改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法技术

改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法，所述钛基内生非晶复合材料是按原子数百分比Ti40Zr24V12Cu5Be19；所述的非晶复合材料加热至过冷液相温度区间、保温3~10分钟、变形时应变率范围为0.0001/s~0.01/s、且变形量在4%~40%应变量后，大气环境冷却至室温。本发明专利技术的非晶复合材料具有屈服强度是1510MPa~1960MPa，断裂应变是24.5%~3.6%的性能。本发明专利技术具有通过优化内生非晶复合材料组织来制备高强度、高塑性复合材料的优点。

【技术实现步骤摘要】
改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法
本专利技术属于复合材料
，涉及一种改善钛基内生晶体相增韧的非晶复合材料室温力学性能的二次变形加工方法。这种方法同样适用于其它由内生晶体相与非晶相组成的非晶复合材料。
技术介绍
钛基非晶合金因其混乱排列的原子结构，具有晶态合金无法比拟的力学性能，如高强度、高硬度、弹性性能优良等，使其在航空、航天领域具有巨大的应用前景。然而，非晶合金室温变形通过高度局域的剪切带来实现，拉伸断裂无任何塑性，严重制约了其结构工程应用。内生钛基非晶复合材料是在非晶基体上原位生成β钛枝晶，兼有晶体钛合金与钛基非晶合金的优点，室温呈现大的“加工硬化”阶段。与传统钛合金相比，Ti44Zr20V12Cu5Be19非晶复合材料不仅强度高(抗拉强度1640MPa)、塑性高(拉伸断裂应变15.5%)、韧性高(断裂韧性介于43.8-61.6MPam1/2)，还具有密度低(4.97-5.2g/cm3)、比强度高(315MPa·cm3/g)等优点。此外，这类材料不像单相非晶受玻璃形成能力的严格制约，不需要形成全非晶相，能够形成大尺寸的铸锭，如张海峰等铸造出150g、直径达50mm的Ti50Zr23Ni3Cu6Be18非晶复合材料。因此，内生钛基非晶复合材料在航空、航天、汽车、建筑、体育用品等领域有重要的应用前景。已有研究表明，非晶合金在0.7Tg以上变形时发生均匀流变(Tg为玻璃转变点)，Tx以上发生晶化行为(Tx为晶化温度)。非晶合金过冷液相区变形时发生牛顿流变，变形抗力很低，试样整体均匀变形，呈现优越的超塑成形能力，特别是Nieh等发现镧基非晶过冷液相区可实现20000%的拉伸变形。因此，美国液态金属公司、中国宜安科技等企业对单相非晶合金在过冷液相温度区进行加工成形，得到诸多异行件，这为单相非晶合金的热加工成型及工程应用提供了良好的途径。但是单相非晶合金热加工后其室温脆性仍未解决，仍然不能大规模的作为结构件工程应用。为此，对内生β-Ti增韧的钛基非晶复合材料而言，研究人员研究出两种可选途径：一是通过过冷液相温度区间一次加工成型，另一是通过铜模吸铸工艺。然而，过冷液相温度区间一次加工成型非晶复合材料工艺要求复杂，如要求高真空高纯氩气环境等；铸造试样受铜模冷却速率的影响，难以制备出较大尺寸或异性结构件，一般试件尺寸为毫米级，同时铸造出的材料难于避免疏松缩孔等缺陷。这不利于这类金属基复合材料的实际加工成型及其结构工程应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于通过对吸铸工艺得到的钛基内生晶体相增韧的非晶复合材料进行二次变形加工以改善该材料的室温力学性能，从而得到高强度和良好塑性的非晶复合材料。本专利技术提供了一种有效改善内生非晶复合材料室温塑性和加工硬化能力的方法，且工艺简单易行。本专利技术的技术方案：改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法，包括下述内容：（1）制备原材料将各组元金属按原子数百分比Ti40Zr24V12Cu5Be19配比原料30g，其中，钛、锆、钒或铜纯度≥99.9%，铍的纯度≥97.0%；用高真空非自耗电弧熔炼炉在高纯氩气（纯度≥99.99%）的保护下熔炼原料，熔炼4-5遍后得到母合金锭；将母合金锭置于电弧熔炼炉中吸铸成直径是5mm、长度≥50mm的柱状钛基非晶复合材料试样。（2）二次变形加工工艺第一步，从柱状钛基非晶复合材料上切割高径比为1：1至2：1的样品，分别用240#、400#、600#、800#、1000#金相砂纸磨平试样两端；第二步，将第一步得到的试样置于装配有高温装置的力学试验机的样品放置区，将力学试验机加热到过冷液相温度区间（613K-680K），保温3-10分钟；第三步，对第二步完成的样品进行压力加载，加载应变率为0.0001-0.01/s，将样品压缩到一定位移后卸载（对应的压缩变形应变为5%-40%；第四步，卸载后的样品迅速取出加热炉，在大气环境中冷却至室温；第五步，检测第四步所得样品的组织结构、测试其室温力学性能。