CN1442502A

CN1442502A - 一种制备大块非晶/纤维复合材料的方法及其设备

Info

Publication number: CN1442502A
Application number: CN 03121417
Authority: CN
Inventors: 惠希东; 寇宏超; 陈俊; 崔新发; 陈国良
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2003-09-17

Abstract

本发明提供了一种制备大块非晶/纤维复合材料的方法及其设备。其设备特征在于：发热体(6)由1层钼片和6层反射屏组成，模具(19)放在发热体内，下部与牵引机构相连，模具采用石英玻璃或石墨制造，模具的外径尺寸10～50mm，高度200～500mm，石英玻璃和石墨模具总部采用缩颈设计，缩颈内孔2～5mm，模具采用气动方式牵引(14)；冷却水槽(16)置于模具的下方，采用双壁设计，双壁中间通冷却水，中心部分放入Ga－In，Ga－In－Sn合金，模具与冷却槽之间采用动密封。本发明的优点在于：有利于控制影响非晶形成能力和基体与增强体结合的诸多因素，减少了熔体污染，降低了原材料的成本。

Description

一种制备大块非晶/纤维复合材料的方法及其设备

技术领域

本发明提供了一种制备高强高韧大块非晶/纤维复合材料的真空渗流铸造方法及其相应设备。

背景技术

二十世纪九十年代初期，A.Inoue，T Zhang and T.Masumoto.Mater.Trans.，JIM，30(1989)，965和A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342通过合金成分设计，突破了高速冷却条件的限制，在常规铸造技术所能够达到的冷却速度条件下(～10¹K/s)制备出了大块非晶合金材料，使得非晶态合金的研究与应用跨入了一个崭新的时代。目前利用水冷铜模铸造法、深过冷法、喷铸—吸铸法和悬浮喷吹法等技术已经制备出了Zr基、Pd基、La基、Fe基、Mg基和Ti基等大块非晶合金材料，如A.Leonhard，L.Q.Xing，M.Heilmaier and Schultz.Nanostructure Materials，10(1998)，805制备的Zr₅₇Al₁₀Ni₈Cu₂₀Ti₅大块非晶合金；A.Peker and W.L.Johnson Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342制备的Zr₄₀Ti₁₄Ni₁₁Cu₁₀Be₂₅大块非晶合金。

与传统晶态合金材料相比，大块非晶材料在多项使用性能方面具有十分明显的优势，主要表现为大块非晶合金具有高强度和弹性模量，在高速载荷作用下具有非常高的断裂韧性、在侵彻金属时具有明显的自锐性和绝热剪切破坏能力。但是，现有的大块非晶合金的密度均在7g/cm³以下，对于某些要求高强、高韧性和高动能的场合，现有大块非晶合金的比重明显不足，而且韧性也有待于进一步提高。近年来大块非晶合金体系和制备技术的突破，为添加颗粒和纤维增强相，制备大块非晶复合材料提供了崭新的、有效的重要合成手段。

制备工艺是制约大块非晶合金/纤维复合材料能否成功的关键因素。当前制备大块非晶/纤维复合材料的方法主要是熔体渗铸法。P.B.Dandliker，R.D.Conner and W.L.Johnson.J.Mater.Res.13(1998)2896利用该方法制备了钨纤维和不锈钢丝增强的Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5大块非晶复合材料。这种方法的基本原理为：将纤维增强体清洁后放入石英管下部，然后将高纯氩气保护条件下熔炼的母合金置入石英管上部，分初始加热和渗流加热两个阶段按一定的速率加热并达到平衡，通入若干MPa的高纯氩气作用在合金液面上并保持一段时间，使合金液充分渗入纤维增加体中，然后快速淬入饱和的食盐水中。这种方法的缺点是仅将石英坩埚抽真空和充氩气并利用饱和食盐水淬火，使得获得的纤维增强非晶合金复合材料的尺寸不可能很大，严重制约了材料的工程应用范围。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种高强韧大块非晶/纤维复合材料的制备方法，设计出一套新的真空渗流铸造设备，并利用该设备制备出高强韧的大块非晶/纤维复合材料，以用作高强、高韧和高动能材料。

提供了制备大块非晶/纤维复合材料的真空渗流铸造方法和设备。真空渗流铸造原理图如附图1。设备主要由下列部分构成：机械泵1，罗茨泵2，分子泵3，阀门4，上室炉盖5，炉盖锁紧机构6，上炉室7，钼片发热体8，热电偶9，导电铜排10，电源变压器11，下室炉门12，下炉室13，气缸组件14，工作平台15，水冷冷却槽16，钨纤维17，辐射屏18，模具19，母合金20，外接高纯氩气21。

