CN105779911A

CN105779911A - 一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料

Info

Publication number: CN105779911A
Application number: CN201410773318.3A
Authority: CN
Inventors: 伍复发; 李狮韬; 武晓峰; 张广安
Original assignee: Liaoning University of Technology
Current assignee: Liaoning University of Technology
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: CN105779911B

Abstract

一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料，以Ti₄₄Zr₂₀V₁₂Cu₅Be₁₉为金属玻璃的模型材料，用β稳定元素Mo取代元素V，并调整其他元素的原子百分比，其合金成分原子百分比表达式为：Ti_aZr_bMo_cCu_dBe_e ,其中，40≤a≤50，21≤b≤30，3≤c≤8，4≤d≤16，8≤e≤20，a﹢b﹢c﹢d﹢e=100, 基体相为钛基金属玻璃，其化学成分为：Ti_23-28Zr_30-34Mo_0.5-2Cu_10-20Be_25-33（原子百分比）；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其化学成分为：Ti_60-70Zr_17-22Mo_8-12Cu_3-8（原子百分比），增强相的体积分数在50-70%之间；优点是屈服强度达到了1800MPa，拉伸塑性应变达到17.4%，拉伸断面收缩率超过49%，均高于现有枝晶增强锆基或钛基金属玻璃复合材料。

Description

一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料

技术领域

本发明属于金属玻璃及其复合材料领域，特别涉及一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料。

背景技术

金属玻璃材料具有高强度、大弹性变形、高硬度、耐磨损和耐腐蚀等优良性能，是一种潜在的优良结构材料。目前，金属玻璃材料已成功应用于高尔夫球头、棒球、网球拍等高端体育器材上。而且，由于其良好的耐磨性能和近终成型性能，也用作消费类电子设备的外壳。但金属玻璃在室温下的变形集中在很窄的一条或几条剪切带内，而且，剪切带一旦形成，即发生快速扩展，导致灾难性的破坏，拉伸延伸率几乎为零，压缩变形量也通常不超过2%。因此，金属玻璃的应用韧性较差，在宏观上表现出极大的脆性，这在一定的程度上限制了其在结构材料方面的应用。

为了解决金属玻璃的脆性问题，一种有效的方法是通过内生或外加形成第二相来阻止剪切带的扩展，减小剪切带的长度，增加剪切带之间、剪切带与增强相之间的交互作用，从而提高金属玻璃的韧性，使其具有一定的拉伸塑性。美国加州理工学院的WilliamL.Johnson教授研发了一系列的ZrTi基枝晶增强金属玻璃复合材料。其中，枝晶增强锆基金属玻璃复合材料有Zr_56.2Ti_13.8Nb_5.0Cu_6.9Ni_5.6Be_12.5，Zr_36.6Ti_31.4Nb₇Cu_5.9Be_19.1，Zr_38.3Ti_32.9Nb_7。3Cu_6.2Be_15.3，Zr_39.6Ti_33.9Nb_7。6Cu_6.4Be_12.5；枝晶增强钛基金属玻璃复合材料有Ti₄₄Zr₂₀V₁₂Cu₅Be₁₉，Ti₄₈Zr₂₀V₁₂Cu₅Be₁₅，Ti₅₆Zr₁₈V₁₀Cu₄Be₁₂，Ti₆₂Zr₁₅V₁₀Cu₄Be₉，Ti₆₀Zr₁₆V₉Cu₃Al₃Be₉，Ti₆₇Zr₁₁V₁₀Cu₅Al₂Be₅。上述枝晶增强金属玻璃复合材料都是通过添加β稳定元素Nb和V来获得具有体心立方结构的锆钛基枝晶相，这些枝晶增强复合材料均具有良好的拉伸变形能力，其拉伸塑性应变达到12.5%，并可以发生显著的颈缩现象，断面收缩率达到43%。虽然上述复合材料增塑效果显著，但是由于塑性固溶体相的强度远低于金属玻璃基体，因此，造成复合材料强度大幅下降，含Nb的枝晶增强金属玻璃复合材料的屈服强度最高为1500MPa，而含V的枝晶增强金属玻璃复合材料的屈服强度最高为1600MPa，两者均低于钛基金属玻璃基体的屈服强度1800MPa。

目前，现有技术中尚无添加β稳定元素Mo的锆钛基枝晶增强金属玻璃复合材料，这主要是因为β稳定元素Mo的添加会严重影响金属玻璃的形成能力，虽然可以得到体心立方结构的锆钛基枝晶相，却无法获得非晶态的金属玻璃基体，因此，也就无法获得枝晶增强的锆钛基金属玻璃复合材料。

发明内容

本发明的目的是在钛基金属玻璃中，通过添加β稳定元素Mo，在保持钛基金属玻璃复合材料高韧性的同时，提高钛基金属玻璃复合材料的强度，提供一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料。

