CN114438424A - 一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，TiCuZrPdCo非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu36‑xZr10Pd14Cox，1≤x≤5。本发明还公开了一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法，包括根据原子比对单质原料进行称重；电弧炉抽真空，充氩气保护熔炼，得到成分均一的合金锭；采用吸铸法在冷铜模中快速冷却，得到非晶复合材料。本发明采用上述原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法，能够解决现有的钛基非晶合金材料在应变过程中呈现加工软化的现象。
Description
技术领域
本发明涉及钛基非晶复合材料技术领域，尤其是涉及一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法。
背景技术
钛基非晶合金相比于传统的晶体钛合金，由于其长程无序、短程有序的原子排列特点，展现出了高强度、高硬度、高断裂韧性等优点。而在变形的过程中，不同于晶体材料孪晶、位错的变形方式，非晶合金的塑性变形集中在高度局域化的剪切带中，表现出了室温脆性以及应变软化的缺点，限制了其进一步的工业应用。
在非晶基体内引入第二相可以有效提高其室温塑性。非晶复合材料的制备工艺分为内生法和外加法，其中内生法制备的非晶复合材料的析出相与合金基体的润湿性较好，界面结合牢固。先对合金的成分进行设计，然后采用一定的凝固工艺，在凝固过程中在非晶基体中形成第二相粒子，从而得到非晶复合材料。一些研究者通过成分设计在合金凝固过程中析出β-Ti枝晶相制备出内生枝晶增强非晶复合材料，内生β-Ti枝晶非晶复合材料通常具有明显的拉伸塑性，但是此种材料在应变过程中大都呈现加工软化现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，解决现有的钛基非晶合金材料在应变过程中呈现加工软化的现象。本发明的另一个目的是提供一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，所述TiCuZrPdCo非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu36-xZr10Pd14Cox。
优选的，所述1≤x≤5。
上述原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料，将纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去掉表面氧化皮，按照40:36-x：10:14：x的原子比计算各金属单质的质量并称重；
S2、合金锭的制备，将称量好的各金属单质放入乙醇溶液中进行超声波清洗，将电弧炉抽真空，然后冲入氩气，采用电弧熔炼法进行熔炼，重复熔炼至少4次，得到合金锭；
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至冷铜模中，快速凝固，得到非晶复合材料。
优选的，所述步骤S1中，1≤x≤5。
优选的，所述步骤S2中，电弧炉抽真空至1.0×10-3Pa，冲入氩气至0.5Pa。
优选的，所述步骤S3中，快速凝固的冷却速度为103～106K/s。
本发明所述的原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，在制备Ti40Cu36- xZr10Pd14Cox非晶复合材料的过程中，通过调整Cu元素与Co元素比例，在快速凝固过程中形成了一种类似CsCl的B2相结构，从而得到B2相与非晶相共存的结构。这种内生B2相的引入使得在变形过程中复合材料的塑韧性得到明显的提高，相比于外加法制备的复合材料，内生法制备的非晶复合材料的析出相与合金基体的润湿性较好，界面结合牢固。在非晶复合材料的变形过程中，非晶基体中的B2晶体相容易形成多重剪切带，能够有效抑制材料变形过程中剪切带的迅速扩展，且B2晶体相在变形过程中发生马氏体相变，可以抵消金属非晶基体中剪切带引起的加工软化，使得非晶复合材料有一定的加工硬化能力，具有良好的室温塑性以及加工硬化能力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法实施例1-5的XRD图；
图2为本发明一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法实施例1-5的激光共聚焦显微镜图；
图3为本发明一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法实施例1-5室温下的压缩工程应力-应变图；
图4为本发明一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法实施例3的断口侧面SEM图。
具体实施方式
一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，TiCuZrPdCo非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu36-xZr10Pd14Cox，1≤x≤5。
上述原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法包括以下步骤：
