结构可控TiZr基非晶复合材料及其制备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非晶合金复合材料领域，具体提供了一种基于两相平衡特性的非晶复 合材料的设计和制备方法。
【背景技术】
[0002] 非晶复合材料由于其独特结构特征，使其具有特殊的性能，如高比强度、高耐磨 性、高耐腐蚀性、独特的变形特性等。在航天材料、空间探索、国防工业和生物医学等领域 具有广阔应用前景。非晶合金复合材料根据制备过程可分为两类：外加晶态相非晶合金复 合材料和原位内生韧性晶态相非晶合金基复合材料（以下分别简称"外加相非晶复合材 料"和"内生相非晶复合材料"）。例如：外加相非晶复合材料W纤维/Zr基非晶复合材料、 SiC/Zr基非晶复合材料等，内生相非晶复合材料β -Ti/TiZr基相非晶复合材料、原位析出 B2CuZr相/ZrCu基非晶复合材料等。
[0003] 外加相非晶复合材料具有第二相体积分数和结构形态可控的优点，但第二相与合 金熔体在界面处易于发生强烈的交互作用，导致合金元素的扩散、界面反应，造成基体非晶 的形成能力降低，同时恶化增强相的性能，非晶复合材料的性能不能充分发挥；内生复合材 料具有两相界面结合好，力学性能优异的优点，但由于晶态相受合金成分和凝固过程制约， 大多呈树枝晶或者颗粒状，晶态相体积分数和形态难以控制。因此，寻找非晶复合材料的设 计新思路，能兼顾上述两类材料的优点并避免缺点，在基础理论和实际应用方面都具有重 要的意义。鉴于此，本发明将上述两类非晶复合材料的制备理念融合，充分发挥两者的优 势，构筑新型非晶复合材料。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于非晶合金熔体与原位析出相之间的两相平衡特 性设计制备的新型TiZr基非晶复合材料及其制备方法，该非晶合金复合材料兼具外加强 化相非晶合金复合材料和内生晶态强化非晶合金复合材料的优点，界面结合好、结构形态 可根据需求构筑。
[0005] 本发明具体提供一种结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：首 先确定TiZr基非晶复合材料两相平衡合金中基体非晶相（即TiZr基非晶相）化学成分和 析出第二相化学成分，根据所得成分分别炼制合金，然后根据需要将按照析出第二相化学 成分炼制的合金制成所需结构的预制体，并与按照基体非晶相化学成分炼制的合金一起置 于模具中，利用压力浸渗方法制备非晶复合材料。该类非晶复合材料的构筑方法也适合于 其它合金体系。
[0006] 本发明所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，具体制备过 程如下：
[0007] (I)、TiZr基非晶复合材料两相平衡合金成分的确定：
[0008] 取TiZr基非晶复合材料两相平衡合金，分别测定基体非晶相和析出第二相的化 学成分；或通过合金成分调整和制备凝固过程调控获得具有两相平衡特性的非晶复合材 料，此时，该复合材料中两相的体积分数和成分随着冷却速率的变化保持不变，两相已达平 衡，分别测定基体TiZr基非晶相和析出第二相的化学成分（即对于不满足TiZr基非晶复 合材料两相平衡合金特征的合金，需将其加热至合金固液两相区进行半固态处理，保温后 得到TiZr基非晶复合材料两相平衡合金）；
[0009] (2)、按两平衡相的成分分别炼制合金；
[0010] (3)根据实际应用将按照析出第二相化学成分炼制的合金制成所需结构的预制 体；将该预制体和按照基体非晶相化学成分炼制的合金一起放入模具中；抽真空IX KT1~ I X KT4Pa,加热至按照基体非晶相化学成分炼制的合金熔点以上，充入惰性气体，在惰性气 体压力下使其浸渗入析出第二相合金预制体中，保温，水淬，得到所需不同结构的TiZr基 非晶复合材料两相平衡合金。
[0011] 本发明所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：所述基体非 晶相的化学成分为Ti32.8Zr3Q.2Ni 5.3Cu9Be22.7，析出第二相的化学成分为Ti 61. Jri4Cu2J。通过 合金成分调整，如Ti-Zr-Cu-Ni (Fe或Co) -Be，或将Ti-6A1-4V合金等加入到TiZr基非晶合 金中，然后结合制备过程中调控制备获得具有两相平衡的原位内生TiZr基非晶复合材料。
[0012] 本发明所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：抽真空后， 加热至50~300°C，充入氩气1~5大气压，保温时间为0-30min。
[0013] 本发明所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：将析出第二 相合金预制体与基体非晶合金一起置于模具中时，基体非晶合金需置于析出第二相合金预 制体上方。
[0014] 本发明所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：所述预制体 可以为片层状、纤维状、网状或多孔状等。
[0015] 本发明所述方法制备的TiZr基非晶复合材料，其特征在于：该材料为TiZr基非晶 复合材料两相平衡合金，任意i组元在非晶合金熔体中的化学势等于其在析出第二相中的 化学势，即A = /4,组元在非晶合金熔体和析出第二相之间的扩散达到动态平衡。由于析 出第二相是在合金熔体凝固过程中析出的，其与基体非晶相具有较好的润湿性；两平衡相 之间界面结合好，且界面处无其它析出相形成。
