一种Ti?Zr?Nb?Cu?Be系非晶复合材料及其制备方法
【专利摘要】一种Ti?Zr?Nb?Cu?Be系非晶复合材料及其制备方法。所述的Ti?Zr?Nb?Cu?Be系非晶复合材料由Ti、Zr、Nb、Cu和Be组成，其原子百分比为TixZr20Nb12Cu5Be63－x，其中，51≤x≤55。所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be均为块状，并且Ti、Zr、Nb和Cu的纯度均≥99.99％，Be的纯度≥99％。本发明中钛含量高，密度较低，同时具有高的断裂强度和塑性匹配，而且制备工艺简单，能够广泛应用于对强度要求高的新一代航空、航天及武器需要的关键轴承和壳体类零件。
【专利说明】
一种T 1-Zr-Nb-Gu-Be系非晶复合材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及钛合金或非晶合金领域，具体来说是一种同时具有超高强度和塑性匹配的钛基非晶复合材料。【背景技术】
[0002]新一代航空、航天及武器装备对材料提出了轻质、高性能、结构-功能一体化的发展要求，而非晶合金具有比常规晶态合金更优异的力学性能和耐磨性、独特的物理和化学性能，因此在航空航天、兵器、舰船等国防军工领域具有广泛的应用前景。然而，由于缺乏位错滑移，孪生等变形机制，非晶合金变形只能依赖于剪切带的滑移与增殖，因而其脆性限制了非晶合金的发展与应用。为了解决非晶的脆性，韧性相第二相增强作为一种有效的方法弓丨起了人们广泛的关注。通过添加网I定元素或者外加韧性颗粒，人们获得具有良好塑性的非晶复合材料。既保留了非晶高的断裂强度与高的韧性，又解决了非晶脆性断裂引起的材料突然失效。
[0003]钛基非晶合金由于具有高的强度和低的密度以及良好的耐蚀性，在航空、航天及军事领域具有非常潜在的应用前景，但非晶合金的脆性制约了其作为高强韧结构材料的应用。因而通过第二相增强制备Ti基自生非晶复合材料，可以解决其室温脆性的问题，同时兼具非晶合金轻质高强等优点，因而极有潜力作为新一代的航空、航天及军事领域特种轴承和高强韧壳体等的备选材料。近几年，人们开发出了一些钛基非晶复合材料体系jDT1-Zr-V-Cu-Be，T1-Zr-V-Cu-Al-Be，T1-Cu-N1-Sn-Nb，T1-Zr-N1-Be-Ta 等。根据已经开发的这类非晶复合材料，第二相主要包括了Ta颗粒状固溶体、具有体心立方结构的览^财丨和aFe等枝晶状固溶体。经查询相关资料，目前已知钛基非晶复合材料体系力学性能最好的合金为PTi 枝晶相增强的Ti66Cu8Ni4.sSm.2NM合金，其断裂强度为2020MPa，塑性应变32%，见文献 [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.]，难以满足新一代航空、航天及武器领域对材料轻质、高强、高韧的需求，因而找到一种具有超高强度和塑性匹配的钛基非晶复合材料具有重要的军事应用价值。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术中存在的断裂强度和塑性应变不能满足新一代航空、航天及武器领域需求的不足，本发明提出了一种T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料及其制备方法。
[0005]本发明由T1、Zr、Nb、Cu和Be组成，其原子百分比为TixZnoNbuCusBef^—x，其中，51彡 x彡55。所述11、2匕他、(:11和86均为块状，并且11、2心恥和(:11的纯度均彡99.99%，86的纯度彡 99%〇
[0006]本发明制备所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的具体过程如下:
[0007]第一步，原料的表面处理。
[0008]第二步，制备合金锭;所述的合金锭为TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭，其中，51彡X彡 55;通过真空电弧熔炼炉制备;具体是，采用电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼;熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温;将凝固后的合金锭翻转180，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼;所述重复熔炼的过程为三次;熔炼过程中通高纯氩气保护;熔炼结束后，得到TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭。
[0009]所述电弧熔炼TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭时，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A， 每次熔炼时间为5min。[0〇10]第三步，喷铸；将得到的TixZr2QNb12Cu5Be63—x合金锭破碎后，取6 ? 5g?8 ? 0g的合金试样置于下端有开口的石英坩埚内；将喷铸炉腔内的气压抽到6 Xl(T3Pa后回充0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛;喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化;打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2 X 104Pa，使合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处喷出喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成非晶复合材料;所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。
[0011]本发明与现有非晶复合材料相比，其玻璃化转变温度Tg>663K，过冷液相区宽度 A Tx^=60K，非晶基体具有良好的热稳定性。米用本发明制备的合金由非晶相和财丨枝晶增强相构成，其中枝晶相的体积分数为67% ±5%，使该合金表现出超高的力学性能匹配，其中用该合金制备的? 3 X 6mm试棒压缩试样数据为:屈服强度〇y> 1400MPa，压缩断裂强度〇f 彡2780MPa，断裂前塑性应变eP彡38%。
[0012]本发明中，钛含量高，密度较低，同时具有高的断裂强度和塑性匹配，而且制备工艺简单，可广泛应用于对强度要求高的新一代航空、航天及武器需要的关键轴承和壳体类零件。【附图说明】[0〇13]图1为本发明提供的Ti51Zr2QNb12Cu5Be12#晶复合材料的XRD衍射曲线(XRD):Cu Ka条件。[〇〇14]图2为本发明提供的Ti51Zr2QNb12Cu5Be12非晶复合材料的差热分析曲线:加热速率 20K/min〇[〇〇15 ]图3为本发明提供的T i 51Zr2QNb12Cu5Be12#晶复合材料的光学电镜组织照片。[〇〇16]图4为本发明提供的Ti51Zr2〇Nb12Cu5Be12非晶复合材料的压缩试验应力-应变曲线: 单轴向压缩，应变速率为1 X 10、<，试样尺寸:? 3 X 6mm。
