一种氧调制相变的非晶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料技术领域，公开一种氧调制相变的非晶复合材料及其制备方法。该复合材料的主要化学组成为TiaZrbNicCudBeeOf，其中a、b、c、d、e和f为对应元素的原子百分比，31≤a≤63，26≤b≤40，0.1≤c≤6，1≤d≤10，1≤e≤22，0.1≤f≤6，且a+b+c+d+e+f＝100；该材料为一类具有形变诱发马氏体相变的非晶复合材料。方法主要是熔炼时向合金中添加金属M的氧化物实现O元素的添加，M为Ti、Zr、Cu中的一种或多种。O元素的添加可以有效调制形变诱发马氏体相变的动力学特征和分布形态，从而使该非晶复合材料表现出高强度、大塑性和良好的加工硬化能力等优异的综合力学性能。本发明专利技术对非晶合金及其复合材料的工业生产和实际应用具有重要指导意义。

An amorphous composite material with oxygen modulated phase change and its preparation method

The invention belongs to the technical field of metal materials, and discloses an oxygen modulated phase change amorphous composite material and a preparation method thereof. The main chemical composition of the composites is TiaZrbNicCudBeeOf, in which a, b, c, d, E and F are atomic percentages of corresponding elements, 31 < a < 63, 26 < B < 40, 0.1 < C < 6, 1 < d < 10, 1 < e < 22, 0.1 < f < < 6, and a + B + C + D + e + F = 100; the composites are Amorphous Composites with deformation-induced martensitic transformation. . The main method is to add metal M oxides to the alloy to realize the addition of O, M is one or more of Ti, Zr, Cu. The addition of O can effectively modulate the dynamic characteristics and distribution morphology of deformation-induced martensitic transformation, so that the amorphous composites exhibit excellent comprehensive mechanical properties such as high strength, high plasticity and good work-hardening ability. The invention has important guiding significance for the industrial production and practical application of amorphous alloys and composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种氧调制相变的非晶复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属材料
，具体为一种氧调制相变的非晶复合材料及其制备方法。
技术介绍
非晶合金因其长程无序、短程有序的结构特征而具有很多优异的性能，如高强度，高硬度，高弹性极限，良好的耐蚀性等。但非晶合金依靠高度局域化的剪切带变形，且其均匀的结构造成剪切带一旦萌生就快速扩展并贯穿整个样品发生脆性破坏。研究人员为了提高非晶合金的塑性，借鉴晶态材料中添加第二相阻碍位错运动理念，通过向均匀的非晶基体中添加结构不均匀的晶态第二相而设计出一类非晶复合材料。通过优化晶态相的尺寸、分布、取向等因素，提高第二相对剪切带拦截的有效性，从而使非晶复合材料表现出了可观的拉伸塑性。但传统的非晶复合材料往往表现出加工软化现象，这就极大的限制了非晶复合材料的发展和应用。近年来，具有形变诱发相变行为的非晶复合材料因其良好的拉伸塑性和加工硬化能力而成为材料领域研究的热点。研究人员将塑性变形能力的提高和加工硬化能力的出现归结为形变诱发相变行为和剪切带在变形过程中的交互作用。而形变诱发相变行为的动力学特征和分布状况是影响非晶复合材料力学性能的重要因素。TiZrNiCuBe内生枝晶相增强非晶复合材料是一种典型的具有形变诱发相变行为的非晶复合材料。其铸态组织为体心立方结构的β枝晶相均匀分布在非晶相基体上。在变形过程中枝晶相会发生由β相向正交结构的α”相转变的马氏体相变。相变起始于变形的弹性变形阶段，并持续至复合材料的塑性变形阶段。相变的发生会造成非晶复合材料内部应力由枝晶相向非晶基体相转移，从而利于非晶相中剪切带的形核和多重剪切带的萌生。也就是说相变的发生发展以及分布状态会显著影响非晶复合材料的变形过程。但是，通过何种手段来调控马氏体相变的特性，以达到同时提高非晶复合材料强度和塑性变形能力的目的，是该
