CN101550522B - 一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金 - Google Patents
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Abstract
一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，属于钛合金和非晶合金领域，其特征在于是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]的非晶合金，能同时提高压缩屈服强度和压缩断裂强度、压缩塑性工程应变和非晶形成能力。可用于航空航天领域、生命科学与工程领域、国防科学技术领域和传统的工业领域之中的功能零部件和结构零部件的设计研究与生产制造。
Description
技术领域
本发明属于钛合金或非晶合金领域，尤其涉及一种环保型钛基块体非晶合金。
背景技术
在目前的钛合金或钛基非晶合金的研制中，在合金成分不含贵金属钯Pd和不含有毒元素铍Be的钛合金系中，其非晶形成能力比较有限，非晶临界尺寸较小，最大的不到6mm。经查询相关资料，发现钛基块体非晶现在尺寸最大的达到φ10mm，但含有贵金属钯Pd，见文献[S.L.Zhu，X.M.Wang，A.Inoue.Glass-forming ability and mechanical properties of Ti-based bulk glassyalloys with large diameters ofup to 1cm.Intermetallics，2008，16：1031～1035].另一种钛基非晶尺寸较大的达到φ8mm，但含有剧毒元素铍Be，参见文献[Gang Duan，Aaron Wiest，Mary LauraLind，Annelen Kahl and William L.Johnson.Lightweight Ti-based bulk metallic glasses excludinglate transition metals.Scripta Materialia 58(2008)465-468].在文献[Tao Zhang and AkihisaInoue.Thermal and Mechanical Properties of Ti-Ni-Cu-Sn Amorphous Alloys with a WideSupercooled Liquid Region before Crystallization.Materials Transactions，JIM，1998，10：1001～1006]，报导了Ti50Ni15Cu25Sn5Zr5的非晶尺寸最大达到直径5mm，但此文献中其相应的XRD检测数据和力学性能数据和热性能数据不详；在文献[X.F.Wu，Z.Y.Suoa，Y.Sia，L.K.Menga，K.Q.Qiu.Bulk metallic glass formation in a ternary Ti-Cu-Ni alloy system.Journal of Alloys andCompounds，452(2008)268-272]，报导了Ti50Cu42Ni8的非晶尺寸最大达到直径2mm，过冷液相区为ΔTx 56K，约化温度为0.56，最大压缩断裂强度为2008MPa，压缩塑料性工程应变为0％，但尚缺失其1mm的情况和其他相邻成分1mm的情况；在文献[Yan-Ling Wanga，Evan Maband Jian Xu.Bulk metallic glass formation near the TiCu-TiNi pseudo-binary eutecticcomposition.Philosophical Magazine Letters，Vol.88，No.5，May 2008，319-325]，报导了Ti50Cu43Ni7的非晶尺寸最大达到直径1.5mm。其直径1mm时，过冷液相区ΔTx为38K，最大压缩屈服强度为1914MPa，压缩断裂强度为2050MPa，压缩塑性工程应变为5-11％；在文献[黄永江，沈军，孙剑飞.Ti42.5Zr7.5Cu40Ni5Sn5块体非晶合金的形成、热稳定性与力学行为.中国科学G辑：物理学力学天文学2008年第38卷第4期：417～422]，报导了Ti42.5Cu40Zr7.5Ni5Sn5的非晶尺寸最大达到直径4mm。其直径2.5mm时，过冷液相区为64K，约化温度为0.56，最大压缩屈服强度为1978MPa，压缩断裂强度为2162MPa，压缩塑性工程应变为0.9％。在文献[Yan-Ling Wang；Jian Xu.Ti(Zr)-Cu-Ni Bulk Metallic Glasses withOptimal Glass-Forming Ability and Their Compressive Properties.Metallurgical and MaterialsTransactions；Dec 2008；39A，12；Academic Research Library pg.2990]，报导了Ti44.2Zr7.8Cu38Ni10的压缩塑性工程应变为0-5％，压缩断裂强度2230Mpa，最大非晶尺寸φ3mm，过冷液相区ΔTx44K。
在以上的文献资料反应的数据中，在不同程度上反映出了：或非晶形成的成分范围较窄，或其最大非晶尺寸较小，或强度相对不高，或塑性变形能力较差(压缩工程应变较小)，等等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶形成能力强、最大非晶尺寸较大、同时能提高强度和塑性的钛基块体非晶合金。
本发明的提供的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大屈服强度σy为2215MPa，最大压缩断裂强度σf为2542MPa和最大的压缩塑性εp为10.62％。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到2mm以上的尺寸。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为630K，晶化温度Tx为692K，液相温度Tl为1167K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为62K，约化温度Trg＝Tg/Tl为0.54。
