CN104911512A - 一种用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法，采用具有非晶形成能力，且能在铸态原位析出固溶体β枝晶相的合金，作为制备双金属复合板的枝晶增强钛基复合材料，其合金成分原子百分比表达式为：TiaZrbMocCudBee ,其中，40≤a≤50，21≤b≤30，3≤c≤8，4≤d≤16，8≤e≤20，a﹢b﹢c﹢d﹢e=100；在氩气氛围下和钛吸氧条件下采用非自耗电弧炉将该合金成分熔炼成母合金锭；将母合金锭切割成厚度为1mm的母合金薄板，然后,将母合金薄板覆盖在厚度为0.5-2mm的工业纯钛板上，再一起放置于真空电弧熔炼炉的水冷铜盘的平坦处；在整个母合金薄板上方移动电极，直至母合金薄板完全熔化，冷却、凝固，即获得双金属复合板。
Description
技术领域
本发明属于金属玻璃及其复合材料领域，特别涉及一种用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法。
背景技术
枝晶增强钛基金属玻璃复合材料具有较高的强度和一定的韧性,但这类材料的应变强化能力很弱,在拉伸塑性变形时易于发生局部失稳,产生严重的颈缩现象。为了提高这类材料的塑性稳定性，抑制或减弱颈缩现象，就需要提高金属玻璃复合材料中第二相即枝晶相的体积分数。理论计算和实验证明：第二相的体积分数需要超过70%才能在枝晶增强钛基金属玻璃复合材料中有效抑制塑性失稳，实现均匀拉伸塑性变形。然而，过高的第二相体积分数使得这类金属玻璃复合材料的屈服强度和硬度急剧下降，材料的摩擦、磨损性能也严重降低。因此，高复合化不利于发挥金属玻璃复合材料中非晶基体的高强度、高硬度和耐摩擦、抗磨损性能。
为了充分发挥金属玻璃复合材料非晶基体的高强度、高硬度和耐摩擦、抗磨损性能，同时又使金属玻璃复合材料具有较好的韧性和抵抗冲击载荷的能力，需要在枝晶增强钛基金属玻璃复合材料的结构设计和使役方式上做出创新，即在保证复合材料具有足够韧性抵抗局部剪切变形的前提下，尽量降低金属玻璃复合材料中枝晶相的含量，而将提高塑性稳定性的任务转移到复合材料的外部，即形成双金属复合板的方式。然而，要形成双金属复合板存在诸多的困难。通常是采用扩散焊接的方法来制备双金属金属复合板，扩散焊接是在一定的温度和压力下保持一段时间,使接触面之间的原子相互扩散形成联接的方法,它是一种固态焊接的方法。但这一过程需要足够高的温度和较长的时间，这一温度通常超过了金属玻璃复合材料中非晶基体的玻璃转变点，甚至超过了金属玻璃复合材料非晶基体的晶化温度，很容易使材料的微观结构发生变化，即非晶基体发生晶化而导致金属玻璃复合材料的韧性显著下降，因而无法获得理想的金属玻璃复合材料。此外，双金属复合板之间弹性模量的匹配，界面的结合能力等问题均较难解决，因此，目前尚无钛基金属玻璃复合材料双金属复合板的相关报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在保持钛基金属玻璃高强耐磨性能的同时,克服钛基金属玻璃韧性不足的缺点，提供一种用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法。
本发明的技术解决方案是：
（1）采用具有非晶形成能力，且能在铸态原位析出固溶体β枝晶相的合金，作为制备双金属复合板的枝晶增强钛基复合材料，其合金成分原子百分比表达式为：TiaZrbMocCudBee ,其中，40≤a≤50，21≤b≤30，3≤c≤8，4≤d≤16，8≤e≤20，a﹢b﹢c﹢d﹢e=100；
（2） 在氩气氛围下和钛吸氧条件下采用非自耗电弧炉将该合金成分熔炼成母合金锭，待母合金锭凝固之后，将其倒扣，再进行电弧熔炼，如此反复熔炼至少四次，制得成分分布均匀的母合金锭；
（3）将母合金锭切割成厚度为1mm的母合金薄板，然后,将母合金薄板覆盖在厚度为0.5-2mm的工业纯钛板上，再一起放置于真空电弧熔炼炉的水冷铜盘的平坦处；
（4）将真空电弧熔炼炉的熔炼室抽真空至5×10-3Pa；
（5）往熔炼室内充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（6）在吸气工位对海绵钛进行电弧熔炼，电流为300A，通过熔融的海绵钛吸收熔炼室内残留的氧气，熔炼时间为2分钟；
（7）将电弧电流调至200A，在不停弧的情况下迅速移动电极至枝晶增强钛基金属玻璃复合材料母合金薄板及工业纯钛板的上方，反复快速地在整个母合金薄板上方移动电极，直至母合金薄板完全熔化，然后迅速移走电极并断电停弧，母合金薄板及工业纯钛板在水冷铜盘上冷却，使具有一定体积分数β体心立方增强相的钛基金属玻璃复合材料的熔体在工业纯钛板上发生凝固，即获得枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板。
