CN105886964A - 一种钛基非晶材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛基非晶材料的制备方法，该钛基非晶材料基体由以下原子配比的合金制成：Ti1‑a‑b‑cAlaBbZrc，其中a=0.07‑0.15，b=0.02‑0.05，c=0.15‑0.21。该方法制备的钛基非晶材料具有非晶合金的特点，非晶合金形成能力较大，还具有突出的断裂强度与塑性变形能力。

Description

一种钛基非晶材料的制备方法
技术领域
本发明涉及非晶态合金材料制造领域，具体涉及一种钛基非晶材料的制备方法。
背景技术
非晶合金具有比相同或相似成分的晶态合金更加优异的力学性能、物理化学性能，超高的耐磨耐蚀性以及良好的加工性能等特点。这些优异的性能使得非晶合金在功能材料领域和结构材料领域均展现出巨大的应用价值，同时使得非晶合金作为一种新型材料逐渐成为人们关注的热点。
块体非晶合金呈近程有序远程无序的随机密堆结构，没有位错、晶界等缺陷，使其具有高强度、高硬度、高弹性性能等优异力学性能，同时还具有优异的耐磨性，耐腐蚀性能，磁学性能等功能性能，因此块体非晶合金近年一直是材料研究领域的热点。其中，Ti基非晶合金因其质量轻、强度高、耐蚀性能、一定的室温压缩塑性等优点，从而有着广泛的应用前景和使用价值。同时，简单的非晶合金组成和制备工艺也非常有利于实际的工业化应用。
但是通常合金需要在极高的冷却速度下才能形成非晶合金，其玻璃形成能力限制了非晶样品的形状和最大尺寸，所以非晶制品多为薄膜、条带、细丝或粉末，再加上块体非晶态合金的室温塑性较差，无法通过塑性加工的方法制备成形出结构材料，这些都大大的限制了非晶合金在实际工程中的应用。而相对而言，利用表面涂层技术在基体表面制备非晶涂层，不仅能降低成本，同时还能基体在不失去其特性的情况下大幅度的提高产品的耐腐蚀性和耐磨性。
发明内容
本发明提供一种钛基非晶材料的制备方法，该方法制备的钛基非晶材料具有非晶合金的特点，非晶合金形成能力较大，还具有突出的断裂强度与塑性变形能力。
为了实现上述目的，本发明提供了一种钛基非晶材料的制备方法，该钛基非晶材料基体由以下原子配比的合金制成：Ti1-a-b-cAlaBbZrc，其中a=0.07-0.15，b=0.02-0.05，c=0.15-0.21；
该方法包括如下步骤：
（1）按照上述分子式称取各元素进行配料，选取纯度为99.99％的钛块、纯度为99.97％的锆块、纯度为99.99％的B块和纯度为99.99％的Al块进行合金配料配置，打磨去除金属原料的表面氧化皮，按照摩尔比进行精确称量配比并使用乙醇超声波清洗原料；
（2）将步骤(1)配制的原料装入熔炼炉中，在真空度优于10-3Pa条件下通入高纯氩气，在氩气保护条件下，熔炼温度为1350-1600℃，对炉体抽真空至真空度≤1×10-2Pa，充入纯氩气直到炉内压力达到0.4-0.5个大气压，充分合金需熔炼3-5遍，保证熔炼均匀，冷却后得到成分均匀的母合金铸锭；
（3）将合金锭破卒后装适量于石英管中，采用单辊急冷甩带技术，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带；将非晶合金条带置于石英管中，抽真空至低于3×10-3Pa，然后置于热处理炉中，780℃保温3分钟后迅速将石英管放入水中淬火至室温，得到钛基非晶材料基体带材；
（4）按如下重量百分比准备熔覆的的金属粉末：15％≤Zr≤20％、2％≤Ni≤8％、2％≤Si≤5％、1％≤B≤5％、2％≤C≤6％，钛粉为余量，球磨混合，金属粉末的粒度范围为60-150微米；
（5）使用连续光纤激光器，设定熔覆工艺，采用同步送粉方式对步骤（4）中的金属粉末进行多道熔覆，冷却至室温，在钛基非晶材料基体带材制备一层合金涂层；
（6）使用连续光纤激光器，设定重熔工艺，对步骤（5）中制得的合金涂层进行激光表面重熔，冷却至室温，获得具有非晶涂层的钛基非晶材料。
