一种钛基非晶纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种钛基非晶纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002]非晶合金有着与液态近似的结构而且晶体中不存在位错、晶界等缺陷，这使得非晶合金具有一些优异的力学性能。如高强度、高硬度、高弹性应变等特性，非晶合金还能够像塑料一样易于铸造，这种优异的性能和成型能力使其可以替代某些传统材料。Ti基非晶合金由于比强度高、价格低廉而逐渐受到各国学者的重视，其中，钛-锆-镍-铜-铍(T1-Zr-N1-Cu-Be)系合金由于Be元素的存在具有较高的非晶形成能力而备受关注，但是体系中的Be是剧毒元素，限制了这类非晶合金的广泛应用。
[0003]金属纤维同有机和无机纤维一样具有独特的性能和广泛的用途。金属纤维具有良好的导电、导热、导磁和耐高温性能，而且制造方法较简单，成本价格便宜。以金属纤维为填充剂的复合材料在民用行业如电子、化工、机械、纺织、食品、医药部门开拓了广阔的应用前景。在民用工业上应用金属纤维复合材料也势在必行。金属纤维作为一种新兴的纤维材料已经受到各行各业的重视。
[0004]熔体抽拉技术成为制备金属纤维的一种直接或者近净成形方法。其他制备金属纤维的方法主要有水纺法、玻璃包裹。水纺法冷却能力较差，而且冷却液会与T1、Al等金属发生发硬，因此不适合Ti基合金纤维的制备。玻璃包裹法，要求合金熔体熔化温度与玻璃软化温度一致，合金与玻璃的热膨胀系数也必须相似，否则合金丝的连续性受到限制，Ti基合金熔点相对高，而且Ti易于石英发生反应。与玻璃包裹法和水纺法相比，熔体抽拉技术可以作为TiZr非晶态合金直接成形方法，对合金的熔炼要求较低，普适性高。
[0005]熔体抽拉技术中采用石英坩祸存放块体母合金，再将母合金制成纤维，制作块体合金采用的一般是铜模，直接通过感应线圈加热浇注到铜模中快速冷却，但制备纤维通常采用石英制的坩祸，Ti是高活性、亲氧性的，Ti基合金会和石英制成的坩祸发生反应，一旦发生反应，无法制成Ti基纤维。
【发明内容】
[0006]本发明实施例提供一种钛基非晶纤维及其制备方法，用以解决现有技术中存在制备不含有Be的Ti基非晶纤维时容易与石英坩祸发生反应，无法制成Ti基纤维的问题。
[0007]本发明实施例提供一种钛基非晶纤维及其制备方法，包括以下两个方面:
[0008]第一方面，一种钛基非晶纤维，该钛基非晶纤维的化学通式以及原子百分数包括:Ti (58 x) Zr {20+xl) Cu {8+x2) N i {9+x3)，其中，0^^<8，0^^1<10，0^^2<5，0^^3<3，且 58_x、20+xl、8+x2、9+x3 之和为 100。
[0009]第二方面，一种钛基非晶纤维的制备方法，该方法包括:
[0010]在保护气体或真空条件下，将块体Ti(5Sx)Zr(2(]+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金通过激光加热形成部分融化的Ti⑶yZr^DCu^^Ni^；)合金恪体，并连续进给；
[0011]通过金属轮盘切削Ti(5S x)Zr(2(]+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金熔体，抽拉并快速冷却形成钛基非晶纤维 Ti (58 x)Zr (20+xi)Cu(8+x2)Ni (9+x3) ο
[0012]本发明有益效果包括:克服了不含Be的钛基非晶纤维难以成形的问题，通过激光部分加热母合金，避免熔融合金与坩祸的直接接触，避免钛基非晶合金与石英管制的坩祸发生反应导致Ti基纤维制备失败的问题，且采用消耗高纯度氩的方式消耗制备设备中的氧气，避免高活性，亲氧性的Ti基纤维与氧气发生反应。本发明制备出的T1-Zr-Cu-Ni纤维为非晶态，断裂强度大于llOOMPa，表现出了良好的力学性能，晶化起始温度为431°C，表现出良好的热稳定性，且纤维连续长度大于40cm。
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例中的钛基非晶纤维的制备方法流程图；
[0014]图2为本发明实施例中的Ti58Zr25Cu8Ni9纤维X射线衍射(XRD)图；
[0015]图3为本发明实施例中的。纤维差热分析曲线图；
[0016]图4为本发明实施例中的Ti55Zr20Cu13Ni12合金纤维拉伸曲线。
【具体实施方式】
[0017]为了解决制备不含Be的钛基非晶纤维难以形成非晶纤维的实现方案，本发明实施例提供了一种钛基非晶纤维及其制备方法，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明。
