CN100494437C - 大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法。它包括以下步骤：首先，选取具有强的玻璃形成能力的合金成分，通过对合金成分的调整，使该合金成分偏离共晶点，并具有先析出固溶体相，按照调整好的合金成分配料；其次，将配好的料在保护气氛下熔炼成母合金锭；然后将母合金锭破碎、重熔，并通过低压铸造/水冷铜模急冷成形系统制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样；再将塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样进行等温处理，然后水淬即得到塑性球晶/大块金属玻璃复合材料。本发明制备的塑性球晶/大块金属玻璃复合材料的塑性β相不再具有典型的树枝状形貌，而表现为团球状形貌。
Description
一技术领域
本发明涉及一种金属玻璃复合材料的制备技术，特别是一种大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法。
二背景技术
大块金属玻璃(BMG)具有一系列不同于晶态合金的优异性能，已涉及到了军工产品、电子产品壳体、医疗器械、体育休闲用品和空间工程材料等5大工程应用领域。特别是其具有3～4倍于相应晶态合金的强度，使得其在武器装备的轻量化方面极具吸引力。但是，在其具有超高强度的同时，处于平面应力状态的BMG在室温下几乎没有非弹性行为。这使得其破坏形式为突然性的失效。
为了解决这个问题，人们在BMG基体上引入晶态相后，制备出了晶态相/BMG基体两相复合材料。与单相非晶材料比较，复合材料在承载过程中的剪切带形成和扩展行为得到了有效的改变，使得其延展性、韧性和冲击抗力明显增加。这种超高强度兼具良好室温宏观塑性的两相复合材料在武器装备的轻量化和提高装甲防护能力方面具有独特的优势。
迄今，晶态相/BMG基体两相复合材料中，晶态相的形态有以文献1(Conner R D，Dandliker R B，Johnson W L Mechanical properties of tungsten and steel flberrein forcedZr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5metallic glass matrix composites[J].Acta Mater1998，46(17)：6089-6102.)为代表的纤维状，文献2(Cang Fan，Chunfei Li，Inoue A.Deformationbehavior of Zr-based bulk nanocrystalline amorphous alloys[J].Phys Rev B，2000，61(6)R3761-R3763.)为代表的纳米颗粒状和文献3(Hays C C，Kim C P，Johnson W L.Microstructure controlled shear band patternformation and enhanced plasticity of bulkmetallic glasses containing in situ formed ductile phase dendrite dispersions[J].Phys RevLett，2000，84(13)：2901-2904.)为代表的树枝状三种。
从目前的研究情况来看，纤维状晶态相都是通过外加复合的方法制备出来的，其与基体之间的界面能较高，因此两相之间稳定而牢固的结合是一个问题；颗粒状纳米相是通过非晶部分晶化得到的，且一般来说，晶化后所得到的纳米相大多是脆性的金属间化合物相，因而只是少量纳米相可能有好的强化效果，适量提高塑性和韧性，但提高的幅度太小，室温压缩延伸率仅为2.5％；树枝状晶态相是在熔体急冷过程中直接析出的，当其为固溶体型塑性相、尺度在微米级、体积分数为25％时，复合材料试样在保持1.447和1.669GPa的高拉伸和压缩强度的同时，断裂之前的最大应变率分别达到了5.49和8.26％。分析认为，固溶体型塑性树枝晶相在改变了非晶剪切形变机制的同时，也搀杂了晶体相自身的变形，导致了材料室温力学行为的改变。因此，树枝晶的形态、数量、大小和分布对复合材料塑性有极大的影响。
三发明内容
本发明的目的在于提供一种把树枝晶改变为球状晶，进而得到一种塑性球晶/大块金属玻璃基体的两相复合材料的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案：一种大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，包括以下步骤：
首先，选取具有强的玻璃形成能力的合金成分，通过对合金成分的调整，即选取纯度大于99.5％的金属组元，按照Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5的原子百分比进行配料，使该合金成分偏离共晶点，并具有先析出固溶体相，按照调整好的合金成分配料；其次，将配好的料在保护气氛下熔炼成母合金锭；然后将母合金锭破碎、重熔，并通过低压铸造/水冷铜模急冷成形系统制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样；再将塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样剪裁为条状装入内径为8mm的石英管中抽真空至4～5×10-3Pa，然后将石英管置于预先设定温度为900～950℃的保温炉中等温5～10分钟；最后水淬即得到塑性球晶/大块金属玻璃复合材料。
本发明大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法中，在Ti吸气、Ar气氛保护的水冷铜坩埚中熔炼母合金数次，得到成分均匀的母合金铸锭。
本发明大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法中，把母合金锭破碎后，将其置于底部带孔的石英管中；将石英管置于自制的低压铸造/水冷铜模急冷成形系统，抽真空至4～5×10-3Pa；通过高纯氩气在0.015MPa的压力下，将感应加热熔化后的合金熔体铸入到内腔尺寸为50mm×50mm×3mm的水冷铜模之中，制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：塑性β相不再具有典型的树枝状形貌，而表现为团球状形貌。这将有利于大块金属玻璃复合材料室温塑性的改善。