[0017]图5是本发明制备T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的流程图。【具体实施方式】 [〇〇18] 实施例一
[0019]本实施例是一种T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料。[〇〇2〇]本实施实例所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料由1^、2^他、〇1、86五种元素组成，所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的原子百分比为Ti51Zr2QNb12Cu5Be12,其中T1、 Zr、Nb、Cu、Be通过由纯度多99.99 %的块状T1、Zr、Nb、Cu和纯度多99 %的块状Be熔炼合成。
[0021]本实施实例所提出的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的制备过程如下:
[0022]第一步，原料的表面处理。将称量好的11、2^他、(:11和此去除油污与表层氧化皮。 [〇〇23] 第二步，制备合金锭。所述的合金锭为Ti51Zr2QNb12Cu5Be12合金锭。通过真空电弧熔炼炉，制备Ti51Zr2QNb12Cu5Be12合金锭。具体是，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，采用常规的电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼，熔炼时间为5min。熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温;将凝固后的合金锭翻转180，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼，熔炼时间为5min。所述重复熔炼的过程为三次，以保证合金锭成分均匀。熔炼过程中通高纯氩气保护。熔炼结束后，得到 11512〇()恥12〇1出612合金锭。[〇〇24] 第三步，喷铸。将得到的Ti51Zr2QNb12Cu5Be12合金锭破碎后，取6.5g的合金试样置于下端开有直径0.5mm口的石英坩埚内。通过机械栗将炉腔内的气压抽到6Xl(T3Pa，然后回充 0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛。喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化。打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2 X104Pa，以保证有足够的气流将合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处快速喷出，石英坩埚内的合金试样溶液在高纯氩气气流的压力下喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成直径为4mm长度为80mm的棒状非晶复合材料。所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。
[0025]将合金棒切成试样? 3mm X 6mm，然后进行X射线衍射、差热分析、晶相观察和单轴压缩试验。获得的枝晶相体积分数为71%，压缩屈服强度〇ySl400MPa，压缩断裂强度(^为 300010^，断裂前塑性应变￡[)为48%，玻璃化转变温度1^为6651(，晶化温度1^为7301(，过冷液相区宽度ATX为65K。[〇〇26] 实施例二[〇〇27] 本实施例是一种T 1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料。[〇〇28] 本实施实例所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料由1^、2^他、〇1、86五种元素组成，所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的原子百分比为Ti53Zr2QNb12Cu5Be1()，其中T1、 Zr、Nb、Cu、Be通过由纯度多99.99 %的块状T1、Zr、Nb、Cu和纯度多99 %的块状Be熔炼合成。
[0029]本实施实例所提出的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的制备过程如下:
[0030]第一步，原料的表面处理。将称量好的11、2^他、(:11和此去除油污与表层氧化皮。 [〇〇31] 第二步，制备合金锭。所述的合金锭为Ti53Zr2QNb12Cu5Be1()合金锭。通过真空电弧熔炼炉，制备Ti53Zr2QNb12Cu5BeiQ合金锭。具体是，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，采用常规的电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼，熔炼时间为5min。熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温;将凝固后的合金锭翻转180，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼，熔炼时间为5min。所述重复熔炼的过程为三次，以保证合金锭成分均匀。熔炼过程中通高纯氩气保护。熔炼结束后，得到 Ti53Zr2〇Nbi2Cu5Bei。合金徒。[〇〇32] 第三步，喷铸。将得到的Ti53Zr2QNb12Cu5Be1()合金锭破碎后，取7g的合金试样置于下端开有直径0.5mm口的石英坩埚内。通过机械栗将炉腔内的气压抽到6 Xl(T3Pa，然后回充 0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛。喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化。打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2 X104Pa，以保证有足够的气流将合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处快速喷出，石英坩埚内的合金试样溶液在高纯氩气气流的压力下喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成直径为4mm长度为80mm的棒状非晶复合材料。所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。
