专利名称：具有韧性晶体相Cu<sub>a</sub>Zr<sub>b</sub>Al<sub>c</sub>M<sub>d</sub>非晶合金复合材料及其晶体相的均匀化方法
技术领域：
本发明涉及一种对晶体相进行晶粒均勻化的方法，更特别地说，是指一种对 CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相的均勻化方法。
背景技术：
块体非晶合金因其独特的原子排列结构而具有高屈服强度、高硬度、高弹性变形极限、强耐磨性、强耐腐蚀性、较低的弹性模量以及过冷液相区间良好的加工性等优异性能，因而在航空航天、精密仪器、生物医学和电子信息等领域显示出广泛的应用前景。然而， 室温下非晶合金的塑性变形主要依靠高度局域化的剪切带进行，从而表现出显著的室温脆性和应变软化等特点，限制了其作为结构材料的应用。为改善单相非晶合金的力学性能，克服其室温脆性及应变软化等缺点，研究者们通常采用在非晶合金基体中引入晶态第二相的方法制备块体非晶合金复合材料，利用第二相对剪切带扩展的阻碍作用提高合金的塑性。其中，由Cu&(B》相颗粒增韧的铜锆基块体非晶合金复合材料成功在非晶合金基体上引入具有形状记忆效应的Cu&(B》相。在拉伸变形过程中，模量较低的Cu&(B》相颗粒一方面能够阻止非晶基体中剪切带的扩展，同时在应力作用下该晶体相可发生由立方相Cu&(B》向高模量的单斜相Cu&(B19')的马氏体转变，从而诱发产生多重剪切带，使材料表现出明显的宏观拉伸塑性和加工硬化特性。对于该类复合材料，其力学性能高度依赖于晶体相颗粒的体积分数、大小及分布等结构特征。 然而现有的工艺条件很难在制备过程中控制Cu&(B》相颗粒的形核及长大过程，导致制备得到的复合材料中晶体相的大小及分布都不均勻，损害了材料的力学性能，也限制了该类复合材料的实际应用。因此，设计一种非晶合金复合材料中晶体相的均勻化方法、制备具有均勻的晶体相颗粒大小及分布的复合材料对于推动该类材料的发展、促进其实际应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是在于客服现有以Cu&(B》相颗粒增韧的铜锆基块体非晶合金复合材料中晶体相大小及分布不均勻的缺点，从而设计一种对CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相的均勻化方法，提供一种具有均勻的晶体相颗粒大小及分布的非晶合金复合材料，提高材料的力学性能。本发明通过添加M元素在凝固过程中优先析出作为Cu&(B2)晶体相形核的异质形核核心，从而使得Cu&(B》晶体相颗粒的大小和分布得到均勻化。本发明是一种均勻弥散分布着韧性晶体相CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料，该 CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料中a、b、c、d为摩尔百分数，44彡a彡50,44彡b彡50、 3 彡 c 彡 7,0. 05 彡 d 彡 1. 50，且 a+b+c+d = 100 ；M 为金属元素 Ta、W、Mo、Nb、Hf、Re 中的一种或两种以上的组合；所述CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经X射线衍射分析，发现其为非晶合金复合材料结构，基体为非晶态结构，晶体相确定为CWr (B2)相；所述CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经横截面电镜SEM扫描观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为10 180μπι ；所述CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经万能材料力学试验机对复合材料试样进行压缩与拉伸力学性能测试发现，该复合材料具有良好的力学性能，其屈服强度为1450 1690MPa，压缩塑性为8. 0 9. 2%，拉伸塑性为2. 0 2. 6%，且具有明显加工硬化特性。本发明制备具有韧性晶体相CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料的均勻化方法，首先采用在惰性气氛保护下电弧炉熔炼目标成分合金，然后采用喷铸、吸铸或是水淬等快速凝固的方法制备各种尺度和形状的块体非晶合金，最后对制得的合金进行性能分析。本发明对CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化方法的优点在于本发明制备得到的非晶合金复合材料具有较均勻的晶体相颗粒大小与分布，基体为非晶态结构，晶体相颗粒主要为Cu&(B》相，在受载时，晶体相可进行马氏体相变，从而使得本发明的复合材料具有优异的力学性能。该复合材料的屈服强度为1000 2000MPa，压缩塑性变形> 8%，同时具有优异的拉伸塑性与加工硬化性能，拉伸塑性变形不低于2%。
图1是经本发明方法制备得到的Cu47Zr47. Al5Tiia9块体非晶合金复合材料的XRD图像。图2是经本发明方法制备得到的Cu47Ziv1Al5Tiia9块体非晶合金复合材料试样横截面的微观形貌。图3是经本发明方法制备得到的Cu47Ziv1Al5Tiia9块体非晶合金复合材料横截面中晶体相的径向分布曲线及颗粒直径的分布。图4是经本发明方法制备得到的Cu47Ziv1Al5Tiia9块体非晶合金复合材料在压缩及拉伸条件下的应力应变曲线。图5是经本发明方法制备得到的Cu47Zr47.9Al具.i块体非晶合金复合材料的XRD图像。图6是经本发明方法制备得到的Cu47&47.9Al5Wai块体非晶合金复合材料试样横截面的微观形貌。图7是经本发明方法制备得到的Cu47Ziv3Al5TEia2WaiM0aci5Nbai5HfaiIteai块体非晶合金复合材料试样横截面的微观形貌。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明的一种均勻弥散分布着韧性晶体相CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料，其 CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料中a、b、c、d为摩尔百分数，44彡a彡50,44彡b彡50、 3 彡 c 彡 7,0. 