（1）材料结构、组织、性能表征经过二次变形加工后的样品检测步骤如下：（1）结构检测：用金刚石切片机从圆柱状试样上截取1-2mm的检测试样，用金相砂纸磨平检测试样表面（240#、600#、1000#、1500#），用X射线衍射仪对检测试样进行X射线衍射谱线扫描，扫描角度范围为20º～80º，扫描速度为3º/min；（2）组织观察：用金刚石切片机从圆柱状试样上截取1-2mm的观察试样，随后用金相镶样机将所截取的试样镶成直径为20mm、高度为20mm的预磨试样；然后通过标准金相显微技术显示样品的组织；（3）力学性能测试：前两步经过结构检测和组织观察选取组织为非晶相和晶体相两相的非晶复合材料样品，在室温进行力学性能测试，得到优化工艺。本专利技术的有益效果：本专利技术在过冷液相区对内生非晶复合材料进行热加工，其中非晶基体在过冷液相区为均匀变形，但晶体相在该温度区间变形时，通过位错运动（如位错增加与塞积）来实现。通过合理选区复合材料体系、调控变形温度与应变率，可以有效改善内生非晶复合材料室温塑性和加工硬化能力，从而得到高强度和良好塑性的内生非晶复合材料。本专利技术具有通过优化内生非晶复合材料组织来制备高强度、高塑性复合材料的优点。本专利技术还适用于其它由内生晶体相与非晶相组成的非晶复合材料，为大力推进内生非晶复合材料实际加工成型与结构工程应用提供理论与实践依据。附图说明图1是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭的X射线衍射图；图2是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭的显微组织图；图3是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭的室温压缩应力应变曲线图；图4是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后的X射线衍射图，变形量为4.9%；图5是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后（变形量为4.9%）显微组织图；图6是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后（变形量为4.9%）室温压缩应力应变曲线图；图7是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后的X射线衍射图，变形量为8.5%；图8是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后（变形量为8.5%）显微组织图；图9是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后（变形量为8.5%）室温压缩应力应变曲线图。图1是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭的X射线衍射图。由图1可知，钛基非晶复合材料由β-钛相和非晶基体组成。图2是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭的显微组织图，进一步证明该复合材料微观组织由两相组成。图3是成分为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭的室温压缩应力应变曲线图。由图3可知，该复合材料室温压缩变形应力应变曲线，其屈服强度为1510MPa，断裂应变24.5%。图4、图5和图6为Ti40Zr24V12Cu5Be19复合材料3mm铸锭二次变形加工后（变形量为4.9%）的X射线衍射图、显微组织图和室温压缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法，所述钛基内生非晶复合材料是按原子数百分比Ti40Zr24V12Cu5Be19；其特征在于包括：（1）将钛基内生非晶复合材料加热至过冷液相区610K~680K，保温3~10分钟；（2）对保温完成后的样品进行热压变形，变形应变率为0.0001 /s~0.01 /s，且变形应变量为4 %~40 %；（3）将变形完成后的样品移至大气环境冷却至室温，得到非晶复合材料的屈服强度为1510MPa~1960MPa，断裂应变是24.5 %~3.6%。

【技术特征摘要】
1.改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法，所述钛基内生非晶复合材料是按原子数百分比Ti40Zr24V12Cu5Be19；其特征在于包括：（1）将钛基内生非晶复合材料加热至过冷液相区610K~680K，保温3~10分钟；（2）对保温完成后的样品进行热压变形，变形应变率为0.0001/s~0.01/s，且变形应变量为4%~40%；（3）将变形完成后的样品移至大气环境冷却至室温，得到非晶复合材料的屈服强度为1510MPa~1960MPa，断裂应变是24.5%~3.6%。2.根据权利要求1所述改善钛基内生非晶复合材料力学性能的热加工方法，其特征是钛基内生非晶复合材料的制备是将各组元金属按原子数百分比Ti40Zr24V12Cu5Be19配比原料，其中，钛、锆、钒或铜纯度≥99.9%，铍...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永胜，令狐嵘凯，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14