钛基非晶/钛合金层状复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术一种钛基非晶/钛合金层状复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。该复合材料由钛基非晶层和钛合金层组成，钛基非晶合金与钛合金层相间排布，形成层状结构。该层状复合材料通过瞬间液态连接法制备，即将选定的钛基非晶带和钛合金带相间叠制成预制体，然后加热熔化、保温、水淬，得到钛基非晶/钛合金层状复合材料。该复合材料的非晶相层和钛合金层在二维空间连续均匀分布，协同变形，相互强化，使得材料的强度和塑性同时得到了明显改善。该复合材料具有优良力学性能、高比强度、微观结构均匀可控等特点，具有广阔的应用前景。

Ti based amorphous / Ti alloy laminated composite and its preparation method

The invention relates to a titanium based amorphous / titanium alloy laminated composite and a preparation method thereof, belonging to the technical field of metal matrix composite materials. The composite consists of a titanium based amorphous layer and a titanium alloy layer. The titanium based amorphous alloy interacts with the titanium alloy layer to form a layered structure. The laminated composites are prepared by instant liquid connection. The selected titanium base amorphous ribbons and titanium alloy ribbons are superposed into preforms. Then, the titanium base amorphous / titanium alloy laminar composites are obtained by heating and melting, heat preservation and water quenching. The amorphous and titanium alloy layers of the composite are uniformly distributed in two dimensional space, and the synergistic deformation and mutual strengthening have made the strength and plasticity of the material improved simultaneously. The composite has excellent mechanical properties, high specific strength and uniform microstructure. It has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
钛基非晶/钛合金层状复合材料及其制备方法
本专利技术涉及晶态/非晶态层状复合材料，具体为一种钛基非晶/钛合金层状复合材料及其制备方法。
技术介绍
