高熵非晶复合材料及其制备方法技术

一种高熵非晶复合材料及其制备方法。所述高熵非晶复合材料由Ti、Zr、Nb或V或Ta、Cu和Be按等原子百分比组成，具体是Ti20Zr20Nb20Cu20Be20、Ti20Zr20V20Cu20Be20和Ti20Zr20Ta20Cu20Be20。其中Ti、Zr、Nb、Cu的原料均为纯度≥99.99％的块状，Be为纯度≥99％的块状。采用本发明专利技术制备的高熵非晶复合材料由非晶相和β‑Ti枝晶增强相构成，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≥2300MPa，断裂前应变εp≥4％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非晶复合材料或高熵合金领域，具体来说是一种同时具有超高强度和一定塑性匹配的高熵非晶复合材料及其制备方法。
技术介绍
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、微型机械、运动器材等领域具有非常潜在的应用前景。但是由于高度局域化变形带来的非晶合金的本征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。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。中国科学院金属研究所的专利《内生韧性相增强Ti基非晶复合材料及其制备方法》(公开号：102296253A)中通过电弧熔炼+喷铸的方法获得的成分为Ti52.9Zr34.5Ni1.6Cu4.2Be6.8的β-Ti固溶体增强的Ti基非晶复合材料压缩强度为1207MPa，压缩断裂强度为1913MPa，压缩应变为14％。兰州理工大学的专利《形状记忆晶相强韧化Ti基非晶复合材料及其制备方法》(公开号：102978541A)通过反重力吸铸的方法获得成分为(Ti0.5Ni0.48Co0.02)80Cu20的过冷奥氏体相B2-TiNi和马氏体相B19’-TiNi增韧Ti基非晶复合材料压缩屈服强度为1504MPa，断裂强度为2582MPa，塑性应变为15％，并表现出加工硬化。太原理工大学的专利《球晶增韧的非晶基复合材料的制备方法》(公开号：102776453A)通过半固态处理+定向凝固的方法获得成分为Zr60Ti14.7Nb5.3Cu5.6Ni4.4Be10的球晶增韧的非晶复合材料的强度和塑性分别达到1500MPa和12％。检索文献资料中，具有β-Ti枝晶相增强的Ti66Cu8Ni4.8Sn7.2Nb1合金屈服强度为940MPa，断裂强度为2000MPa，塑性应变28％(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.)成分为Ti48Zr20Be15V12Cu5的非晶复合材料屈服强度为1400MPa,断裂强度为1990MPa,塑性应变为21.0％(J.W.Qiao，H.Y.Ye,et al.Distinguished work-hardening capacity of a Ti-based metallic glass matrix composite upon dynamic loading,Materials Science&Engineering A,(2013)277–280)。将Ti48Zr20Be15V12Cu5的非晶复合材料中的V元素替换成Nb元素所获得的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15的非晶复合材料拥有了比较优异的综合力学性能：屈服强度为1370MPa,断裂强度为2513MPa,塑性应变为33％(Jie Bai,Jinshan Li,et al.Deformation Micromechanisms of a Ti-based Metallic Glass Composite with Excellent Mechanical Properties.Materials Science Forum Vols.745-746(2013)pp 809-814)。高熵合金的组成至少包括5种合金元素，而且每种元素的原子百分比都在5％-35％之间。高熵合金的产生打破了传统的合金成分以一种元素为基体的设计框架。多种主元素混合后具有的高混合熵，使多元合金倾向形成简单的结晶相——简单固溶体结构，抑制了脆性金属间化合物的形成。专利《一种块体高熵金属玻璃及其制备方法》(公开号：103334065A)提出了Ti20Zr20Ni20Cu20Be20和Ti20Zr20Hf20Cu20Be20等一系列高熵非晶合金。专利《一种块体高熵金属玻璃及其制备方法》(公开号103589882A)提出了组分组成为：铜：23％～31％；锆：22％～32％；钛：9％～31％；镍：14％～31％；铝：5％～18％；杂质：<0.5％，该成分的高熵非晶断裂强度为1800MPa与现有的一些非晶复合材料相比不具有太多的性能优势。然而对于高熵非晶复合材料尚未有研究。针对Ti-Zr-Nb(V，Ta)-Cu-Be系列的非晶复合材料，通过调整其组元成分比例获得高熵非晶复合材料，可以具有更高的屈服强度和断裂强度
