专利名称：一种塑性锆基金属玻璃及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属基复合材料技术，特别是一种塑性锆基金属玻璃及其制备方法。
背景技术：
块体金属玻璃(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。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β-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β-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)。虽然上述铸态内生固溶体增塑BMG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度下降。
发明内容
本发明的目的在于通过适当的成分设计，以常见金属元素为组元，开发出具有强玻璃形成能力并高强高韧的塑性锆基金属玻璃。实现本发明目的的技术解决方案为一种塑性锆基金属玻璃，其合金元素原子百分比表达式为Zr JibCucNidBee，其中46彡a彡50，14彡b彡18，9彡c彡11，7彡d彡9，16 ^ e ^ 19, a+b+c+d+e=100。一种制备上述的塑性锆基金属玻璃方法，包括以下步骤
第一步选取块体金属玻璃合金体系，根据相选择原理，结合二元合金相图，设计并调整合金成分Zr JibCucNidBee，其中46彡a彡50，14彡b彡18，9彡c彡11，7彡d彡9，16 ^ e ^ 19, a+b+c+d+e=100 ；
第二步采用电弧熔炼的方法，将合金原料熔炼成母合金；
第三步母合金重新熔化，铜模重力铸造得到塑性锆基金属玻璃。第一步中所述的合金组元的纯度大于99. 5%。第三步中所述的塑性锆基金属玻璃的压缩塑性最大可达到10%。第三步中所述的塑性锆基金属玻璃为全非晶结构，其最大直径为35mm。本发明与现有技术相比，其显著优点(I)本发明的锆基金属玻璃具有优异的综合力学性能，其室温压缩强度达到了 1900MPa，塑性应变也超过了 8% ； (2)本发明的锆基金属玻璃具有非常强的玻璃形成能力，采用水冷铜模重力铸造可制备35mm直径的全非晶试棒。
图I是本发明塑性锆基金属玻璃制备流程图。图2是实施例I塑性锆基金属玻璃金相组织及XRD图(a为微观组织图，b为XRD图)。图3是实施例I塑性锆基金属玻璃室温压缩曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述 (I)合金成分设计
选择具有良好玻璃形成能力(GFA)的Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金体系，根据相选择原理，结合二元合金相图，进行合金成分设计。具体而言，就是通过调整合金元素Zr、Ti、Cu、Ni、Be的相对比例，得到所需合金成分范围，ZraTibCueNidBee(原子百分比)表示，其中46彡a彡50，14 彡 b 彡 18，9^c^ll, 7 彡 d 彡 9，16 彡 e 彡 19，a+b+c+d+e=100。(2)母合金熔炼
根据(I)成分设计所得到的不同合金元素之间的原子百分比换算出质量百分比，采用高纯金属组元配置出所需的合金。在高纯Ar气保护下，利用熔炼Ti或Zr纯金属去除腔内残余氧，采用水冷铜坩埚非自耗电弧熔炼设备熔制母合金。母合金多次熔炼的同时进行电磁搅拌以得到混合均匀的母合金扣锭。(3)材料成型
将母合金重熔后，通过铜模重力铸造或吹铸成形，其形状和尺寸可根据需要对铜模的内腔进行设计。(4)结构表征
利用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、光学显微镜(OM)和电子扫描显微镜(SEM)等对制备的合金进行微观结构表征，并进一步对其进行力学性能表征，以确定具有最佳综合力学性能的合金成分。下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例I
(I)原材料的选用
本发明制备母合金锭选用的各金属组元的纯度如表1，合金成分为 Zr48.7Ti16.3Cu9.7Ni7.8Be17.5 (原子百分比)。表I制备母合金锭选用金属组兀的纯度(%)
元素 |Zr [Ti [Cu [Ni [BeWk /% |99. 95 |99· 95 I99· 99 |θ9· 99 |θ9· 5
(2)母合金锭的制备
在Ti吸气、高纯氩气保护条件下，用非自耗电弧熔炼炉熔制母合金扣锭，其具体程序