块体非晶合金是近几十年发展起来的一类新型亚稳金属材料，它具有独特的力学、物理、化学性能，如高屈服强度，高弹性极限，良好的耐腐蚀性能以及卓越的磁性能等，具有广阔的应用前景。目前，已经开发的非晶合金系有La基、Zr基、Fe基、Pd基、Ti基、Ni基和Mg基等多种合金体系。其中，Ti基非晶合金因具有高的比强度和优异的抗腐蚀性能，在航空航天、通讯电子仪器等领域具有重要的应用前景。尽管非晶合金具有众多优异的性能，但其室温塑性有限，大大限制了其作为结构材料的广泛应用。非晶合金的有限塑性源于其高度局域化的剪切变形行为，因此，为了改善非晶合金的室温塑性，需避免剪切带的快速扩展，增加非晶合金中剪切带的数量。目前主要的解决方法是通过在非晶合金中引入第二相，阻止单一剪切带的快速扩展，继而激发多重剪切带的萌生和扩展。根据第二相引入方式的不同，非晶复合材料可分为内生型和外加型两种。内生型非晶复合材料是指通过调整合金成分以及凝固控制等手段促使合金组元通过相互作用原位析出第二相的一类复合材料。根据第二相的类型，可以分为β型和B2型。由于β枝晶相在载荷作用下表现出加工硬化行为，因而该类非晶复合材料往往表现出非常优异的综合力学性能。尽管内生型非晶复合材料中内生相与非晶基体不存在相容性问题，且表现出优异的力学性能，但内生相的结构形态对制备工艺很敏感，因而材料的性能可控性不高。外加型非晶复合材料是通过压力浸渗、粉末冶金、真空水淬等方法将不同形状(如颗粒状、纤维状、片层状、三维骨架状等)的第二相材料引入非晶合金内部得到的。第二相的形状、含量、分布不同，外加型非晶复合材料的结构互有不同，力学行为也相差较大。层状非晶复合材料作为外加型非晶复合材料的一种，具有各向异性，有利于获得较大的单向韧性。此外，层状复合材料因其特殊的层状结构，具有天然屏蔽效应，相对于传统材料，具有更高的抗腐蚀性能。鉴于层状非晶复合材料的广泛应用前景，发展具有优异综合力学性能的层状非晶复合材料具有重要意义。对于层状非晶复合材料的制备，考虑到非晶合金在过冷液相区具有高塑性的特点，大量研究者采用热压或热挤压的方法将非晶与塑性层在非晶的过冷液相区进行复合。该方法制备的样品往往界面结合较差。J.Ragani将层片状轻质合金(Al/Mg)与Zr52.5Cu27Al10Ni8Ti2.5在非晶的过冷液相区进行热压。实验发现即使在氩气中加热，也会形成一层薄的连续性氧化膜。此外，类似于润湿实验，可以将非晶板在塑性基片上加热至熔化，并在真空条件下水淬制备层状非晶复合材料。Wu等人将MGC(β-枝晶增强的Ti43Zr27Mo5Cu10Be15非晶复合材料)在CPT(工业纯Ti)基片上重熔，制备成MGC/CPT复合材料。该复合材料的拉伸塑性与其塑性基体接近。但从制备角度看，该制备方法具有很大的局限性，很难制备大尺寸多层复合材料，限制其应用。晶态/非晶态层状复合材料一般采用非晶层-塑性层结构，既可以利用非晶的高强度，又可以利用塑性层的高塑性，限制非晶层剪切带的扩展，从而实现高强度和高塑性。然而这类材料的力学性能将取决于：(1)非晶层与塑性晶态层之间的力学相容性，即塑性晶态层的加入能否有效阻止剪切带的扩展；(2)非晶层与塑性晶态层之间的化学相容性，即制备过程中，塑性晶态层的加入是否改变了非晶层成分，影响非晶的形成，是否发生剧烈的反应，形成脆性金属间化学物和界面结构，导致不能有效改善塑性的目的。因此，合理选择非晶合金成分、塑性金属层成分和结构，是制备这类复合材料并取得优异性能的关键之一。合理的制备工艺也是保证层状复合材料优异性能的关键因素。如前所述，过冷液相区层压法制备复合材料时，界面呈现机械结合，而非冶金结合，不利于获得高性能；电弧法无法获得多层复合材料，样品的尺寸受限。而传统的复合材料制备方法，如真空液态浸渗法，制备层状复合材料时，由于薄带厚度小，无刚度，很难制备层与层排列规则的预制体，层与层之间易互相接触，导致浸渗时，易形成封闭空洞，不利于复合材料力学性能的改善。因此，针对非晶/晶态层状复合材料材料制备而言，亟待开发新型制备工艺。综上所述，本专利技术中，通过对钛基非晶、钛合金的成分合理选择和新型层状复合材料制备工艺开发，成功制备出成分结构均匀、性能稳定、具有优良力学性能的钛基非晶层状复合材料，该复合材料具有高比强度、高塑性和较大的形成尺寸等优点，具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钛基非晶/钛合金层状复合材料及其制备方法，该复合材料由钛基非晶层和钛合金层组成，钛基非晶合金与钛合金层相间排布，形成层状结构。该复合材料的非晶相层和钛合金层在二维空间连续均匀分布，协同变形，相互强化，使得材料的强度和塑性同时得到了明显改善，具有优良力学性能、高比强度、微观结构均匀可控和较高的形成尺寸等特点。