CN104028733A - Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法及调控装置 - Google Patents

Abstract

一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法及调控装置。所述非晶复合材料组织调控装置中，在所述石英罩开口端嵌入底座端面的卡槽内，在石英罩开口端的外圆周表面套装有真空密封罩。水冷铜管位于所述石英罩内。冷却水管的一端与出水口连接。真空密封罩、底座之间形成密封的舱体。在所述水冷铜管的平台段上分布有三段用于制备不同截面和尺寸的成型槽。应用本发明对Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控时，能够提供很高的冷速从而最终获得非晶复合材料。采用中频感应加热可以在满足加热的基础上，利用磁力搅拌的作用使非晶复合材料内部组织更加均匀，使其组织取得的显著的改变，并具有简单方便的特点。

Description

Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法及调控装置

技术领域

本发明涉及非晶复合材料凝固组织调控领域，具体为一种调控Ti基非晶复合材料凝固组织的技术及其相关装置。

背景技术

相比于传统的非晶合金而言，非晶复合材料具有高的塑性，优异的玻璃形成能力等优异的性质。有望作为一种新型的材料在航天，航空，航海等领域得到广泛的应用。而其中内生钛基非晶复合材料其相对较低的密度，高的比强度，有望成为新型轻质高强材料。然而，钛基非晶复合材料中Ti等元素的高温下高的活性使其易于和其他材料发生反应，难以进行调控。同时，形成非晶基体需要较高的冷速，这也限制了传统依赖于冷速调控的凝固过程调控方法应用。钛基非晶复合材料缺乏有效的组织调控方法进一步限制了其应用。

众所周知，材料的机械性能与组织有密切的关系。基于不同的使用要求，调控方法是否有效合理将直接影响材料的使用性能。而目前针对于非晶复合材料铸态组织的调控方法相对简单主要分为以下几种：1.冷速调控法2.成分设计法3.Bridgman(布里奇曼)方法等。而内生钛基非晶复合材料由于其较高的活性相对有效的组织调控方法显的更加重要。

简单冷速控制法：由于非晶复合材料冷却过程中枝晶相作为先析出相首先析出，而非晶基体依然需要高的冷速。《Dendrite size and tensile ductility in Ti-basedamorphous alloys containing ductile dendrites》(Changwoo Jeon,ChoongnyunPaul Kim,Hyoung Seop Kim,Sunghak Lee,Materials Science&Engineering A587(2013)143–149)和《Quasi-static and dynamic compressive deformation behaviorsin Zr-based amorphous alloys containing ductile dendrites》(Changwoo Jeon,Minju Kang,Choongnyun Paul Kim,Hyoung Seop Kim,Sunghak Lee,MaterialsScience&Engineering A579(2013)77–85)等文献中通过不同铜模尺寸调控冷速的方法获得具有不同枝晶尺寸的非晶复合材料。但是冷速控制法缺点在于，由于非晶复合材料基体非晶化需要高的冷速，凝固时间很短。虽然能够在一定程度上改变非晶复合材料中晶体相枝晶的尺寸，但是对于组织调控范围小。同时，由于铜模散热原因导致其组织不均匀性明显，靠近铜模一侧具有高的冷速，枝晶细小。而远离铜模一次冷速较低枝晶相对粗大。组织的不均匀将极大地影响复合材料的性能及应用。

成分设计法：这种方法目前广泛的应用于非晶复合材料组织调控中，中国专利局公布的《一种锆基非晶复合材料及其制备方法》(公开号:CN102061429A)的发明专利中采用了成分控制的方法调控了内生锆基非晶复合材料组织。文献《Compositiondependence of the microstructure and the mechanical properties ofnano/ultrafine-structured Ti–Cu–Ni–Sn–Nb alloys》(G He,J Eckert,M Hagiwara,Acta Materialia52(2004)3035–3046)等文章均报道通过成分调控可以控制非晶复合材料的组织，获得性能优异的非晶复合材料。这种方法虽然调控了非晶复合材料的组织，但同时改变了非晶复合材料的成分，不能针对具有特定成分的非晶复合材料进行调控。其次，这种组织的调控类似于合金成分设计，组织调控缺乏针对性和有效性，效率低，造成成本增加。

