一种制备大尺寸块体非晶复合材料的方法，属于非晶合金（金属玻璃）及其复合材料制备领域。适用于块体非晶与纤维之间的超塑性扩散连接其特征在于：块体非晶与纤维，按一定方式排列（如层状等），放入模具中，在气体保护或真空下加压保温，进行超塑性扩散连接，一定时间后，卸压，从模具中取出工件。本发明专利技术还提供了一套超塑性扩散连接制备大尺寸块体非晶、纤维／非晶复合材料的新设备，由加热系统、保温系统、模具系统、加载系统、气体保护系统及冷却系统组成。本发明专利技术不但纤维增强非晶合金基复合材料的形状可设计，纤维在复合材料中的体积也可控，纤维还可以被用到其它非晶形成能力小的各种各样的非晶合金系中。适合用于装甲板，穿甲弹等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于块体非晶及其复合材料制备领域，适用于块体非晶片与带非晶涂层的 纤维之间用超塑性成型(SPF)和扩散连接(DB)技术制备块体非晶或者不同纤维体积含量 的纤维/非晶复合材料。
技术介绍
非晶复合材料是崭新的材料。非晶具有很高的屈服强度，其值可达2GPa，高的弹 性应变(2%)。非晶的形变是通过高度局域化剪切流动进行的，剪切带的局域化是因为缺 少应变硬化(加工硬化)所致，非晶材料在形变过程中往往伴随绝热加热过程，有可能出 现的是应变软化或热软化。我们可以在剪切带上观察到很大的塑性应变和软化时造成的 河流花样。在没有几何形状上的限制时，破坏会沿着单一剪切带横穿试样截面，因此尽管 在一个剪切带上局域塑性应变很大，但如果剪切带的数目很少，就使得材料在拉伸时的应 力，应变曲线表现为脆性材料的特征。因为总应变量是由剪切带的数目决定的[Choi-Yim H， Busch R， Kbster UJohnson W L， Synthesis and characterization of particulate reinforcedZr57Nb5Al10Cu， 5ANi， 2. 6bulk metallic glass composites [J] ， Acta Meter., 1999,47(8) :2455-2462.]和非晶相比，良好的晶体材料在拉伸时表现出很大的塑性，并伴 随有屈服现象产生。从而导致高的断裂韧性、冲击性能等，这与晶体材料中的位错运动、加 工硬化行为和裂纹尖端处存在大的塑性应变区有关。值得指出的是，脆性晶体、金属间化 合物、陶瓷和非晶一样，也常常表现出很高的弹性极限，但基本上没有塑性。对这些材料而 言，Peieris阻力太大以致于位错不能运动，它们的Kle约为lMNm1/2或更小。这与非晶材料 差别很大，Zr4L2Ti^Ci^.5Nii。.。Be22.5平面断裂韧性Kk为20-55MNm1/2[Conner R D，Rosakis AJ，Johnson W L，0wen D M. Fracture Toughness Determination for aBeryllium—Bearing Bulk Metallic Glass[J] Scripts Materialia，1997，37(9) :1373-1378 ;Gilbert C J， Ritchie R 0， Johnson W L Fracturetoughness and fatigue—crack propagation in a Zr_Ti_Ni_Cu_Be bulkmetallic glass [J]. Appl. Phys丄ett. 1997，71 :476 ;Lowhaphandu P， Lewandowski J J. Fracture toughness and notched toughness of bulkamorphous alloy :Zr-Ti-Ni-Cu-Be[J]. Scripta Mater. 1998,38 :1811]，这个值说明材料中存在很大 的塑性区能屏蔽裂纹尖端。同时说明非晶材料本质上是塑性的。那么这样的塑性应如 何发挥出来呢？可以从以下两个试验现象说明这一问题一是压縮试验，轴向压縮一个横 截面比h/d (高度/直径)小于1的毫米级非晶试样，试样的厚度可减到10 m，塑性应变 可达1000-10000% [Johnson W L， Bulk glass-forming metallic alloys -science and technology [J] ， MRSBull. 1999,10 :42-56]，在这种几何限制条件下，单一的剪切带不能导 致试样的破坏；二是拉伸试验，一般在单轴拉伸实验中，剪切带的运动总是无限制的，破坏 总是沿单一或几个剪切带进行，并且破坏总是灾难性的。在这种情况下应如何限制呢？ LENG[Leng Y， Courtney T H. multiple shear band formation inmetallic glasses in composites[J]. J.Mater. Sci. 1991，26 :588.]