[0018]本发明实施例提供一种钛基非晶纤维，该钛基非晶纤维的化学通式以及原子百分数包括:Ti{58 x)Zr{20+xl)Cu{8+x2)Ni{9+x3)，其中，O 彡 X 彡 8，O 彡 xl 彡 10，O 彡 x2 彡 5，O 彡 x3 彡 3，且 58-x、20+xl、8+x2、9+x3 之和为 100。
[0019]本发明实施例制备出的这种钛基纤维为非晶态，直径20微米至120微米的丝状，其连续长度超过40厘米；断裂强度大于llOOMPa，表现出良好的力学性能，晶化起始温度为4310C，表现出良好的热稳定性。
[0020]参阅图1所示，本发明实施例提供的上述钛基非晶纤维的制备方法，具体包括以下步骤:
[0021]步骤110:在保护气体或真空条件下，将块体Ti(5S x)Zr(2()+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3^金通过激光加热形成部分融化的Ti(5S x)Zr(2()+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金恪体，并连续进给。
[0022]具体的，在保护气体或真空条件下，将连续进给的块体Ti(5Sx)Zr(20+xl)Cu(8+x2)Ni{9+x3)合金通过激光加热形成部分融化的Ti{58 x)Zr{20+xl)Cu{8+x2)Ni{9+x3)合金恪体之前，还包括步骤:
[0023]按照Ti单质为58-x、Zr单质为20+xl、Cu单质为8+x2以及Ni单质为9+x3的原子百分比进行混合。
[0024]将混合后所得的混料在磁控钨极电弧熔炼炉中反复熔炼三次，保证合金元素均匀混合，并吸铸形成块体Ti(5S合金，这种块体Ti {58 x)Zr(20+xl)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金为直径9mm的棒状材料。
[0025]将直径9mm的块体Ti(5S x)Zr(2Q+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)非晶合金用电火花线切割成3厘米至7厘米长的圆柱，并用砂纸打磨、超声波清洗并干燥，放置于内径为10毫米至15毫米的石英坩祸中。
[0026]保护气体或真空条件下，包括:将熔体抽拉装置抽真空至10 3Pa时，充入高纯度氩气至熔体抽拉装置内气压为-0.5MPa ;继续将熔体抽拉装置内气压抽真空至10 3Pa,充入高纯度氩气。通常将熔体抽拉装置抽真空至10 3Pa时即可充氩气实验，Ti基合金是高活性、亲氧性的，制备Ti基纤维时，需要通过消耗氩气来保证将装置内的氧气都抽走了。
[0027]通过激光加热装置，将块体Ti(5S金部分熔化，保持块体Ti(58 x)Zr⑶+xl:)CU(s+x2:)Ni(9+x3:)合金连续进给，将连续进给的块体 Ti {58 x)Zr(2Q+xl:)CU(s+x2:)Ni(9+x3:)非晶合金的进给速度设置为5-12毫米/分钟。
[0028]步骤120:通过金属轮盘切削Ti(5S x)Zr(2Q+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金熔体，抽拉并快速冷却形成钛基非晶纤维 Ti(5S x)Zr(20+xl)Cu{8+x2)Ni{9+x3)。
[0029]具体的，金属轮盘切削Ti(5S x)Zr(2Q+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金熔体时，将金属轮盘的转速设置为 2000 转 / 分钟(r/min)至 3000r/min。
[0030]金属轮盘为铜合金制成，启动滚轮，保持转速为2000r/min至3000r/min。将
Ti(58 x)Z;r(2ci+xi；)Cu(8+X2；)Ni(；9+χ3；)合金洛体与金属轮盘接触后，尚速fc转的金属轮盘市动Ti (58 x)Zr(2Q+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金恪体用出，并快速凝固形成纤维，制备过程中保持Ti {58 x)Zr{20+xl)Cu(s+x2)Ni(9+x3)合金熔体进给速度不变。待合金熔体消耗完成后，停止进给，关闭激光加热，停止金属滚轮转动。通过调整工艺参数，可以制备出不同直径的钛基非晶纤维。
[0031]下面结合附图，用具体实施例对本发明提供的方法及装置和相应系统进行详细描述。
[0032]实施例1，(I)按照设定原子百分比为58、25、8、9的比例将单质T1、Zr、N1、Cu配置为Ti58Zr25Cu8Ni9合金，并在磁控钨极电弧熔炼炉中吸铸形成合金棒状材料，在此实施例I中将Ti58Zr25Cu8Ni9合金称为母合金。(2)将制备的母合金棒材用电火花线切割切成3-7cm长的小柱，并用砂纸打磨、超声波清洗、干燥后，放置于熔体抽拉设备的坩祸中。(3)将熔体抽拉装置抽真空至10