Bridgman(布里奇曼)方法：布里奇曼技术基于定向凝固的原理，通过较大的抽拉速度实现非晶复合材料的快速冷却。由于其散热主要为轴向散热，可以获得相对较均匀的组织。《Large plasticity and tensile necking of Zr-basedbulk-metallic-glass-matrix composites synthesized by the Bridgmansolidification》(J.W.Qiao,S.Wang,Y.Zhang,P.K.Liaw,and G.L.Chen,APPLIED PHYSICS LETTERS94,151905(2009))和《Tailoring Microstructures andMechanical Properties of Zr-Based Bulk Metallic Glass Matrix Composites by theBridgman Solidification》(By Jun-Wei Qiao,Yong Zhang and Peter K.Liaw,ADVANCED ENGINEERING MATERIALS2008,10,No.11)等文献报道了采用这种方法控制非晶复合材料组织的方法及其机制。主要通过控制抽拉速度控制枝晶的生长速度。随着抽拉速度的增大，枝晶形核增加同时生长时间变短，因此获得细小的组织的非晶复合材料。然而，定向凝固往往采用耐高温的陶瓷管。高温下,Ti元素高的活性使其与绝大部分无机材料发生反应使材料中引入杂质，钛基非晶复合材料对于成分十分敏感，杂质的引用将显著增强其脆性。因此，此类方法虽然可以用于调节Zr基等非晶复合材料但是对于钛基非晶复合材料不适用。

综上所述，针对钛基非晶复合材料的特性，希望开发出一种有效调控非晶复合材料组织的方法和装置。从而可以有效的调控组织，且不改变其成分，不形成杂质掺杂以及具有较低的成本。

发明内容

为克服现有非晶复合材料组织调控方法存在的缺点，结合Ti基非晶复合材料的特性，本发明提出一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法及调控装置。

本发明提出的Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法的具体步骤是：

步骤1：原材料的准备：

对纯度大于99.9％的块状Ti、Zr、Nb、Cu和Be原材料进行打磨；将经过打磨的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块分别放入烧杯中加入酒精采用超声清洗5分钟，以去除所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be块表面的杂质。吹干。按Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素的质量百分比配料。

步骤2：母合金锭熔炼

采用高真空非自耗电弧熔炼炉对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素进行母合金锭的熔炼。熔炼前，先将电弧熔炼室系统抽真空至6.6×10^-3Pa。向熔炼室内充入0.06MPa的氩气作为保护气氛。对吸氧钛锭熔炼2分钟，以有效去除炉腔内残存的氧气后进行母合金锭的熔炼。

熔炼合金母锭时，将纯度大于99.9％的Ti、Zr、Nb、Cu、Be在氩气保护下，通过电弧熔炼炉分两步进行熔炼：

第一步，熔炼TiZrNb合金锭：将Ti、Zr、Nb置于电弧炉内，采用常规的熔炼方法将Ti、Zr、Nb熔炼成TiZrNb熔液；将得到的TiZrNb熔液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为TiZrNb合金锭。所述熔炼TiZrNb合金锭时，电流为450A，熔炼时间为5min。

第二步，熔炼非晶复合材料合金母锭：采用常规方法将Cu和Be放置在得到的TiZrNb合金锭上。对该TiZrNb合金锭和放置在该TiZrNb合金锭上的Cu和Be进行熔炼，得到Ti₄₆Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₇的非晶复合材料合金溶液。所述的非晶复合材料合金溶液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为非晶复合材料合金母锭。在熔炼非晶复合材料合金锭时，电流为400A，熔炼时间为5min。

在熔炼TiZrNb合金锭和非晶复合材料合金母锭的过程中，使用水冷铜盘下的感应线圈对熔体进行电磁搅拌，搅拌电流为5～10mA，母合金锭反复熔炼5～6次，确保成分均匀。

步骤3：组织调控。

将得到的母合金锭破碎为块状后置于非晶复合材料组织调控装置的水冷铜管的板状槽内。对装置进行抽真空至10^-2Pa～10^-1Pa。向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.1～1.3个大气压，以防止空气进入舱体内。停止向体内充高纯氩气。再次对装置进行抽真空至10^-2Pa～10^-1Pa，并再次向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.1～1.3个大气压。重复上述抽真空和充入氩气的过程3～5次，以重复清楚舱体内残留空气。

通过感应电源将母合金锭熔体加热至非晶基体液相线以上100～400℃，即767℃～1067℃进行保温处理，保温时间10min～2h，得到经过组织调控的母合金锭熔体。

