锆基非晶合金复合材料和薄壁件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种锆基非晶合金复合材料和薄壁件及其制备方法和应用，锆基非晶合金复合材料，该材料的原子百分比表达式为：Zr

【技术实现步骤摘要】
锆基非晶合金复合材料和薄壁件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及合金材料
，特别是涉及一种锆基非晶合金复合材料和薄壁件及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]非晶合金是以较快的冷却速度快速凝固而成，其原子在凝固过程中来不及按周期排列，故形成了长程无序的非结晶状态，与通常情况下金属材料的原子排列呈周期性和对称性不同，因而称之为非晶合金，又称之为金属玻璃或玻璃态合金，大块金属非晶玻璃(BMGs)也因其独特的力学、化学和物理性能而受到广泛关注，是最有前途的结构材料之一；1960年首次合成了具有非晶态结构的金属非晶玻璃，在20世纪90年代末，一些研究转向了金属玻璃基复合材料的增韧策略，开发了具有高韧性和抑制剪切带快速扩展的原位和非原位金属玻璃基复合材料(MGMCs)。因此，高强度和高韧性的复合材料在结构工程中具有广阔的应用前景。在制备非晶合金的发展史中，从非晶膜、丝、条带发展到块体非晶棒、板、球，从最早的稀释气态凝聚方法制备非晶薄膜发展到后来的铜模吸铸、喷铸等工艺制备块体非晶，都离不开高真空的条件(<10
‑3Pa)和快的冷却速率，这些条件都极大限制了块体非晶合金在工业级生产中的应用。
[0003]目前在工业级别生产中，块体非晶合金一般均采用真空压铸方法，相比与吸铸和浇注等其它的非晶成形铸造方法，真空压铸具有以下几个特点：(1)可直接成型薄壁深腔、结构复杂的块体非晶合金零部件；(2)该方法的冷却速率很大，所以可以获得较大体积的块体非晶合金；(3)压铸成型的块体非晶合金的表面层致密度较高，由于凝固速度快，所以晶粒非常细小，导致其强度较高；(4)真空压铸可以实现块体非晶合金的自动化大批量生产，并且循环周期短，生产成本低。但工业级真空压铸机的真空度仅仅在10
‑1Pa，极大地降低了非晶合金的形成能力。
[0004]非晶复合材料与单相非晶合金相比，最本质的区别就是非晶复合材料是由枝晶相与玻璃基质相共同组成，在室温下，由于单始剪切带的迅速传播，导致单始剪切带的局部化变形，导致单相BMGs失效；为了避免单相BMGs在加载后的早期破坏，最简单的方法是引入第二相，可以直接阻止剪切带的演化为宏观裂纹，鼓励多个剪切带的形成，从而提高塑性。非晶合金复合材料(BMGCs)是具有颠覆性的新一代绿色环保高性能金属材料，集高硬度、高弹性极限、高屈服强度、优异耐磨性能、低密度和低弹性模量等优异性能于一体的材料，也可适用于航天器的极端环境应用。但非晶复合晶体相之后，铸造流动性降低，尤其是薄壁件的铸造。
[0005]非晶合金的制备环境通常在高真空状态下(<10
‑3Pa)，工业级真空压铸机的真空度(10
‑1Pa)大大限制了非晶合金的制备与应用。SWG的主要失效发生在柔轮上，柔轮必须能够被加工成非常薄的管壁，还要允许在合理的应力下弯曲，还必须有足够的硬度以避免齿的磨损退化，有足够的韧性，除此之外还必须具有特别的抗疲劳能力。由于这些限制，很少有材料适合作为柔轮。目前大多数谐波传动是由钢制造，但是据统计，柔轮的复杂加工占谐波
传动齿轮制造总成本的一半。

