一种大尺寸TRIP非晶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大尺寸TRIP非晶复合材料及其制备方法，其特征在于所述材料的合金成分为：CuaZrbMcNdXe（原子摩尔比），其中M为Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中至少一种，N为Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中至少一种，X为Si、C、B、Sn、Ga、Ge、In中至少一种，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e=100。本发明专利技术通过合金化及工艺调节提高基体的非晶形成能力并原位生成弥散分布的具有相变诱导塑性效应的晶态第二相，通过第二相在变形过程中发生形变诱导相变来获得较大的拉伸塑性和强烈的加工硬化能力。本发明专利技术所制备的复合材料实现了强度和塑性的良好结合，具有十分广阔的工程应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸TRIP非晶复合材料及其制备方法
本专利技术属于非晶态合金及其复合材料领域，具体地说就是通过合适的成分设计和工艺调节制备出大尺寸的内生形变诱导相变增韧（TRIP）的非晶复合材料，进而通过合金化的方法均匀弥散晶体相。该大尺寸复合材料具有大拉伸塑性和优良的加工硬化能力，具有非常广阔的工程应用前景。
技术介绍
非晶态合金材料的结构不同于常规晶体金属材料，其原子排列呈现长程无序、短程有序的特点。非晶态合金独特的结构使其表现出许多优异的力学性能，如大的弹性极限（约２％）、高的断裂强度和断裂韧性、较高的硬度、较强的耐磨性和良好的耐腐蚀性能等，使之成为新一代最具潜力材料之一。但是这种结构由于缺乏常规晶体材料的位错变形机制，使得非晶态合金的室温变形主要是通过局域剪切进行，因而也造成了其重要的缺陷——室温脆性和应变软化，极大地限制了非晶态合金作为结构材料的工程应用。为了解决该问题，科学家们通过内生或外加的方法在非晶态合金中引入韧性第二相，显著地提高了材料的塑性和韧性。2008年以来，以美国加州理工学院W.L.Johnson教授研究组为首的几个研究组采用成分调控和半固态处理的方法，通过在非晶态合金的基体中内生形成枝晶相，在锆-钛基非晶态合金中开发出了几种枝晶增韧非晶复合材料，这些非晶复合材料能够具有大于10%的拉伸塑性，但其在拉伸过程中过早出现颈缩，呈现加工软化的特征。其原因是枝晶相的加工硬化不能显著弥补非晶基体相的加工软化。材料整体的加工软化特征使其在屈服后会发生迅速的断裂，而没有后续的承载能力，因而该类非晶复合材料很难作为结构材料得到工程应用。2010年，北京科技大学的吕昭平教授和吴渊副教授将形变诱导相变的概念引入非晶态合金，成功制备出直径为3mm的同时具有拉伸塑性和加工硬化能力的非晶复合材料（专利号：101787501）。球形第二相强烈的加工硬化能力不仅能有效弥补基体的加工软化，而且能使得材料整体呈现加工硬化特征和良好的塑性变形能力。但是较小的复合材料形成尺寸严重限制了其工程应用，因此亟待开发大尺寸的具有加工硬化能力和拉伸塑性的非晶复合材料，为其工程应用奠定良好的基础。与此同时，由于晶体相为亚稳相，晶体相在液态合金冷却过程中容易分解或联结长大，这种现象随着冷却速度的降低或者材料尺寸的增加变得尤为突出，如何有效地稳定并弥散化晶体相成为开拓该类非晶复合材料的重要技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过合金化方案及工艺调节提高非晶复合材料基体的非晶形成能力并生成弥散分布的具有相变诱导塑性效应的晶态第二相，通过第二相在变形过程中发生形变诱导相变来获得较大的拉伸塑性和强烈的加工硬化能力，从而成功制备大尺寸、高强度和良好塑性的非晶复合材料。因此，本专利技术提供了一系列大尺寸、组织均匀，具有良好的室温拉伸塑性和强烈的加工硬化能力的非晶复合材料及其晶体相弥散化方法，且制备工艺简单易行。同时，本专利技术还提供了一种大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料的材料设计方法，通过加入能够提高合金非晶形成能力以及促进析出相弥散的合金化元素，达到提高样品尺寸及调控晶体相组织特征的双重目的。实现本专利技术目的的技术方案如下所示：一种大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料，合金成分原子摩尔比的表达式为：CuaZrbMcNdXe，其中M为Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一种，N为Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中的至少一种，X为Si、C、B、Sn、Ga、Ge、In中的至少一种，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e=100。