本发明提供的第二种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大压缩断裂强度σf为2537MPa。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到1mm以上的尺寸。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为666K，晶化温度Tx为715K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为49K。
本发明提供的第三种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大压缩断裂强度σf为1825MPa。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到1mm以上的尺寸。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为683K，晶化温度Tx为739K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为56K。
本发明提供的第四种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni四种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti45.00Cu37.80Zr10.00Ni7.20(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大压缩断裂强度σf为1983MPa。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到2mm以上的尺寸。
在上述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为641K，晶化温度Tx为680K，液相温度Tl为1167K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为39K，约化温度Trg＝Tg/Tl为0.54。
本发明的新合金由于经济且环保，综合力学性能好，非晶形成能力强，是理论研究和应用研究较为理想的Ti基非晶材料。具体表现为：
(一)新合金Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2元素为环保经济型材料，不含贵金属，如钯(Pd)，不含有毒金属，如铍(Be)；
(二)新合金Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2具有良好的综合力学性能(参照图2压缩试验)。即φ1×2mm的非晶试样具有极高的压缩屈服强度σy为2215MPa，压缩断裂强度σf为2542MPa和极高的压缩塑性工程应变εp为10.62％；
(三)新合金具有较高的非晶形成能力(参照图3的φ2mm合金棒XRD曲线、图4的DSC曲线)，完全非晶的棒直径尺寸至少达φ2mm以上，玻璃化转变温度Tg为630K，晶化温度Tx为692K，液相温度Tl为1167K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为62K，约化温度Trg＝Tg/Tl为0.54。
附图说明
图1为本发明的设计与制备工艺路线图。
图2为非晶合金[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]的压缩试验应力-应变曲线：
单轴向压缩，应变速率＝4×10-4s-1，试样尺寸：φ1×2mm。
图3为非晶合金[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]的X光衍射曲线(XRD)(φ2mm合金棒试样)：
在CuKα靶条件下。
图4为非晶合金[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]的差示扫描量热曲线(DSC)：
在加热速率＝0.33K/s条件下。
图5为非晶合金[Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4(at％)]的压缩试验应力-应变曲线：
单轴向压缩，应变速率＝4×10-4s-1，试样尺寸：φ1×2mm。
图6为非晶合金[Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4(at％)]的X光衍射曲线(XRD)(φ1mm合金棒试样)：
在CuKα靶条件下。
图7为非晶合金[Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4(at％)]的差示扫描量热曲线(DSC)：
在加热速率＝0.33K/s条件下。
图8为非晶合金[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6(at％)]的压缩试验应力-应变曲线：
单轴向压缩，应变速率＝4×10-4s-1，试样尺寸：φ1×2mm。
图9为非晶合金[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6(at％)]的X光衍射曲线(XRD)(φ1mm合金棒试样)：
在CuKα靶条件下。
图10为非晶合金[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6(at％)]的差示扫描量热曲线(DSC)：
在加热速率＝0.33K/s条件下。
