一种Ti‑Zr‑Nb‑Cu‑Be系非晶复合材料及其制备方法。所述的Ti‑Zr‑Nb‑Cu‑Be系非晶复合材料由Ti、Zr、Nb、Cu和Be组成，其原子百分比为TixZr20Nb12Cu5Be63－x，其中，51≤x≤55。所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be均为块状，并且Ti、Zr、Nb和Cu的纯度均≥99.99％，Be的纯度≥99％。本发明专利技术中钛含量高，密度较低，同时具有高的断裂强度和塑性匹配，而且制备工艺简单，能够广泛应用于对强度要求高的新一代航空、航天及武器需要的关键轴承和壳体类零件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钛合金或非晶合金领域，具体来说是一种同时具有超高强度和塑性匹配的钛基非晶复合材料。
技术介绍
新一代航空、航天及武器装备对材料提出了轻质、高性能、结构-功能一体化的发展要求，而非晶合金具有比常规晶态合金更优异的力学性能和耐磨性、独特的物理和化学性能，因此在航空航天、兵器、舰船等国防军工领域具有广泛的应用前景。然而，由于缺乏位错滑移，孪生等变形机制，非晶合金变形只能依赖于剪切带的滑移与增殖，因而其脆性限制了非晶合金的发展与应用。为了解决非晶的脆性，韧性相第二相增强作为一种有效的方法引起了人们广泛的关注。通过添加β稳定元素或者外加韧性颗粒，人们获得具有良好塑性的非晶复合材料。既保留了非晶高的断裂强度与高的韧性，又解决了非晶脆性断裂引起的材料突然失效。钛基非晶合金由于具有高的强度和低的密度以及良好的耐蚀性，在航空、航天及军事领域具有非常潜在的应用前景，但非晶合金的脆性制约了其作为高强韧结构材料的应用。因而通过第二相增强制备Ti基自生非晶复合材料，可以解决其室温脆性的问题，同时兼具非晶合金轻质高强等优点，因而极有潜力作为新一代的航空、航天及军事领域特种轴承和高强韧壳体等的备选材料。近几年，人们开发出了一些钛基非晶复合材料体系，如Ti-Zr-V-Cu-Be，Ti-Zr-V-Cu-Al-Be，Ti-Cu-Ni-Sn-Nb，Ti-Zr-Ni-Be-Ta等。根据已经开发的这类非晶复合材料，第二相主要包括了Ta颗粒状固溶体、具有体心立方结构的βZr、βTi和αFe等枝晶状固溶体。经查询相关资料，目前已知钛基非晶复合材料体系力学性能最好的合金为βTi枝晶相增强的Ti66Cu8Ni4.8Sn7.2Nb1合金，其断裂强度为2020MPa，塑性应变32％，见文献[J.Eckert,J.Das,et al.Deformation behavior of a Ti66Cu8Ni4.8Sn7.2Nb14nanostructured composite containing ductile dendrites,Journal of Alloys and Compounds,2007(434-435):13-17.]，难以满足新一代航空、航天及武器领域对材料轻质、高强、高韧的需求，因而找到一种具有超高强度和塑性匹配的钛基非晶复合材料具有重要的军事应用价值。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的断裂强度和塑性应变不能满足新一代航空、航天及武器领域需求的不足，本专利技术提出了一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料及其制备方法。本专利技术由Ti、Zr、Nb、Cu和Be组成，其原子百分比为TixZr20Nb12Cu5Be63－x，其中，51≤x≤55。所述Ti、Zr、Nb、Cu和Be均为块状，并且Ti、Zr、Nb和Cu的纯度均≥99.99％，Be的纯度≥99％。本专利技术制备所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的具体过程如下：第一步，原料的表面处理。第二步，制备合金锭；所述的合金锭为TixZr20Nb12Cu5Be63－x合金锭，其中，51≤x≤55；通过真空电弧熔炼炉制备；具体是，采用电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼；熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温；将凝固后的合金锭翻转180゜，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼；所述重复熔炼的过程为三次；熔炼过程中通高纯氩气保护；熔炼结束后，得到TixZr20Nb12Cu5Be63－x合金锭。所述电弧熔炼TixZr20Nb12Cu5Be63－x合金锭时，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，每次熔炼时间为5min。第三步，喷铸；将得到的TixZr20Nb12Cu5Be63－x合金锭破碎后，取6.5g～8.0g的合金试样置于下端有开口的石英坩埚内；将喷铸炉腔内的气压抽到6×10-3Pa后回充0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛；喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化；打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2×104Pa，使合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处喷出喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成非晶复合材料；所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。