一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料，化学式为Zr

A kind of low cost and high strength plastic Zr based amorphous composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种非晶复合材料及其制备方法，尤其涉及一种低成本高强度室温塑性锆基非晶合金复合材料及其制备方法，属于非晶合金复合材料

技术介绍
目前，块体非晶合金因其独特的微观结构具有晶态合金(传统金属)所无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、高弹性、高断裂韧性以及优异的耐腐蚀、耐磨损性，在消费类电子产品、体育器材、医疗器械、军事工业、航空航天以及汽车行业等领域都有巨大的应用价值与前景。然而，大多数块体非晶合金在室温承载变形过程中，形成高度局域化的剪切带，进一步变形将导致剪切带软化，最终在软化的剪切面上发生断裂，导致产生无宏观塑性变形的灾难性脆性断裂，严重制约块体非晶合金作为工程材料的应用。为改善块体非晶合金塑性差的这一难题，国内外研究人员在非晶合金基体中引入第二相来制备出非晶合金复合材料。通过第二相与剪切带的交互作用，阻止剪切带的过度扩展，并诱导多重剪切带的形成，从而来提高材料的室温塑性。根据引入第二相的方式，非晶复合材料的制备方法大体上可分为两类：外加复合和原位析出。目前，在所有开发的非晶复合材料中，通过熔体冷却期间原位析出增塑相的方法最具有发展前景。通常，内生晶体增塑的非晶合金复合材料都是通过铜模吸铸的方法制得，晶体相在非晶基体上分布不均匀，且不利于材料制备的工业化。在以往的锆基非晶合金复合材料制备过程中，大都采用高纯度的金属原材料，价格比较昂贵，原材料成本较高，严重影响工业应用的研究与发展，阻碍工业实际应用。因此，开发出一种低成本、适用工业化实际生产的高强度塑性锆基非晶复合材料具有重要的现实意义。
技术实现思路
针对上述现存的技术问题，本专利技术提供一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料及其制备方法，通过适当的成分设计，以常见工业金属原材料为组元，以解决现有锆基非晶合金室温塑性差和原材料成本高的问题，同时，制备出低成本高强度室温塑性并且实用于工业化生产的锆基非晶合金复合材料，以此来拓展工程材料领域的应用。为实现上述目的，本专利技术提供一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料，该材料的化学式为Zr58.5Ti14.3Nb5.2Cu6.1Ni4.9Be11.0。上述配方合金的材料不需要压铸过程中苛刻的高真空度等工艺条件，且在不选择高纯原材料的条件下，也具有锆基非晶复合材料的形成能力。本专利技术还提供上述一种低成本高强塑性锆基非晶合金复合材料的制备方法，包括如下具体步骤：A、配料：按照Zr58.5Ti14.3Nb5.2Cu6.1Ni4.9Be11.0的组成及原子百分比，分别称取Zr、Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料。进一步，所述的Zr、Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料的纯度为工业纯度。其中，Zr金属原料中Zr与Hf的总质量百分比大于99％；Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料的纯度均大于99.5％，大大降低合金的原材料成本。进一步，所述的Zr、Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料先用粗砂纸打磨除去表面氧化膜，然后用丙酮和工业酒精进行超声波清洗，最后用吹风机烘干备用。B、母合金熔炼：采用真空电弧炉水冷铜坩埚熔炼法，将上步金属原料熔炼成均匀的母合金铸锭。进一步，所述的步骤B包括如下操作：B1、将金属原料放入水冷铜坩埚熔炼炉内，抽真空至5-6×10-3Pa，并向炉内充入0.1-0.3MPa高纯氩气保护气体。B2、将Ti金属原料熔化，进一步降低熔炼炉工作腔中氧的分压。B3、将Nb和Ni金属原料先熔炼，得到混合均匀的Nb-Ni二元中间合金锭。更进一步，所述先熔炼的次数≥4次，且每次熔炼时间为1-3min、熔炼电流为200-300A，以保证中间合金锭的化学成分的均匀性。B4、将上述中间合金锭与其它Ti、Cu、Be金属原料共熔炼，得到化学成分均匀的母合金铸锭。更进一步，所述共熔炼的次数≥4次，且每次熔炼时间为1-3min、熔炼电流为200-300A，以保证母合金铸锭的化学成分的均匀性。C、材料成型：采用真空压铸金属模具成型快速冷却法，将上步母合金铸锭制成本锆基非晶合金复合材料的铸件。进一步，所述的步骤C包括如下操作：C1、将母合金铸锭压碎成小块合金，放置于真空压铸机的石英坩埚中，并抽真空至100Pa。C2、将小块合金熔炼至完全熔化。更进一步，所述熔炼的温度为高于合金熔点50-200℃，熔炼时间为20-40s。C3、将熔体倒入金属模具中，快速压铸冷却成型，制得锆基非晶复合材料的铸件。上述制备过程中，母合金熔炼主要分为两步，先熔炼Nb和Ni两种高熔点难熔金属，得到混合均匀的Nb-Ni二元中间合金锭；然后将Nb-Ni二元中间合金锭和其它剩余金属混合物一起熔炼，熔炼完成后冷却至室温，即可得到化学成分均匀的母合金铸锭。此外，压铸成型时，本专利技术采用的真空精密压铸模具成型，工业化生产非晶合金常用的制备方法，特别适合于制备高精度凹槽薄壁复杂结构非晶制品，尤其是电子产品结构件。由上述方法制备得到的低成本高强塑性锆基非晶复合材料铸件的尺寸与形状取决于选定的金属模具的大小与形状。如，可以得到长度为100mm、宽度为10mm、厚度为1-3mm的样条铸件。综上，本专利技术与现有的制备工艺条件相比，具有如下显著优势：1、本专利技术采用低纯度工业级原材料来制备非晶合金复合材料，大大降低非晶合金复合材料的生产成本，扩大了非晶合金复合材料的实际应用范围；2、本专利技术制备的低成本高强塑性非晶复合材料具有较高的抗弯强度和良好的塑性变形能力，其抗弯强度在2400MPa以上，塑性变形在0.8％以上；3、本专利技术的工艺方法和操作简单，重复性好，不需要特殊设备的投入，一般的真空电弧熔炼炉和真空压铸机即可实现，易于批量工业化生产，具有很好的商用价值和前景。附图说明图1是本专利技术低成本高强塑性锆基非晶复合材料的制备流程图；图2是实施例1-3制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料的XRD图谱；图3是实施例1-3制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料的DSC曲线；图4a是实施例1制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料的微观组织；图4b是实施例2制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料的微观组织；图4c是实施例3制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料的微观组织；图5a是实施例1制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料室温弯曲力学测试的测试曲线；图5b是实施例2制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料室温弯曲力学测试的测试曲线；图5c是实施例3制得的低成本高强塑性锆基非晶复合材料室温弯曲力学测试的测试曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细的描述。实施例1：本专利技术锆基非晶合金复合材料的化学结构式为Zr58.5Ti14.3Nb5.2Cu6.1Ni4.9Be11.0，制备流程如图1所示：(1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低成本高强塑性锆基非晶合金复合材料，其特征在于，该材料的化学式为Zr

