CN104404402A - 塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料及其制备方法，涉及一种合金复合材料及其制备方法，成分为Zr50.5Cu36.45Ni4.05Al9（原子百分比）+钨；钨颗粒的体积百分数为2%~8%。采用纯度不低于99.9钨t%的Zr、Cu、Ni、Al；所用单质原料均采用纯度不低于99.9钨t%的Zr、Cu、Ni、Al；用钢刷除去Zr、Cu、Ni和Al表面的氧化膜，上述单质原料的总质量为120克；最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面；将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至5~7×10-4Pa；将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭，小块合金由固体变成合金熔体。

Description

塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种合金复合材料及其制备方法，特别是涉及一种塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料及其制备方法。

背景技术

块体非晶态合金具有很多独特的性能，如高强度、高硬度、低弹性模量、极大的弹性应变以及粘滞态下良好的成型性等，在过去十几年中引发了材料科学工作者们极大的兴趣与广泛的重视。但是，非晶态合金的变形是一种高度局域化的变形。主要的变形量集中在有限的几条剪切带内。虽然剪切带内的相对变形量可以很大，但非晶态合金整体的塑性变形量却非常有限。总体来说，非晶态合金是一种脆性材料。

为了改善这些单相块体非晶合金的塑性，非晶合金基复合材料迅速发展起来。通过第二相与剪切带的交互作用，阻止剪切带的扩展并诱发多重剪切带的形成，从而获得较大的室温塑性变形，使非晶态合金成为工程上不可多得的材料。

目前，增强Zr基非晶态合金的主要方法是内生析出韧性相或通过添加高硬度的陶瓷颗粒来阻碍剪切带的扩展以提高其塑性。但是，由于内生析出相的尺寸有限，或者是陶瓷颗粒的本征脆性，这些方法对剪切带的阻碍作用非常有限。通过这些方法制备的锆基非晶态合金复合材料的室温压缩塑性变形量仅有10% ~ 15%。为了能够使锆基非晶态合金成为一种实用的工程材料，迫切要求寻找更加有效的强化手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料及其制备方法，所制备的锆基非晶态合金复合材料经X射线衍射和差热分析证实，所获得的非晶态合金复合材料样品具有典型的非晶态合金的特征。保留了其高比强度的优点；与典型非晶态合金相比，钨颗粒增强的复合材料具有更高的强度。

 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料，所述材料成分为Zr_50.5Cu_36.45Ni_4.05Al₉（原子百分比）+ 钨；钨颗粒的体积百分数为2% ~ 8%。

塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料制备方法，所述制备方法包括以下制备过程：

（1）配料：试验所用单质原料均用钢刷除去Zr、Cu、Ni和Al表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为120克；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面；

（2）母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 5~7×10^-4 Pa，再通入纯度为 99.99 钨t.% 的高纯氩气；将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭；为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 4 次；熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭；

（3）感应熔炼：将上述母合金铸锭和一定体积分数的钨颗粒放入真空感应炉内熔炼炉中；熔炼时首先将炉腔抽真空至5～7×10^-4Pa，然后以高纯氩气作为保护气进行感应熔炼；为了保证颗粒与合金熔体混合均匀，在合金的熔炼过程中还要施加电磁搅拌；熔炼完成后，钨颗粒+母合金铸锭混合合金随真空感应炉冷却至室温，然后打开真空感应炉取出混合合金；

（4）铜模喷铸：将上述混合合金压碎成小块合金，选择约20克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里；然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10^-3 Pa，进行感应熔炼；待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度10~10³K/s；喷铸所得的材料即塑性钨颗粒增强锆基非晶态合金复合材料。

本发明中所制备的锆基非晶态合金复合材料经X射线衍射和差热分析证实，所获得的非晶态合金复合材料样品具有典型的非晶态合金的特征。并利用扫描电镜（SEM）对试样进行观察。钨颗粒的加入既没有损害非晶态合金基体的形成能力，也没有改变其热力学行为。对直径为2mm的复合材料样品进行应变速率为4×10^-4 s^-1的室温压缩试验。

性能指标为：

断裂应力为 3.05±0.3GPa；塑性应变为39.6±3% 

本发明的优点与效果是：

本发明制备工艺简单；钨颗粒的加入不改变非晶态合金基体的形成能力，保留了其高比强度的优点；与典型非晶态合金相比，钨颗粒增强的复合材料具有更高的强度。

附图说明

图1为钨颗粒增强的复合材料的X射线衍射曲线；

图2为复合材料的SEM显微照片。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

实施例1

本发明提供了一种高强度、高塑性变形能力的锆基非晶态合金复合材料。其特征在于：该复合材料的成分为Zr_50.5Cu_36.45Ni_4.05Al₉（原子百分比）+ 钨。钨颗粒的体积百分数为2%。

本发明还提供了上述塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料的制备方法，其特征在于： 

（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 钨t%的Zr、Cu、Ni、Al。用钢刷除去Zr、Cu、Ni和Al表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为120克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面。

（2）母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 7×10^-4 Pa，再通入纯度为 99.99 钨t.% 的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 4 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。