本设备的发明点是：发热体6由1层钼片和6层反射屏组成，加热温度可达1600℃，并可在该温度下保温120小时。模具19放在发热体内，下部与牵引机构相连，模具采用石英玻璃或石墨制造，模具的外径尺寸为10～50mm，高度为200～500mm，石英玻璃和石墨模具总部采用缩颈设计，缩颈内孔2～5mm，模具采用气动方式牵引14，模具下降的最大速度为0.5m/s。冷却水槽16置于模具的下方，采用双壁设计，双壁中间通冷却水，中心部分放入Ga-In，Ga-In-Sn合金，以实现模具的快速冷却，模具与冷却槽之间采用动密封，以防止冷却金属液体流出。

本发明的方法如下：首先在电弧炉内将大块非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7种元素按下列比例配料(原子百分比)Zr：40～80％、Ti：5～10％、Cu：5～50％、Al：3～20％、Be：5～25％、Nb：2～15％、Ta：1～10％、W：1～10％、Co：1～10％、Ni：5～50％、C：1～10％、P：5～20％、B：1～10％、Pd：5～60％，熔配过程中采用高纯氩气保护。将充分清洁的钨纤维和母合金装入石英管19内并安放于上炉室7内，锁紧炉盖锁紧机构6和下室炉门12。顺序开机械泵1和罗茨泵2，至1×10^-2Pa真空度后再打开分子泵3，同时关闭阀门4-1，打开阀门4-3，抽上、下炉室真空至高真空度5×10^-3～5×10^-4Pa；

开电源，以1-10K/min的加热速度加热钨纤维17和母合金19，同时利用热电偶9进行测温和控温，至800～1000℃温度后迅速加热使19熔化并过热100～200℃，打开气阀4-5给合金液上端充2～5GPa的纯度为99.8％氩气并保压2～60min，使合金液渗入密排的钨纤维17之间；然后，降低气缸组件14-2，将石英管迅速淬入装有高冷却能力冷却介质的水冷冷却槽16中，同时关闭电源；当炉温降至80～100℃时，停止抽真空，打开放气阀使空气进入真空室，打开下真空室炉门12，用气缸组件14-1降低工作平台15取出试样。

本发明的优点在于：1、本发明采用熔体控温技术和独特的石英模具设计，能够控制母合金的熔化、过热温度、过热时间及其与钨纤维浸渗温度与时间，有利于制备钨纤维/非晶复合材料；2、采用分子泵代替扩散泵，采用高冷却能力的冷却介质代替饱和食盐水，使得整个工艺过程都在高真空环境下进行，避免了合金的氧化和其它因素的影响，因而用普通纯度的材料就可以制出钨纤维/大块非晶合金复合材料，大大降低了制造成本；3、由于真空室的增大，所以特别适合大尺寸钨纤维/大块非晶合金复合材料的制备。

附图说明：

图1是本发明的大块非晶/纤维复合材料渗流铸造方法及设备示意图，其中机械泵1，罗茨泵2，分子泵3，阀门4，上室炉盖5，炉盖锁紧机构6，上炉室7，钼片发热体8，热电偶9，导电铜排10，电源变压器11，下室炉门12，下炉室13，气缸组件14，工作平台15，水冷冷却槽16，钨纤维17，辐射屏18，模具19，母合金20，外接高纯氩气21。

图2为本发明制备的直径为6mm粗Zr₅₇Nb₅Al₁₀Cu_15.4Ni_12.6大块非晶合金/纤维复合材料棒状试样的纵截面图。

图3为Zr₅₇Nb₅Al₁₀Cu_15.4Ni_12.6大块非晶合金/纤维复合材料棒材横截面SEM照片。

图4为Zr₅₇Nb₅Al₁₀Cu_15.4Ni_12.6大块非晶合金/纤维复合材料棒材横截面X射线衍射图。

具体实施方式：

选用高纯度的5种纯金属，即Zr(99.99wt％)，Ni(99.95wt％)，Cu(99.95wt％)，Al(99.95wt％)，Nb(99.99wt％)。按原子百分比为：Zr为57，Cu为15.4，Ni为12.6，Al为10，Nb为5的比例调配，在纯度为99.8％高纯氩气保护下，应用液态母合金的纯化技术，利用电弧熔炼法而制得母合金。为了确保母合金中各组元的均匀性，母合金被重熔三次。母合金锭子的表面被机械打磨抛光去掉表面的氧化皮，然后被压碎成小块并用酒精清洗表面。将直径为250μm的钨纤维捋直后切成长度为100mm，为保证钨纤维的良好分布，避免疏密不均，钨丝还要恰当的有一些弯曲。先用NaOH溶液清洗钨丝表面的氧化层，然后再用超声波清洗：先在丙酮中清洗10分钟，后在乙醇中清洗5分钟。

