一种调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的方法，通过低温冷处理实现该Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的调控。将Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样装入冷处理装置中，将该冷处理装置放入液氮罐中，使得液氮完全浸没石英玻璃管中的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样，待温度计示数达到77K时开始计时，浸泡1min～1周后取出室温下静置。本发明专利技术在提高Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性和抗老化能力的同时，还提供了低温的原子弛豫条件，使非晶从一亚稳态转变为另一能量更低亚稳态，提高其压缩塑性，使得其具有更加优异的综合力学性能。
【技术实现步骤摘要】
本
技术实现思路
涉及钛基非晶复合材料热稳定性及机械性能的一种工艺调控方法，属于材料制备工艺
内容。
技术介绍
非晶合金具有长程无序，中短程缺位有序的结构，具有诸多不同于传统晶态合金的独特性能如高强度、高硬度、良好的耐磨性和抗腐蚀性、易于近净形加工成形等，是近20年材料领域的研究热点。但由于非晶合金在热力学上处于能量的亚稳态，在一定条件下存在自发向能量降低方向转化为晶态的可能性，物理上称为非晶晶化，即在较高温度时发生原子级弛豫过程而使其原有的某些优异性能损失，如金属玻璃的原子扩散系数以及铁磁金属玻璃的饱和磁化强度和居里温度，电阻率、比热、体积模量、杨氏模量等均会发生不利变化。这种时效作用导致非晶合金的老化、变脆，成为非晶合金实际工程应用的瓶颈问题。相对于其它非晶合金而言，钛基非晶合金具有成本较低、比强度高以及杨氏模量适中等特点，因而越来越受到人们的关注，成为一种潜在的轻质结构材料。但由于缺乏位错滑移、孪生等变形机制，非晶的塑性很大程度上依赖于剪切带的运动，而剪切带的滑动与增殖极易局域化，形成单一主剪切带，其近乎为零的拉伸塑性大大限制了工程应用。在不大的应力下即会造成材料灾难性的断裂。在非晶基体上引入韧性的第二相(通常为晶态相)制成复合材料，可以在变形时限制剪切带的扩展和促进多重剪切带的萌生，从而使非晶复合材料具有良好的综合力学性能。钛基非晶复合材料不但具有其它非晶复合材料良好的塑性，同时又兼具了钛基非晶高比强度的特点，具有良好的应用前景。对于此类材料如何调整工艺增强非晶合金的热稳定性，即依靠低温的原子弛豫由非晶合金的亚稳态过渡为较为稳定的另一亚稳态，对于保留或提高其优异的综合性能具有重要的指导意义。西北工业大学(王鹏，寇宏超，白洁等.塑性钛基非晶复合材料的制备及性能[J].复合材料学报,2012(29))设计出成分为Ti(44+x)Zr20Nb12Cu5Be(19-x)的一系列钛基非晶复合材料，通过测试发现其中成分为Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料具有非常良好的综合力学性能，其压缩屈服强度为1370MPa，压缩塑性为33.8％，具有一定的应用潜力。近些年来，国内外学者通过静载、表面喷丸、离子辐照等多种工艺来解决非晶合金的老化问题，这些方法都能发挥一定的抗老化作用，使得非晶的某些性能如塑性变形得到了不同程度的提高。如物理所非晶研究组和剑桥(Z.Lu,W.Jiao,W.H.Wang et al.Phys.Rev.Lett.113,045501,2014)合作发展的一种简单室温缠绕法可以方便、有效地调制非晶合金La75Ni7.5Al16Co1.5、Pd40Ni10Cu30P20等中的流动单元浓度，实现非晶合金中的室温塑性变形。但存在剪切带难于调控，只能影响非晶合金表面性能，成本的下降空间较小等问题。物理所非晶研究组与剑桥大学、日本东北大学(S.V.Ketov,Y.H.Sun,S.Nachum.et al.Rejuvenation of metallic glasses by non-affine thermal strain[J].Nature,2015,524(13):200-203)合作，发展出一种简单的温度循环处理工艺。该工艺将La55Ni20Al25、Cu46Zr46Al7Gd1等非晶合金在液氮或者液氦中浸泡几分钟，然后快速升温至室温并保持几分钟，经过数十次循环之后发现，非晶合金整体能量升高，表现为非晶合金DSC曲线晶化前结构弛豫放热峰得到明显的增强。热循环之后合金的硬度有明显的降低，压缩塑性增加到7％以上，并且表面剪切带的数量增加。这些结果表明，经过热循环处理之后流变单元的含量显著增加，非晶合金的结构更加不均匀，使得合金发生了恢复效应。即经过处理的非晶合金抗老化能力大大增强。清华大学(WANG Xin,SHAO Yang,GONG Pan.et al.Effect of thermal cycling on the mechanical properties of Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5alloy[J].Sci China-Phys Mech Astron,2012,55(12)：2357-2361.)研究了冷热循环对于Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金机械性能的影响，发现经过200次循环后其依然具有良好的热稳定性，得到了类似的结果。目前国内外对于非晶合金热稳定性研究方向大多集中在某些特定成分的锆基、铁基及稀土基非晶合金等，研究内容多是工艺探索如室温缠结(强变形)，原子辐射，温度循环处理等。对于理论解释正在不断更新。这些研究现状对于应用广泛的钛基非晶复合材料Ti48Zr20Nb12Cu5Be15如何采用类似的方法和思想提高其热稳定性有很大探索价值。
技术实现思路
为克服Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料老化问题，提高其热稳定性，本专利技术提出了一种调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的方法。本专利技术的具体过程是：第一步，原料的表面处理。第二步，配料。将Ti、Zr、Nb、Cu、Be各元素的原子百分比转换为质量百分比，按照熔炼所要获得的合金锭总质量计算各组成元素的质量，分别称取相应质量的经过表面处理的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块状原料，用于后续的熔炼过程中。第三步，制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭。将经过表面处理的块状的Ti、Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空电弧熔炼炉中，熔炼制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭。制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭时，采用电弧熔炼方法对各种元素的块状原料进行第一次熔炼，得到合金熔液。