亟待解决的问题。O元素的添加无论在传统晶态材料还是非晶材料中均有先例。在Ti合金中，O作为α相的强稳定元素，通过添加O元素抑制β相的析出，从而获得TA系Ti合金。在非晶复合材料中，O元素作为一种固溶元素，通过固溶效果达到强化晶态相的目的，进而改善非晶复合材料的性能。而在当前工作中，O元素的添加是从全新的角度去调节材料的力学性能。添加O元素可以有效的调节TiZrNiCuBeO非晶复合材料中形变诱发相变行为的动力学特征和分布规律，从而有效调节复合材料中的应力分配，进而促进非晶基体中剪切带的萌生和多重剪切带的形成，最终达到提高力学性能的目的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种氧调制相变的非晶复合材料及其制备方法，通过在TiZr基非晶复合材料中添加不同含量的O元素，使其在受载过程中的β→α”马氏体相变过程可控，以达到同时提高非晶复合材料强度和塑性变形能力的目的。本专利技术的技术方案是：一种氧调制相变的非晶复合材料，该复合材料的主要化学组成为TiaZrbNicCudBeeOf，其中a、b、c、d、e和f为对应元素的原子百分比，31≤a≤63，26≤b≤40，0.1≤c≤6，1≤d≤10，1≤e≤22，0.1≤f≤6，且a+b+c+d+e+f＝100。进一步地，上述复合材料的铸态组织为体心立方的β枝晶相均匀分布在非晶相基体上，β枝晶相体积分数为5％-95％，其随化学组成的变化而变化。进一步地，上述非晶复合材料形变诱发生成的马氏体相为均匀分布的细小板条。这是由于适量氧元素的添加而得，从而更有效调节复合材料内部的应力分配，达到改善力学性能的目的。上述一种氧调制相变的非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)熔炼：真空或在氩气保护下，按照该复合材料的化学组成中各元素的原子百分比，熔炼合金及相应的金属氧化物，其中，O元素是通过熔炼时向合金中添加金属M的氧化物实现；所述M为Ti、Zr、Cu中的一种或几种；(2)铸造：真空或者在氩气保护下，快速凝固，在凝固成型时冷速高于1K/s，保证非晶相的形成。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术的含有O元素的TiZr基非晶复合材料，通过O元素的添加，抑制其在受载过程中β→α”相变，改变析出α”相形貌与分布，从而实现对相变过程以及力学性能的控制。2.本专利技术的含有O元素的TiZr基非晶复合材料，通过添加合适比例的O元素，抑制β相转变为粗大的α”相，而是析出细小均匀分布的α”相，从而有效地诱导多重剪切带的萌生以及抑制单一剪切带的快速拓展，进而得到力学性能优异的复合材料，如高强度(约2200MPa)、大压缩塑性(约13％)。3.本专利技术的含有O元素的TiZr基非晶复合材料，通过不同含量O元素的添加，实现了在一定范围内对加工硬化率的调控。附图说明图1中(a)含O量为6at.％与(b)含O量为0的非晶复合材料样品的SEM照片。图2为含O量为0、1at.％、6at.％的非晶复合材料样品的压缩应力-应变曲线。图3中(a)含O量为0和(b)含O量为1at.％的非晶复合材料样品变形后SEM照片。图4中(a)含O量为0和(b)含O量为6at.％的非晶复合材料压缩断后样品TEM照片及衍射斑点。具体实施方式下面结合图例和实施例对本专利技术做详细说明。表1实施例材料配方实施例1：含O量为6at.％的TiZr基非晶复合材料制备：第一步：按表1中编号1的原子百分比称取纯金属原料及CuO(纯度大于99.9％)，其中O以CuO形式添加，Cu以CuO和纯金属Cu形式添加，其余元素以纯金属形式添加，称量精度为0.001g；第二步：在高真空非自耗电弧炉中熔炼得到80g母合金锭；第三步：取25g母合金，利用铜模浇铸成型得到直径8mm棒状试样。实施例2：本实施例与实施例1不同处在于其含O量不同，制备所得的复合材料含O量为1at.％；O以ZrO2形式添加，Zr以ZrO2和纯金属Zr形式添加。第一步：按表1中编号2的原子百分比称取纯金属原料以及ZrO2(纯度大于99.9％)，称量精度为0.001g；第二步：与实施例1相同；第三步：与实施例1相同。实施例3：本实施例与实施例1不同处在于其含O量不同，制备所得的复合材料含O量为5at.％；O以TiO2形式添加，Ti以TiO2和纯金属Ti形式添加。第一步：按表1中编号3的原子百分比称取纯金属原料以及TiO2(纯度大于99.9％)，称量精度为0.001g；第二步：与实施例1相同；第三步：与实施例1相同。实施例4：本实施例与实施例1不同处在于其含O量不同，制备所得的复合材料含O量为0.1％(原子百分比)。第一步：按表1中编号4的原子百分比称取纯金属原料以及CuO(纯度大于99.9％)，称量精度为0.001g；第二步：与实施例1相同；第三步：与实施例1相同。对照例：选用不含O的TiZr非晶复合材料结构及性能表征：实施例1、2、3、4及对照例中切割试样过程均由高精度快速锯完成。实施例1与对照组样品的微观组织为非晶基体相中分布有晶态枝晶相的两相结构，分别如图1(a)(b)所示，相较于对照组，O元素的添加使枝晶相尺寸减小，且伴随熟化现象。经XRD分析，晶态相均为单一的体心立方β相。将棒状试样切割成2*2*4mm3压缩试样。使用万能力学试验机对长方体样品进行压缩性能测试。图2为实施例1、实施例2和对照例样品压缩载荷下应力-应变曲线。可以看出，O元素的添加使其强度以及塑性得到提高；不同O元素含量影响着该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧调制相变的非晶复合材料，其特征在于：该复合材料的主要化学组成为TiaZrbNicCudBeeOf，其中a、b、c、d、e和f为对应元素的原子百分比，31≤a≤63，26≤b≤40，0.1≤c≤6，1≤d≤10，1≤e≤22，0.1≤f≤6，且a+b+c+d+e+f＝100。

【技术特征摘要】
1.一种氧调制相变的非晶复合材料，其特征在于：该复合材料的主要化学组成为TiaZrbNicCudBeeOf，其中a、b、c、d、e和f为对应元素的原子百分比，31≤a≤63，26≤b≤40，0.1≤c≤6，1≤d≤10，1≤e≤22，0.1≤f≤6，且a+b+c+d+e+f＝100。2.根据权利要求1所述的氧调制相变的非晶复合材料，其特征在于，复合材料的铸态组织为体心立方的β枝晶相均匀分布在非晶相基体上，β枝晶相体积分数为5％-95％。3.根据权利要求1或2所述的氧调制相...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟娟，赵子彦，王沿东，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21