CN105779910B - 一种具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料，以Cu48Zr48Al4为金属玻璃的模型材料，添加B2稳定元素Nb，并调整Cu、Zr和Al的原子百分比，其合金成分原子百分比表达式为：CuaZrbAlcNbd，其中，45≤a≤49，45≤b≤50，2≤c≤5.5，0.5≤d≤3，a﹢b﹢c﹢d=100，基体相为铜锆铝基金属玻璃，其化学成分为：Cu40‑45Zr48‑52Al3‑ 5Nb2‑4（原子百分比），增强相是具有体心立方结构的B2相，其化学成分为Cu39‑43Zr50‑54Al2‑4Nb1‑3（原子百分比），增强相的体积分数在20‑50%之间；优点是该复合材料的延伸率可达15%，断裂强度高于1400MPa，经预变形之后在拉伸载荷下可发生2‑3%的非线性大弹性变形，其弹性变形极限值高于现有的块体金属玻璃复合材料和块体纯金属玻璃。
Description
技术领域
本发明涉及金属玻璃及其复合材料领域，尤其是一种具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料。
背景技术
相对于其他钛基、锆基和铁基等块体金属玻璃，铜锆铝基块体金属玻璃的组元少，制备工艺相对简单，成本较为低廉。铜锆铝金属玻璃不但具有高强度、大弹性变形、高硬度、耐磨损和耐腐蚀等优良性能，其弹性变形能力达到2%，还具有较小的膨胀系数，适于近终成形，成形后表面光洁度高，因此是一种潜在的优良结构材料，未来可用于高尔夫球头、棒球、网球拍等高端体育器材和高端消费类电子设备的外壳与连接件。这类材料不但具有良好的结构性能，还具有很好地装饰性能。
但是铜锆铝基金属玻璃在宏观上表现出极大的脆性，在这一定程度上限制了其在结构材料方面的应用。通常采用复合的方法来提高铜锆铝金属玻璃的韧性，目前较为有效的方法是通过内生原位形成第二相来阻碍剪切带的扩展，减小剪切带的长度，增加剪切带之间、剪切带与增强相之间的交互作用，从而提高铜锆铝基金属玻璃的韧性，如Cu48Zr48Al4，Cu47.5Zr47.5Al5和Cu47.5Zr48Al4Co0.5等金属玻璃复合材料。这些金属玻璃复合材料均具有良好的塑性变形能力，甚至有的可以在拉伸载荷下表现出明显的加工硬化现象。然而，由于第二相的强度较低，易于发生塑性变形，通常它们的弹性变形都低于1%，因此导致金属玻璃复合材料的弹性变形能力急剧下降，也就是说这些铜锆铝基金属玻璃复合材料都具有一个明显的缺点，即铜锆铝金属玻璃复合材料的弹性变形极限值小于1%，要低于纯金属玻璃的弹性变形极限值，它们不再具有发生大弹性变形的能力。这些金属玻璃复合材料韧性的提高是以牺牲金属玻璃的大弹性变形为代价，因而影响了它们在弹性器件领域的应用。
发明内容
本发明目的是在铜锆铝基金属玻璃中，通过添加B2稳定元素Nb，提供了一种具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料。
本发明所采用的技术方案是：以Cu48Zr48Al4为金属玻璃的模型材料，添加B2稳定元素Nb，并调整Cu、Zr和Al的原子百分比，其合金成分原子百分比表达式为：CuaZrbAlcNbd，其中，45≤a≤49，45≤b≤50，2≤c≤5.5，0.5≤d≤3，a﹢b﹢c﹢d =100，基体相为铜锆铝基金属玻璃，其化学成分为：Cu40-45Zr48-52Al3-5Nb2-4（原子百分比），增强相是具有体心立方结构的B2相，其化学成分为Cu39-43Zr50-54Al2-4Nb1-3（原子百分比），增强相的体积分数在20-50%之间。
所述的合金组元的纯度为99.9%。
本发明的有益效果是：通过添加Nb元素获得了亚稳B2相增强铜锆铝基金属玻璃复合材料，该增强相在变形过程中具有部分可逆的特性，且可发生变形强化并具有大弹性变形的特性，预变形之后可使金属玻璃复合材料内部B2相和基体相分别处于拉应力和压应力状态，从而使该金属玻璃复合材料具有在拉伸载荷下发生大弹性变形的能力，该复合材料的断裂强度超过了1400MPa，延伸率可达15%，经预变形之后在拉伸载荷下可发生2-3%的非线性大弹性变形，其弹性变形极限值高于现有的块体金属玻璃复合材料和块体纯金属玻璃。
具体实施方式
实施例一：
（1）选用纯度为99.9%的Cu、Zr、Al和Nb纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Cu含量为45%，Zr含量为50%，Al含量为2%，Nb含量为3%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；
（2）在非自耗真空电弧炉的中间铜坩埚的吸气工位内放入吸气除氧用的海绵钛。将Zr和Nb原料放在真空电弧炉的一个水冷铜坩埚内，将其余的Cu和Al放入另一水冷铜坩埚内，将Al放置在最底层，用Cu将其覆盖；
（3）对电弧炉熔炼室抽真空至5×10-3Pa，然后充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（4）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；
（5）对Zr和Nb进行熔炼，使之形成ZrNb中间合金；