图11为非晶合金[Ti45Zr10Cu37.8Ni7.2(at％)]的压缩试验应力-应变曲线：
单轴向压缩，应变速率＝4×10-4s-1，试样尺寸：φ1×2mm。
图12为非晶合金[Ti45Zr10Cu37.8Ni7.2(at％)]的X光衍射曲线(XRD)(φ1mm合金棒试样)：
在CuKα靶条件下。
图13为非晶合金[Ti45Zr10Cu37.8Ni7.2(at％)]的差示扫描量热曲线(DSC)：
在加热速率＝0.33K/s条件下。
具体实施方式
第一步，非晶合金成分的设计。首先设计出合金的原子百分比成分为(at％)Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2，再将合金原子百分比转化成重量百分比(wt％)Ti35.13Cu39.16Zr14.87Ni6.89Sn3.95；第二步，去皮清洁。选用99.99％的原料，如钛棒(Ti元素)，铜片(Cu元素)，镍板(Ni元素)，锆棒(Zr元素)锡锭(Sn元素)。原材料配制前必须去除其表层的氧化皮层和油污；第三步，配制合金原料，按设计好的重量百分比Ti35.13Cu39.16Zr14.87Ni6.89Sn3.95(wt％)来配制合金锭，采用分析天平，秤量精度为正负：0.0001g；第四步，电弧熔炼。采用高真空氩气保护条件下进行电弧熔炼合金锭；第五步，吸铸或喷铸合金试棒，压差为0.1MPa。无论是吸铸还是喷铸合金试棒，都是在真空和氩气保护条下进行，绝对真空度为1.0×10-3Pa，充氩气后相对真空度为-0.05MPa。用导热性极好的无氧铜做成形模具；第六步，制样。将制好的合金试棒按要求切割成非晶试样φ1×2mm，然后进行X光衍射(XRD)、差热扫描量热(DSC)、压缩破坏性试验，获得相关数据，分别为压缩屈服强度σy为2215MPa，压缩断裂强度σf为2542MPa和极高的压缩塑性工程应变εp为10.62％，玻璃化转变温度Tg为630K，晶化温度Tx为692K，液相温度Tl为1167K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为62K，约化温度Trg＝Tg/Tl为0.54。
Claims (12)
1.一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti44.10Cu37.04Zr9.80Ni7.06Sn2.00(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大屈服强度σy为2215MPa，最大压缩断裂强度σf为2542MPa和最大的压缩塑性εp为10.62％。
2.根据权利要求1所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到2mm以上的尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为630K，晶化温度Tx为692K，液相温度T1为1167K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为62K，约化温度Trg＝Tg/T1为0.54。
4.一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti43.20Cu36.288Zr9.60Ni6.912Sn4(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大压缩断裂强度σf为2537MPa。
5.根据权利要求4所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到1mm以上的尺寸。
6.根据权利要求4所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为666K，晶化温度Tx为715K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为49K。
7.一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni和锡Sn五种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti42.30Cu35.53Zr9.40Ni6.77Sn6(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大压缩断裂强度σf为1825MPa。
8.根据权利要求7所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到1mm以上的尺寸。
9.根据权利要求7所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为683K，晶化温度Tx为739K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为56K。
10.一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：是一种含有钛Ti、铜Cu、锆Zr、镍Ni四种元素的非晶合金，该非晶合金名义成分为[Ti45.00Cu37.80Zr10.00Ni7.20(at％)]，用该非晶合金制的φ1×2mm非晶棒压缩试验数据为：最大压缩断裂强度σf为1983MPa。
11.根据权利要求10所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该合金的非晶棒的直径至少达到2mm以上的尺寸。
12.根据权利要求10所述的一种能同时提高强度和塑性的钛基块体非晶合金，其特征在于：该非晶合金的玻璃化转变温度Tg为641K，晶化温度Tx为680K，液相温度T1为1167K，过冷液相区ΔTx＝Tx-Tg为39K，约化温度Trg＝Tg/T1为0.54。
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