四附图说明
图1是本发明铜模铸造制备的Zr562Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni56Be12.5β相树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样的XRD谱图。
图2是本发明铜模铸造制备的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5β相树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样的光学显微组织图。
图3是本发明熔体水淬法制备的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni56Be12.5β相球晶/大块金属玻璃复合材料棒状试样的XRD谱图。
图4是本发明熔体水淬法制备的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5β相球晶/大块金属玻璃复合材料棒状试样的显微组织图。
图5是本发明大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化方法的流程图。
五具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。
结合图5，本发明大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，包括以下步骤：首先，选取具有强的玻璃形成能力的合金成分，通过对合金成分的调整，使该合金成分偏离共晶点，并具有先析出固溶体相，按照调整好的合金成分配料，即选取纯度大于99.5％的金属组元，按照Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5的原子百分比进行配料。其次，将配好的料在保护气氛下熔炼成母合金锭，即在Ti吸气、Ar气氛保护的水冷铜坩埚中熔炼母合金数次，得到成分均匀的母合金铸锭。然后将母合金锭破碎、重熔，并通过低压铸造/水冷铜模急冷成形系统制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样，即把母合金锭破碎后，将其置于底部带孔的石英管中；将石英管置于自制的低压铸造/水冷铜模急冷成形系统，抽真空至4～5×10-3Pa；通过高纯氩气在0.015MPa的压力下，将感应加热熔化后的合金熔体铸入到内腔尺寸为50mm×50mm×3mm的水冷铜模之中，制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样。再将板状塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料试样进行等温处理，然后水淬即得到塑性球晶/大块金属玻璃复合材料，即将板状塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料试样剪裁为条状装入内径为8mm的石英管中抽真空至4～5×10-3Pa，然后将石英管置于预先设定温度为900～950℃的保温炉中等温5～10分钟；最后水淬，即得到塑性球晶/大块金属玻璃复合材料棒状试样。
结合图1至2，本发明大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化方法制备的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni56Be12.5塑性树枝晶/BMG复合材料板状试样的XRD谱图表明复合材料具有bccβ-Zr固溶体/BMG基体两相微观组织；该复合材料板状试样的光学显微组织中，β相具有典型的树枝状形貌。
结合图3至4，本发明大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法制备的Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni56Be12.5塑性球晶/BMG复合材料棒状试样的XRD谱图表明复合材料也具有bccβ-Zr固溶体/BMG基体两相微观组织；该复合材料棒状试样的显微组织图中，塑性β相不再具有典型的树枝状形貌，而表现为团球状形貌。
Claims (3)
1、一种大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，包括以下步骤：首先，选取具有强的玻璃形成能力的合金成分，通过对合金成分的调整，即选取纯度大于99.5％的金属组元，按照Zr562Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5的原子百分比进行配料，使该合金成分偏离共晶点，并具有先析出固溶体相，按照调整好的合金成分配料；其次，将配好的料在保护气氛下熔炼成母合金锭；然后将母合金锭破碎、重熔，并通过低压铸造/水冷铜模急冷成形系统制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样；再将塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样剪裁为条状装入内径为8mm的石英管中抽真空至4～5×10-3Pa，然后将石英管置于预先设定温度为900～950℃的保温炉中等温5～10分钟；最后水淬即得到塑性球晶/大块金属玻璃复合材料。
2、根据权利要求1所述的大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，其特征在于：在Ti吸气和Ar气氛保护的水冷铜坩埚中熔炼母合金数次，得到成分均匀的母合金铸锭。
3、根据权利要求1所述的大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，其特征在于：把母合金锭破碎后，将其置于底部带孔的石英管中；将石英管置于自制的低压铸造/水冷铜模急冷成形系统，抽真空至4～5×10-3Pa；通过高纯氩气在0.015MPa的压力下，将感应加热熔化后的合金熔体铸入到内腔尺寸为50mm×50mm×3mm的水冷铜模之中，制备出塑性树枝晶/大块金属玻璃复合材料板状试样。
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