S1、配料，将纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去掉表面氧化皮，按照40:36-x：10:14：x的原子比计算各金属单质的质量并称重；1≤x≤5。
S2、合金锭的制备，将称量好的各金属单质放入乙醇溶液中进行超声波清洗，将电弧炉抽真空，然后冲入氩气，采用电弧熔炼法进行熔炼，重复熔炼至少4次，得到合金锭。电弧炉抽真空至1.0×10-3Pa，冲入氩气至0.5Pa。重复熔炼，有利于得到成分均一的合金锭，提高合金锭成分的均匀性。
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至冷铜模中，快速凝固，得到非晶复合材料。快速凝固的冷却速度为103～106K/s。
在制备Ti40Cu36-xZr10Pd14Cox非晶复合材料的过程中，通过调整Cu元素与Co元素比例，在快速凝固过程中形成了一种类似CsCl的B2相结构，B2相为相空间点阵群为(Pm-3m)的TiCu，从而得到B2相与非晶相共存的结构。这种内生B2相的引入使得在变形过程中复合材料的塑韧性得到明显的提高，相比于外加法制备的复合材料，内生法制备的非晶复合材料的析出相与合金基体的润湿性较好，界面结合牢固。在非晶复合材料的变形过程中，非晶基体中的B2晶体相容易形成多重剪切带，能够有效抑制材料变形过程中剪切带的迅速扩展，且B2晶体相在变形过程中发生马氏体相变，可以抵消金属非晶基体中剪切带引起的加工软化，使得非晶复合材料有一定的加工硬化能力，具有良好的室温塑性以及加工硬化能力。
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种原位自生B2相增强高强塑TiCuZrPdCo非晶复合材料，该非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu35Zr10Pd14Co1。
该非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料，将各纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去除表面氧化皮后按照40:35:10:14:1的原子比计算各金属单质的质量并称重。
S2、合金锭的制备，将配置的各金属单质在乙醇溶液中超声波清洗，将电弧炉真空抽至1.0×10-3Pa，然后充入氩气至0.5Pa，采用电弧熔炼法熔炼，重复熔炼至少4次得到成分均一的合金锭。
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至水冷铜模中，在103～106K/s的冷却速度下快速凝固，得到非晶复合材料。
实施例2
一种原位自生B2相增强高强塑TiCuZrPdCo非晶复合材料，该非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu34Zr10Pd14Co2。
该非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料，将各纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去除表面氧化皮后按照40:34:10:14:2的原子比计算各金属单质的质量并称重。
S2、合金锭的制备，将配置的各金属单质在乙醇溶液中超声波清洗，将电弧炉真空抽至1.0×10-3Pa，然后充入氩气至0.5Pa，采用电弧熔炼法熔炼，重复熔炼至少4次得到成分均一的合金锭。
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至水冷铜模中，在103～106K/s的冷却速度下快速凝固，得到非晶复合材料。
实施例3
一种原位自生B2相增强高强塑TiCuZrPdCo非晶复合材料，该非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu33Zr10Pd14Co3。
该非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料，将各纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去除表面氧化皮后按照40:33:10:14:3的原子比计算各金属单质的质量并称重。
S2、合金锭的制备，将配置的各金属单质在乙醇溶液中超声波清洗，将电弧炉真空抽至1.0×10-3Pa，然后充入氩气至0.5Pa，采用电弧熔炼法熔炼，重复熔炼至少4次得到成分均一的合金锭。
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至水冷铜模中，在103～106K/s的冷却速度下快速凝固，得到非晶复合材料。
实施例4
一种原位自生B2相增强高强塑TiCuZrPdCo非晶复合材料，该非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu32Zr10Pd14Co4。
该非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料，将各纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去除表面氧化皮后按照40:32:10:14:4的原子比计算各金属单质的质量并称重。