所述母合金锭熔体加热温度的波动范围为±3℃。

步骤4，凝固；关闭感应加热炉电源，使非晶复合材料合金熔体在水冷铜管的成型槽内冷却并凝固，获得所需尺寸的非晶复合材料。

为实现所述Ti基非晶复合材料组织调控方法，本发明还提出了一种非晶复合材料组织调控装置。所述非晶复合材料组织调控装置包括感应加热线圈和由石英罩、水冷铜管、冷却水管、真空密封罩、底座和盖板组成的组织调控装置腔体。所述的感应加热线圈套装在石英罩上。在所述石英罩开口端嵌入底座端面的卡槽内，并且在该石英罩开口端的外圆周表面套装有真空密封罩。水冷铜管位于所述石英罩内，并且该水冷铜管的一端焊在底座上的水冷铜管安装孔内。冷却水管安装在水冷铜管内底部，并使该冷却水管的一端穿过安装在底座外侧端面的盖板，与出水口连接。真空密封罩、底座之间形成密封的舱体。所述石英罩、底座和真空密封罩同轴。所述水冷铜管的外圆周表面有水冷铜管的平台段；所述水冷铜管的平台段与水冷铜管的圆周段的长度比为58：13。在所述水冷铜管的平台段上等距离分布有三段用于制备不同截面和尺寸的成型槽，用于对具有不同尺寸要求的非晶复合材料进行组织调控。其中第一段成型槽的横截面为“U”形，第二段成型槽的横截面为矩形，在第三段成型槽中有三个平行的U形成型槽，分别用于成形不同直径的非晶复合材料棒材；所述三段成型槽从该水冷铜管的封闭端向敞口端依次排布。

所述水冷铜管的内孔为轴向剖面为三级阶梯状的盲孔，所述第一级阶梯段的内孔位于水冷铜管封闭端，为偏心孔，并且该第一级阶梯段的孔径最小；所述第三级阶梯段内孔位于水冷铜管敞口端，并且该第三级阶梯段的孔径最大。水冷铜管的内孔中第一级阶梯段的长度：第二级阶梯段的长度：第三级阶梯段的长度＝47：10：15；水冷铜管的内孔中第一级阶梯段的孔径：第二级阶梯段的孔径：第三级阶梯段的孔径＝11：21：26。所述水冷铜管圆周表面的轴向剖面为二级阶梯。所述水冷铜管的平台段与水冷铜管的圆周段的长度比为58：13。

所述底座为圆环盘，在底座的一个端面有与真空密封罩密封配合的环形卡槽。在所述底座上有贯通的偏心孔，用于安装水冷铜管的敞口端，该偏心通孔的偏心度为6mm。在所述底座内部偏心通孔的一侧有两个用于抽真空和充入氩气的通孔，所述两个通孔均为L形，并且所述两个通孔一端的孔口位于该底座一侧圆周表面上，该通孔另一端孔口位于所述底座内侧端面上。所述底座内部偏心通孔的另一侧有进水孔，该进水孔的一端与所述底座内的偏心孔贯通，另一端位于该底座另一侧圆周表面上作为冷却水的入水口。

所述盖板上有冷却水管安装孔，并且所述冷却水管安装孔的位置于位于水冷铜管内的冷却水管对应。该安装孔作为冷却水的出水口。

本发明中，所述的一种非晶复合材料组织调控装置中的石英罩套在用于感应加热的水冷铜线圈内，并且在端部开口处通过真空密封罩和底座密封舱体。在水冷铜管的前段一次开有三个成型槽，用以对具有不同尺寸要求的非晶复合材料进行组织调控。在底座上有用于对密封的舱体进行气体交换的抽真空和充入氩气的气孔，以及冷却水的入水口。

因为水冷铜管与Ti不发生反应，所以所述的晶复合材料组织调控装置可以很好地防止活性金属Ti熔体在高温下引入杂质。同时水冷铜结构具有良好的导热性，在组织调控结束后可以提供很高的冷速从而最终获得非晶复合材料。采用中频感应加热可以在满足加热的基础上，利用磁力搅拌的作用使非晶复合材料内部组织更加均匀。

所述的钛基非晶复合材料为一类富Ti枝晶增强的非晶复合材料。本发明以Ti48Zr20Nb12Cu5Be15为代表，描述内生钛基非晶复合材料组织的调控方法。通过本发明，对所述Ti48Zr20Nb12Cu5Be15进行了组织调控，使其组织取得的显著的改变。

(1)本发明结合特殊设计的非晶复合材料组织调控装置对非晶复合材料熔体组织进行调控。在不改变非晶复合材料成分的基础上实现对已有合金成分进行有效的调控。

(2)本发明采用水冷铜管体系统可以有效的防止高温下活性钛基非晶复合材料熔体中引入其他杂质，保证了熔体的纯净。

(3)本发明基于熔体内部枝晶进行控制，能够方便有效地改变非晶复合材料第二相的形貌和尺寸。

(4)本发明结合中频加热技术的优点，使熔体在磁力搅拌作用下更加均匀，相对于简单冷速控制法组织更加均匀。本发明相对于冷速控制法熔体加热温度更低，并且操作简单、周期短。

(5)本发明在基体液相温度与枝晶熔点温度之间进行处理。当在较高温度保温时，原始粗大的枝晶将被熔断，形成破碎的枝晶碎片通过磁力搅拌使其分布均匀。当快速凝固时，枝晶将被保留，而非晶熔体在较高的冷速下重新变为非晶结构。随着保温时间增加，破碎的枝晶将在热流冲刷以及尖端重熔作用下发生球化过程，从而进一步改变了非晶复合材料中枝晶的形貌。低温下长时间增加，枝晶熟化作用明显，从而改变枝晶的形貌。