上述的一种大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：1）配料：合金成分原子摩尔比的表达式为：CuaZrbMcNdXe，其中M为Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一种，N为Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中的至少一种，X为Si、C、B、Sn、Ga、Ge、In中的至少一种，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e=100，采用市售纯度大于99.9%的纯金属元素配料；2）铸锭：在钛吸氧的纯氩气氛的电弧炉中，将配料熔炼混合均匀，高熔点元素放在上方，使用大于200A的电流至少熔炼4遍以保证合金的成分均匀，之后炉内冷却得到所需要的母合金铸锭；3）吸铸：按量取上一步制备所得母合金，在0.05-0.08MPa的氩气保护下用200A以上电流重新熔化，用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体快速吸入水冷铜模中，得到具有拉伸塑性和加工硬化能力的大尺寸非晶复合材料。本专利技术的另一个技术方案是上述大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料最小尺寸均在φ6mm以上。所述的大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料中，M元素的主要作用是提高复合材料非晶基体的玻璃形成能力并稳定亚稳晶体相；N元素的主要作用是能够与M元素或者Cu、Zr反应原位生成高热稳定性的金属间化合物，承担变质剂的作用，细化晶粒，与此同时，N元素的加入可提高或未严重影响复合材料非晶基体的玻璃形成能力；X元素的加入又可以与M元素、N元素、Cu或者Zr的一种或者几种反应，在凝固的过程中生成高熔点的金属间化合物，更加有效地弥散韧性第二相，使得晶体相充分发挥其韧塑化作用，同时，X元素的添加可提高或未严重影响复合材料非晶基体的玻璃形成能力。孪晶变形的方式能够得到比位错变形方式更大的加工硬化能力，因而在非晶材料中，引入孪晶变形模式会成为解决非晶材料应变软化问题的一个有效方式。本专利技术通过合理的成分调节和工艺控制，生成能够在形变过程中发生相变的块体非晶复合材料。因此，本专利技术为非晶的强韧化改善以及拉伸塑性和加工硬化能力的获得提供了一种新思路，并且由于本专利技术所采用的主要原料是常规的金属原料，且性能能够满足实际工程应用的需求，因而具有十分广阔的工程应用前景。本专利技术中具有拉伸塑性和加工硬化能力的大尺寸非晶复合材料的晶体体积分数为10%-60%，原位生成的晶体相与非晶基体结合良好，成为晶体和非晶协同变形的良好纽带。晶体相在变形过程中发生相变，吸收了能量，有效地提高了塑性；并且发生相变后，晶体相的强度提高，带来了强烈的加工硬化效果；晶体相的形貌为球形，大大减小了应力集中，也对塑性的提高具有一定的贡献。本专利技术的优点在于：1、本专利技术提供了一系列具有拉伸塑性和加工硬化能力的大尺寸非晶复合材料的制备及设计方法，较其他非晶复合材料具有更大的尺寸，更宽泛的成分范围和制备条件，更易实现工程应用。2、本专利技术提供的大尺寸非晶复合材料的主要元素为市售普通纯金属原料，价格便宜，且具有制备工艺简单，使用安全等优点。3、本专利技术可以通过对合金成分和吸铸工艺两方面的调整，来获得不同晶体体积分数的复合材料，并且在冷却速度减小（吸铸尺寸增大）的前提下能够达到均匀弥散晶体相的目的，因而能够通过调控获得不同的力学性能。4、本专利技术由于是原位生成晶体相，因此与基体结合良好，且球形晶体相大大减小了应力集中，有效地提高了塑性变形能力。本专利技术所提供的大尺寸锆基非晶复合材料，其压缩塑性变形达到20%以上，拉伸塑性能够达到10%本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料，合金成分原子摩尔比的表达式为：CuaZrbMcNdXe，其中M为Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一种，N为Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中的至少一种，X为Si、C、B、Sn、Ga、Ge、In中的至少一种，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e=100。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料，合金成分原子摩尔比的表达式为：CuaZrbMcNdXe，其中M为Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一种，N为Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、W、WC、SiC、TiC中的至少一种，X为C、B、Sn、Ga、Ge、In中的至少一种，其中0≤a≤70，0≤b≤70，2≤c≤15，0≤d≤5，0.05≤e≤2，且a+b+c+d+e＝100。2.根据权利要求1中所述的一种大尺寸相变诱导塑性非晶复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：1)配料：合金成分原子摩尔比的表达式为：CuaZrbMcNdXe，其中M为Al、Be、Ag、Au、Pd、Pt或者稀土元素中的至少一种，N为Ti、Fe、Co、Ni、Cr、V、Zn、Nb、Ta、Mo、Hf、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕昭平，宋温丽，吴渊，王辉，刘雄军，杜清，曹迪，周捷，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11