[0033]将合金棒切成试样? 3mm X 6mm，然后进行X射线衍射、差热分析、晶相观察和单轴压缩试验。获得的枝晶相体积分数为69%，压缩屈服强度〇ySl500MPa，压缩断裂强度(^为 27801〇^，断裂前塑性应变￡[)为38%，玻璃化转变温度1^为6631(，晶化温度1^为7231(，过冷液相区宽度ATX为60K。[〇〇34] 实施例三[〇〇35]本实施例是一种T 1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料。[〇〇36] 本实施实例所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料由1^、2^他、〇1、86五种元素组成，所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的原子百分比为Ti55Zr2QNb12Cu5Be8,其中T1、Zr、 Nb、Cu、Be通过由纯度多99.99 %的块状T1、Zr、Nb、Cu和纯度多99 %的块状Be熔炼合成。
[0037]本实施实例所提出的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的制备过程如下:[〇〇38]第一步，原料的表面处理。将称量好的11、2^他、(:11和此去除油污与表层氧化皮。
[0039] 第二步，制备Ti55Zr2〇Nbi2Cu5Be8合金锭。所述的合金锭为Ti55Zr2〇Nbi2Cu5Be8合金锭。通过真空电弧熔炼炉，制备Ti55Zr2QNb12Cu5Be8合金锭。具体是，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，采用常规的电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼，熔炼时间为5min。熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温;将凝固后的合金锭翻转180，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼，熔炼时间为5min。所述重复熔炼的过程为三次，以保证合金锭成分均匀。熔炼过程中通高纯氩气保护。熔炼结束后，得到 Ti55Zr2〇Nb12Cu5Be8 合金锭。
[0040] 第三步，喷铸。将得到的Ti55Zr2QNb12Cu5Be8合金锭破碎后，取8g的合金试样置于下端开有直径0.5mm口的石英坩埚内。通过机械栗将炉腔内的气压抽到6 Xl(T3Pa，然后回充 0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛。喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化。打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2 X104Pa，以保证有足够的气流将合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处快速喷出，石英坩埚内的合金试样溶液在高纯氩气气流的压力下喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成直径为4mm长度为80mm的棒状非晶复合材料。所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。[0041 ]将合金棒切成试样? 3mm X 6mm，然后进行X射线衍射、差热分析、晶相观察和单轴压缩试验。获得的枝晶相体积分数为70%，压缩屈服强度〇y*1450MPa，压缩断裂强度(^为 2850MPa，断裂前塑性应变￡[)为42 %，玻璃化转变温度TgS663K，晶化温度Tx为723K，过冷液相区宽度ATX为60K。
【主权项】
1.一种T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料，其特征在于，所述的T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶 复合材料由打、2广他、&1和86组成，其原子百分比为!^咖他12(:11586631，其中，51彡叉彡55。2.如权利要求1所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料，其特征在于，所述T1、Zr、Nb和Cu 的纯度均彡99.99%，Be的纯度彡99%。3.—种制备权利要求1所述T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的方法，其特征在于，具体 过程如下:第一步，原料的表面处理；第二步，制备合金锭;所述的合金锭为TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭，其中，51彡x彡55;通 过真空电弧熔炼炉制备;具体是，采用电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次 熔炼;熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温;将凝固后的合金锭翻转180，重复所述第 一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼;所述重复熔炼的过程为三次;熔 炼过程中通高纯氩气保护;熔炼结束后，得到TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭；第三步，喷铸;将得到的TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭破碎后，取6.5g?8.0g的合金试样 置于下端有开口的石英坩埚内；将喷铸炉腔内的气压抽到6Xl(T3Pa后回充0.5个大气压的 高纯氩气作为保护气氛;喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔 化;打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压 为2 X 104Pa，使合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处喷出喷铸至水冷的无氧铜模具中， 形成非晶复合材料;所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。4.如权利要求3所述制备T1-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的方法，其特征在于，电弧熔 炼TixZr2QNb12Cu5Be63-x合金锭时，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，每次熔炼时间为 5min〇
【文档编号】C22C1/02GK106086716SQ201610389563
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610389563.3, CN 106086716 A, CN 106086716A, CN 201610389563, CN-A-106086716, CN106086716 A, CN106086716A, CN201610389563, CN201610389563.3
【发明人】李金山, 李力源, 王军, 寇宏超, 胡锐
【申请人】西北工业大学