一种(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料及其制备方法。所述Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料原子百分比为(Ti48Zr20Nb12Cu5Be15)99.59～96.83N0.41～3.17。在制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料过程中控制N元素的添加范围，不改变原有Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料的枝晶体积分数，利用N在枝晶中的固溶强化作用，使(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料具有更高的屈服强度和较强的断裂塑性。本发明专利技术中的N元素的质量百分比为1000ppm～8000ppm，原子百分比最高达到3.17％，通过适当调控N元素的添加量，合理调整(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料的力学性能，从而获得适合的强度和塑性。
【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,etal.DeformationbehaviorofaTi66Cu8Ni4.8Sn7.2Nb14nanostructuredcompositecontainingductiledendrites,JournalofAlloysandCompounds,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,etal.Distinguishedwork-hardeningcapacityofaTi-basedmetallicglassmatrixcompositeupondynamicloading,MaterialsScience&EngineeringA,(2013)277–280)。在我们先前的研究中，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％(JieBai,JinshanLi,etal.DeformationMicromechanismsofaTi-basedMetallicGlassCompositewithExcellentMechanicalProperties.MaterialsScienceForumVols.745-746(2013)pp809-814)。由于Ti、Zr等元素对N等间隙元素十分敏感且有很强的结合能力，因而N元素通常被视为必须尽量消除的有害杂质元素。所以上述的钛基非晶复合材料的制备过程都是采用纯度很高的原料在10-3Pa级别的高真空下进行的，高纯原料和高真空设备的使用必然带来高昂的制备成本；同时抽高真空需要很长时间，从而延长了制备周期。这些不利因素都会成为钛基非晶复合材料迈向工业化生产过程中的严重阻碍。南京工程学院的专利《一种氮元素掺杂强韧化金属玻璃复合材料及其制备方法》(公开号：104264082A)在Ti-Zr-Nb-Cu-Al-Be系列的非晶复合材料中掺入氮元素，使得原有的非晶复合材料性能有所提升，其成分范围为52≤Ti≤60，14≤Zr≤18，7.5≤Nb≤9，3≤Cu≤8，2≤Al≤4，6≤Be≤14，0.5≤N≤2。其非晶复合材料的屈服强度≥1100MPa，室温拉伸塑性≥5％。然而，1100MPa的非晶复合材料与现有的高强度钛合金以及一些非晶复合材料相比并不具有性能上的优势。我们所研发的成分为Ti48Zr20Nb12Cu5Be15的钛基非晶复合材料本身就具有非常良好的综合力学性能，屈服强度可以达到1300MPa，断裂塑性可以达到30％，该成分的钛基非晶复合材料在性能上相比现有的非晶复合材料具有一定的性能优势。基于Ti48Zr20Nb12Cu5Be15钛基非晶复合材料研究发现，N元素的添加可以大幅提高其屈服强度而少量牺牲其塑性，并且这一成分的钛基非晶复合材料的N元素可添加范围很宽，使得本专利中的方法具有较强的可操作性和实用性。本专利中所获得的(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料比上述专利中的非晶复合材料具有更优的综合性能。在力学性能方面也超过前面所提到的相关非晶复合材料，具有较强的应用前景。
技术实现思路
为了能在不牺牲塑性的前提下获得更高的屈服强度断裂强度，本专利技术提出了一种(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料及其制备方法。本专利技术由Ti、Zr、Nb、Cu、Be和N元素组成，所述(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料的原子百分比为(Ti48Zr20Nb12Cu5Be15)99.59～96.83N0.41～3.17，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。N元素通过在熔炼过程中添加TiN粉末的方式引入。本专利技术提出的制备所述(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N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，配料。配料时，设一个锭子的质量为30g；按照锭子的质量计算出各元素的质量。第三步，N元素引入。N元素的添加量为1000～8000ppm；N元素通过的TiN粉末的方式引入合金中，将计算得到的质量为0.133～1.064g的TiN粉末采用Ti箔包裹后与经过表面处理的块状Ti原料一起放入真空电弧熔炼炉中熔炼炉中进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种(Ti‑Zr‑Nb‑Cu‑Be)‑N系非晶复合材料，其特征在于，由Ti、Zr、Nb、Cu、Be和N元素组成，所述(Ti‑Zr‑Nb‑Cu‑Be)‑N系非晶复合材料的原子百分比为(Ti48Zr20Nb12Cu5Be15)99.59～96.83N0.41～3.17，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；N元素通过在熔炼过程中添加TiN粉末的方式引入。
【技术特征摘要】
1.一种(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料，其特征在于，由Ti、Zr、Nb、Cu、
Be和N元素组成，所述(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶复合材料的原子百分比为
(Ti48Zr20Nb12Cu5Be15)99.59～96.83N0.41～3.17，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；N元素通过在熔炼过程
中添加TiN粉末的方式引入。
2.一种制备权利要求1所述(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N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，配料；配料时，设一个锭子的质量为30g；按照锭子的质量计算出各元素
的质量；
第三步，N元素引入；N元素的添加量为1000～8000ppm；N元素通过的TiN粉
末的方式引入合金中，将计算得到的质量为0.133～1.064g的TiN粉末采用Ti箔包
裹后与经过表面处理的块状Ti原料一起放入真空电弧熔炼炉中熔炼炉中进行熔
炼，熔炼电流为150A，熔炼时间为1min，熔炼完成后获得含N钛锭；为防止Ti
元素质量超出计算值，从第二步中所配Ti原料的质量中扣除用于包裹TiN粉末的
Ti箔的质量；
第四步，制备(Ti48...
【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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