【技术特征摘要】
1.一种低成本高强塑性锆基非晶合金复合材料，其特征在于，该材料的化学式为Zr58.5Ti14.3Nb5.2Cu6.1Ni4.9Be11.0。


2.一种根据权利要求1所述的低成本高强塑性锆基非晶合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
A、配料：按照Zr58.5Ti14.3Nb5.2Cu6.1Ni4.9Be11.0的组成及原子百分比，分别称取Zr、Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料；
B、母合金熔炼：采用真空电弧炉水冷铜坩埚熔炼法，将上步金属原料熔炼成均匀的母合金铸锭；
C、材料成型：采用真空压铸金属模具成型快速冷却法，将上步母合金铸锭制成本锆基非晶合金复合材料的铸件。


3.根据权利要求2所述的一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述的Zr、Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料的纯度为工业纯度。


4.根据权利要求3所述的一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，Zr金属原料中Zr与Hf的总质量百分比大于99％。


5.根据权利要求3所述的一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料的纯度均大于99.5％。


6.根据权利要求2所述的一种低成本高强塑性锆基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述的Zr、Ti、Nb、Cu、Ni、Be金属原料先用粗砂纸打磨除去表面氧化膜，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小玉，胡小垒，张涛，
申请(专利权)人：东莞宜安新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44