本发明属于冶金领域，涉及一种金属材料的制备与加工技术，具体来说是一种具有高强度高韧性的铜基非晶丝及其制备方法。
背景技术：
非晶合金是一种没有规则的原子结构的具有金属光泽的合金，相对于晶态金属具有高强度、高硬度和优良的耐蚀性等诸多优势。然而，非晶合金通常塑性较差，加工条件苛刻，成品率不高，工业应用受到限制。
将非晶合金的尺寸减小到微米或纳米级别，其力学性能的到良好的改善。非晶丝通常展现较高的抗拉强度、弯曲能力及良好的弹性性能。直径到达微米或纳米级别的非晶丝取代陶瓷材料作为在合成材料方面的强化材料，能够避免陶瓷材料在低可湿性、凝结能力低以及纤维与金属基体之间的有害反应方面的缺点。cu基合金添加ti、zr、ni后具有高的玻璃形成能力且耐蚀性优良，钛锆铜合金应用于精密部件制造，形状记忆合金，传感器，生物材料，正牙术，新的能源材料，轻金属，微米及纳米级别的机械系统。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种具有高强度高韧性的铜基非晶丝及其制备方法，所述的这种具有高强度高韧性的铜基非晶丝及其制备方法要解决现有技术中的非晶合金通常塑性较差，加工条件苛刻，成品率不高，工业应用受到限制的技术问题。
本发明提供了一种具有高强度高韧性的铜基非晶丝，由ti、zr、ni和cu组成，所述的ti的纯度大于等于99.95%，zr的纯度大于等于99.8%，ni的纯度大于等于99.95%，cu的纯度大于等于99.95%；在所述的铜基非晶丝中，ti的摩尔百分比为20~30%，zr的摩尔百分比为10~20%，ni的摩尔百分比为0~15%，余量为cu，ti和zr两元素的摩尔百分百比之和小于等于40%，cu元素的摩尔百分百比大于等于50%。
进一步的，各成份的摩尔百分比如下：
ti25%，
zr15%，
ni10%，
余量为cu。
进一步的，各成份的摩尔百分比如下：
ti20%，
zr20%，
ni0%，
余量为cu。
进一步的，各成份的摩尔百分比如下：
ti25%，
zr10%，
ni15%，
余量为cu。
本发明还提供了上述的一种具有高强度高韧性的铜基非晶丝的制备方法，包括如下步骤：
1）按照摩尔百分比称取ti、zr、ni和cu；
2）将ti、zr、ni和cu加入高真空电弧熔炼炉或高真空感应熔炼炉中制备合金铸锭；
3）将铸锭置于感应坩埚中熔化，所述的感应坩埚的上方为高速旋转金属辊，熔化的合金接触金属辊后，液态被金属辊带出，随后冷却形成非晶丝。
进一步的，步骤2）中的真空电弧熔炼炉或高真空感应熔炼炉的炉腔内环境为纯氩气保护。
进一步的，步骤3）中，合金熔炉腔内环境为纯氩气保护。
进一步的，步骤3）金属辊旋转速度为1200~1500转/分。
进一步的,步骤2)的温度为1800~2200℃。
本发明针对目前非晶合金应用的局限，提供了一种具有高力学性能及耐腐蚀性的铜基非晶丝材料，推动非晶丝材料应用。本发明的非晶丝材表面光洁度良好，直径40~80μm，长度可达400mm。该系列非晶丝拉伸测试显示出极高的抗拉强度和弹性极限，远高于一般高强度合金丝，最高抗拉强度可达2400mpa，最高弹性极限达到1.5%左右。尽管拉伸测试中无塑性变形现象，但该系列非晶丝能够对折180°不断裂，显示出高的韧性。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明运用高速旋转的金属辊从熔融态合金抽取制备高强度高韧性的铜基非晶丝。本发明提供的非晶丝材比传统金属丝材强度高、硬度大、耐磨性高、韧性高、耐蚀性高，而且具有金属光泽且表面光滑，制备方法简单可靠，适用于批量生产。可以用于金属或非金属混合作为复合材料的增强体，也可以用于制造微小尺寸的支架、连杆等微机械系统的构件。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的非晶丝的形貌照片
图2是本发明实施例1制备的非晶丝的扫描电子显微镜照片。
图3是本发明实施例1制备的非晶丝的xrd图。
图4是本发明实施例1制备的非晶丝的拉伸曲线。
图5是本发明实施例1制备的非晶丝的180°对折后的图片。
图6是本发明实施例2制备的非晶丝的xrd图。
图7是本发明实施例2制备的非晶丝的拉伸曲线。
图8是本发明实施例3制备的非晶丝的xrd图。
图9是本发明实施例3制备的非晶丝的拉伸曲线。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，本发明的内容并不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
纯度≥99.95%的ti，纯度≥99.8%的zr、纯度≥99.95%ni和纯度≥99.95%cu为原材料，采用高真空电弧熔炼的方法（~2000℃）制备摩尔百分比为25%ti，15%zr，10%ni，余量为cu。将铸锭置于感应坩埚中熔化，上方为转速为1200转/分钟的金属辊，熔融状态的液态合金被金属辊带出，随后快速冷却，获得丝材。该成分合金能够获得连续的丝材，平均长度400mm，尺寸均匀，表面光滑，直径约为70μm。xrd结果表明，该丝材为非晶。拉伸结果表明，其为完全弹性变形，抗拉强度~2200mpa，杨氏模量为~144gpa，弹性应变极高，超过1.5%。尽管拉伸曲线没有塑性变形，但该非晶丝180度对折后不折断，显示出很高的韧性。该方法制备非晶丝材简单快速，该成分非晶丝材具有高强度、高弹性和高韧性的特点，具有广阔的应用前景。
实施例2：
纯度≥99.95%的ti，纯度≥99.8%的zr和纯度≥99.95%cu为原材料，采用高真空电弧熔炼的方法（~2000℃）制备摩尔百分比为20%ti，20%zr，余量为cu。将铸锭置于感应坩埚中熔化，上方为转速为1300转/分钟的金属辊，熔融状态的液态合金被金属辊带出，随后快速冷却，获得丝材。与实施例1类似，xrd表明该丝材为非晶；拉伸测试表明，其抗拉强度为~1800mpa，杨氏模量为~124gpa，弹性应变约为1.5%；180度对折后不折断。相比实施例1，该成分合金无需添加ni元素，降低了材料成本，但仍保证了高强度、高弹性和高韧性的性能特点。
实施例3：
纯度≥99.95%的ti，纯度≥99.8%的zr、纯度≥99.95%ni和纯度≥99.95%scu为原材料，采用高真空电弧熔炼的方法（~2000℃）制备摩尔百分比为25%ti，10%zr，15%ni，余量为cu。将铸锭置于感应坩埚中熔化，上方为转速为1500转/分钟的金属辊，熔融状态的液态合金被金属辊带出，随后快速冷却，获得丝材。xrd表明该丝材为非晶；拉伸测试表明，抗拉强度为~2600mpa，杨氏模量为~168gpa，弹性应变超过1.5%；180度对折后不折断。该成分合金添加了较多的ni元素，使非晶丝的强度显著提高，同样保持了高弹性和高韧性的性能特点。