所述的合金组元的纯度为99.9%。
所述的合金组元各成分的质量误差控制在0.5%以内。
本发明的有益效果是：枝晶增强钛基金属玻璃复合材料熔化后在工业纯钛板及水冷铜盘上冷却，在冷却过程中，具有一定体积分数β体心立方增强相的钛基金属玻璃复合材料的熔体在工业纯钛板上发生凝固，由于熔体热量传入工业纯钛板，工业纯钛板的结构要发生α-β转变，由此转变而来的β相将作为钛基金属玻璃复合材料中的β枝晶非平衡异质形核层，引导钛基金属玻璃复合材料中的β相在其上生长，而枝晶间的其余熔体则凝固为金属玻璃基体，随着工业纯钛板温度降低，其结构又发生β-α逆向转变，即通过在金属玻璃内部原位析出具有β体心立方结构的增强相和与外部具有α相密排立方结构的工业纯钛复合，形成具有β相和α相增强的钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板，该方法可以根据实际需要制备具有不同β相体积分数和α相体积分数且具有不同力学性能的钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板,该复合板既能充分发挥钛基金属玻璃的高强耐磨性能,又能克服钛基金属玻璃韧性不足的缺点，可用作高端消费类电子的壳体材料。
附图说明
图1是本发明按原子百分比Ti43Zr27Mo5Cu10Be15制备的枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板的光学金相照片。
具体实施方式
实施例1：
（1）选用纯度为99.9%的Ti、Zr、Mo、Cu和Be纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Ti含量为43%，Zr含量为27%，Mo含量为5%，Cu含量为10%，Be含量15%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；
（2） 在氩气氛围下和钛吸氧条件下采用非自耗电弧炉将该合金成分熔炼成母合金锭，待母合金锭凝固之后，将其倒扣，再进行电弧熔炼，如此反复熔炼至少四次，制得成分分布均匀的母合金锭；
（3）将母合金锭切割成厚度为1mm的母合金薄板，然后,将母合金薄板覆盖在厚度为0.5mm的工业纯钛板上，再一起放置于真空电弧熔炼炉的水冷铜盘的平坦处；
（4）将真空电弧熔炼炉的熔炼室抽真空至5×10-3Pa；
（5）往熔炼室内充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（6）在吸气工位对海绵钛进行电弧熔炼，电流为300A，通过熔融的海绵钛吸收熔炼室内残留的氧气，熔炼时间为2分钟；
（7）将电弧电流调至200A，在不停弧的情况下迅速移动电极至枝晶增强钛基金属玻璃复合材料母合金薄板及工业纯钛板的上方，反复快速地在整个母合金薄板上方移动电极，直至母合金薄板完全熔化，然后迅速移走电极并断电停弧，母合金薄板及工业纯钛板在水冷铜盘上冷却，使具有一定体积分数β体心立方增强相的钛基金属玻璃复合材料的熔体在工业纯钛板上发生凝固，即获得枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板，双金属复合板的光学金相照片如图1所示，其中，1：钛基金属玻璃基体，2：钛基β枝晶，3：钛基β中间过渡层，4：β枝晶增强钛基金属玻璃复合材料，5：工业纯钛板。
实施例2：
（1）选用纯度为99.9%的Ti、Zr、Mo、Cu和Be纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Ti含量为40%，Zr含量为21%，Mo含量为3%，Cu含量为16%，Be含量20%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；
（2） 在氩气氛围下和钛吸氧条件下采用非自耗电弧炉将该合金成分熔炼成母合金锭，待母合金锭凝固之后，将其倒扣，再进行电弧熔炼，如此反复熔炼至少四次，制得成分分布均匀的母合金锭；
（3）将母合金锭切割成厚度为1mm的母合金薄板，然后,将母合金薄板覆盖在厚度为1mm的工业纯钛板上，再一起放置于真空电弧熔炼炉的水冷铜盘的平坦处；
（4）将真空电弧熔炼炉的熔炼室抽真空至5×10-3Pa；
（5）往熔炼室内充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（6）在吸气工位对海绵钛进行电弧熔炼，电流为300A，通过熔融的海绵钛吸收熔炼室内残留的氧气，熔炼时间为2分钟；
