[发明专利]塑性块体金属玻璃内生复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术，特别是一种块体金属玻璃内生复合材料及其制备方法。

背景技术

自1969年，Chen等首次采用水淬法在Pd-Au-Si、Pd-Ag-Si和Pd-Cu-Si三种体系中均得到了mm尺度的非晶样品以来，块体金属玻璃(bulk metallic glasses，简称BMG)在近四十年得到飞速发展。以Zr-Al-Ni-Cu和Zr-Ti-Cu-Ni-Be为代表的一大批非贵金属为主要组元的BMG材料被相继发现。时至今日，BMG的工程应用已经指日可待。然而，BMG材料虽然具有高的断裂强度和硬度以及高的弹性应变极限，但是由于单相金属玻璃的塑性变形是通过高度局域剪切变形来实现，断裂前能够开动的剪切带数量十分有限，BMG在室温下会发生无宏观塑性变形的灾难性脆性断裂。因此，室温脆性问题已经发展成为BMG材料应用的重要瓶颈。

为改善BMG材料的室温脆性，国内外研究人员在金属玻璃中引入了不同强度和弹性模量的第二相来制备出BMG复合材料，利用第二相来阻碍单一剪切带的滑移，并通过多剪切带的产生、分叉和偏转以及湮灭来提高材料的宏观塑性。根据第二相的产生方法，可以划分为内生BMG复合材料和外加复合材料两种。与外加复合相比，内生复合材料产生的第二相与BMG基体之间的界面结合良好，不会影响到玻璃基体的玻璃形成能力。大量实验证明，铸态内生微米尺寸塑性固溶体相对BMG材料塑性提高最显著。其中最具有代表性的工作是2000年美国Johnson研究小组通过在Zr-Ti-Cu-Ni-Be合金系中添加Nb合金化元素，制备出微米尺寸β-Zr(Ti)固溶体相增塑的BMG复合材料，其断裂应变可以达到8.26％。微观结构控制方面，陈光等人通过对树枝晶β-Zr(Ti)相固溶体进行球化处理，将BMG复合材料的断裂塑性已经提高到20％(大块金属玻璃复合材料中树枝晶球化的方法，专利申请号为200610085409.3)。2008年，Hoffman等人又在《Nature》上发表文章称做出了具有显著拉伸塑性的BMG复合材料(D.C.Hoffman，Jin-Yoo Suh，et al.Designing metallic glass matrix composites with hightoughness and tensile ductility.Nature，2008，V451，P 1085～1090)。值得指出的是，这些文献报道的复合材料都是以金属玻璃作为基体，内生塑性固溶体相作为复合相的。

虽然铸态内生固溶体增塑BMG复合材料增塑效果显著，但是由于在复合材料设计过程中必须面临两个难题：第一，由于铸态内生固溶体相的强度通常低于金属玻璃基体，复合材料为了获得较高的塑性，往往会控制铸态内生固溶体相使其具有较大的晶粒尺寸和体积分数，必然造成最后得到的复合材料强度的下降；第二，需要在保证合金基体成分能够具有高的玻璃形成能力(GFA)从而获得BMG基体的同时，利用成分设计使得先析出相为塑性固溶体相。这个必要条件使得在材料的成分选择上可以选择的空间受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型金属玻璃基内生复合材料。该复合材料的结构特点是以块体金属玻璃(BMG)为基体，以铸态内生硬质脆性金属间化合物相(IMC)作为第二相。该复合材料在保证金属玻璃的高屈服强度的同时，能够显著改善其室温脆性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种塑性块体金属玻璃内生复合材料，在块体金属玻璃基体相上均匀弥散分布硬质脆性第二相所形成的复相金属材料。

一种制备上述的塑性块体金属玻璃内生复合材料方法，包括以下步骤：

第一步，选取块体金属玻璃，通过调整合金元素相对比例使其偏离最佳玻璃形成能力，得到所需合金成分，根据合金成分偏离最佳玻璃形成的幅度大小，从热力学上预测出析出的硬质脆性金属间化合物第二相的体积分数；

第二步，采用电弧熔炼的方法，把第一步得到的合金成分熔炼成母合金；

第三步，母合金重新熔化，采用金属模凝固成型，即根据合金热力学体系自由能最低的要求，母合金熔体在高温冷却阶段，金属间化合物硬质脆性相的自由能首先低于合金熔体的自由能而发生形核长大，并进一步冷却后，有较高的玻璃形成能力的残余合金熔体没有发生进一步的晶体形核长大而是直接发生玻璃转变得到金属玻璃基体，采用喷铸、差压铸造或吸铸控制冷却的快慢，从而制备出块体金属玻璃基体上均匀分布不同体积分数的铸态内生硬质脆性金属间化合物的复合材料。

本发明与现有技术相比，其显著优点：