技术实现思路

[0006]针对上述技术问题，本专利技术提供一种锆基非晶合金复合材料和薄壁件及其制备方法和应用，提供的锆基非晶合金复合材料，在工业级真空压铸机中能制备出非晶形成能力好、流动性极好、非晶形成能力大、高性能的块体非晶合金复合材料薄壁件，应用于柔轮可以有效地降低其制造成本。
[0007]锆基非晶合金复合材料，该材料的原子百分比表达式为：
[0008]Zr
a
Ti
b
Nb
c
Cu
d
Be
e
[0009]其中30≤a≤50，25≤b≤40，5≤c≤10，5≤d≤10，10≤e≤25，并且满足a+b+c+d+e＝100。
[0010]优选的，锆基非晶合金复合材料使用的金属原料Zr的纯度为99.5％，Ti的纯度为99.995％，Nb的纯度为99.95％，Cu的纯度为99.99％，工业级合金锭成分为Zr
35
Ti
30
Cu
8.2
Be
26.75
(GHDT)。
[0011]优选地，所述的一种适用于压铸成薄壁件的锆基非晶合金复合材料，当a＝36.6,b＝31.4,c＝7,d＝5.9,e＝19.1,所述锆基非晶合金成分的原子百分比表达式为：Zr
36.6
Ti
31.4
Nb7Cu
5.9
Be
19.1
。
[0012]本专利技术还提供一种精密零件，采用所述的锆基非晶合金复合材料制成。
[0013]进一步的，本专利技术提供一种薄壁件，采用所述的锆基非晶合金复合材料压铸成薄壁件。可以使用工业级真空压铸机压铸成厚度在0.47mm
‑
5mm的薄壁件。
[0014]具体的，所述的一种薄壁件的制备方法，包括以下步骤：
[0015]1)金属原料的初步处理：
[0016]用细砂纸去除制备锆基非晶复合材料所需的金属原料Zr、Ti、Nb、Cu的表面氧化层和油渍，将处理后的金属元素放入烧杯中，并且加入无水乙醇，使其液面淹没金属原料，然后放进超声波清洗设备中清洗10
‑
15分钟，除去附着在金属元素表面的杂质，最后用吹风机吹干金属元素表面备用；
[0017]2)配料：
[0018]2.1、根据原子百分比，分别计算出所需要的每个元素的质量，然后根据Be的质量，计算出所需Zr
35
Ti
30
Cu
8.25
Be
26.75
(GHDT)合金锭的质量以及在合金锭中Zr、Ti、Cu的质量，最后计算所需要的Zr、Ti、Cu、Nb的剩余质量；
[0019]2.2、使用精度为0.001g的电子天平对步骤2.1中处理好的金属元素进行称量，在称量的时候要保证称量误差在
±
0.002g之内；
[0020]3)母合金锭的熔炼：
[0021]3.1、先用抛光膏将电弧炉的水冷铜坩埚擦拭干净，将除GHDT之外剩余质量的金属原料Zr、Ti、Cu、Nb按照熔点的高低顺序放入水冷铜坩埚内，将低熔点的金属原料放在最下层，高熔点的金属原料放在最上层，把钛锭放入另一个铜坩埚之中，关闭电弧炉的舱门；
[0022]3.2、打开机械泵，当电弧炉的炉内压力达到101Pa以下后，关闭机械泵，然后打开分子泵，使炉内压力降到3*10
‑3Pa以下的高真空状态，关闭分子泵，充入高纯氩气，使炉内压力达到0.04MPa；
[0023]3.3、引弧之后，首先熔炼钛锭，若钛锭经过熔炼冷却后，表面的颜色无明显变化后，再开始熔炼Zr、Ti、Cu、Nb，使电流保持在160A，反复翻转熔炼6次，并且每次的熔炼时间为20S，并在熔炼后冷却5min，最后得到母合金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.锆基非晶合金复合材料，其特征在于，该材料的原子百分比表达式为：Zr
a
Ti
b
Nb
c
Cu
d
Be
e
其中30≤a≤50，25≤b≤40，5≤c≤10，5≤d≤10，10≤e≤25，并且满足a+b+c+d+e＝100。2.根据权利要求1所述的锆基非晶合金复合材料，其特征在于，所述锆基非晶合金成分的原子百分比表达式为：Zr
36.6
Ti
31.4
Nb7Cu
5.9
Be
19.1
a＝36.6,b＝31.4,c＝7,d＝5.9,e＝19.1。3.精密零件，其特征在于，采用权利要求1或2所述的锆基非晶合金复合材料制成。4.一种薄壁件，其特征在于，采用权利要求1或2所述的锆基非晶合金复合材料压铸成薄壁件。5.根据权利要求4所述的一种薄壁件，其特征在于，薄壁件厚度在0.47mm
‑
5mm。6.根据权利要求4所述的一种薄壁件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)金属原料的初步处理：用细砂纸去除制备锆基非晶复合材料所需的金属原料Zr、Ti、Nb、Cu的表面氧化层和油渍；2)配料：2.1、根据原子百分比，分别计算出所需要的每个元素的质量，然后根据Be的质量，计算出所需GHDT即Zr
35
Ti
30
Cu
8.25
Be
26.75
合金锭的质量以及在GHDT中Zr、Ti、Cu的质量，最后计算所需要的Zr、Ti、Cu、Nb的剩余质量；2.2、使用精度为0.001g的电子天平对步骤2.1中处理好的金属元素进行称量，在称量的时候...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙保安，任亚男，王贵清，何新宝，黄潇，金颖，
申请(专利权)人：格纳金属材料东莞有限公司，
类型：发明
国别省市：