塑性块体金属玻璃内生复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种塑性块体金属玻璃内生复合材料及其制备方法。本发明专利技术在块体金属玻璃基体相上均匀弥散分布硬质脆性第二相所形成的复相金属材料。制备上述的塑性块体金属玻璃内生复合材料方法，包括以下步骤：选取块体金属玻璃，通过调整合金元素相对比例使其偏离最佳玻璃形成能力，得到所需合金成分，使其在凝固过程中能够先析出金属间化合物硬质脆性相；采用电弧熔炼的方法，把第一步得到的合金成分熔炼成母合金；母合金重新熔化，采用金属模凝固成型，控制冷却速率，获得硬质脆性金属间化合物第二相均匀分布于金属玻璃基体上的铸态内生复合材料。本发明专利技术在保持块体金属玻璃（ＢＭＧ）高强度、高硬度的同时，可以大幅度提高其室温塑性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料技术，特别是一种块体金属玻璃内生复合材料及其制 备方法。技术背景自1969年，Chen等首次采用水淬法在Pd-Au-Si、 Pd-Ag-Si和P.d-Cu-Si三种体系 中均得到了 mm尺度的非品样品以来，块体金属玻璃(bulk metallic glasses,简称BMG) 在近四十年得到飞速发展。以Zr-Al-Ni-Cu和Zr-Ti-Cu-Ni-Be为代表的一大批非贵金属 为主要组元的BMG材料被相继发现。时至今日，BMG的工程应用己经指日可待。然 而，BMG材料虽然具有高的断裂强度和硬度以及高的弹性应变极限，但是由于单相金 属玻璃的塑性变形是通过高度局域剪切变形来实现，断裂前能够开动的剪切带数量十 分有限，BMG在室温下会发生无宏观塑性变形的灾难性脆性断裂。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，国内外研究人员在金属玻璃中引入了不同强度和弹 性模量的第二相来制备出BMG复合材料，利用第二相来阻碍单一剪切带的滑移，并通 过多剪切带的产生、分叉和偏转以及湮灭来提高材料的宏观塑性。根据第二相的产生 方法，可以划分为内生BMG复合材料和外加复合材料两种。与外加复合相比，内生复 合材料产生的第二相与BMG基体之间的界面结合良好，不会影响到玻璃基体的玻璃形 成能力。大量实验证明，铸态内生微米尺寸塑性固溶体相对BMG材料塑性提高最显著。 其中最具有代表性的工作是2000年美国Johnson研究小组通过在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金 系中添加Nb合金化元素，制备出微米尺寸(3-Zr(Ti)固溶体相增塑的BMG复合材料， 其断裂应变可以达到8.26%。微观结构控制方面，陈光等人通过对树枝晶P-Zr(Ti)相 固溶体进行球化处理，将BMG复合材料的断裂塑性已经提高到20% (大块金属玻璃 复合材料中树枝晶球化的方法，专利申请号为200610085409.3)。 2008年，Hoffman等 人又在《Nature》上发表文章称做出了具有显著拉伸塑性的'BMG复合材料 (D.C.Hoffman, Jin-Yoo Suh， et al. Designing metallic glass matrix composites with high toughness and tensile ductility. Nature, 2008, V451, P 1085~1090)。值得指出的是，这些文 献报道的复合材料都是以金属玻璃作为基体，内生塑性固溶体相作为复合相的。虽然铸态内生固溶体增塑BMG复合材料增塑效果显著，但是由于在复合材料设计 过程中必须面临两个难题第一，由于铸态内生固溶体相的强度通常低于金属玻璃基 体，复合材料为了获得较高的塑性，往往会控制铸态内生固溶体相使其具有较大的晶 粒尺寸和体积分数，必然造成最后得到的复合材料强度的下降；第二，需要在保证合 金基体成分能够具有高的玻璃形成能力(GFA)从而获得BMG基体的同时，利用成分 设计使得先析出相为塑性固溶体相。这个必要条件使得在材料的成分选择上可以选择 的空间受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型金属玻璃基内生复合材料。该复合材料的结构特 点是以块体金属玻璃(BMG)为基体，以铸态内生硬质脆性金属间化合物相(IMC) 作为第二相。