05 彡 d 彡 1. 50，且 a+b+c+d = 100 ；M 为金属元素 Ta、W、Mo、Nb、Hf、Re 中的一种或两种以上的组合。本发明制备具有韧性晶体相CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料的均勻化方法，首先采用在惰性气氛保护下电弧炉熔炼目标成分合金，然后采用喷铸、吸铸或是水淬等快速凝固的方法制备各种尺度和形状的块体非晶合金，最后对制得的合金进行性能分析。具体制备本发明的CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法包括有下列步骤步骤一配料按照CuaZrbAlcMd目标成分称取Cu、Zr、Al、M各元素，混合均勻得到熔炼原料，且各元素的质量百分比纯度不低于99.0% ；M为金属元素Ta、W、Mo、Nb、Hf、Re中的一种或两种以上的组合；所述的CuaZrbAlcMd中a、b、c、d为摩尔百分数，44彡a彡50、44彡b彡50、3彡c彡7、 0. 05 彡 d 彡 1. 50，且 a+b+c+d = 100 ；步骤二熔炼 CuaZrbAleMd 合金将熔炼原料放入真空电弧炉中进行熔炼，在质量百分比纯度为99. 999%的氩气保护气氛下熔炼均勻后取出得到CuaZrbAlcMd合金锭；熔炼参数熔炼时真空电弧炉的真空度为< 3X KT2Pa ；熔炼温度为1200°C 3000°C ；熔炼时间为2 IOmin ；步骤三块体非晶合金铸造成型将步骤二制备得到的CuaZrbAlcMd合金锭放入快速凝固装置的感应炉中将其完全熔化，通过喷铸、凝固冷却得到柱状CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料；感应熔炼参数设置熔炼时真空感应炉的真空度为彡IX KT1Pa,感应电流250 450mA，熔炼温度为850 1250°C，熔炼时间为20s 180s ；喷铸压力为0. 01 0. IMPa ；冷却速度为10 105K/s。实施例1制Cu47Zr47. AI5Teici. 9块体非晶合金复合材料步骤一配料按照Cu47Zi^1Al5Tiia9目标成分称取各Cu、Zr、Al、Ta元素配置得到熔炼原料，且各元素的质量百分比纯度不低于99.0% ；步骤二 熔炼合金将熔炼原料放入真空电弧炉中进行熔炼，在质量百分比纯度99. 999%的高纯氩气保护气氛下熔炼均勻后取出得到Cu47^v1Al5Tiia9合金锭；熔炼参数熔炼时真空电弧炉的真空度为1 X IO-2Pa ；熔炼温度为1500°C ；熔炼时间为5min ；步骤三块体非晶合金铸造成型将步骤二制备得到的Cu47^v1Al5Tiia9合金锭放入快速凝固装置的感应炉中将其完全熔化，通过喷铸、凝固冷却得到直径为3mm，长度为45mm的圆柱形Cu4Jr47. Al5Tiia9非晶合金复合材料；感应熔炼参数设置熔炼时真空感应炉的真空度为1 X 10 ,感应电流320mA，熔炼温度为1000°c，熔炼时间为30s ；喷铸压力为0. 03MPa ；
冷却速度为102K/s。将实施例1制备得到的试样进行X射线衍射分析(XRD)，发现其为非晶合金复合材料结构，基体为非晶态结构，晶体相确定为CWr(B2)相，如图1所示。将实施例1制备得到的试样进行横截面电镜(SEM)扫描观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为50 180 μ m，如图2所示。将实施例1制备得到的试样采用万能材料力学试验机对复合材料试样进行压缩与拉伸力学性能测试发现，该复合材料具有良好的力学性能，其屈服强度为1611MPa，压缩塑性为8. 6%，拉伸塑性为2. 6%，且具有明显加工硬化特性，如图3、图4所示。 在本发明中，采用与实施例1相同的方法制M选取其他元素时的合金成分，见下表 1 其制得产物经XRD分析，合金成分为非晶合金复合材料结构，基体为非晶态结构，晶体相确定为CuZr (B2)相。
权利要求
1.一种均勻弥散分布着韧性晶体相CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料，其特征在于 CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料中a、b、c、d为摩尔百分数，44彡a彡50,44彡b彡50、 3 彡 c 彡 7,0. 05 彡 d 彡 1. 50，且 a+b+c+d = 100 ；M 为金属元素 Ta、W、Mo、Nb、Hf、Re 中的一种或两种以上的组合；所述CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经X射线衍射分析，发现其为非晶合金复合材料结构，基体为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；所述CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经横截面电镜SEM扫描观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为10 180μπι ；所述CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经万能材料力学试验机对复合材料试样进行压缩与拉伸力学性能测试发现，该复合材料具有良好的力学性能，其屈服强度为1450 1690MPa，压缩塑性为8. 0 9. 2%，拉伸塑性为2. 0 2. 6%，且具有明显加工硬化特性。