（7）将电弧电流调至200A，在不停弧的情况下迅速移动电极至枝晶增强钛基金属玻璃复合材料母合金薄板及工业纯钛板的上方，反复快速地在整个母合金薄板上方移动电极，直至母合金薄板完全熔化，然后迅速移走电极并断电停弧，母合金薄板及工业纯钛板在水冷铜盘上冷却，使具有一定体积分数β体心立方增强相的钛基金属玻璃复合材料的熔体在工业纯钛板上发生凝固，即获得枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板。
实施例3：
（1）选用纯度为99.9%的Ti、Zr、Mo、Cu和Be纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Ti含量为50%，Zr含量为30%，Mo含量为8%，Cu含量为4%，Be含量8%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；
（2） 在氩气氛围下和钛吸氧条件下采用非自耗电弧炉将该合金成分熔炼成母合金锭，待母合金锭凝固之后，将其倒扣，再进行电弧熔炼，如此反复熔炼至少四次，制得成分分布均匀的母合金锭；
（3）将母合金锭切割成厚度为1mm的母合金薄板，然后,将母合金薄板覆盖在厚度为2mm的工业纯钛板上，再一起放置于真空电弧熔炼炉的水冷铜盘的平坦处；
（4）将真空电弧熔炼炉的熔炼室抽真空至5×10-3Pa；
（5）往熔炼室内充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（6）在吸气工位对海绵钛进行电弧熔炼，电流为300A，通过熔融的海绵钛吸收熔炼室内残留的氧气，熔炼时间为2分钟；
（7）将电弧电流调至200A，在不停弧的情况下迅速移动电极至枝晶增强钛基金属玻璃复合材料母合金薄板及工业纯钛板的上方，反复快速地在整个母合金薄板上方移动电极，直至母合金薄板完全熔化，然后迅速移走电极并断电停弧，母合金薄板及工业纯钛板在水冷铜盘上冷却，使具有一定体积分数β体心立方增强相的钛基金属玻璃复合材料的熔体在工业纯钛板上发生凝固，即获得枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板。
Claims (3)
1.一种用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法，其特征在于：
（1）采用具有非晶形成能力，且能在铸态原位析出固溶体β枝晶相的合金，作为制备双金属复合板的枝晶增强钛基复合材料，其合金成分原子百分比表达式为：TiaZrbMocCudBee ,其中，40≤a≤50，21≤b≤30，3≤c≤8，4≤d≤16，8≤e≤20，a﹢b﹢c﹢d﹢e=100；
（2） 在氩气氛围下和钛吸氧条件下采用非自耗电弧炉将该合金成分熔炼成母合金锭，待母合金锭凝固之后，将其倒扣，再进行电弧熔炼，如此反复熔炼至少四次，制得成分分布均匀的母合金锭；
（3）将母合金锭切割成厚度为1mm的母合金薄板，然后,将母合金薄板覆盖在厚度为0.5-2mm的工业纯钛板上，再一起放置于真空电弧熔炼炉的水冷铜盘的平坦处；
（4）将真空电弧熔炼炉的熔炼室抽真空至5×10-3Pa；
（5）往熔炼室内充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（6）在吸气工位对海绵钛进行电弧熔炼，电流为300A，通过熔融的海绵钛吸收熔炼室内残留的氧气，熔炼时间为2分钟；
（7）将电弧电流调至200A，在不停弧的情况下迅速移动电极至枝晶增强钛基金属玻璃复合材料母合金薄板及工业纯钛板的上方，反复快速地在整个母合金薄板上方移动电极，直至母合金薄板完全熔化，然后迅速移走电极并断电停弧，母合金薄板及工业纯钛板在水冷铜盘上冷却，使具有一定体积分数β体心立方增强相的钛基金属玻璃复合材料的熔体在工业纯钛板上发生凝固，即获得枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛的双金属复合板。
2.根据权利要求1所述的用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法，其特征在于，所述的合金组元的纯度为99.9%。
3.根据权利要求1所述的用枝晶增强钛基金属玻璃复合材料和纯钛制备双金属复合板的方法，其特征在于，所述的合金组元各成分的质量误差控制在0.5%以内。
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