优选的，步骤（5）中的熔覆工艺是指：依次设置激光功率500-1000W，光斑直径1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度300-2000mm/min，同步送粉量为5-15g/min，保护氩气流量10-20L/min。
优选的，步骤（6）中的重熔工艺是指：依次设置激光功率500-2000W，光斑1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度600-3000mm/min，保护氩气流量10-20L/min。
本发明制备的具的钛基非晶材料具有较高的非晶形成能力，非晶涂层制备工艺为涂层提供较大温度梯度，相比非晶和细晶混合存在的涂层拥有更优良的机械性能。
具体实施方式
实施例一
钛基非晶材料基体由以下原子配比的合金制成：Ti0.76Al0.07B0.02Zr0.15。
按照上述分子式称取各元素进行配料，选取纯度为99.99％的钛块、纯度为99.97％的锆块、纯度为99.99％的B块和纯度为99.99％的Al块进行合金配料配置，打磨去除金属原料的表面氧化皮，按照摩尔比进行精确称量配比并使用乙醇超声波清洗原料。
将配制的原料装入熔炼炉中，在真空度优于10-3Pa条件下通入高纯氩气，在氩气保护条件下，熔炼温度为1350℃，对炉体抽真空至真空度≤1×10-2Pa，充入纯氩气直到炉内压力达到0.4个大气压，充分合金需熔炼3遍，保证熔炼均匀，冷却后得到成分均匀的母合金铸锭。
将合金锭破卒后装适量于石英管中，采用单辊急冷甩带技术，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带；将非晶合金条带置于石英管中，抽真空至低于3×10-3Pa，然后置于热处理炉中，780℃保温3分钟后迅速将石英管放入水中淬火至室温，得到钛基非晶材料基体带材。
按如下重量百分比准备熔覆的的金属粉末：1Zr=15％、Ni=2％、Si=2％、B=1％C=2％，钛粉为余量，球磨混合，金属粉末的粒度范围为60-150微米。
使用连续光纤激光器，设定熔覆工艺，采用同步送粉方式对的金属粉末进行多道熔覆，冷却至室温，在钛基非晶材料基体带材制备一层合金涂层。
使用连续光纤激光器，设定重熔工艺，对制得的合金涂层进行激光表面重熔，冷却至室温，获得具有非晶涂层的钛基非晶材料。
熔覆工艺是指：依次设置激光功率500W，光斑直径1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度300mm/min，同步送粉量为5g/min，保护氩气流量10L/min。
重熔工艺是指：依次设置激光功率500W，光斑1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度600mm/min，保护氩气流量10L/min。
实施例二
钛基非晶材料基体由以下原子配比的合金制成：Ti0.59Al0.15B0.05Zr0.21。
按照上述分子式称取各元素进行配料，选取纯度为99.99％的钛块、纯度为99.97％的锆块、纯度为99.99％的B块和纯度为99.99％的Al块进行合金配料配置，打磨去除金属原料的表面氧化皮，按照摩尔比进行精确称量配比并使用乙醇超声波清洗原料。
将配制的原料装入熔炼炉中，在真空度优于10-3Pa条件下通入高纯氩气，在氩气保护条件下，熔炼温度为1600℃，对炉体抽真空至真空度≤1×10-2Pa，充入纯氩气直到炉内压力达到0.5个大气压，充分合金需熔炼5遍，保证熔炼均匀，冷却后得到成分均匀的母合金铸锭。
将合金锭破卒后装适量于石英管中，采用单辊急冷甩带技术，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带；将非晶合金条带置于石英管中，抽真空至低于3×10-3Pa，然后置于热处理炉中，780℃保温3分钟后迅速将石英管放入水中淬火至室温，得到钛基非晶材料基体带材。