熔炼结束后，将得到的合金熔液降温凝固为合金锭；将得到的合金锭翻转180°，重复所述第一次熔炼的过程，进行第二次熔炼。所述重复熔炼的过程为三次。得到Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭。熔炼过程中通高纯氩气保护。真空电弧熔炼炉的熔炼电流为400A，每次熔炼时间为5min。第四步，喷铸。将得到的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭破碎后，取6.7g的合金试样置于下端开有直径为0.5mm开口的石英坩埚内。将炉腔内的气压抽到6×10-3Pa后回充0.5个大气压的高纯氩气作为保护气氛。喷铸炉的感应线圈通电对石英坩埚内的合金试样加热至完全熔化。打开喷铸炉的喷气阀，向石英坩埚内注入高纯氩气，喷铸时喷铸气罐中高纯氩气的气压为2×104Pa，以保证有足够的气流将合金试样溶液从石英坩埚底部的开孔处快速喷出，石英坩埚内的合金试样溶液在高纯氩气气流的压力下喷铸至水冷的无氧铜模具中，形成Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样，所述喷铸炉熔炼的功率为12KW。第五步，Ti48Zr20Nb12Cu5Be15试样的表面处理。对获得的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样的表面由粗到细依次打磨以获得抛光的表面状态。第六步，调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性。通过低温冷处理实现该Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的方法，其特征在于，具体过程是：第一步，原料的表面处理；第二步，配料；将Ti、Zr、Nb、Cu、Be各元素的原子百分比转换为质量百分比，按照熔炼所要获得的合金锭总质量计算各组成元素的质量，分别称取相应质量的经过表面处理的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块状原料，用于后续的熔炼过程中；第三步，制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭；将经过表面处理的块状的Ti、Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空电弧熔炼炉中，熔炼制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭；第四步，喷铸；通过喷铸得到Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样；第五步，Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样的表面处理；对获得的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样的表面由粗到细依次打磨以获得抛光的表面状态；第六步，调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性；通过低温冷处理实现该Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的调控；将得到的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样装入冷处理装置中，将该冷处理装置放入液氮罐中，使得液氮完全浸没石英玻璃管中的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样，待温度计示数达到77K时开始计时，浸泡1min～1周后将所述的冷处理装置从液氮罐中取出，在室温下静置；得到经过调控热稳定性的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样。...
【技术特征摘要】
1.一种调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的方法，其特征在于，具体过程是：第一步，原料的表面处理；第二步，配料；将Ti、Zr、Nb、Cu、Be各元素的原子百分比转换为质量百分比，按照熔炼所要获得的合金锭总质量计算各组成元素的质量，分别称取相应质量的经过表面处理的Ti、Zr、Nb、Cu和Be块状原料，用于后续的熔炼过程中；第三步，制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭；将经过表面处理的块状的Ti、Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空电弧熔炼炉中，熔炼制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭；第四步，喷铸；通过喷铸得到Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样；第五步，Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样的表面处理；对获得的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样的表面由粗到细依次打磨以获得抛光的表面状态；第六步，调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性；通过低温冷处理实现该Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的调控；将得到的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样装入冷处理装置中，将该冷处理装置放入液氮罐中，使得液氮完全浸没石英玻璃管中的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样，待温度计示数达到77K时开始计时，浸泡1min～1周后将所述的冷处理装置从液氮罐中取出，在室温下静置；得到经过调控热稳定性的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料试样。2.如权利要求1所述调控Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料热稳定性的方法，其特征在于，制备Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料合金锭时，采用电弧熔炼方法对各种元素的块状原料进行第一次熔炼，得到合金熔液；熔炼结束后，将得到的合...
【专利技术属性】
技术研发人员：李金山，李力源，王军，卜凡，寇宏超，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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