技术实现思路
为进一步提高现有技术的屈服强度和断裂强度，本专利技术提出了一种高熵非晶复合材料及其制备方法。本专利技术所述的高熵非晶复合材料由Ti、Zr、Nb或V或Ta、Cu和Be按等原子百分比组成，具体是Ti20Zr20Nb20Cu20Be20、Ti20Zr20V20Cu20Be20和Ti20Zr20Ta20Cu20Be20。其中Ti、Zr、Nb、Cu的原料均为纯度≥99.99％的块状，Be为纯度≥99％的块状。本专利技术所述高熵非晶复合材料的具体过程如下：第一步，原料的表面处理。将等原子百分比的各组元换算成质量百分比，并计算各种原材料的质量；按照相应的原料质量称量好的块状原料Ti、Zr、Nb、Cu和Be并进行表面处理；第二步，制备高熵非晶复合材料合金锭。将经过表面处理的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块状原料一起放入真空电弧熔炼炉中，采电弧熔炼方法对各种元素的块状原料进行熔炼，得到高熵非晶复合材料合金锭。制备高熵非晶复合材料合金锭时，真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，熔炼时间为5min，得到合金熔液。熔炼结束后，将得到的合金熔液在真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中降温凝固为合金锭；将凝固所得到的合金锭翻转180°，重复所述第一次熔炼的过程，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。熔炼过程中通高纯氩气保护。第三步，喷铸。将得到的高熵非晶复合材料合金锭破碎后，取合金试样置于下端有开口的石英坩埚内加热至完全熔化；将熔化后的合金喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成棒状的高熵非晶复合材料。喷铸时，喷铸炉的气压为6×10-3Pa，回充0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛；喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2×104Pa；喷铸炉熔炼的功率为12KW。为了能在获得更高的屈服强度断裂强度，本专利技术在非晶复合材料的基础上打破了传统的合金成分以一种元素为基体的设计框架，多种主元素混合后具有的高混合熵，使得非晶复合材料的晶态相强度进一步提高，成分设计和制备条件相协调，保证成分非晶形成能力，从而保证了原有非晶基体的性质，从而非晶复合材料具有了更高的强度。采用本专利技术制备的高熵非晶复合材料由非晶相和β-Ti枝晶增强相构成，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≥2300MPa，断裂前应变εp≥4％。附图说明图1是实施例一提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高熵非晶复合材料，其特征在于，所述的高熵非晶复合材料由Ti、Zr、Nb或V或Ta、Cu和Be按等原子百分比组成，具体是Ti20Zr20Nb20Cu20Be20、Ti20Zr20V20Cu20Be20和Ti20Zr20Ta20Cu20Be20。

【技术特征摘要】
1.一种高熵非晶复合材料，其特征在于，所述的高熵非晶复合材料由Ti、Zr、Nb或V或Ta、Cu和Be按等原子百分比组成，具体是Ti20Zr20Nb20Cu20Be20、Ti20Zr20V20Cu20Be20和Ti20Zr20Ta20Cu20Be20。2.如权利要求1所述高熵非晶复合材料，其特征在于，其中Ti、Zr、Nb、Cu的原料均为纯度≥99.99％的块状，Be为纯度≥99％的块状。3.一种制备权利要求1所述高熵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；将等原子百分比的各组元换算成质量百分比，并计算各种原材料的质量；按照相应的原料质量称量好的块状原料Ti、Zr、Nb、Cu和Be并进行表面处理；第二步，制备高熵非晶复合材料合金锭；将经过表面处理的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块状原料一起放入真空电弧熔炼炉中，采电弧熔炼方法对各种元素的块状原料进行熔炼，得到高...

【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