一種Ti?Zr?Nb?Cu?Be系非晶復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】一種Ti?Zr?Nb?Cu?Be系非晶復(fù)合材料及其制備方法。所述的Ti?Zr?Nb?Cu?Be系非晶復(fù)合材料由Ti、Zr、Nb、Cu和Be組成，其原子百分比為TixZr20Nb12Cu5Be63－x，其中，51≤x≤55。所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be均為塊狀，并且Ti、Zr、Nb和Cu的純度均≥99.99％，Be的純度≥99％。本發(fā)明中鈦含量高，密度較低，同時(shí)具有高的斷裂強(qiáng)度和塑性匹配，而且制備工藝簡單，能夠廣泛應(yīng)用于對(duì)強(qiáng)度要求高的新一代航空、航天及武器需要的關(guān)鍵軸承和殼體類零件。
【專利說明】
一種T 1-Zr-Nb-Gu-Be系非晶復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鈦合金或非晶合金領(lǐng)域，具體來說是一種同時(shí)具有超高強(qiáng)度和塑性匹配的鈦基非晶復(fù)合材料?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]新一代航空、航天及武器裝備對(duì)材料提出了輕質(zhì)、高性能、結(jié)構(gòu)-功能一體化的發(fā)展要求，而非晶合金具有比常規(guī)晶態(tài)合金更優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性、獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，因此在航空航天、兵器、艦船等國防軍工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于缺乏位錯(cuò)滑移，孿生等變形機(jī)制，非晶合金變形只能依賴于剪切帶的滑移與增殖，因而其脆性限制了非晶合金的發(fā)展與應(yīng)用。為了解決非晶的脆性，韌性相第二相增強(qiáng)作為一種有效的方法弓丨起了人們廣泛的關(guān)注。通過添加網(wǎng)I定元素或者外加韌性顆粒，人們獲得具有良好塑性的非晶復(fù)合材料。既保留了非晶高的斷裂強(qiáng)度與高的韌性，又解決了非晶脆性斷裂引起的材料突然失效。
[0003]鈦基非晶合金由于具有高的強(qiáng)度和低的密度以及良好的耐蝕性，在航空、航天及軍事領(lǐng)域具有非常潛在的應(yīng)用前景，但非晶合金的脆性制約了其作為高強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。因而通過第二相增強(qiáng)制備Ti基自生非晶復(fù)合材料，可以解決其室溫脆性的問題，同時(shí)兼具非晶合金輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而極有潛力作為新一代的航空、航天及軍事領(lǐng)域特種軸承和高強(qiáng)韌殼體等的備選材料。近幾年，人們開發(fā)出了一些鈦基非晶復(fù)合材料體系jDT1-Zr-V-Cu-Be，T1-Zr-V-Cu-Al-Be，T1-Cu-N1-Sn-Nb，T1-Zr-N1-Be-Ta 等。根據(jù)已經(jīng)開發(fā)的這類非晶復(fù)合材料，第二相主要包括了Ta顆粒狀固溶體、具有體心立方結(jié)構(gòu)的覽^財(cái)丨和aFe等枝晶狀固溶體。經(jīng)查詢相關(guān)資料，目前已知鈦基非晶復(fù)合材料體系力學(xué)性能最好的合金為PTi 枝晶相增強(qiáng)的Ti66Cu8Ni4.sSm.2NM合金，其斷裂強(qiáng)度為2020MPa，塑性應(yīng)變32%，見文獻(xiàn) [J.Eckert, J.Das, et al.Deformat1n behav1r of a TieeCusNi4.8Sn7.2Nbi4nanostructured composite containing ductile dendrites , Journal of Alloys and Compounds，2007(434-435): 13-17.]，難以滿足新一代航空、航天及武器領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p質(zhì)、高強(qiáng)、高韌的需求，因而找到一種具有超高強(qiáng)度和塑性匹配的鈦基非晶復(fù)合材料具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的斷裂強(qiáng)度和塑性應(yīng)變不能滿足新一代航空、航天及武器領(lǐng)域需求的不足，本發(fā)明提出了一種T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明由T1、Zr、Nb、Cu和Be組成，其原子百分比為TixZnoNbuCusBef^—x，其中，51彡 x彡55。所述11、2匕他、(:11和86均為塊狀，并且11、2心恥和(:11的純度均彡99.99%，86的純度彡 99%〇
[0006]本發(fā)明制備所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的具體過程如下:
[0007]第一步，原料的表面處理。
[0008]第二步，制備合金錠;所述的合金錠為TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠，其中，51彡X彡 55;通過真空電弧熔煉爐制備;具體是，采用電弧熔煉方法，在對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第一次熔煉;熔煉結(jié)束后，真空電弧熔煉爐降溫至室溫;將凝固后的合金錠翻轉(zhuǎn)180，重復(fù)所述第一次熔煉的過程，對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第二次熔煉;所述重復(fù)熔煉的過程為三次;熔煉過程中通高純氬氣保護(hù);熔煉結(jié)束后，得到TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠。