（3）感应熔炼：将上述母合金铸锭和体积分数为2%的钨颗粒放入真空感应炉内熔炼炉中。熔炼时首先将炉腔抽真空至5×10^-4Pa，然后以高纯氩气作为保护气进行感应熔炼。为了保证颗粒与合金熔体混合均匀，在合金的熔炼过程中还要施加电磁搅拌。熔炼完成后，钨颗粒+母合金铸锭混合合金随真空感应炉冷却至室温，然后打开真空感应炉取出混合合金。

（4）铜模喷铸：将上述混合合金压碎成小块合金，选择约20克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10^-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度10~10³K/s。喷铸所得的材料即塑性钨颗粒增强锆基非晶态合金复合材料。

性能指标为：

断裂应力为 3.23GPa；塑性应变为40.1%。 

实施例2

本发明提供了一种高强度、高塑性变形能力的锆基非晶态合金复合材料。其特征在于：该复合材料的成分为Zr_50.5Cu_36.45Ni_4.05Al₉（原子百分比）+ 钨。钨颗粒的体积百分数为6%。

本发明还提供了上述塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料的制备方法，其特征在于： 

（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 钨t%的Zr、Cu、Ni、Al。用钢刷除去Zr、Cu、Ni和Al表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为120克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面。

（2）母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 7×10^-4 Pa，再通入纯度为 99.99 钨t.% 的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 4 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。

（3）感应熔炼：将上述母合金铸锭和体积分数为6%的钨颗粒放入真空感应炉内熔炼炉中。熔炼时首先将炉腔抽真空至5×10^-4Pa，然后以高纯氩气作为保护气进行感应熔炼。为了保证颗粒与合金熔体混合均匀，在合金的熔炼过程中还要施加电磁搅拌。熔炼完成后，钨颗粒+母合金铸锭混合合金随真空感应炉冷却至室温，然后打开真空感应炉取出混合合金。

（4）铜模喷铸：将上述混合合金压碎成小块合金，选择约20克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10^-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度10~10³K/s。喷铸所得的材料即塑性钨颗粒增强锆基非晶态合金复合材料。

通过图1可以看出，塑性钨颗粒增强锆基非晶态合金复合材料的衍射曲线在                                               附近存在一个非晶漫散峰，没有出现任何晶态相的衍射峰，表明复合材料结构完全为非晶态。从图2中可以发现，塑性钨颗粒在锆基非晶态合金基体内分布比较均匀。

性能指标为：

断裂应力为 3.35GPa；塑性应变为42.6%。 

实施例3

本发明提供了一种高强度、高塑性变形能力的锆基非晶态合金复合材料。其特征在于：该复合材料的成分为Zr_50.5Cu_36.45Ni_4.05Al₉（原子百分比）+ 钨。钨颗粒的体积百分数为8%。

本发明还提供了上述塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料的制备方法，其特征在于： 

（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 钨t%的Zr、Cu、Ni、Al。用钢刷除去Zr、Cu、Ni和Al表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为120克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面。

（2）母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 7×10^-4 Pa，再通入纯度为 99.99 钨t.% 的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 4 次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。

（3）感应熔炼：将上述母合金铸锭和体积分数为8%的钨颗粒放入真空感应炉内熔炼炉中。熔炼时首先将炉腔抽真空至5×10^-4Pa，然后以高纯氩气作为保护气进行感应熔炼。为了保证颗粒与合金熔体混合均匀，在合金的熔炼过程中还要施加电磁搅拌。熔炼完成后，钨颗粒+母合金铸锭混合合金随真空感应炉冷却至室温，然后打开真空感应炉取出混合合金。

（4）铜模喷铸：将上述混合合金压碎成小块合金，选择约20克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里。然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10^-3 Pa，进行感应熔炼。待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度10~10³K/s。喷铸所得的材料即塑性钨颗粒增强锆基非晶态合金复合材料。

性能指标为：

断裂应力为 2.89GPa；塑性应变为37.8%。 

Claims (2)

1.塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料，其特征在于，所述材料成分为Zr_50.5Cu_36.45Ni_4.05Al₉（原子百分比）+ 钨；钨颗粒的体积百分数为2% ~ 8%。

2.塑性钨颗粒增强的锆基非晶态合金复合材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下制备过程：

（1）配料：试验所用单质原料均用钢刷除去Zr、Cu、Ni和Al表面的氧化膜，利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为120克；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面；

（2）母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 5~7×10^-4 Pa，再通入纯度为 99.99 钨t.% 的高纯氩气；将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭；为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼 4 次；熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭；

（3）感应熔炼：将上述母合金铸锭和一定体积分数的钨颗粒放入真空感应炉内熔炼炉中；熔炼时首先将炉腔抽真空至5～7×10^-4Pa，然后以高纯氩气作为保护气进行感应熔炼；为了保证颗粒与合金熔体混合均匀，在合金的熔炼过程中还要施加电磁搅拌；熔炼完成后，钨颗粒+母合金铸锭混合合金随真空感应炉冷却至室温，然后打开真空感应炉取出混合合金；

（4）铜模喷铸：将上述混合合金压碎成小块合金，选择约20克的小块合金放入下面带有直径为1.5 mm小孔的石英管内，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里；然后将感应炉工作腔抽真空至 1×10^-3 Pa，进行感应熔炼；待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷入正下方的铜模内，喷射气压控制在 0.025 MPa，冷却速度10~10³K/s；喷铸所得的材料即塑性钨颗粒增强锆基非晶态合金复合材料。