高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料及制备方法

文档序号:9642574
高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于非晶复合材料及制备方法,具体涉及一种高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶 复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] CuZr基金属玻璃由于其具有大弹性极限、高强度和量好大的抗腐蚀性,成为结构、 功能应用材料的理想选择。CuZr基金属玻璃的组织结构、玻璃形成能力(GFA)、晶化行为和 力学性能等已经被广泛研究,例如,在CuZr合金内掺杂Ag、Al、Ti、Hf和Ra (稀土元素)时, 可以较易地制得具有良好性能的CuZr基块体金属玻璃(BMGs)。然而,这些具有无序结构的 单斜BMGs在压缩加载时由于其剪切带的高度局域化,往往呈现出明显的脆性断裂。
[0003] 为了解决CuZr基金属玻璃变形时的室温脆性和室温软化,快速凝固过程中在 CuZr基金属玻璃中引入了可以抑制玻璃基体中剪切带快速传播并且促进多重剪切带增殖 的纳米-微米级B2 CuZr相。具有内生B2 CuZr相的CuZr基合金展现出优异的拉伸塑性、 高强度和良好的加工硬化能力。就此来看,在快速冷却过程中在获得非晶相同时,稳定B2 CuZr相是至关重要的。
[0004] 然而对于CuMZr5。合金,高温亚稳相的立方B2 CuZr相在988K会通过共析反应分 解为低温平衡相。为了在淬火过程中将B2 CuZr相稳定在室温,除了调节淬火参数外,还应 该考虑在合金内添加微量元素来稳定B2 CuZr相。目前为止,研究发现通过在CuZr基合 金内添加 Co元素,可以显著地提高B2 CuZr相的热稳定性并且在凝固时可以较易的析出 B2 CuZr相。此外,虽然添加微量的48^1、11、!^和1^(稀土元素)可以提高6?4,但是82 CuZr相的热稳定性不会明显的提升甚至对一些组分会有恶化的趋势。
[0005] 而且考虑到快速凝固过程中非晶相与B2 CuZr相之间的相互竞争,急需寻找一种 替代元素以稳定B2 CuZr相和提高CuZr基合金的GFA。同时该元素相对来说应该价格便宜 以适用于未来CuZr基BMGs复合材料作为结构功能材料的应用。Zn元素作为添加元素具有 以下的原因=(I)CuZn同样的也具有立方B2 CuZn相,并且具有与B2ZrCo and B2 CuZr相 似的良好的形状记忆能力;(2)凝固过程中Zn元素可以很好的固溶进Cu、Zr内,其最大固 溶度分别为38. 27 at. % and 28. I at. % ; (3)微量的Zn元素可以提高Ca基、Mg基BMGs 的GFA ; (4)相对Ag、Al、Ti、Hf和Ra (稀土元素),Zn价格更加便宜。

【发明内容】

[0006] 要解决的技术问题
[0007] 为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合 材料及制备方法。
[0008] 技术方案
[0009] -种高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料,其特征在于:非晶复合材料的原子特征 配比为 Cu47.25Zr47.25Zn4. 5。
[0010] 所述各成分金属的纯度大于99. 99%。
[0011] -种所述高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料的制备方法,其特征在于步骤如下:
[0012] 步骤1 :按照非晶复合材料的原子特征配比Cu5(]Zr5。,称取各成分金属并放置于电 弧炉水冷坩埚中
[0013] 步骤2 :将电弧炉抽至真空度5 X IO5Pa,然后反充纯度为99. 999 %的Ar气至一个 大气压;
