zrs7TinNb5Cu7Ni6Be!2為合金成分， 確保能夠獲得在非晶基體上分布韌性晶態(tài)相的組織，將該合金成分在Ti吸收和高 純氬氣保護條件下熔煉成母合金錠，為使母合金成分均勻，應(yīng)熔煉四遍以上，制 得母合金錠；
(2) 將母合金錠破碎成合金塊，放入直徑為20毫米底部有一小孔的敞口石英 玻璃管中，合金塊的大小能放入石英玻璃管即可；
(3) 關(guān)閉真空室，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5xl(T3Pa后，加熱爐接通電源，對 石英玻璃管內(nèi)合金塊加熱，合金塊熔化后溫度達(dá)到液相線溫度以上50 70°C，即 94(TC，停止加熱，保溫2 10分鐘，得到過熱熔體；
(4) 然后將該熔體自然降溫至液相線溫度以上5~10°C，即890°C，得到低過 熱度熔體；
(5) 對石英玻璃管內(nèi)的低過熱度熔體施加電磁攪拌，電磁攪拌的頻率為50Hz， 功率為3.8KW，攪拌的同時，熔體自然冷卻至合金液相線溫度以下5~35°C,即 87(TC，應(yīng)高于共晶轉(zhuǎn)變溫度，得到含有球狀或粒狀初晶的低溫熔體；
(6) 用壓力為0.01 0.05MPa的高純氬氣將石英玻璃管中的低溫熔體噴入內(nèi)腔 直徑5毫米、長60毫米的金屬型銅模中，繼續(xù)電磁攪拌直至熔體完全凝固，即得 到含有球狀或粒狀初晶的非晶基體復(fù)合材料銅模試樣。
上述實施例是將具有一定非晶形成能力和能夠形成韌性固熔體先析出相的 Zr、 Ti基、Zr基等亞共晶合金熔煉成母合金錠，再將該錠熔化為一過熱熔體，然 后該過熱熔體在電磁攪拌下進行凝固，析出并形成球狀或近球狀晶，與剩余熔體 一起淬入水中或噴入金屬型銅模中，得到非晶基體上均勻分布球狀或粒狀固熔體 初晶組織。
下面對實施上述塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法制備水淬 試樣的專用裝置進行詳細(xì)說明
如圖1所示，本發(fā)明包括加熱爐、石英玻璃管7、測溫裝置10及水淬池2，石英玻璃管7的上端敞口，下端封閉，母合金塊裝于石英玻璃管7中；加熱爐由
加熱元件6、耐火材料層5、絕緣保溫材料層4及上蓋8構(gòu)成，加熱元件6為電阻 加熱元件，也可以是感應(yīng)加熱元件；水淬池2位于加熱爐的下面，可方便地送入 或取出；石英玻璃管7安裝在上蓋8上，加熱時位于上蓋8上，冷卻時可伸入到 水淬池2中；在加熱爐和水淬池2的外面裝有電磁攪拌器3，所述的電磁攪拌器3 是兩極多相交流電機錠子及其改進型或多相交流攪拌繞組，電磁攪拌器3的電源 頻率在10-500Hz范圍，電壓在5-380V范圍，電流在5-40A范圍，以對石英玻 璃管7中的熔體進行攪拌，在熔體內(nèi)產(chǎn)生球狀或粒狀初晶，所述的電磁攪拌器3 安裝在鋼架1上；在石英玻璃管7上端的敞口上接有與真空泵相連接的真空橡膠 管9，以便于對石英玻璃管7抽真空；在耐火材料層5構(gòu)成的爐腔下部有一個底 部保溫層11，保溫層11為巖棉或炭纖維等柔軟的保溫材料，以便于在熔煉獲得 過熱熔體后將其取下，加速冷卻。
下面對實施上述塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法制備金屬 型銅模試樣的專用裝置進行詳細(xì)說明
如圖2所示，本發(fā)明包括真空室12、加熱爐、敞口石英玻璃管15、測溫裝置 10及金屬型銅模16，加熱爐由加熱元件6、耐火材料層5、絕緣保溫材料層4及 上蓋8構(gòu)成；敞口石英玻璃管15的上端敞口，下端有一個小孔，在無外界壓力時 熔體并不能從該小孔中流出，所述有敞口石英玻璃管15固定在上蓋8上，在敞口 石英玻璃管15的上端有一個氬氣噴管14,氬氣噴管14的一端伸入到敞口石英玻 璃管15中，另一端伸出真空室2外，與氬氣氣源相連接，以便于在熔煉結(jié)束后 利用氬氣將敞口石英玻璃管15中的熔體從下端的小孔中吹出；在加熱爐和金屬型 銅模16的外面裝有電磁攪拌器3，所述的金屬型銅模16位于加熱爐的下面、電 磁攪拌器3的里面，以便于電磁攪拌器3對其中的熔體進行電磁攪拌；金屬型銅 模16及電磁攪拌器3安裝在托板13上。