如下
a、将金属原料的表面机械打磨去掉表面的氧化皮后，按照设计好的成分配比料备料；按照每锭80g左右的重量将配好的料放入熔炼炉内的水冷铜坩埚内，盖上炉盖抽真空至
2X KT3Pa ;向炉内充入一定量压力的高纯氩气(99. 99%)，氩气压力范围为O. 4 0· 6MPa ；
b、在熔制母合金锭之前，将用于吸气的Ti锭熔炼2 3遍；
C、多道次熔炼母合金锭采用非自耗钨电极先将Zr、Ti、Cu、Ni、Be合金元素一起熔炼2 3遍，并施加电磁搅拌作用，得到混合均匀的母合金扣锭。熔炼时采用的电流为50(Γ650Α，电磁搅拌采用的电压为I 3V。(3)材料成型
将母合金扣锭置于水冷铜坩埚与水冷铜模紧密结合的成形系统中。系统抽真空至4飞X KT4Pa ;电弧加热重熔后，在O. 6MPa的惰性气体(99. 999%的高纯氩)保护气氛下，依靠 自身重力注入水冷铜模中，制备出所需直径的棒状试样。(4)结构和性能表征
图2(a)是采用上述工艺条件制备的35mm直径Zr48.7Ti16.3Cu9.7Ni7.8Be17.5合金的微观组织。可见，其为无特征的全非晶结构。XRD (图2(b))进一步证实了其漫散射特征。图3为塑性锆基金属玻璃应力-应变曲线，实验条件为样品为03 X 6mm柱状试样，实验温度为室温(25°C)，压缩应变速率为ZXKT4iT1。力学性能测试结果表明所制备的塑性锆基金玻璃断裂强度达到了 1900MPa，压缩塑性超过了 8%。事实证明，该塑性锆基金玻璃不仅具有强的玻璃形成能力，还具有高强度和优异的塑性，实现了强度和塑性的良好结合。实施例2
采用与实施例I相同的方法，合金成分为=Zr5tlTi18Cu9Ni7Be16，制备出了 25mm直径的全非晶试棒，断裂强度达到了 1980MPa，压缩塑性达到了 5%。实施例3
采用与实施例I相同的方法，合金成分为=Zr46Ti14Cu11Ni9Be2tl，制备出了 30mm直径的全非晶试棒，断裂强度超过了 1800MPa，压缩塑性达到了 10%。
权利要求
1.一种塑性锆基金属玻璃，其特征在于所述金属玻璃合金元素原子百分比表达式为ZraTibCucNidBee，其中 46 ≤ a ≤ 50，14 ≤ b≤ 18，9 ≤ c ≤11, 7 ≤ d ≤9，16 ≤ e ≤ 19，a+b+c+d+e=100。
2.根据权利要求I所述的塑性锆基金属玻璃，其特征在于所述的锆基金属玻璃为全非晶结构。
3.根据权利要求I所述的塑性锆基金属玻璃，其特征在于所述的锆基金属玻璃的压缩塑性最大达到10%。
4.一种制备上述塑性锆基金属玻璃的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤 第一步选取块体金属玻璃合金体系，根据相选择原理，结合二元合金相图，设计并调整合金成分Zr JibCucNidBee，其中46≤a≤50，14≤b≤18，9≤c≤11，7≤d≤9，16 ≤e ≤ 19, a+b+c+d+e=100 ； 第二步采用电弧熔炼的方法，将合金原料熔炼成母合金； 第三步母合金重新熔化，铜模重力铸造得到塑性锆基金属玻璃。
5.根据权利要求4所述的制备塑性锆基金属玻璃的方法，其特征在于第一步中所述的合金组元的纯度大于99. 5%。
6.根据权利要求4所述的制备塑性锆基金属玻璃的方法，其特征在于第二步中熔炼时采用的电流为50(Γ650Α，电磁搅拌采用的电压为f 3V。
7.根据权利要求4所述的制备塑性锆基金属玻璃的方法，其特征在于第三步中所述的塑性错基金属玻璃为全非晶结构，其最大直径为35mm。
8.根据权利要求4所述的制备塑性锆基金属玻璃的方法，其特征在于第三步中所述的塑性锆基金属玻璃的压缩塑性最大可达到10%。
全文摘要
本发明公开了一种塑性锆基金属玻璃及其制备方法。本发明锆基金属复合材料的成分原子百分比表达式为ZraTibCucNidBee，其中46≤a≤50，14≤b≤18，9≤c≤11，7≤d≤9，16≤e≤19，a+b+c+d+e=100。制备上述的塑性锆基金属玻璃方法，包括以下步骤选取块体金属玻璃合金体系，根据相选择原理，结合二元合金相图，设计合金成分；采用电弧熔炼的方法，将合金原料熔炼成母合金；母合金重新熔化，铜模重力铸造得到塑性锆基金属玻璃。本发明的塑性锆基金属玻璃不仅具有高强度和优异的塑性，还具有非常高的玻璃形成能力。
文档编号C22C45/10GK102899592SQ20121040180
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者陈 光, 成家林 申请人:南京理工大学