[0009]所述電弧熔煉TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠時(shí)，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A， 每次熔煉時(shí)間為5min。[0〇10]第三步，噴鑄；將得到的TixZr2QNb12Cu5Be63—x合金錠破碎后，取6 ? 5g?8 ? 0g的合金試樣置于下端有開口的石英坩堝內(nèi)；將噴鑄爐腔內(nèi)的氣壓抽到6 Xl(T3Pa后回充0.5個(gè)大氣壓的高純氬氣作為保護(hù)氣氛;噴鑄爐的感應(yīng)線圈通電對(duì)石英坩堝內(nèi)的合金試樣加熱至完全熔化;打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內(nèi)注入高純氬氣，噴鑄時(shí)噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X 104Pa，使合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處噴出噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成非晶復(fù)合材料;所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有非晶復(fù)合材料相比，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg>663K，過冷液相區(qū)寬度 A Tx^=60K，非晶基體具有良好的熱穩(wěn)定性。米用本發(fā)明制備的合金由非晶相和財(cái)丨枝晶增強(qiáng)相構(gòu)成，其中枝晶相的體積分?jǐn)?shù)為67% ±5%，使該合金表現(xiàn)出超高的力學(xué)性能匹配，其中用該合金制備的? 3 X 6mm試棒壓縮試樣數(shù)據(jù)為:屈服強(qiáng)度〇y> 1400MPa，壓縮斷裂強(qiáng)度〇f 彡2780MPa，斷裂前塑性應(yīng)變eP彡38%。
[0012]本發(fā)明中，鈦含量高，密度較低，同時(shí)具有高的斷裂強(qiáng)度和塑性匹配，而且制備工藝簡單，可廣泛應(yīng)用于對(duì)強(qiáng)度要求高的新一代航空、航天及武器需要的關(guān)鍵軸承和殼體類零件。【附圖說明】[0〇13]圖1為本發(fā)明提供的Ti51Zr2QNb12Cu5Be12#晶復(fù)合材料的XRD衍射曲線(XRD):Cu Ka條件。[〇〇14]圖2為本發(fā)明提供的Ti51Zr2QNb12Cu5Be12非晶復(fù)合材料的差熱分析曲線:加熱速率 20K/min〇[〇〇15 ]圖3為本發(fā)明提供的T i 51Zr2QNb12Cu5Be12#晶復(fù)合材料的光學(xué)電鏡組織照片。[〇〇16]圖4為本發(fā)明提供的Ti51Zr2〇Nb12Cu5Be12非晶復(fù)合材料的壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線: 單軸向壓縮，應(yīng)變速率為1 X 10、<，試樣尺寸:? 3 X 6mm。
[0017]圖5是本發(fā)明制備T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的流程圖。【具體實(shí)施方式】 [〇〇18] 實(shí)施例一
[0019]本實(shí)施例是一種T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料。[〇〇2〇]本實(shí)施實(shí)例所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料由1^、2^他、〇1、86五種元素組成，所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的原子百分比為Ti51Zr2QNb12Cu5Be12,其中T1、 Zr、Nb、Cu、Be通過由純度多99.99 %的塊狀T1、Zr、Nb、Cu和純度多99 %的塊狀Be熔煉合成。
[0021]本實(shí)施實(shí)例所提出的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的制備過程如下:
[0022]第一步，原料的表面處理。將稱量好的11、2^他、(:11和此去除油污與表層氧化皮。 [〇〇23] 第二步，制備合金錠。所述的合金錠為Ti51Zr2QNb12Cu5Be12合金錠。通過真空電弧熔煉爐，制備Ti51Zr2QNb12Cu5Be12合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A，采用常規(guī)的電弧熔煉方法，在對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第一次熔煉，熔煉時(shí)間為5min。熔煉結(jié)束后，真空電弧熔煉爐降溫至室溫;將凝固后的合金錠翻轉(zhuǎn)180，重復(fù)所述第一次熔煉的過程，對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第二次熔煉，熔煉時(shí)間為5min。所述重復(fù)熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護(hù)。熔煉結(jié)束后，得到 11512〇()恥12〇1出612合金錠。[〇〇24] 第三步，噴鑄。將得到的Ti51Zr2QNb12Cu5Be12合金錠破碎后，取6.5g的合金試樣置于下端開有直徑0.5mm口的石英坩堝內(nèi)。通過機(jī)械栗將爐腔內(nèi)的氣壓抽到6Xl(T3Pa，然后回充 0.5個(gè)大氣壓的高純氬氣作為保護(hù)氣氛。