S2、合金锭的制备，将配置的各金属单质在乙醇溶液中超声波清洗，将电弧炉真空抽至1.0×10-3Pa，然后充入氩气至0.5Pa，采用电弧熔炼法熔炼，重复熔炼至少4次得到成分均一的合金锭。
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至水冷铜模中，在103～106K/s的冷却速度下快速凝固，得到非晶复合材料。
实施例5
一种原位自生B2相增强高强塑TiCuZrPdCo非晶复合材料，该非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu31Zr10Pd14Co5。
该非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配料，将各纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去除表面氧化皮后按照40:31:10:14:5的原子比计算各金属单质的质量并称重。
S2、合金锭的制备，将配置的各金属单质在乙醇溶液中超声波清洗，将电弧炉真空抽至1.0×10-3Pa，然后充入氩气至0.5Pa，采用电弧熔炼法熔炼，重复熔炼至少4次得到成分均一的合金锭。
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至水冷铜模中，在103～106K/s的冷却速度下快速凝固，得到非晶复合材料。
对上述实施例1-5所述的非晶复合材料在室温下的力学性能进行测试，得到的实验结果如表1所示：
表1实施例1-5非晶复合材料室温下的力学性能测试结果
对实施例1-5所述的非晶复合材料的性能进行表征，如图1所示，样品Co1的XRD图谱呈现较宽的弥散峰，表明其基体大部分是非晶相组织结构，而样品Co2、Co3，Co4，Co5的XRD图谱中均出现B2晶体相。
对实施例1-5所述的非晶复合材料的棒料试样进行镶嵌、抛光，并拍摄了其在激光共聚焦显微镜下的图像，如图2所示，Co1-Co5样品均包含两种不同的相结构，其中颜色较浅的是B2晶体相，颜色深的是非晶相。可见，在实施例1-5得到的非晶复合材料中，随着Co含量的增加，B2晶体相的含量也逐渐增加。
图3为本发明一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法实施例1-5室温下的压缩工程应力-应变图。图3结合表1可知，随着Co含量的增加，样品的屈服强度逐渐降低，抗压强度和塑性先增大后减小。在x＝3时拥有最好的综合力学性能，此时屈服强度1353MPa，抗压强度达到2039MPa并且拥有15.7％的塑性应变。
当1≤x≤3时，样品Co1-Co3的塑性和抗压强度在逐渐增加而屈服强度呈下降趋势，这主要是由于B2晶体相的体积分数的增加。当4≤x≤5时，样品Co4-Co5与Co1-Co3样品相比，其塑性和屈服强度均下降，是因为有其他金属间化合物的存在影响了样品的塑性。
图4为本发明一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法实施例3的断口侧面SEM图。如图4所示，从样品Co3断裂后的样品侧面的SEM图中可以观察到明显的马氏体板条和多重剪切带。
因此，本发明采用上述原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料及其制备方法，能够解决现有的钛基非晶合金材料在应变过程中呈现加工软化的现象。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，其特征在于：所述TiCuZrPdCo非晶复合材料的合金成分为Ti40Cu36-xZr10Pd14Cox。
2.根据权利要求1所述的一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料，其特征在于：所述1≤x≤5。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、配料，将纯金属Ti、Cu、Zr、Pd、Co去掉表面氧化皮，按照40:36-x：10:14：x的原子比计算各金属单质的质量并称重；
S2、合金锭的制备，将称量好的各金属单质放入乙醇溶液中进行超声波清洗，将电弧炉抽真空，然后冲入氩气，采用电弧熔炼法进行熔炼，重复熔炼至少4次，得到合金锭；
S3、非晶复合材料的制备，将得到的合金锭采用真空吸铸法吸至冷铜模中，快速凝固，得到非晶复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，1≤x≤5。
5.根据权利要求3所述的一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，电弧炉抽真空至1.0×10-3Pa，冲入氩气至0.5Pa。
6.根据权利要求3所述的一种原位自生B2相增强TiCuZrPdCo非晶复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，快速凝固的冷却速度为103～106K/s。
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2022
- 2022-02-18 CN CN202210149520.3A patent/CN114438424A/zh active Pending
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