2.制备权利要求1所述的CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于包括有下列步骤步骤一配料按照CuaZrbAlcMd目标成分称取Cu、Zr、Al、M各元素，混合均勻得到熔炼原料，且各元素的质量百分比纯度不低于99.0% ；M为金属元素Ta、W、Mo、Nb、Hf、Re中的一种或两种以上的组合；所述的CuaZrbAlcMd中a、b、c、d为摩尔百分数，44彡a彡50,44彡b彡50、3彡c彡7、 0. 05 彡 d 彡 1. 50，且 a+b+c+d = 100 ； 步骤二 熔炼CuaZrbAlcMd合金将熔炼原料放入真空电弧炉中进行熔炼，在质量百分比纯度为99. 999%的氩气保护气氛下熔炼均勻后取出得到CuaZrbAlcMd合金锭；熔炼参数熔炼时真空电弧炉的真空度为彡3X IO-2Pa ； 熔炼温度为1200°C 3000°C ； 熔炼时间为2 IOmin ； 步骤三块体非晶合金铸造成型将步骤二制备得到的CuaZrbAlcMd合金锭放入快速凝固装置的感应炉中将其完全熔化， 通过喷铸、凝固冷却得到柱状CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料；感应熔炼参数设置熔炼时真空感应炉的真空度为< IX KT1Pa,感应电流250 450mA，熔炼温度为850 1250°C，熔炼时间为20s 180s ； 喷铸压力为0. 01 0. IMPa ； 冷却速度为10 105K/s。
3.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经X射线衍射分析，发现其为非晶合金复合材料结构，基体为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；制备得到的CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经横截面电镜SEM扫描观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为10 180μπι ；制备得到的CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料经万能材料力学试验机对复合材料试样进行压缩与拉伸力学性能测试发现，该复合材料具有良好的力学性能，其屈服强度为1450 1690MPa，压缩塑性为8. 0 9. 2%，拉伸塑性为2. 0 2. 6%，且具有明显加工硬化特性。
4.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu47Ziv1Al5Taa9块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B》相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为50 180 μ m;力学性能为屈服强度为1611MPa，压缩塑性为8.6%，拉伸塑性为 2. 6%。
5.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu47Zi^1Al具.工块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为10 100 μ m ；力学性能为屈服强度为1590MPa，压缩塑性为9. 1%，拉伸塑性为 2. 0%。
6.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu49Zr45Al具.6Nba4块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B》相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为20 150 μ m ；力学性能为屈服强度为1460MPa，压缩塑性为8. 1%，拉伸塑性为 2. 0%。
7.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu45Zr5tlAli5Wa75M0a25Rea5块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为20 190 μ m ；力学性能为屈服强度为1690MPa，压缩塑性为8. 0%，拉伸塑性为2.5%。
8.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu47Zr4U5Al5Tiia3WaiM0aci5Nba2块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为10 120 μ m ；力学性能为屈服强度为1550MPa，压缩塑性为8. 7%， 拉伸塑性为2.2%。
9.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu47Zr4UAl5Tiici.具.^oa^Nbai5Reai块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为40 170μπι ；力学性能为屈服强度为1490MPa，压缩塑性为 8. 3%，拉伸塑性为2. 5%。
10.根据权利要求2所述的制备CuaZrbAlcMd非晶合金基复合材料中晶体相均勻化的方法，其特征在于制备得到的Cu47Ziv3Al5TEia2WaiM0aci5Nbcil5HfaiReai块体非晶合金复合材料为非晶态结构，晶体相确定为Cu&(B2)相；经扫描电镜SEM观察，发现晶体相颗粒具有较均勻的大小与分布，颗粒大小为15 IOOym ；力学性能为屈服强度为1600MPa，压缩塑性为9.2%，拉伸塑性为2.5%。
全文摘要
本发明公开了一种具有韧性晶体相CuaZrbAlcMd非晶合金复合材料及其晶体相的均匀化方法，CuaZrbAlcMd中a、b、c、d为摩尔百分数，44≤a≤50，44≤b≤50，3≤c≤7，0.05≤d≤1.50，且a+b+c+d＝100；M为金属元素Ta、W、Mo、Nb、Hf、Re中的一种或两种以上的组合。本发明首先采用在惰性气氛保护下电弧炉熔炼目标成分合金，然后采用喷铸、吸铸或是水淬等快速凝固的方法制备各种尺度和形状的块体非晶合金，最后对制得的合金进行性能分析。经本发明方法制备得到的复合材料结构为非晶合金基体上均匀弥散分布着韧性晶体相颗粒，该晶体相颗粒在受力变形过程中可进行马氏体相变，从而使得该复合材料具有明显的拉伸塑性和加工硬化特性等优异的力学性能。
文档编号C22C45/00GK102286707SQ201110225178
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月8日 优先权日2011年8月8日
发明者刘增乾, 张涛, 李然 申请人:北京航空航天大学