本专利技术与现有非晶复合材料相比，其玻璃化转变温度Tg≥663K，过冷液相区宽度ΔTx≥60K，非晶基体具有良好的热稳定性。采用本专利技术制备的合金由非晶相和βTi枝晶增强相构成，其中枝晶相的体积分数为67％±5％，使该合金表现出超高的力学性能匹配，其中用该合金制备的Φ3×6mm试棒压缩试样数据为：屈服强度σy≥1400MPa，压缩断裂强度σf≥2780MPa，断裂前塑性应变εp≥38％。本专利技术中，钛含量高，密度较低，同时具有高的断裂强度和塑性匹配，而且制备工艺简单，可广泛应用于对强度要求高的新一代航空、航天及武器需要的关键轴承和壳体类零件。附图说明图1为本专利技术提供的Ti51Zr20Nb12Cu5Be12非晶复合材料的XRD衍射曲线(XRD)：Cu Kα条件。图2为本专利技术提供的Ti51Zr20Nb12Cu5Be12非晶复合材料的差热分析曲线：加热速率20K/min。图3为本专利技术提供的Ti51Zr20Nb12Cu5Be12非晶复合材料的光学电镜组织照片。图4为本专利技术提供的Ti51Zr20Nb12Cu5Be12非晶复合材料的压缩试验应力-应变曲线：单轴向压缩，应变速率为1×10-4s-1,试样尺寸：Φ3×6mm。图5是本专利技术制备Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的流程图。具体实施方式实施例一本实施例是一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料。本实施实例所述的Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be五种元素组成，所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的原子百分比为Ti51Zr20Nb12Cu5Be12，其中Ti、Zr、Nb、Cu、Be通过由纯度≥99.99％的块状Ti、Zr、Nb、Cu和纯度≥99％的块状Be熔炼合成。本实施实例所提出的Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的制备过程如下：第一步，原料的表面处理。将称量好的Ti、Zr、Nb、Cu和Be去除油污与表层氧化皮。第二步，制备合金锭。所述的合金锭为Ti51Zr20Nb12Cu5Be12合金锭。通过真空电弧熔炼炉，制备Ti51Zr20Nb12Cu5Be12合金锭。具体是，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，采用常规的电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼，熔炼时间为5min。熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温；将凝固后的合金锭翻转180゜，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二次熔炼，熔炼时间为5min。所述重复熔炼的过程为三次，以保证合金锭成分均匀。熔炼过程中通高纯氩气保护。熔炼结束后，得到Ti51Zr20Nb12Cu5Be12合金锭。第三步，喷铸。将得到的Ti51Zr20Nb12Cu5Be12合金锭破碎后，取6.5g的合金试样置于下端开有直径0.5mm口的石英坩埚内。通过机械泵将炉腔内的气压抽到6×10-3Pa，然后回充0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛。喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Ti‑Zr‑Nb‑Cu‑Be系非晶复合材料，其特征在于，所述的Ti‑Zr‑Nb‑Cu‑Be系非晶复合材料由Ti、Zr、Nb、Cu和Be组成，其原子百分比为TixZr20Nb12Cu5Be63－x，其中，51≤x≤55。
【技术特征摘要】
1.一种Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料，其特征在于，所述的Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料由Ti、Zr、Nb、Cu和Be组成，其原子百分比为TixZr20Nb12Cu5Be63－x，其中，51≤x≤55。2.如权利要求1所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料，其特征在于，所述Ti、Zr、Nb和Cu的纯度均≥99.99％，Be的纯度≥99％。3.一种制备权利要求1所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be系非晶复合材料的方法，其特征在于，具体过程如下：第一步，原料的表面处理；第二步，制备合金锭；所述的合金锭为TixZr20Nb12Cu5Be63－x合金锭，其中，51≤x≤55；通过真空电弧熔炼炉制备；具体是，采用电弧熔炼方法，在对经过表面处理的原料进行第一次熔炼；熔炼结束后，真空电弧熔炼炉降温至室温；将凝固后的合金锭翻转180゜，重复所述第一次熔炼的过程，对经过表面处理的原料进行第二...
【专利技术属性】
技术研发人员：李金山，李力源，王军，寇宏超，胡锐，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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