本发明能够有效地调控钛基非晶复合材料的微观组织。并具有简单的特点。

附图说明

图1为非晶复合材料组织调控装置的结构示意图。

图2为水冷铜管的结构示意图；其中：2a为水冷铜管的主剖视图，2b为水冷铜管的A-A面剖视图，2c为水冷铜管的B-B面剖视图，2d为水冷铜管的C-C面剖视图；

图3为真空密封罩的结构示意图；其中：3a为真空密封罩的俯视图，3b为真空密封罩的D-D面剖视图；

图4为底座的结构示意图；其中：4a为底座的俯视图，4b为底座的C-C面剖视图，4d为底座的D-D面剖视图；

图5为盖板的结构示意图；其中：5a为盖板的底视图，5b为盖板的D-D面剖视图；

图6为未经处理的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料母合金锭的显微组织；

图7为实施例一中Ti48Zr20Nb12Cu5Be15在767℃保温2h后，获得的非晶复合材料的显微组织；

图8为实施例二中Ti48Zr20Nb12Cu5Be15在1067℃保温10min后，获得的非晶复合材料的显微组织；

图9为实施例三中Ti48Zr20Nb12Cu5Be15在917℃保温1h后，获得的非晶复合材料的显微组织。图中：

1.感应加热器；2.红外测温控制系统；3.石英罩；4.水冷铜管；5.冷却水管；6.真空密封罩；7.底座；8.盖板；9进气孔；10出气孔；11进水孔；12出水孔。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法。所述的钛基非晶复合材料为Ti48Zr20Nb12Cu5Be15，其具体过程是：

步骤1：原材料的准备：

对纯度大于99.9％的块状Ti、Zr、Nb、Cu和Be原材料进行打磨；将经过打磨的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块分别放入烧杯中加入酒精采用超声清洗5分钟，以去除所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be块表面的杂质。吹干。按Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素的质量百分比配料。

步骤2：母合金锭熔炼

采用高真空非自耗电弧熔炼炉对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素进行母合金锭的熔炼。熔炼前，先将电弧熔炼室系统抽真空至6.6×10^-3Pa。向熔炼室内充入0.06MPa的氩气作为保护气氛。对吸氧钛锭熔炼2分钟，以有效去除炉腔内残存的氧气后进行母合金锭的熔炼。

熔炼合金母锭时，将纯度大于99.9％的Ti、Zr、Nb、Cu、Be在氩气保护下，通过电弧熔炼炉分两步进行熔炼：

第一步，熔炼TiZrNb合金锭：将Ti、Zr、Nb置于电弧炉内，采用常规的熔炼方法将Ti、Zr、Nb熔炼成TiZrNb熔液；将得到的TiZrNb熔液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为TiZrNb合金锭。所述熔炼TiZrNb合金锭时，电流为450A，熔炼时间为5min。

第二步，熔炼非晶复合材料合金母锭：采用常规方法将Cu和Be放置在得到的TiZrNb合金锭上。对该TiZrNb合金锭和放置在该TiZrNb合金锭上的Cu和Be进行熔炼，得到Ti₄₆Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₇的非晶复合材料合金溶液。所述的非晶复合材料合金溶液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为非晶复合材料合金母锭。在熔炼非晶复合材料合金锭时，电流为400A，熔炼时间为5min。

在熔炼TiZrNb合金锭和非晶复合材料合金母锭的过程中，使用水冷铜盘下的感应线圈对熔体进行电磁搅拌，搅拌电流为5～10mA，母合金锭反复熔炼5-6次，确保成分均匀。本实施例中，电磁搅拌的电流为10mA。熔炼中，电弧熔炼炉中充入0.5个大气压的氩气。

步骤3：组织调控。

将得到的母合金锭破碎为块状后置于非晶复合材料组织调控装置的水冷铜管的板状槽内。对装置进行抽真空至-10^-1Pa。向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.1个大气压，以防止空气进入舱体内。停止向体内充高纯氩气。再次对装置进行抽真空至-10^-1Pa，并再次向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.1个大气压。重复上述抽真空和充入氩气的过程3～5次，以重复清楚舱体内残留空气。本实施例中，所述抽真空和充入氩气的过程为3次。

采用感应电源对装置内的试样进行加热，并按常规方法采用双色红外测温仪测定母合金锭熔体温度，并以得到的母合金锭熔体温度作为控制加热功率的基准，使在对母合金锭熔体加热时，感应电源的输出功率处于恒定状态。

通过感应电源将母合金锭熔体加热至767℃并保温2h后，得到经过组织调控的母合金锭熔体。

步骤4，凝固；关闭感应加热炉电源，使非晶复合材料合金熔体在水冷铜管的板状槽中冷却并凝固，获得非晶复合材料板。

实施例二

本实施例是一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法。所述的钛基非晶复合材料为Ti48Zr20Nb12Cu5Be15，其具体过程是：