[0016] 本发明所述TiZr基非晶复合材料，其特征在于：所述TiZr基非晶复合材料在制备 过程中随冷却速率的变化（如冷却速率的降低或浇铸尺寸的增加），复合材料中基体非晶 相和析出第二相的化学成分和体积分数保持不变。
[0017] 下面以Ti45. JriciNiwCi^8Be1I5合金为例，本发明所述制备方法主要分为两步：
[0018] 第一步：确定TiZr基非晶复合材料两相平衡合金成分
[0019] 通过调整Ti-Zr-Ni-Cu-Be非晶复合材料的合金成分，结合制备凝固过程调控研 究，获得了具有两相平衡特性的非晶合金内生复合材料Ti45^Zr3itlNi3. A5.8Be12.5(简称为 ZT-M合金），如图1所示，基体非晶成分为Ti32.8Zr3a2Ni 5.3Cu9Be22.7(简称为ZT-A合金），析 出第二相为Ti 6h5Zrm4Cuu固溶体（简称为β-Ti合金），β-Ti相的熔点高于TiZr基非 晶相。
[0020] 图2为ZT-M合金铜模浇注不同直径棒材（不同冷却速率）芯部和不同质量纽扣 锭横截面的XRD衍射谱，表明不同冷速条件下制备的ZT-M合金结构为β -Ti/TiZr基非晶 复合材料，结构相同。
[0021] 图3.为不同冷却速率条件下制备的ZT-M合金结构图（图中由左至右由上到下依 次为 (1)2_、(1)5_、(1 )8_、(1)15_、158和12(^)，经分析6-1';[合金析出相体积分数随着冷 却速率的变化基本保持不变，约为50%，两相已达平衡（请见表1)。
[0022] 表1.不同冷却速率条件下ZT-M合金中析出相体积分数
【主权项】
1. 一种结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：首先确定TiZr基非 晶复合材料两相平衡合金中基体非晶相化学成分和析出第二相化学成分，根据所得成分分 别炼制合金，然后根据需要将按照析出第二相化学成分炼制的合金制成所需结构的预制 体，并与按照基体非晶相化学成分炼制的合金一起置于模具中，利用压力浸渗方法制备非 晶复合材料。
2. 按照权利要求1所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，具体 制备过程如下： (1) 、TiZr基非晶复合材料两相平衡合金成分的确定： 取TiZr基非晶复合材料两相平衡合金，分别测定基体非晶相和析出第二相的化学成 分；或通过合金成分调整和制备凝固过程调控获得具有两相平衡特性的非晶复合材料，此 时，该复合材料中两相的体积分数和成分随着冷却速率的变化保持不变，两相已达平衡，分 别测定基体TiZr基非晶相和析出第二相的化学成分； (2) 、按两平衡相的成分分别炼制合金； (3) 根据实际应用将按照析出第二相化学成分炼制的合金制成所需结构的预制体； 将该预制体和按照基体非晶相化学成分炼制的合金一起放入模具中；抽真空IXKT 1~ I X KT4Pa,加热至按照基体非晶相化学成分炼制的合金熔点以上，充入惰性气体，保温，水 淬，得到TiZr基非晶复合材料两相平衡合金。
3. 按照权利要求1或2所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征 在于：所述基体非晶相的化学成分为Ti32. 8Zr3(l. 2Ni5.3Cu9Be22. 7，析出第二相的化学成分为 Ti61. sZr36. 4Cu2. 1 〇
4. 按照权利要求3所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：抽真 空后，加热至50~300°C，充入氩气1~5大气压，保温时间为0-30min。
5. 按照权利要求3所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：将析 出第二相合金预制体与基体非晶合金一起置于模具中时，基体非晶合金置于析出第二相合 金预制体上方。
6. 按照权利要求3所述结构可控TiZr基非晶复合材料的制备方法，其特征在于：所述 预制体为片层状、纤维状、网状或多孔状。
7. -种权利要求1所述方法制备的TiZr基非晶复合材料，其特征在于：该材料为TiZr 基非晶复合材料两相平衡合金，任意i组元在非晶合金熔体中的化学势等于其在析出第二 相中的化学势，即K = /4,组元在非晶合金熔体和析出第二相之间的扩散达到动态平衡。
8. 按照权利要求7所述TiZr基非晶复合材料，其特征在于：所述TiZr基非晶复合材 料在制备过程中随冷却速率的变化，复合材料中基体非晶相和析出第二相的化学成分和体 积分数保持不变。
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种基于非晶合金熔体与原位析出相之间的两相平衡特性设计制备的新型TiZr基非晶复合材料及其制备方法，其特征在于：首先确定TiZr基非晶复合材料两相平衡合金中基体非晶相化学成分和析出第二相化学成分，根据所得成分分别炼制合金，然后根据需要将按照析出第二相化学成分炼制的合金制成所需结构的预制体，并与按照基体非晶相化学成分炼制的合金一起置于模具中，利用压力浸渗方法制备非晶复合材料。该非晶合金复合材料兼具外加强化相非晶合金复合材料和内生晶态强化非晶合金复合材料的优点，界面结合好、结构形态可根据需求构筑。
【IPC分类】C22C45-10, C22C1-00
【公开号】CN104878328
【申请号】CN201410513553
【发明人】张海峰, 张龙, 刘丁铭, 唐明强, 朱正旺, 付华萌, 王爱民, 李宏, 张宏伟
【申请人】中国科学院金属研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2014年9月29日