的实验给出了启示，他将非晶片夹在两个韧性材料中间组成一个复合材料，然后在拉应力下进行变形(拉伸轴向平行于片层方向)，在 非晶材料中形成的剪切带被韧性层钝化，应力在钝化部位重新分布，形成了多个剪切带， 此时单个剪切带不再导致材料的破坏。Courtney观察到了高密度的剪切带在被限制在韧性 金属片之间，整个塑性应变量为10%。这说明对剪切带的限制导致多个剪切带的形成是使 非晶材料韧化的重要手段。另外，非晶在轧制或弯曲时也可以观察到多个滑移带[Takayama S， Maddin R. Rolling and Bending Deformation of Ni_Pd_P MetalGlasses[J].Acta Metall. . 1975,23 :943.]联想到晶体材料中位错受第二相的阻力而增殖的原理，那么在非 晶基体中引入阻碍剪切带滑移的第二相可避免或减少单一剪切带的滑移，造成应力的重新 分布，促使多剪切带的产生和滑移，从而使非晶合金的韧化成为现实。因此非晶复合材料的 产生是必然的。 块体非晶合金基复合材料的制备的一般有外加复合和内生复合两种。块体非晶合 金复合材料的内生复合有两种不同的制备方法和不同的形成机理，一种是对块体非晶合金 进行部分晶化处理，在非晶基体上析出细小而均匀的初晶析出相，另一种是在熔体冷却过 程中控制冷却条件，在非晶基体上析出细小的晶体颗粒强化相，或经过原位反应形成非晶 合金基复合材料。外加复合根据强化相也可分为两种， 一种是加入W， WC， SiC等增强颗粒， 以增强块体非晶合金的强度、耐磨性等；另一种是非晶合金复合W丝束、钢丝束等纤维增强 复合材料，以探索一些工程上的特殊应用。工艺方法有压铸法和液态渗流铸造法。压铸法是 制备颗粒增强块体金属基复合材料常用的方法，先将基体合金和外加颗粒熔炼出复合锭， 再采用块体非晶合金快速凝固方法，在一定的压力和速度下将复合锭熔体压入金属模型内 腔。在金属基复合材料的制备方法中，液态浸渗法被认为是最理想和最成功的例子。这种 方法是在液态合金上施加一个额外的压力，使液态合金渗入到纤维预制件、纤维束或粒子 团中，并促进纤维、粒子与液态金属的润湿、结合。 制备纤维增强非晶复合材料传统方法之一是液态渗流铸造法，工艺通常是采用批 量方式，合金液在一定压力渗入预制纤维中，然后凝固。液态渗流铸造法所用的纤维有不锈 钢纤维、炭纤维、钨纤维等等。这些纤维有大的潜在用途。渗流铸造一般在压力室里进行， 压力室由于有实际尺寸的限制，因此，制备出的产品也有尺寸限制，另外，渗流铸造法最大 的一个缺点是纤维和合金液接触时间长，因此，纤维和熔体之间或纤维和凝固的高温基体 间发生界面反应，增强体起的作用降低，因此渗流铸造法中常通过改变纤维种类降低这种 影响。 虽然纤维增强非晶合金基复合材料具有高强度、高密度以及一定的压縮塑性，有 可能成为新一代复合材料。但是由于受非晶合金合金临界冷却速度的限制，非晶合本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超塑性扩散连接制备大尺寸块体纤维／非晶复合材料的方法，其特征在于：块体非晶与带非晶涂层的纤维按层状方式排列，把带非晶涂层的纤维均匀地置于非晶合金薄片间，形成预制体；或者是将带非晶涂层的纤维先进行编织，然后再将编织好的带非晶涂层的纤维，按层状方式排列置于非晶合金薄片间，形成预制体；这些带非晶涂层的预制体中纤维的体积含量为０－８０％，将按层状方式排列的块体非晶与带非晶涂层的纤维预制体放入模具中，在惰性气体保护或真空下加压保温，进行超塑性扩散连接，保温、卸压、降温后，从模具中取出工件，得到压制成块的体纤维增强非晶合金基复合材料。
【技术特征摘要】
一种超塑性扩散连接制备大尺寸块体纤维/非晶复合材料的方法，其特征在于块体非晶与带非晶涂层的纤维按层状方式排列，把带非晶涂层的纤维均匀地置于非晶合金薄片间，形成预制体；或者是将带非晶涂层的纤维先进行编织，然后再将编织好的带非晶涂层的纤维，按层状方式排列置于非晶合金薄片间，形成预制体；这些带非晶涂层的预制体中纤维的体积含量为0-80％，将按层状方式排列的块体非晶与带非晶涂层的纤维预制体放入模具中，在惰性气体保护或真空下加压保温，进行超塑性扩散连接，保温、卸压、降温后，从模具中取出工件，得到压制成块的体纤维增强非晶合金基复合材料。2. 根据权利要求1所述的一种超塑性扩散连接制备块体大尺寸纤维/非晶复合材料的 方法，其特征在于加压的压应力要求大于块体非晶在保温温度时的流变应力；保温温度 为大于块体非晶的玻璃转化温度，低于块体非晶晶化温度，加热时间、保温时间及随后的冷 却时间之和要低于块体非晶等温转化曲线中保温温度所对应的时间，从而保证块体非晶及 其复合材料所要求的不晶化。3. 根据权利要求1所述的一种超塑性扩散连接制备块体纤维/非晶复合...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓华，陈国良，张勇，张宝玉，惠希东，吕昭平，刘雄军，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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