步骤1：原材料的准备：

对纯度大于99.9％的块状Ti、Zr、Nb、Cu和Be原材料进行打磨；将经过打磨的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块分别放入烧杯中加入酒精采用超声清洗5分钟，以去除所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be块表面的杂质。吹干。按Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素的质量百分比配料。

步骤2：母合金锭熔炼

采用高真空非自耗电弧熔炼炉对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素进行母合金锭的熔炼。熔炼前，先将电弧熔炼室系统抽真空至6.6×10^-3Pa。向熔炼室内充入0.06MPa的氩气作为保护气氛。对吸氧钛锭熔炼2分钟，以有效去除炉腔内残存的氧气后进行母合金锭的熔炼。

熔炼合金母锭时，将纯度大于99.9％的Ti、Zr、Nb、Cu、Be在氩气保护下，通过电弧熔炼炉分两步进行熔炼：

第一步，熔炼TiZrNb合金锭：将Ti、Zr、Nb置于电弧炉内，采用常规的熔炼方法将Ti、Zr、Nb熔炼成TiZrNb熔液；将得到的TiZrNb熔液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为TiZrNb合金锭。所述熔炼TiZrNb合金锭时，电流为450A，熔炼时间为5min。

第二步，熔炼非晶复合材料合金母锭：采用常规方法将Cu和Be放置在得到的TiZrNb合金锭上。对该TiZrNb合金锭和放置在该TiZrNb合金锭上的Cu和Be进行熔炼，得到Ti₄₆Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₇的非晶复合材料合金溶液。所述的非晶复合材料合金溶液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为非晶复合材料合金母锭。在熔炼非晶复合材料合金锭时，电流为400A，熔炼时间为5min。

在熔炼TiZrNb合金锭和非晶复合材料合金母锭的过程中，使用水冷铜盘下的感应线圈对熔体进行电磁搅拌，搅拌电流为5～10mA，母合金锭反复熔炼5～6次，确保成分均匀。本实施例中，电磁搅拌的电流为5mA。熔炼中，电弧熔炼炉中充入0.5个大气压的氩气。

步骤3：组织调控。

将得到的母合金锭破碎为块状后置于非晶复合材料组织调控装置的水冷铜管的板状槽内。对装置进行抽真空至10^-2Pa。向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.3个大气压，以防止空气进入舱体内。停止向体内充高纯氩气。再次对装置进行抽真空至10^-2Pa，并再次向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.3个大气压。重复上述抽真空和充入氩气的过程3～5次，以重复清楚舱体内残留空气。本实施例中，所述抽真空和充入氩气的过程为3次。

采用感应电源对装置内的试样进行加热，并按常规方法采用双色红外测温仪测定母合金锭熔体温度，并以得到的母合金锭熔体温度作为控制加热功率的基准，使在对母合金锭熔体加热时，感应电源的输出功率处于恒定状态。

通过感应电源将母合金锭熔体加热至1067℃并保温10min后，得到经过组织调控的母合金锭熔体。

步骤4，凝固；关闭感应加热炉电源，使非晶复合材料合金熔体在水冷铜管的直径为9mm的棒状槽中冷却并凝固，获得非晶复合材料棒材。

从本实例可以看出当在基体液相线以上400℃处理10min后，相比于原始的组织而言更加均匀，同时组织发生了明显球化作用，从而对组织进行了有效的调控。相比与实例一中其调控所需时间更短，也就是说可以通过调节温度提高效率。

实施例三

本实施例是一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法。所述的钛基非晶复合材料为Ti48Zr20Nb12Cu5Be15，其具体过程是：

步骤1：原材料的准备：

对纯度大于99.9％的块状Ti、Zr、Nb、Cu和Be原材料进行打磨；将经过打磨的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块分别放入烧杯中加入酒精采用超声清洗5分钟，以去除所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be块表面的杂质。吹干。按Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素的质量百分比配料。

步骤2：母合金锭熔炼

采用高真空非自耗电弧熔炼炉对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素进行母合金锭的熔炼。熔炼前，先将电弧熔炼室系统抽真空至6.6×10^-3Pa。向熔炼室内充入0.06MPa的氩气作为保护气氛。对吸氧钛锭熔炼2分钟，以有效去除炉腔内残存的氧气后进行母合金锭的熔炼。

熔炼合金母锭时，将纯度大于99.9％的Ti、Zr、Nb、Cu、Be在氩气保护下，通过电弧熔炼炉分两步进行熔炼：

第一步，熔炼TiZrNb合金锭：将Ti、Zr、Nb置于电弧炉内，采用常规的熔炼方法将Ti、Zr、Nb熔炼成TiZrNb熔液；将得到的TiZrNb熔液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为TiZrNb合金锭。所述熔炼TiZrNb合金锭时，电流为450A，熔炼时间为5min。

