一种强韧化金属玻璃复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种强韧化金属玻璃复合材料及其制备方法，其制备方法如下：（1）选择

Strong toughening metal glass composite material and preparation method thereof

The invention discloses a strengthening and toughening metal glass composite material and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: (1) selecting;

【技术实现步骤摘要】
一种强韧化金属玻璃复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属基复合材料
，具体涉及一种高强高韧的金属玻璃复合材料及其制备方法。
技术介绍
块体金属玻璃(BMG)具有高强度、高硬度、低的弹性模量与大的弹性应变极限等一系列不同于传统晶态合金的优异力学性能，使得其被认为是极具潜力的结构材料。然而，高度局域化的剪切行为使得BMG材料在没有明显室温宏观塑性变形的情况下，以突然失效的方式发生灾难性断裂，这严重地制约着BMG作为先进结构材料在工程中的大规模应用。因此，室温脆性问题已经发展成为BMG材料应用的重要瓶颈。为改善BMG材料的室温脆性，2000年美国Johnson研究小组首次通过在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系中添加Nb合金化元素，制备出微米尺寸β-Zr(Ti)固溶体相增塑的BMG复合材料，其拉伸塑性应变达到3%。随后，陈光等人通过对树枝晶β-Zr(Ti)相固溶体进行球化处理，将BMG复合材料的拉伸塑性提高到6%以上（具有拉伸塑性的大尺寸金属玻璃复合材料及其制备方法，专利申请号为201110099685.6）。但上述金属玻璃复合材料的塑性的获得，大幅度降低了强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属玻璃复合材料强度，具有优异的拉伸塑性和强度。本专利技术的强韧化金属玻璃复合材料，选择β-Zr/金属玻璃复合材料或β-Ti/金属玻璃复合材料为基础合金，其典型的合金体系为Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Be和Ti-Zr-V-Cu-Be。添加氧化锆或氧化钛粉末作为前驱体，调控金属玻璃复合材料微观结构，获得具有壳核结构沉淀相的高强高韧金属玻璃复合材料。所述添加前驱体粉末的的重量为0.5-2%，粉末的颗粒度为1-15μm。本专利技术还公开了所述强韧化金属玻璃复合材料的制备方法，其具体的制备工艺为：第一步：按照基础合金的预定成分进行配比，首先在氩气保护气氛下采用非自耗电弧炉熔炼均匀；第二步：将基础合金破碎成粉末，并添加相应的氧化锆或氧化钛粉末混合均匀，放入石墨坩埚中，感应加热至2000℃，利用氧元素的高温扩散，使添加的氧化锆或氧化钛前驱体粉末转变为高氧含量高熔点的α-Zr或α-Ti相，并通过保温时间调控析出α-Zr或α-Ti固溶体相的尺寸。第三步：利用定向凝固设备，在4mm/s抽拉速率下实施快速顺序凝固，凝固过程中，先析出的α-Zr或α-Ti将作为形核核心，促进β-Zr或β-Ti的析出，进而获得具有壳核结构沉淀相（α-Zr/β-Zr或α-Ti/β-Ti）的金属玻璃复合材料。所述金属玻璃复合材料的室温拉伸屈服强度≥1350MPa，拉伸塑性≥5%。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：添加氧化锆或氧化钛粉末作为前驱体，在高温下氧元素扩散转变为α-Zr或α-Ti，从而作为形核核心，在随后的凝固过程中，形成α-Zr/β-Zr或α-Ti/β-Ti壳核结构，提高复合材料强度，从而实现金属玻璃复合材料的强塑结合，制备出高强高韧的金属玻璃复合材料。附图说明图1是本专利技术金属玻璃复合材料制备方法的流程图。图2是本专利技术实施例1金属玻璃复合材料的宏观样品图。图3是本专利技术实施例1金属玻璃复合材料的显微结构图。图4是本专利技术实施例1金属玻璃复合材料的XRD衍射图。图5是本专利技术实施例1金属玻璃复合材料的室温拉伸应力-应变曲线。具体实施方式结合图1，本专利技术强韧化金属玻璃复合材料，选择β-Zr/金属玻璃复合材料或β-Ti/金属玻璃复合材料为基础合金，其典型的合金体系为Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Be和Ti-Zr-V-Cu-Be。添加氧化锆或氧化钛粉末前驱体的含量为0.5-2%（重量百分比），粉末的颗粒度为1-15μm。