按如下重量百分比准备熔覆的金属粉末： Zr=20％、Ni=8％、Si=5％、B=5％、C=6％，钛粉为余量，球磨混合，金属粉末的粒度范围为60-150微米。
使用连续光纤激光器，设定熔覆工艺，采用同步送粉方式对金属粉末进行多道熔覆，冷却至室温，在钛基非晶材料基体带材制备一层合金涂层。
使用连续光纤激光器，设定重熔工艺，对制得的合金涂层进行激光表面重熔，冷却至室温，获得具有非晶涂层的钛基非晶材料。
熔覆工艺是指：依次设置激光功率1000W，光斑直径1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度2000mm/min，同步送粉量为15g/min，保护氩气流量20L/min。
重熔工艺是指：依次设置激光功率2000W，光斑1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度3000mm/min，保护氩气流量20L/min。
比较例
按照Ti77B15Si5Cu3的分子式，按照常规方式，制备Ti77B15Si5Cu3非晶合金材料。
对相同形状和尺寸的实施例1-2及比较例的软磁合金进行屈服强度和压缩塑性的测试，测试结果显示：实施例1-2的屈服强度相对比较例提升25%以上，压缩塑性相对比较例提高22%以上。

Claims (3)

1.一种钛基非晶材料的制备方法，该钛基非晶材料基体由以下原子配比的合金制成：Ti1-a-b-cAlaBbZrc，其中a=0.07-0.15，b=0.02-0.05，c=0.15-0.21；
该方法包括如下步骤：
（1）按照上述分子式称取各元素进行配料，选取纯度为99.99％的钛块、纯度为99.97％的锆块、纯度为99.99％的B块和纯度为99.99％的Al块进行合金配料配置，打磨去除金属原料的表面氧化皮，按照摩尔比进行精确称量配比并使用乙醇超声波清洗原料；
（2）将步骤(1)配制的原料装入熔炼炉中，在真空度优于10-3Pa条件下通入高纯氩气，在氩气保护条件下，熔炼温度为1350-1600℃，对炉体抽真空至真空度≤1×10-2Pa，充入纯氩气直到炉内压力达到0.4-0.5个大气压，充分合金需熔炼3-5遍，保证熔炼均匀，冷却后得到成分均匀的母合金铸锭；
（3）将合金锭破卒后装适量于石英管中，采用单辊急冷甩带技术，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带；将非晶合金条带置于石英管中，抽真空至低于3×10-3Pa，然后置于热处理炉中，780℃保温3分钟后迅速将石英管放入水中淬火至室温，得到钛基非晶材料基体带材；
（4）按如下重量百分比准备熔覆的的金属粉末：15％≤Zr≤20％、2％≤Ni≤8％、2％≤Si≤5％、1％≤B≤5％、2％≤C≤6％，钛粉为余量，球磨混合，金属粉末的粒度范围为60-150微米；
（5）使用连续光纤激光器，设定熔覆工艺，采用同步送粉方式对步骤（4）中的金属粉末进行多道熔覆，冷却至室温，在钛基非晶材料基体带材制备一层合金涂层；
（6）使用连续光纤激光器，设定重熔工艺，对步骤（5）中制得的合金涂层进行激光表面重熔，冷却至室温，获得具有非晶涂层的钛基非晶材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中的熔覆工艺是指：依次设置激光功率500-1000W，光斑直径1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度300-2000mm/min，同步送粉量为5-15g/min，保护氩气流量10-20L/min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（6）中的重熔工艺是指：依次设置激光功率500-2000W，光斑1-2mm，搭接率0.3-0.5，扫描速度600-3000mm/min，保护氩气流量10-20L/min。
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