第二步，熔炼非晶复合材料合金母锭：采用常规方法将Cu和Be放置在得到的TiZrNb合金锭上。对该TiZrNb合金锭和放置在该TiZrNb合金锭上的Cu和Be进行熔炼，得到Ti₄₆Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₇的非晶复合材料合金溶液。所述的非晶复合材料合金溶液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为非晶复合材料合金母锭。在熔炼非晶复合材料合金锭时，电流为400A，熔炼时间为5min。

在熔炼TiZrNb合金锭和非晶复合材料合金母锭的过程中，使用水冷铜盘下的感应线圈对熔体进行电磁搅拌，搅拌电流为5～10mA，母合金锭反复熔炼5～6次，确保成分均匀。本实施例中，电磁搅拌的电流为8mA。熔炼中，电弧熔炼炉中充入0.5个大气压的氩气。

步骤3：组织调控。

将得到的母合金锭破碎为块状后置于非晶复合材料组织调控装置的水冷铜管的板状槽内。对装置进行抽真空至8×10^-2Pa。向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.2个大气压，以防止空气进入舱体内。停止向体内充高纯氩气。再次对装置进行抽真空至8×10^-2Pa，并再次向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.2个大气压。重复上述抽真空和充入氩气的过程3～5次，以重复清楚舱体内残留空气。本实施例中，所述抽真空和充入氩气的过程为4次。

采用感应电源对装置内的试样进行加热，并按常规方法采用双色红外测温仪测定母合金锭熔体温度，并以得到的母合金锭熔体温度作为控制加热功率的基准，使在对母合金锭熔体加热时，感应电源的输出功率处于恒定状态。

通过感应电源将母合金锭熔体加热至917℃并保温1h后，得到经过组织调控的母合金锭熔体。

步骤4，凝固；关闭感应加热炉电源，使非晶复合材料合金熔体在水冷铜管的直径为2mm的棒状槽中冷却并凝固，获得非晶复合材料棒材。

从本实例可以看出当在基体液相线以上250℃处理1h后，相比于原始的组织而言更加均匀，同时组织发生了明显改变，从而对组织进行了有效的调控。

实施例四

本实施例是一种用于所述非晶复合材料组织调控装置，主要组成部分包括：感应加热线圈1、红外测温控制系统2、以及由石英罩3、水冷铜管4、冷却水管5、真空密封罩6、底座7和盖板8等组成的组织调控装置腔体。所述的感应加热线圈为水冷铜线圈螺旋绕制而成，套装在石英罩上；该感应加热器线圈的控制电源与红外测温控制系统连接。红外测温控制系统2位于所述感应加热线圈1一侧，并正对所加热的非晶复合材料熔体，通过红外测温控制系统中的红外测温仪实时测定装置舱体内熔体温度，并且通过PLC模块调节控制电源的输出功率，从而使得熔体温度在所设定温度±3℃的范围内波动。在所述石英罩3开口端嵌入底座7端面的卡槽内，并且在该石英罩开口端的外圆周表面套装有真空密封罩6；所述石英罩与真空密封罩6之间通过密封圈密封。水冷铜管4位于所述石英罩内，并且该水冷铜管4的一端焊在底座7上的水冷铜管安装孔内。冷却水管5安装在水冷铜管内底部，并使该冷却水管的一端穿过安装在底座外侧端面的盖板，与出水口连接。真空密封罩6、底座7之间形成密封的舱体。所述石英罩、底座和真空密封罩同轴。

水冷铜管4用中空紫铜管制成。所述水冷铜管4的内孔为轴向剖面为三级阶梯状的盲孔，所述第一级阶梯段的内孔位于水冷铜管4封闭端，为偏心孔，并且该第一级阶梯段的孔径最小；所述第三级阶梯段内孔位于水冷铜管4敞口端，并且该第三级阶梯段的孔径最大。水冷铜管4的内孔中第一级阶梯段的长度235mm：第二级阶梯段的长度50mm：第三级阶梯段的长度＝47：10：15；水冷铜管4的内孔中第一级阶梯段的孔径11mm：第二级阶梯段的孔径21mm：第三级阶梯段的孔径＝11：21：26。所述水冷铜管圆周表面的轴向剖面为二级阶梯，该水冷铜管的敞口端外径为30mm，长度为65mm。该水冷铜管的另一端是在外径30mm的圆周上镬出一个平台，平台宽度为22.5mm；所述水冷铜管的平台段与圆周段的长度比为58：13。