噴鑄爐的感應(yīng)線圈通電對(duì)石英坩堝內(nèi)的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內(nèi)注入高純氬氣，噴鑄時(shí)噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內(nèi)的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為4mm長度為80mm的棒狀非晶復(fù)合材料。所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0025]將合金棒切成試樣? 3mm X 6mm，然后進(jìn)行X射線衍射、差熱分析、晶相觀察和單軸壓縮試驗(yàn)。獲得的枝晶相體積分?jǐn)?shù)為71%，壓縮屈服強(qiáng)度〇ySl400MPa，壓縮斷裂強(qiáng)度(^為 300010^，斷裂前塑性應(yīng)變￡[)為48%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度1^為6651(，晶化溫度1^為7301(，過冷液相區(qū)寬度ATX為65K。[〇〇26] 實(shí)施例二[〇〇27] 本實(shí)施例是一種T 1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料。[〇〇28] 本實(shí)施實(shí)例所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料由1^、2^他、〇1、86五種元素組成，所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的原子百分比為Ti53Zr2QNb12Cu5Be1()，其中T1、 Zr、Nb、Cu、Be通過由純度多99.99 %的塊狀T1、Zr、Nb、Cu和純度多99 %的塊狀Be熔煉合成。
[0029]本實(shí)施實(shí)例所提出的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的制備過程如下:
[0030]第一步，原料的表面處理。將稱量好的11、2^他、(:11和此去除油污與表層氧化皮。 [〇〇31] 第二步，制備合金錠。所述的合金錠為Ti53Zr2QNb12Cu5Be1()合金錠。通過真空電弧熔煉爐，制備Ti53Zr2QNb12Cu5BeiQ合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A，采用常規(guī)的電弧熔煉方法，在對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第一次熔煉，熔煉時(shí)間為5min。熔煉結(jié)束后，真空電弧熔煉爐降溫至室溫;將凝固后的合金錠翻轉(zhuǎn)180，重復(fù)所述第一次熔煉的過程，對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第二次熔煉，熔煉時(shí)間為5min。所述重復(fù)熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護(hù)。熔煉結(jié)束后，得到 Ti53Zr2〇Nbi2Cu5Bei。合金徒。[〇〇32] 第三步，噴鑄。將得到的Ti53Zr2QNb12Cu5Be1()合金錠破碎后，取7g的合金試樣置于下端開有直徑0.5mm口的石英坩堝內(nèi)。通過機(jī)械栗將爐腔內(nèi)的氣壓抽到6 Xl(T3Pa，然后回充 0.5個(gè)大氣壓的高純氬氣作為保護(hù)氣氛。噴鑄爐的感應(yīng)線圈通電對(duì)石英坩堝內(nèi)的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內(nèi)注入高純氬氣，噴鑄時(shí)噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內(nèi)的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為4mm長度為80mm的棒狀非晶復(fù)合材料。所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0033]將合金棒切成試樣? 3mm X 6mm，然后進(jìn)行X射線衍射、差熱分析、晶相觀察和單軸壓縮試驗(yàn)。獲得的枝晶相體積分?jǐn)?shù)為69%，壓縮屈服強(qiáng)度〇ySl500MPa，壓縮斷裂強(qiáng)度(^為 27801〇^，斷裂前塑性應(yīng)變￡[)為38%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度1^為6631(，晶化溫度1^為7231(，過冷液相區(qū)寬度ATX為60K。[〇〇34] 實(shí)施例三[〇〇35]本實(shí)施例是一種T 1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料。[〇〇36] 本實(shí)施實(shí)例所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料由1^、2^他、〇1、86五種元素組成，所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的原子百分比為Ti55Zr2QNb12Cu5Be8,其中T1、Zr、 Nb、Cu、Be通過由純度多99.99 %的塊狀T1、Zr、Nb、Cu和純度多99 %的塊狀Be熔煉合成。
[0037]本實(shí)施實(shí)例所提出的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的制備過程如下:[〇〇38]第一步，原料的表面處理。將稱量好的11、2^他、(:11和此去除油污與表層氧化皮。