所述强韧化金属玻璃复合材料的制备方法，其具体的制备工艺为：第一步：选取纯度大于99.5%合金元素，按照基础合金的预定成分进行配比，首先在氩气保护气氛下采用非自耗电弧炉熔炼均匀；第二步：将基础合金破碎成粉末，并添加相应的氧化锆或氧化钛粉末混合均匀，放入石墨坩埚中，感应加热至2000℃，利用氧元素的高温扩散，使添加的氧化锆或氧化钛前驱体粉末转变为高氧含量高熔点的α-Zr或α-Ti相，并通过保温时间调控析出α-Zr或α-Ti固溶体相的尺寸。第三步：利用定向凝固设备，在4mm/s抽拉速率下实施快速顺序凝固，凝固过程中，先析出的α-Zr或α-Ti将作为形核核心，促进β-Zr或β-Ti的析出，进而获得具有壳核结构沉淀相（α-Zr/β-Zr或α-Ti/β-Ti）的金属玻璃复合材料。本专利技术的具体实施过程如下：(1)基础合金体系及成分的选择与设计：首先选择可形成β-Zr或β-Ti的金属玻璃复合材料形成体系，如：Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Be和Ti-Zr-V-Cu-Be等，具体成分可根据专利ZL201110099685.6进行选择和设计；其特点是选择的合金体系及成分在凝固的过程中，可析出β-Zr或β-Ti固溶体相。(2)基础合金熔炼：根据（1）所得到的合金成分，将纯度大于99.5%的原材料在氩气保护气氛下采用非自耗电弧炉熔炼均匀。(3)氧化物添加：将（2）所得的基础合金破碎成粉末，再添加相应的氧化锆或氧化钛粉末混合均匀，放入石墨坩埚中，将石墨坩埚置于真空感应熔炼炉中，抽真空至2×10-3Pa后，感应加热至2000℃，利用氧元素的高温扩散，使添加的氧化锆或氧化钛前驱体粉末转变为高氧含量、高熔点的α-Zr或α-Ti相，并通过保温时间调控析出α-Zr或α-Ti固溶体相的尺寸。(4)快速顺序凝固：将处于熔融态的合金随坩埚以4mm/s的抽拉速率浸入冷却能力极强的Ga-In-Sn液态合金中，实现快速顺序凝固。(5)结构和性能表征：利用XRD、DSC和SEM对制备的复合材料进行微观结构表征，并进一步对其进行力学性能表征，以确定具有最佳综合力学性能的复合材料微观组织及其相应的制备工艺参数。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1(1)原材料的选用本专利技术制备基础合金选用的各金属组元的纯度如表1，合金成分为Zr60Ti14.6Nb5.4Cu5.6Ni4.4Be10(原子百分比)。添加的前驱体为15μm颗粒度的氧化锆粉末。表1制备基础合金选用金属组元的纯度(%)(2)基础合金的制备在高纯氩气保护条件下，用非自耗电弧熔炼炉熔制母合金扣锭，其具体程序如下：a、将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照设计好的成分配比料备料；按照每锭80g左右的重量将配好的料放入熔炼炉内的水冷铜坩埚内，盖上炉盖抽真空至2×10-3Pa；向炉内充入一定量压力的高纯氩气（99.99%），氩气压力范围为0.4~0.6MPa。b、多道次熔炼基础合金：采用非自耗电弧炉将Zr、Nb高熔点组元在电磁搅拌作用下一起熔化2~3遍，然后将所有合金成分一起熔炼3~4遍，得到混合均匀的基础合金。熔炼时采用的电流为500~650A，电磁搅拌采用的电压为1~3V。(3)氧化物添加利用大铁锤将基础合金破粹成颗粒，再研磨成粉，加入1%重量百分比的氧化锆粉末混合均匀，清洗、干燥后装入内径26mm、壁厚2毫米的石墨坩埚中，石墨坩埚预先在200℃烘箱中干燥1小时。将石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，抽真空至2×10-3Pa，然后开始加入到2000℃保温20分钟。(4)快速顺序凝固将处于熔融态的合金随坩埚以4mm/s的抽拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强韧化金属玻璃复合材料，其特征在于，选择

【技术特征摘要】
1.一种强韧化金属玻璃复合材料，其特征在于，选择β-Zr/金属玻璃复合材料或β-Ti/金属玻璃复合材料为基础合金，添加氧化锆或氧化钛粉末作为前驱体。2.根据权利要求1所述的强韧化金属玻璃复合材料，其特征在于，所述基础合金体系为Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Be和Ti-Zr-V-Cu-Be。3.根据权利要求1所述的强韧化金属玻璃复合材料，其特征在于，添加氧化锆或氧化钛粉末前驱体的重量百分含量为0.5-2%，粉末的颗粒度为1-15μm。4.一种权利要求1-3任一项所述的强韧化金属玻璃复合材料的制备方法，其特征在于，包括：第一步：按照基础合金的预...

【专利技术属性】
技术研发人员：成家林，初雅杰，杨宗辉，李晓泉，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32