在所述水冷铜管有平台的一段的平台上等距离分布有三段开槽，用于对具有不同尺寸要求的非晶复合材料进行组织调控。如图2所示，在所述水冷铜管4偏心孔段孔壁上等距离分布的三段开槽中，第一段开槽的横截面A-A为“U”形，第二段开槽的横截面B-B为矩形，在第三段开槽中，有三个平行的U型槽，所述各“U”形的截面形状和分布如C-C截面所示；所述三段开槽从该水冷铜管的封闭端向敞口端依次排布。

本实施例中，第一段U型槽的宽度和底部圆直径均为9mm，深度为7.5mm，长度为55mm；第二段矩形槽的宽度为18mm，深度为5mm，长度为60mm；在第三段的三个U型槽的宽度分别为3mm，5mm，2mm，深度分别于各自槽的宽度相等；长度均为45mm。所述第三段上的各槽分别用于成形不同直径的非晶复合材料棒材。

所述底座7为黄铜制成的圆环盘，在底座的一个端面有与真空密封罩6密封配合的环形卡槽。在所述底座7上有偏心的贯通孔，用于安装水冷铜管的敞口端，该偏心通孔的偏心度为6mm。

在所述底座7内部偏心通孔的一侧有两个用于抽真空和充入氩气的直径为8mm的通孔，该通孔为L形，一端的孔口位于该底座一侧圆周表面上，该通孔另一端孔口位于所述底座内侧端面上。所述底座7内部偏心通孔的另一侧有直径为10mm的通孔，该通孔的一端与所述底座内的偏心孔贯通，另一端位于该底座另一侧圆周表面上作为冷却水的入水口。

所述盖板为圆形。在盖板上有冷却水管安装孔，并且所述冷却水管安装孔的位置于位于水冷铜管内的冷却水管对应。该安装孔作为冷却水的出水口。在盖板8的另一端面的圆周均布6个通孔，并且分别对应圆形和六角形的沉孔。六角沉孔用以装入螺栓和螺母，实现将6真空密封罩、7底座和8盖板的固定在一起。圆形沉孔用以装入沉头螺钉，将7底座和8盖板的固定在一起，实现水封。

所述非晶复合材料组织调控装置在工作时，首先将所需要进行组织调控处理的钛基非晶复合材料母合金锭装入水冷铜管中，并且将装置装配完成。然后打开冷却水开关，使水冷系统开始工作，冷却水从底座7径向的进水孔流入水冷铜管盲孔里的冷却水在对水冷铜管进行冷却后，通过冷却水管5插入水冷铜管的一端流入冷却水管，最后通过盖板8的出水口流出。

冷却水系统稳定工作后，打开机械泵开关和气孔外端的机械泵阀门，同时关闭气孔外端的氩气阀门，通过7底座的径向上的气孔对所述装置进行抽真空。当腔体真空度达到规定的要求后，关闭机械泵阀门同时打开氩气阀门，通过气孔向装置内充入氩气。从而实现抽真空和洗炉的功能。

完成洗炉工作后关闭机械泵阀门和氩气阀门，装置腔体内保持规定的气压。然后打开感应电源开关，感应线圈开始通电，通过感应磁场的热效应使放置在水冷铜管中的母合金锭开始融化。

在相应的状态处理后，关闭感应加热炉电源，使非晶复合材料合金熔体在所述装置内的水冷铜管中快速冷却获得非晶复合材料。

Claims (5)

1.一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法，其特征在于，具体步骤是：

步骤1：原材料的准备：

对纯度大于99.9％的块状Ti、Zr、Nb、Cu和Be原材料进行打磨；将经过打磨的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块分别放入烧杯中加入酒精采用超声清洗5分钟，以去除所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be块表面的杂质；吹干；按Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素的质量百分比配料；

步骤2：母合金锭熔炼

采用高真空非自耗电弧熔炼炉对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15中各元素进行母合金锭的熔炼；熔炼前，先将电弧熔炼室系统抽真空至6.6×10^-3Pa；向熔炼室内充入0.06MPa的氩气作为保护气氛；对吸氧钛锭熔炼2分钟，以有效去除炉腔内残存的氧气后进行母合金锭的熔炼；

熔炼合金母锭时，将纯度大于99.9％的Ti、Zr、Nb、Cu、Be在氩气保护下，通过电弧熔炼炉分两步进行熔炼：

第一步，熔炼TiZrNb合金锭：将Ti、Zr、Nb置于电弧炉内，采用常规的熔炼方法将Ti、Zr、Nb熔炼成TiZrNb熔液；将得到的TiZrNb熔液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为TiZrNb合金锭；所述熔炼TiZrNb合金锭时，电流为450A，熔炼时间为5min；