[0014] 步骤3 :开启电弧炉加热至步骤1所配制的合金熔点以上,待合金锭冷却后,将合 金锭进行翻转,重新熔融,重复3-4次使合金混合均匀得到Cu MZr5。母合金;
[0015] 步骤4 :将母合金去除表面氧化皮,以Cu5tiZr5。母合金与高纯Zn按原子特征配比 Cu47.25Zr47.25Zn4. 5 进行配料;
[0016] 步骤5 :将配制好的CuMZr5。母合金和高纯Zn放入高真空高频感应熔炼-吹铸炉 中的石英试管中;
[0017] 步骤6 :将高真空高频感应熔炼-吹铸炉抽至真空度5 X 10 5Pa,然后反充纯度为 99. 999 %的Ar气至一个大气压;
[0018] 步骤7 :开启感应电源进行,当熔体融化充分至橙红色时,关闭电源;冷却至室温 取出,去除氧化皮后敲碎重新置于石英管内;再次重复本过程;
[0019] 步骤8 :感应熔炼充分后,将熔体经石英管管小孔吹铸至水冷铜模得到块状 Cu47.25Zr47.25Zn4. 5非晶棒材复合材料。
[0020] 所述步骤8得到的块状Cu47.25Zr47. 25Zn4.5非晶棒材复合材料的直径为2mm。
[0021] 有益效果
[0022] 本发明提出的一种高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料及制备方法,高强高塑 性Cu-Zr-Zn非晶复合材料的原子特征配比为Cu 47.25Zr47.25Zn4. 5,利用快速凝固方法制 得的Cu47.25Zr47. 25Zn4.5非晶复合材料不仅具有非晶本身的优异的力学性能,例如高断裂 强度(1713±75MPa)、大的弹性极限(2.0±0. 1% )等,而且克服了剪切带高度局域化 引起的脆性和应变软化导致的低塑性等缺陷,在室温变形过程中不仅具有良好的塑性 (6. 8 ± 0· 8 % ),而且表现出了微观加工硬化能力。
【附图说明】
[0023] 图1,为Cu47.25Zr47.25Zn 4.5#晶复合材料的光镜图(OM);
[0024] 图2,为Cu47.25Zr47. 25Zn4.5非晶复合材料的XRD衍射图;
[0025] 图3,为Cu47.25Zr47. 25Zn4.5非晶复合材料的室温力学压缩应力应变曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0027] 实施例1 :
[0028] 步骤 1 :制备 Cu47.25Zr47.25Zn4. 5样品 5g,则称取纯 Cu I. 9744g,纯 Zr 2. 8342g,配比 好至于打磨干净的水冷坩埚中;
[0029] 步骤2 :将电弧炉抽至真空度5 X IO5Pa,然后反充纯度为99. 999 %的Ar气至一个 大气压;
[0030] 步骤3 :开启电弧炉加热至步骤1所配制的合金熔点以上,待合金锭冷却后,将合 金锭进行翻转,重新熔融,重复3次使合金混合均匀得到Cu MZr5。母合金;
[0031] 步骤4 :将母合金去除表面氧化皮敲碎,称取纯Zn 0. 1914g,将其混合;
[0032] 步骤5 :放入高真空高频感应熔炼-吹铸炉中的石英试管中;
[0033] 步骤6 :将高真空高频感应熔炼-吹铸炉抽至真空度5 X 10 5Pa,然后反充纯度为 99. 999 %的Ar气至一个大气压;
[0034] 步骤7 :开启感应电源,充分熔炼。冷却至室温取出,去除氧化皮后敲碎重新置于 石英管内;重复两次以确保成分均匀;
[0035] 步骤9 :感应熔炼充分后,将熔体经石英管管小孔吹铸至水冷铜模得到直径为2_ 的Cu-Zr-Zn非晶棒材复合材料。
[0036] 实施例2 :
[0037] 步骤 1 :制备 Cu47.25Zr47.25Zn4. 5样品 5g,则称取纯 Cu I. 9744g,纯 Zr 2. 8342g,配比 好至于打磨干净的水冷坩埚中;
[0038] 步骤2 :将电弧炉抽至真空度5 X IO5Pa,然后反充纯度为99. 999 %的Ar气至一个 大气压;
[0039] 步骤3 :开启电弧炉加热至步骤1所配制的合金熔点以上,待合金锭冷却后,将合 金锭进行翻转,重新熔融,重复4次使合金混合均匀得到Cu MZr5。母合金;