本发明的技术解决方案是：以Ti₄₄Zr₂₀V₁₂Cu₅Be₁₉为金属玻璃的模型材料，用β稳定元素Mo取代元素V，并调整其他元素的原子百分比，其合金成分原子百分比表达式为：Ti_aZr_bMo_cCu_dBe_e,其中，40≤a≤50，21≤b≤30，3≤c≤8，4≤d≤16，8≤e≤20，a﹢b﹢c﹢d﹢e=100,基体相为钛基金属玻璃，其化学成分为：Ti_23-28Zr_30-34Mo_0.5-2Cu_10-20Be_25-33（原子百分比）；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其化学成分为：Ti_60-70Zr_17-22Mo_8-12Cu_3-8（原子百分比），增强相的体积分数在50-70%之间。

所述的合金组元的纯度为99.9%。

本发明的有益效果是：用β稳定元素Mo取代元素V来增强钛基枝晶，并调整其他元素Ti、Zr、Cu和Be的原子百分比，使得Mo刚好可以完全固溶在β相中，随着温度的降低，当β相析出完之后，熔体中的Mo正好或几乎完全耗尽，余下的熔体则可以不受或少受Mo的影响，从而可以继续形成金属玻璃基体，这样既可以获得高强度的β枝晶增强相，又可以获得完美的金属玻璃基体相，从而得到了一种性能优良的枝晶增强钛基金属玻璃复合材料，其屈服强度达到了1800MPa，拉伸塑性应变达到17.4%，拉伸断面收缩率超过49%，均高于现有的类似枝晶增强锆基或钛基金属玻璃复合材料。

具体实施方式

实施例1：

（1）选用纯度为99.9%的Ti、Zr、Mo、Cu和Be纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Ti含量为40%，Zr含量为21%，Mo含量为3%，Cu含量为16%，Be含量20%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；

（2）在非自耗真空电弧炉的中间铜坩埚的吸气工位内放入吸气除氧用的海绵钛，将Zr和Mo放在真空电弧炉的一个水冷铜坩埚内，将其余的Ti、Cu和Be放入另一水冷铜坩埚内，并将Be放置在最底层，用Ti和Cu将其覆盖；

（3）对电弧炉熔炼室抽真空至5×10^-3Pa，然后充入高纯氩气，氩气纯度大于99.999%，使熔炼室气压达到0.05MPa；

（4）在吸气工位对海绵钛进行电弧熔炼，电流为300A，通过熔融的海绵钛吸收熔炼室内残留的氧气，熔炼时间为2分钟；

（5）对Zr和Mo进行熔炼，使之形成ZrMo中间合金；

（6）用拨勺将ZrMo中间合金移至Ti、Cu和Be所在的坩埚内，进行电弧熔炼，电流为300A，并加以电磁搅拌，电磁搅的电流为10A，至彻底熔化之后停弧，待合金锭凝固之后，用拨勺将其倒扣，再进行电弧熔炼和电磁搅拌，如此反复熔炼至少四次，以使合金熔化完全均匀；

（7）用拨勺将熔炼好的合金锭放入吸铸工位，用电弧将合金锭熔化，并逐渐加大电流至500A，利用熔炼室和吸铸室压差将合金液体吸入铜模，得到直径为10mm的枝晶增强钛基金属玻璃复合材料棒材。

实施例2：

（1）选用纯度为99.9%的Ti、Zr、Mo、Cu和Be纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Ti含量为45%，Zr含量为25%，Mo含量为5%，Cu含量为10%，Be含量15%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；

（2）在非自耗真空电弧炉的中间铜坩埚——吸气工位内放入吸气除氧用的海绵钛，将Zr和Mo放在真空电弧炉的一个水冷铜坩埚内，将其余的Ti、Cu和Be放入另一水冷铜坩埚内，并将Be放置在最底层，用Ti和Cu将其覆盖；

（5）对Zr和Mo进行熔炼，使之形成ZrMo中间合金；

实施例3：

（1）选用纯度为99.9%的Ti、Zr、Mo、Cu和Be纯金属原料，按照原子百分比进行配料，其中Ti含量为50%，Zr含量为30%，Mo含量为8%，Cu含量为4%，Be含量8%，并将各成分的质量误差控制在0.5%以内；

（5）对Zr和Mo进行熔炼，使之形成ZrMo中间合金；

Claims

1.一种高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料，其特征在于，复合材料合金成分原子百分比表达式为：Ti_aZr_bMo_cCu_dBe_e,其中，40≤a≤50，21≤b≤30，3≤c≤8，4≤d≤16，8≤e≤20，a﹢b﹢c﹢d﹢e=100,基体相为钛基金属玻璃，其化学成分为：Ti_23-28Zr_30-34Mo_0.5-2Cu_10-20Be_25-33（原子百分比）；增强相是具有体心立方结构的钛基枝晶，其化学成分为：Ti_60-70Zr_17-22Mo_8-12Cu_3-8（原子百分比），增强相的体积分数在50-70%之间。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性枝晶增强钛基金属玻璃复合材料，其特征在于，所述的合金组元的纯度为99.9%。