權(quán)利要求
1、一種塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法，其特征在于，它是按照以下工藝步驟實現(xiàn)的(1)選取具有非晶形成能力、在鑄態(tài)能原位析出固溶體型韌性晶態(tài)相的合金，作為制備球狀韌性相增韌非晶基復(fù)合材料的成分，將該合金成分在保護氣氛下熔煉成母合金錠；(2)將母合金錠破碎成合金塊，放入石英玻璃管中；(3)抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3Pa后，對合金塊加熱，合金塊熔化后溫度達(dá)到液相線溫度以上50～70℃，停止加熱，保溫2～10分鐘，得到過熱熔體；(4)然后將該熔體降溫至液相線溫度以上5～10℃，得到低過熱度熔體；(5)對低過熱度熔體施加電磁攪拌，攪拌的同時，熔體冷卻至合金液相線溫度以下5～35℃，應(yīng)高于共晶轉(zhuǎn)變溫度，得到含有球狀或粒狀初晶的低溫熔體；(6)將該低溫熔體淬入水淬池中，或者用氬氣將其噴入金屬型銅模中，繼續(xù)電磁攪拌直至熔體完全凝固，即得到含有球狀或粒狀初晶的非晶基體復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊狀非晶基復(fù)合材料禱態(tài)韌性相晶體球狀化的方 法，其特征在于，所述的復(fù)合材料組成元素的原料純度為99~99.999%。
3、 一種實施上述塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法制備水淬 試樣的專用裝置，包括加熱爐、石英玻璃管、測溫裝置及水淬池，加熱爐由加熱 元件、耐火材料層、絕緣保溫材料層及上蓋構(gòu)成，其特征在于，在加熱爐和水淬 池的外面裝有電磁攪拌器，在石英玻璃管上接有與真空泵相連接的真空橡膠管。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備水淬試樣的專用裝置，其特征在于，在耐火材 料層構(gòu)成的爐腔下部有一個底部保溫層。
5、 一種實施上述塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法制備金屬 型銅模試樣的專用裝置，包括真空室、加熱爐、敞口石英玻璃管、測溫裝置及金 屬型銅模，加熱爐由加熱元件、耐火材料層、絕緣保溫材料層及上蓋構(gòu)成，敞口 石英玻璃管的上端有一個氬氣噴管，其特征在于，在加熱爐和金屬型銅模的外面 裝有電磁攪拌器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種塊狀非晶基復(fù)合材料鑄態(tài)韌性相晶體球狀化的方法及其專用裝置，選取具有非晶形成能力、在鑄態(tài)能原位析出固溶體型韌性晶態(tài)相的合金，作為制備球狀韌性相增韌非晶基復(fù)合材料的成分，熔煉母合金，制備過熱合金熔體，采用電磁攪拌方法制備含固態(tài)球狀晶熔體，水淬或噴鑄制得含球狀晶非晶基復(fù)合材料，本發(fā)明將非晶基體上析出的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罹?，且初晶球化效率高，組織易控制，適用范圍廣，適應(yīng)性強，工序簡單，處理時間短，合金污染少，有利于提高非晶形成能力和充型能力，以及提高非晶的力學(xué)性能，尤其是塑性和韌性，并有利于復(fù)雜、薄壁件的成型，擴大了該類材料及工藝的使用范圍。
文檔編號C22C45/00GK101665893SQ20091018776
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者伍復(fù)發(fā), 岐 周, 張廣安, 武曉峰 申請人:遼寧工業(yè)大學(xué)