[0040] 步骤4 :将母合金去除表面氧化皮敲碎,称取纯Zn 0. 1914g,将其混合;
[0041] 步骤5 :放入高真空高频感应熔炼-吹铸炉中的石英试管中;
[0042] 步骤6 :将高真空高频感应熔炼-吹铸炉抽至真空度5 X 10 5Pa,然后反充纯度为 99. 999 %的Ar气至一个大气压;
[0043] 步骤7 :开启感应电源,充分熔炼。冷却至室温取出,去除氧化皮后敲碎重新置于 石英管内;重复两次以确保成分均匀;
[0044] 步骤8 :感应熔炼充分后,将熔体经石英管管小孔吹铸至水冷铜模得到直径为2_ 的Cu-Zr-Zn非晶棒材复合材料。
[0045] 本发明提供的Cu-Zr-Zn非晶棒材复合材料的力学性能参数如下表:
【主权项】
1. 一种高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料,其特征在于:非晶复合材料的原子特征配 比为Cu47.25Zr47.25Zn4.5〇2. 根据权利要求1所述高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料,其特征在于:所述各成分 金属的纯度大于99. 99%。3. -种权利要求1所述高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料的制备方法,其特征在于步 骤如下: 步骤1 :按照非晶复合材料的原子特征配比Cu5(]Zr5。,称取各成分金属并放置于电弧炉 水冷;t甘埚中 步骤2 :将电弧炉抽至真空度5X10 5Pa,然后反充纯度为99. 999%的Ar气至一个大气 压; 步骤3 :开启电弧炉加热至步骤1所配制的合金熔点以上,待合金锭冷却后,将合金锭 进行翻转,重新熔融,重复3-4次使合金混合均匀得到CuMZr5。母合金; 步骤4 :将母合金去除表面氧化皮,以CuMZr5。母合金与高纯Zn按原子特征配比Cu47.25Zr47.25Zn4.5 进行配料; 步骤5 :将配制好的Cu5(]Zr5。母合金和高纯Zn放入高真空高频感应熔炼-吹铸炉中的 石英试管中; 步骤6 :将高真空高频感应熔炼-吹铸炉抽至真空度5X10 5Pa,然后反充纯度为 99. 999 %的Ar气至一个大气压; 步骤7 :开启感应电源进行,当熔体融化充分至橙红色时,关闭电源;冷却至室温取出, 去除氧化皮后敲碎重新置于石英管内;再次重复本过程; 步骤8:感应熔炼充分后,将熔体经石英管管小孔吹铸至水冷铜模得到块状Cu47.25Zr47.25Zn4.5非晶棒材复合材料。4. 根据权利要求3所述高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料的制备方法,其特征在于: 所述步骤8得到的块状Cu47.25Zr47.25Zn4.5非晶棒材复合材料的直径为2mm。
【专利摘要】本发明涉及一种高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料及制备方法,高强高塑性Cu-Zr-Zn非晶复合材料的原子特征配比为Cu47.25Zr47.25Zn4.5,利用快速凝固方法制得的Cu47.25Zr47.25Zn4.5非晶复合材料不仅具有非晶本身的优异的力学性能,例如高断裂强度(1713±75MPa)、大的弹性极限(2.0±0.1%)等,而且克服了剪切带高度局域化引起的脆性和应变软化导致的低塑性等缺陷,在室温变形过程中不仅具有良好的塑性(6.8±0.8%),而且表现出了微观加工硬化能力。
【IPC分类】C22C45/10, C22C1/03
【公开号】CN105401105
【申请号】CN201510790088
【发明人】宋凯凯, 吴点宇, 曹崇德, 白晓军
【申请人】山东大学(威海), 西北工业大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月17日
再多了解一些
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