本专利技术的技术方案是：一种钛基非晶/钛合金层状复合材料，由钛基非晶合金层和钛合金层相间排布而组成，形成层状结构。钛合金层厚度为50～500μm，其体积分数为占复合材料的20％～80％，其成分可为纯钛、钛合金或其两者组合。纯钛的纯度高于99％。钛合金的化学组成原子百分比为TixMyNz，其中M为Mo，Nb，Zr和Ta中一种或几种组合，N为Cu，Fe，Ni，Co和Sn中一种或几种组合，70≤x≤100，0≤y≤30，0≤z≤5，x+y+z＝100。钛基非晶合金层厚度为20～500μm，化学组成为TiaZrbMcCudNieBef(原子百分数)，其中M为Nb、V、Mo、Ta中的一种或多种，30≤a≤60，20≤b≤40，0≤c≤10，0≤d≤10，0≤e≤10，20≤f≤25，a+b+c+d+e+f＝100。其中，所述钛基非晶合金层的化学组成原子百分比优选为TiaZrbMcCudNieBef，其中M为Nb和Ta中一种或两种，30≤a≤60，20≤b≤40，1≤c≤6，0≤d≤10，0≤e≤10，20≤f≤25，a+b+c+d+e+f＝100；所述钛合金层的化学组成原子百分比优选为TixMyNz，其中M为Zr，Nb和Ta中一种或几种组合，N为Cu，Fe，Ni，Co中一种或几种组合，70≤x≤79，20≤y≤29，1≤z≤3，x+y+z＝100。上述钛基非晶/纯钛层状复合材料通过瞬间液态连接法制备，即将选定的钛基非晶带和钛合金带相间叠制成预制体，然后加热熔化、保温、水淬，得到钛基非晶/钛合金层状复合材料，具体如下：(1)选定钛基非晶合金带材和钛合金带材作为原材料，按照设计比例，将二者相间排布，放入夹具中夹紧固定，得到钛基非晶/钛合金层状复合材料的预制体。预制体最大尺寸为20mm×20mm×100mm。(2)将预制体和适量非晶合金放入模具中，抽真空后进行封装。真空度要求优于5×10-3Pa，非晶合金的加入量优选为重量百分比10-20％。(3)将封装的模具放入已恒温的电阻炉中，待封装模具与样品到达电阻炉设定的恒定温度后，保温一定时间后，快速取出，淬入冷却液中，获得层状复合材料。其中冷却液优选为水、NaCl水溶液或冰水混合物。保温温度约为850℃～880℃，保温时间约为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛基非晶/钛合金层状复合材料，其特征在于：该复合材料由钛基非晶合金层和钛合金层相间排布而组成，形成层状结构。

【技术特征摘要】
1.一种钛基非晶/钛合金层状复合材料，其特征在于：该复合材料由钛基非晶合金层和钛合金层相间排布而组成，形成层状结构。2.根据权利要求1所述钛基非晶/钛合金层状复合材料，其特征在于：所述钛合金层厚度为50～500μm，其体积分数为20％～80％；所述钛合金层的成分为纯钛、钛合金或其两者组合。3.根据权利要求2所述钛基非晶/钛合金层状复合材料，其特征在于：所述纯钛的纯度高于99％；所述钛合金化学组成原子百分比为TixMyNz，其中M为Mo，Nb，Zr和Ta中一种或几种组合，N为Cu，Fe，Ni，Co和Sn中一种或几种组合，70≤x≤100，0≤y≤30，0≤z≤5，x+y+z＝100。4.根据权利要求1所述钛基非晶/钛合金层状复合材料，其特征在于：所述钛基非晶合金层厚度为20～500μm，其化学组成原子百分比为TiaZrbMcCudNieBef，其中M为Nb、V、Mo、Ta中的一种或多种，30≤a≤60，20≤b≤40，0≤c≤10，0≤d≤10，0≤e≤10，20≤f≤25，a+b+c+d+e+f＝100。5.根据权利要求1所述钛基非晶/钛合金层状复合材料，其特征在于：所述钛基非晶合金层的化学组成原子百分比为TiaZrbMcCudNieBef，其中M为Nb和Ta中一种或两种，30≤a≤60，20≤b≤40，1≤c≤6，0≤d≤10，0≤e≤10，20≤f≤25，a+b+c+d+e+f...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱正旺，李丹，张海峰，王爱民，李宏，付华萌，张宏伟，李正坤，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21