将钨纤维放入石英模具中，然后将钨纤维以上40mm处的石英管作出一个直径为2mm的缩颈，再放入小块的母合金，利用如附图1所示的装置，按照如上所述的工作原理，制备出如附图2所示的Zr₅₇Nb₅Al₁₀Cu_15.4Ni_12.6大块非晶合金/纤维复合材料棒状试样。

利用扫描电镜(SEM)观察样品的微观结构。SEM样品用2％的HF水溶液浸蚀制得，浸蚀时间为5～10秒。试样纵截面的SEM图象如图2所示。试样横截面的SEM图象如附图3所示，可以看到，图象中白色部分为钨纤维，其它组织几乎是完全的非晶相，界面处没有明显的反应。利用X射线衍射仪检验，衍射谱如附图4所示，曲线上在非晶相的衍射峰上叠加了很多钨峰，除此之外，只有很少量的强度很低的W₂Zr峰。结合附图3说明，非晶相与钨纤维界面处没有明显的界面反应，结合较好，可以确定该试样为钨纤维/大块非晶合金复合材料。

Claims

1、一种制备大块非晶/纤维复合材料的真空渗流铸造方法，其特征在于：首先在电弧炉内将大块非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7种元素按下列原子百分比配料Zr：40～80％、Ti：5～10％、Cu：5～50％、Al：3～20％、Be：5～25％、Nb：2～15％、Ta：1～10％、W：1～10％、Co：1～10％、Ni：5～50％、C：1～10％、P：5～20％、B：1～10％、Pd：5～60％，熔配过程中采用高纯氩气保护；将充分清洁的钨纤维和母合金装入石英管(19)内并安放于上炉室(7)内，锁紧炉盖锁紧机构(6)和下室炉门(12)；顺序开机械泵(1)和罗茨泵(2)，至1×10^-2Pa真空度后再打开分子泵(3)，同时关闭阀门(4-1)，打开阀门(4-3)，抽上、下炉室真空至高真空度5×10^-3-5×10^-4Pa；开电源，以1-10K/min的加热速度加热钨纤维(17)和母合金(19)，同时利用热电偶(9)进行测温和控温，至800-1000℃温度后加热使(19)熔化并过热100-200℃，打开气阀(4-5)给合金液上端充2-5GPa的纯度为99.8％氩气并保压2-60min，使合金液渗入密排的钨纤维(17)之间；然后，降低气缸组件(14-2)，将石英管淬入装有高冷却能力冷却介质的水冷冷却槽(16)中，同时关闭电源；当炉温降至80-100℃时，停止抽真空，打开放气阀使空气进入真空室，打开下真空室炉门(12)，用气缸组件(14-1)降低工作平台(15)取出试样。

2、一种按照权利要求1所述的制备大块非晶/纤维复合材料的设备，由机械泵(1)，罗茨泵(2)，分子泵(3)，阀门(4)，上室炉盖(5)，炉盖锁紧机构(6)，上炉室(7)，钼片发热体(8)，热电偶(9)，导电铜排(10)，电源变压器(11)，下室炉门(12)，下炉室(13)，气缸组件(14)，工作平台(15)，水冷冷却槽(16)，钨纤维(17)，辐射屏(18)，石英模具(19)，母合金(20)，外接高纯氩气(21)构成；其特征在于：发热体(6)由1层钼片和6层反射屏组成，模具(19)放在发热体内，下部与牵引机构相连，模具采用石英玻璃或石墨制造，模具的外径尺寸10～50mm，高度200～500mm，石英玻璃和石墨模具总部采用缩颈设计，缩颈内孔2～5mm，模具采用气动方式牵引(14)；冷却水槽(16)置于模具的下方，采用双壁设计，双壁中间通冷却水，中心部分放入Ga-In，Ga-In-Sn合金，模具与冷却槽之间采用动密封。