该复合材料在保证金属玻璃的高屈服强度的同时，能够显著改善其室温 脆性。实现本专利技术目的的技术解决方案为 一种塑性块体金属玻璃内生复合材料，在块 体金属玻璃基体相上均匀弥散分布硬质脆性第二相所形成的复相金属材料。一种制备上述的塑性块体金属玻璃内生复合材料方法，包括以下步骤第一步，选取块体金属玻璃，通过调整合金元素相对比例使其偏离最佳玻璃形成 能力，得到所需合金成分，根据合金成分偏离最佳玻璃形成的幅度大小，从热力学上预测出析出的硬质脆性金属间化合物第二相的体积分数； ，第二步，采用电弧熔炼的方法，把第一步得到的合金成分熔炼成母合金； 第三步，母合金重新熔化，采用金属模凝固成型，即根据合金热力学体系自由能 最低的要求，母合金熔体在高温冷却阶段，金属间化合物硬质脆性相的自由能首先低 于合金熔体的自由能而发生形核长大，并进一步冷却后，有较高的玻璃形成能力的残 余合金熔体没有发生进一步的晶体形核长大而是直接发生玻璃转变得到金属玻璃基 体，采用喷铸、差压铸造或吸铸控制冷却的快慢，从而制备出块体金属玻璃基体上均 匀分布不同体积分数的铸态内生硬质脆性金属间化合物的复合材料。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点' (1)保持现有块体金属玻璃(BMG)高强度。现有技术都是以具有一定塑性的内 生固溶体相(如e-Zr(Ti)相)作为增塑第二相，但是固溶体相的强度'(800 950MPa)与金属玻璃(1800MPa)相比，其强度低50%以上。这样根据混合原理(复合材料的 强度=基体材料强度乂 (l-第二相体积分数)+第二相材料强度乂第二相体积分数)，所 得到的复合材料强度明显低于原始金属玻璃，而且随着固溶体相的体积分数增加，复 合材料的强度会进一步下降。本专利技术采用硬质脆性的金属间化合物相作为第二相，该 相具有高的强度(如Zr2Cu相的强度〉1600MPa)，接近于块体金属玻璃。小体积分数 的金属间化合物相不会对于最终复合材料的强度造成明显影响。对于一些强度较低的 块体金属玻璃(Mg基BMG等)，金属间化合物相甚至可以起到强化玻璃基体的作用。 (2)提高材料的塑性。虽然所专利技术复合材料的基体相和第二相单相存在时，都表 现出室温宏观脆性，但是由它们构成的复合材料却具有显著的压縮塑性。由于BMG材 料的室温脆性是由于剪切带的局域化造成，而每个剪切带内塑性应变是很大的，本申 请利用金属间化合物相(IMC)来充分激发BMG基体相的本身塑性。在施加应力载荷 时，硬质的金属间化合物相阻碍了单个剪切带的迅速扩展，激发多剪切带的产生。剪 切带在扩展过程中被金属间化合物相所阻断，被迫停止或者绕过IMC颗粒。金属间化 合物相为球状，可以有效地避免树枝状析出物可能造成的树枝晶尖端的应力集中。金 属间化合物相的尺寸为微米尺寸量级大大超过了块体金属玻璃基体的剪切带间距，能 够有效的对剪切带扩展进行阻碍。因此，虽然金属间化合物相是高强度的硬质相，但 是我们所获得的块体金属玻璃内生复合材料仍然具有较好的塑性。综上，以金属间化合物为代表的硬质脆性相增塑的块体金属玻璃复合材料能够保 证金属玻璃高强度的同时获得较理想的塑性，从而拓宽了 BMG材料应用的可选择空 间，同时也为其它脆性材料的韧化提供新的思路。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。 . 附图说明图1是为块体金属玻璃内生复合材料制备流程图。 图2是单相BMG和IMC/BMG复合材料显微结构对比图。 图3是单相BMG和IMC/BMG复合材料的室温压縮曲线对比图。具体实施方式本专利技术针对BMG材料的室温脆性，设计出一种塑性块体金属玻璃内生复合材料及 其制备方法。这种双相结构由两部分组成基体为块体金属玻璃，均匀弥散分布的硬5质脆性第二相所形成的复相金属材料。第二相为为铸态内生硬质金属间化合物相。金 属间化合物相为合金熔体在冷却凝固过程中直接从液相中析出的铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种塑性块体金属玻璃内生复合材料，其特征在于：在块体金属玻璃基体相上均匀弥散分布硬质脆性第二相所形成的复相金属材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈光，曹扬，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]