[0039] 第二步，制備Ti55Zr2〇Nbi2Cu5Be8合金錠。所述的合金錠為Ti55Zr2〇Nbi2Cu5Be8合金錠。通過真空電弧熔煉爐，制備Ti55Zr2QNb12Cu5Be8合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A，采用常規(guī)的電弧熔煉方法，在對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第一次熔煉，熔煉時(shí)間為5min。熔煉結(jié)束后，真空電弧熔煉爐降溫至室溫;將凝固后的合金錠翻轉(zhuǎn)180，重復(fù)所述第一次熔煉的過程，對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第二次熔煉，熔煉時(shí)間為5min。所述重復(fù)熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護(hù)。熔煉結(jié)束后，得到 Ti55Zr2〇Nb12Cu5Be8 合金錠。
[0040] 第三步，噴鑄。將得到的Ti55Zr2QNb12Cu5Be8合金錠破碎后，取8g的合金試樣置于下端開有直徑0.5mm口的石英坩堝內(nèi)。通過機(jī)械栗將爐腔內(nèi)的氣壓抽到6 Xl(T3Pa，然后回充 0.5個(gè)大氣壓的高純氬氣作為保護(hù)氣氛。噴鑄爐的感應(yīng)線圈通電對(duì)石英坩堝內(nèi)的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內(nèi)注入高純氬氣，噴鑄時(shí)噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內(nèi)的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為4mm長度為80mm的棒狀非晶復(fù)合材料。所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。[0041 ]將合金棒切成試樣? 3mm X 6mm，然后進(jìn)行X射線衍射、差熱分析、晶相觀察和單軸壓縮試驗(yàn)。獲得的枝晶相體積分?jǐn)?shù)為70%，壓縮屈服強(qiáng)度〇y*1450MPa，壓縮斷裂強(qiáng)度(^為 2850MPa，斷裂前塑性應(yīng)變￡[)為42 %，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度TgS663K，晶化溫度Tx為723K，過冷液相區(qū)寬度ATX為60K。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料，其特征在于，所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶 復(fù)合材料由打、2廣他、&1和86組成，其原子百分比為!^咖他12(:11586631，其中，51彡叉彡55。2.如權(quán)利要求1所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料，其特征在于，所述T1、Zr、Nb和Cu 的純度均彡99.99%，Be的純度彡99%。3.—種制備權(quán)利要求1所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的方法，其特征在于，具體 過程如下:第一步，原料的表面處理；第二步，制備合金錠;所述的合金錠為TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠，其中，51彡x彡55;通 過真空電弧熔煉爐制備;具體是，采用電弧熔煉方法，在對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第一次 熔煉;熔煉結(jié)束后，真空電弧熔煉爐降溫至室溫;將凝固后的合金錠翻轉(zhuǎn)180，重復(fù)所述第 一次熔煉的過程，對(duì)經(jīng)過表面處理的原料進(jìn)行第二次熔煉;所述重復(fù)熔煉的過程為三次;熔 煉過程中通高純氬氣保護(hù);熔煉結(jié)束后，得到TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠；第三步，噴鑄;將得到的TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠破碎后，取6.5g?8.0g的合金試樣 置于下端有開口的石英坩堝內(nèi)；將噴鑄爐腔內(nèi)的氣壓抽到6Xl(T3Pa后回充0.5個(gè)大氣壓的 高純氬氣作為保護(hù)氣氛;噴鑄爐的感應(yīng)線圈通電對(duì)石英坩堝內(nèi)的合金試樣加熱至完全熔 化;打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內(nèi)注入高純氬氣，噴鑄時(shí)噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓 為2 X 104Pa，使合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處噴出噴鑄至水冷的無氧銅模具中， 形成非晶復(fù)合材料;所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。4.如權(quán)利要求3所述制備T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶復(fù)合材料的方法，其特征在于，電弧熔 煉TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金錠時(shí)，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A，每次熔煉時(shí)間為 5min〇
【文檔編號(hào)】C22C1/02GK106086716SQ201610389563
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日 公開號(hào)201610389563.3, CN 106086716 A, CN 106086716A, CN 201610389563, CN-A-106086716, CN106086716 A, CN106086716A, CN201610389563, CN201610389563.3
【發(fā)明人】李金山, 李力源, 王軍, 寇宏超, 胡銳
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)