[发明专利]钛基非晶/纯钛双连续相复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛基非晶复合材料，具体为一种钛基非晶/纯钛双连续相复合材料及其制备方法。

背景技术

块体非晶合金是上世纪90年代发展起来的一类新型金属材料，其晶体结构不同于传统的晶态金属材料，原子排列结构具有长程无序、短程有序的独特特征，导致其具有一些优异的使用性能，如高强度、高弹性极限以及良好的耐腐蚀性能等，引起了广泛的关注。钛基非晶合金具有比强度高和形成能力强（最大形成尺寸大于50mm）的优势而成为具有重要应用前景的新型工程材料。

尽管钛基非晶合金具有以上描述的优异特征，但室温变形时缺乏宏观塑性变形行为严重限制其在工业领域的实际应用。为了改善钛基非晶合金的宏观脆性，通常使用其作为基体材料，引入第二相（通常为晶态相），制成复合材料。变形时，复合材料通过第二相限制剪切带的扩展和促进多重剪切带的萌生，从而具有良好的力学性能（高强度和良好的塑性）。综上，钛基非晶合金复合材料不仅保留了钛基非晶合金比强度高等优点，还具有良好的塑性，更有利于工业应用。

目前，制备钛基非晶合金复合材料的方法主要有添加高强度陶瓷颗粒或者内生析出韧性相。添加高强度陶瓷颗粒所制备的钛基非晶复合材料的室温压缩塑性变形量为1~3%；内生析出韧性相能有效的阻碍剪切带的扩展，吸收剪切带的能量，并且诱发多重剪切带，极大地提高了材料的变形能力，通过此类方法制备的钛基非晶复合材料的室温压缩塑性变形量为12~40%。显然，第二相为韧性时，对于塑性的改善效果更佳。但是由于内生析出韧性相的复合材料与合金成分密切相关，目前报道的该类复合材料的内生析出相均为BCC结构且含有大量的Zr和Nb等密度较大元素，体积分数为50~80%，导致该类复合材料比强度降低很大。

已有的报道表明，复合材料的性能与微观结构密切相关。无论添加高强度陶瓷颗粒或者内生析出韧性相的钛基非晶合金复合材料的微观结构均受制于凝固条件（熔化温度，冷却速度，样品尺寸等），不同的凝固条件导致不同的微观结构，其性能也不相同。也就是说，如何获得结构均匀、性能稳定的复合材料是促进该类材料实际应用的关键问题之一。传统非晶复合材料的制备方法，如铜模铸造方法、水淬法等，当外加颗粒体积分数过高时，试样中颗粒的分布难以控制，从而导致试样的成分、结构不均匀性；特别是在制备大尺寸的非晶及其复合材料时，铜模铸造方法还会引入较多的缺陷，如气泡，夹杂等，严重影响其力学性能的稳定性。

综上所述，为了能够使钛基非晶及其复合材料成为工程应用材料，我们必须优化合金成分，开发新型制备工艺，制备出成分结构均匀、性能稳定、大尺寸的具有优良力学性能的钛基非晶复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛基非晶/纯钛双连续相复合材料及其制备方法，该复合材料非晶相和纯钛在三维空间均为连续分布的结构且分布均匀，两相相互强化，解决了钛基非晶合金宏观脆性问题。该复合材料在大尺寸样品实验条件下具有优良力学性能，具有形成能力、比强度高、结构均匀可控、性能稳定、无缺陷的特点。

本发明的技术方案是：

一种钛基非晶/纯钛双连续相复合材料，该复合材料由钛基非晶合金和三维连通多孔钛骨架组成，钛基非晶合金填充在多孔钛骨架中，形成双连续相结构。

所述多孔钛骨架的孔隙度为40~60%，孔径大小为30~500μm，钛的纯度为99wt%以上。

所述钛基非晶合金成分为Ti_aZr_bNi_cCu_dBe_e(原子百分数)，其中：a＝30~40，b=25~32，c=4~6，d＝4~10，e=20~24，且a+b+c+d+e=100。

所述复合材料临界形成尺寸大于20mm。

所述复合材料力学性能指标为：压缩塑性应变ε_p＝8~30%，压缩断裂强度σ_f＝1400~2000MPa。

上述钛基非晶/纯钛双连续相复合材料的制备方法，首先将选定的钛基非晶合金加热熔化，然后通过渗流法将液态合金填充到三维连通钛骨架中水淬，或者利用挤铸法将熔融的合金挤入预先装有钛骨架的金属模具中，得到钛基非晶/纯钛双连续相复合材料。具体步骤如下：

（1）将Ti、Zr、Ni、Cu和Be纯金属按所述成分比例称重混合后，在惰性气体气氛中经电弧熔炼制得母合金；