（6）用拨勺将ZrNb中间合金移至Cu和Al所在的坩埚内，进行电弧熔炼，电流为300A，并加以电磁搅拌，电磁搅拌的电流为10A，至彻底熔化之后停弧，待合金锭凝固之后，用拨勺将其倒扣，再进行电弧熔炼和电磁搅拌，如此反复熔炼至少四次，以使合金熔化完全均匀；
（7）用拨勺将熔炼好的合金锭放入吸铸工位，用电弧将合金锭熔化，并逐渐加大电流至500A，利用熔炼室和吸铸室压差将合金液体吸入铜模，得到直径为3-5mm的铜锆铝基金属玻璃复合材料棒材；
（8）对棒材在大气环境下进行室温拉伸预变形加工，变形速度为5×10-4/s，变形程度为10%，得到具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料。
实施例二：
（1）选用纯度为99.9%的Cu、Zr、Al和Nb纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Cu含量为47%，Zr含量为47.5%，Al含量为4%，Nb含量为1.5%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；
（2）在非自耗真空电弧炉的中间铜坩埚的吸气工位内放入吸气除氧用的海绵钛。将Zr和Nb放在真空电弧炉的一个水冷铜坩埚内，将其余的Cu和Al放入另一水冷铜坩埚内，将Al原料放置在最底层，用Cu将其覆盖；
（3）对电弧炉熔炼室抽真空至5×10-3Pa，然后充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（4）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；
（5）对Zr和Nb进行熔炼，使之形成ZrNb中间合金；
（6）用拨勺将ZrNb中间合金移至Cu和Al所在的坩埚内，进行电弧熔炼，电流为300A，并加以电磁搅拌，电磁搅拌的电流为10A，至彻底熔化之后停弧，待合金锭凝固之后，用拨勺将其倒扣，再进行电弧熔炼和电磁搅拌，如此反复熔炼至少四次，以使合金熔化完全均匀；
（7）用拨勺将熔炼好的合金锭放入吸铸工位，用电弧将合金锭熔化，并逐渐加大电流至500A，利用熔炼室和吸铸室压差将合金液体吸入铜模，得到直径为3-5mm的铜锆铝基金属玻璃复合材料棒材；
（8）对棒材在大气环境下进行室温拉伸预变形加工，变形速度为5×10-4/s，变形程度为10%，得到具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料。
实施例三：
（1）选用纯度为99.9%的Cu、Zr、Al和Nb纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Cu含量为49%，Zr含量为45%，Al含量为5.5%，Nb含量为0.5%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；
（2）在非自耗真空电弧炉的中间铜坩埚的吸气工位内放入吸气除氧用的海绵钛。将Zr和Nb放在真空电弧炉的一个水冷铜坩埚内，将其余的Cu和Al放入另一水冷铜坩埚内，将Al原料放置在最底层，用Cu将其覆盖；
（3）对电弧炉熔炼室抽真空至5×10-3Pa，然后充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；
（4）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；
（5）对Zr和Nb进行熔炼，使之形成ZrNb中间合金；
（6）用拨勺将ZrNb中间合金移至Cu和Al所在的坩埚内，进行电弧熔炼，电流为300A，并加以电磁搅拌，电磁搅拌的电流为10A，至彻底熔化之后停弧，待合金锭凝固之后，用拨勺将其倒扣，再进行电弧熔炼和电磁搅拌，如此反复熔炼至少四次，以使合金熔化完全均匀；
（7）用拨勺将熔炼好的合金锭放入吸铸工位，用电弧将合金锭熔化，并逐渐加大电流至500A，利用熔炼室和吸铸室压差将合金液体吸入铜模，得到直径为3-5mm的铜锆铝基金属玻璃复合材料棒材；
（8）对棒材在大气环境下进行室温拉伸预变形加工，变形速度为5×10-4/s，变形程度为10%，得到具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料。
Claims (2)
1.一种具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料，其特征在于，复合材料合金成分原子百分比表达式为 ：Cu 45 Zr 50 Al2 Nb 3 ，基体相为铜锆铝基金属玻璃，其化学成分为 ：Cu 40-45 Zr 48-52 Al 3-5 Nb 2-4 （原子百分比），增强相是具有体心立方结构的 B2相，其化学成分为Cu 39-43 Zr 50-54 Al 2-4 Nb 1-3（原子百分比），增强相的体积分数在 20-50%之间。
2.根据权利要求1所述的具有大弹性变形能力的铜锆铝基金属玻璃复合材料，其特征在于，所述的合金组元的纯度为99.9%。
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