第二步，熔炼非晶复合材料合金母锭：采用常规方法将Cu和Be放置在得到的TiZrNb合金锭上；对该TiZrNb合金锭和放置在该TiZrNb合金锭上的Cu和Be进行熔炼，得到Ti₄₆Zr₂₀Nb₁₂Cu₅Be₁₇的非晶复合材料合金溶液；所述的非晶复合材料合金溶液在电弧炉的水冷铜模中冷却并凝固成为非晶复合材料合金母锭；在熔炼非晶复合材料合金锭时，电流为400A，熔炼时间为5min；

在熔炼TiZrNb合金锭和非晶复合材料合金母锭的过程中，使用水冷铜盘下的感应线圈对熔体进行电磁搅拌，搅拌电流为5～10mA，母合金锭反复熔炼5～6次，确保成分均匀；

步骤3：组织调控；

将得到的母合金锭破碎为块状后置于非晶复合材料组织调控装置的水冷铜管的板状槽内；对装置进行抽真空至10^-2Pa～10^-1Pa；向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.1～1.3个大气压，以防止空气进入舱体内；停止向体内充高纯氩气；再次对装置进行抽真空至10^-2Pa～10^-1Pa，并再次向所述非晶复合材料组织调控装置的舱体内充入高纯氩气，使舱体内气压达到1.1～1.3个大气压；重复上述抽真空和充入氩气的过程3～5次，以重复清楚舱体内残留空气；

通过感应电源将母合金锭熔体加热至非晶基体液相线以上100～400℃，即767℃～1067℃进行保温处理，保温时间10min～2h，得到经过组织调控的母合金锭熔体；所述母合金锭熔体加热温度的波动范围为±3℃；

步骤4，凝固；关闭感应加热炉电源，使非晶复合材料合金熔体在水冷铜管的成型槽内冷却并凝固，获得所需尺寸的非晶复合材料。

2.一种用于实现如权利要求1所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法的装置，其特征在于，包括：感应加热线圈和由石英罩、水冷铜管、冷却水管、真空密封罩、底座和盖板组成的组织调控装置腔体；所述的感应加热线圈套装在石英罩上；在所述石英罩开口端嵌入底座端面的卡槽内，并且在该石英罩开口端的外圆周表面套装有真空密封罩；水冷铜管位于所述石英罩内，并且该水冷铜管的一端焊在底座上的水冷铜管安装孔内；冷却水管安装在水冷铜管内底部，并使该冷却水管的一端穿过安装在底座外侧端面的盖板，与出水口连接；真空密封罩、底座之间形成密封的舱体；所述石英罩、底座和真空密封罩同轴；所述水冷铜管的外圆周表面有水冷铜管的平台段；所述水冷铜管的平台段与水冷铜管的圆周段的长度比为58：13；在所述水冷铜管的平台段上等距离分布有三段用于制备不同截面和尺寸的成型槽，用于对具有不同尺寸要求的非晶复合材料进行组织调控；其中第一段成型槽的横截面为“U”形，第二段成型槽的横截面为矩形，在第三段成型槽中有三个平行的U形成型槽，分别用于成形不同直径的非晶复合材料棒材；所述三段成型槽从该水冷铜管的封闭端向敞口端依次排布。

3.如权利要求2所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法的装置，其特征在于，所述水冷铜管的内孔为轴向剖面为三级阶梯状的盲孔，所述第一级阶梯段的内孔位于水冷铜管封闭端，为偏心孔，并且该第一级阶梯段的孔径最小；所述第三级阶梯段内孔位于水冷铜管敞口端，并且该第三级阶梯段的孔径最大；水冷铜管的内孔中第一级阶梯段的长度：第二级阶梯段的长度：第三级阶梯段的长度＝47：10：15；水冷铜管的内孔中第一级阶梯段的孔径：第二级阶梯段的孔径：第三级阶梯段的孔径＝11：21：26；所述水冷铜管圆周表面的轴向剖面为二级阶梯；所述水冷铜管的平台段与水冷铜管的圆周段的长度比为58：13。

4.如权利要求2所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法的装置，其特征在于，所述底座为圆环盘，在底座的一个端面有与真空密封罩密封配合的环形卡槽；在所述底座上有贯通的偏心孔，用于安装水冷铜管的敞口端，该偏心通孔的偏心度为6mm；在所述底座内部偏心通孔的一侧有两个用于抽真空和充入氩气的通孔，所述两个通孔均为L形，并且所述两个通孔一端的孔口位于该底座一侧圆周表面上，该通孔另一端孔口位于所述底座内侧端面上；所述底座内部偏心通孔的另一侧有进水孔，该进水孔的一端与所述底座内的偏心孔贯通，另一端位于该底座另一侧圆周表面上作为冷却水的入水口。

5.如权利要求2所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料组织的调控方法的装置，其特征在于，所述盖板上有冷却水管安装孔，并且所述冷却水管安装孔的位置于位于水冷铜管内的冷却水管对应；该安装孔作为冷却水的出水口。