專利名稱：一種制備大塊非晶/纖維復合材料的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種制備高強高韌大塊非晶/纖維復合材料的真空滲流鑄造方法及其相應設(shè)備。
背景技術(shù)：
二十世紀九十年代初期，A.Inoue，T Zhang and T.Masumoto.Mater.Trans.，JIM，30(1989)，965和A.Peker and W.L.Johnson，Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342通過合金成分設(shè)計，突破了高速冷卻條件的限制，在常規(guī)鑄造技術(shù)所能夠達到的冷卻速度條件下(～101K/s)制備出了大塊非晶合金材料，使得非晶態(tài)合金的研究與應用跨入了一個嶄新的時代。目前利用水冷銅模鑄造法、深過冷法、噴鑄—吸鑄法和懸浮噴吹法等技術(shù)已經(jīng)制備出了Zr基、Pd基、La基、Fe基、Mg基和Ti基等大塊非晶合金材料，如A.Leonhard，L.Q.Xing，M.Heilmaier and Schultz.Nanostructure Materials，10(1998)，805制備的Zr57Al10Ni8Cu20Ti5大塊非晶合金；A.Peker and W.L.Johnson Appl.Phys.Lett.，63(1993)，2342制備的Zr40Ti14Ni11Cu10Be25大塊非晶合金。
與傳統(tǒng)晶態(tài)合金材料相比，大塊非晶材料在多項使用性能方面具有十分明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為大塊非晶合金具有高強度和彈性模量，在高速載荷作用下具有非常高的斷裂韌性、在侵徹金屬時具有明顯的自銳性和絕熱剪切破壞能力。但是，現(xiàn)有的大塊非晶合金的密度均在7g/cm3以下，對于某些要求高強、高韌性和高動能的場合，現(xiàn)有大塊非晶合金的比重明顯不足，而且韌性也有待于進一步提高。近年來大塊非晶合金體系和制備技術(shù)的突破，為添加顆粒和纖維增強相，制備大塊非晶復合材料提供了嶄新的、有效的重要合成手段。
制備工藝是制約大塊非晶合金/纖維復合材料能否成功的關(guān)鍵因素。當前制備大塊非晶/纖維復合材料的方法主要是熔體滲鑄法。P.B.Dandliker，R.D.Conner and W.L.Johnson.J.Mater.Res.13(1998)2896利用該方法制備了鎢纖維和不銹鋼絲增強的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5大塊非晶復合材料。這種方法的基本原理為將纖維增強體清潔后放入石英管下部，然后將高純氬氣保護條件下熔煉的母合金置入石英管上部，分初始加熱和滲流加熱兩個階段按一定的速率加熱并達到平衡，通入若干MPa的高純氬氣作用在合金液面上并保持一段時間，使合金液充分滲入纖維增加體中，然后快速淬入飽和的食鹽水中。這種方法的缺點是僅將石英坩堝抽真空和充氬氣并利用飽和食鹽水淬火，使得獲得的纖維增強非晶合金復合材料的尺寸不可能很大，嚴重制約了材料的工程應用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強韌大塊非晶/纖維復合材料的制備方法，設(shè)計出一套新的真空滲流鑄造設(shè)備，并利用該設(shè)備制備出高強韌的大塊非晶/纖維復合材料，以用作高強、高韌和高動能材料。
提供了制備大塊非晶/纖維復合材料的真空滲流鑄造方法和設(shè)備。真空滲流鑄造原理圖如附圖1。設(shè)備主要由下列部分構(gòu)成機械泵1，羅茨泵2，分子泵3，閥門4，上室爐蓋5，爐蓋鎖緊機構(gòu)6，上爐室7，鉬片發(fā)熱體8，熱電偶9，導電銅排10，電源變壓器11，下室爐門12，下爐室13，氣缸組件14，工作平臺15，水冷冷卻槽16，鎢纖維17，輻射屏18，模具19，母合金20，外接高純氬氣21。
本設(shè)備的發(fā)明點是發(fā)熱體6由1層鉬片和6層反射屏組成，加熱溫度可達1600℃，并可在該溫度下保溫120小時。模具19放在發(fā)熱體內(nèi)，下部與牽引機構(gòu)相連，模具采用石英玻璃或石墨制造，模具的外徑尺寸為10～50mm，高度為200～500mm，石英玻璃和石墨模具總部采用縮頸設(shè)計，縮頸內(nèi)孔2～5mm，模具采用氣動方式牽引14，模具下降的最大速度為0.5m/s。冷卻水槽16置于模具的下方，采用雙壁設(shè)計，雙壁中間通冷卻水，中心部分放入Ga-In，Ga-In-Sn合金，以實現(xiàn)模具的快速冷卻，模具與冷卻槽之間采用動密封，以防止冷卻金屬液體流出。
本發(fā)明的方法如下首先在電弧爐內(nèi)將大塊非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7種元素按下列比例配料(原子百分比)Zr40～80％、Ti5～10％、Cu5～50％、Al3～20％、Be5～25％、Nb2～15％、Ta1～10％、W1～10％、Co1～10％、Ni5～50％、C1～10％、P5～20％、B1～10％、Pd5～60％，熔配過程中采用高純氬氣保護。將充分清潔的鎢纖維和母合金裝入石英管19內(nèi)并安放于上爐室7內(nèi)，鎖緊爐蓋鎖緊機構(gòu)6和下室爐門12。順序開機械泵1和羅茨泵2，至1×10-2Pa真空度后再打開分子泵3，同時關(guān)閉閥門4-1，打開閥門4-3，抽上、下爐室真空至高真空度5×10-3～5×10-4Pa；開電源，以1-10K/min的加熱速度加熱鎢纖維17和母合金19，同時利用熱電偶9進行測溫和控溫，至800～1000℃溫度后迅速加熱使19熔化并過熱100～200℃，打開氣閥4-5給合金液上端充2～5GPa的純度為99.8％氬氣并保壓2～60min，使合金液滲入密排的鎢纖維17之間；然后，降低氣缸組件14-2，將石英管迅速淬入裝有高冷卻能力冷卻介質(zhì)的水冷冷卻槽16中，同時關(guān)閉電源；當爐溫降至80～100℃時，停止抽真空，打開放氣閥使空氣進入真空室，打開下真空室爐門12，用氣缸組件14-1降低工作平臺15取出試樣。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明采用熔體控溫技術(shù)和獨特的石英模具設(shè)計，能夠控制母合金的熔化、過熱溫度、過熱時間及其與鎢纖維浸滲溫度與時間，有利于制備鎢纖維/非晶復合材料；2、采用分子泵代替擴散泵，采用高冷卻能力的冷卻介質(zhì)代替飽和食鹽水，使得整個工藝過程都在高真空環(huán)境下進行，避免了合金的氧化和其它因素的影響，因而用普通純度的材料就可以制出鎢纖維/大塊非晶合金復合材料，大大降低了制造成本；3、由于真空室的增大，所以特別適合大尺寸鎢纖維/大塊非晶合金復合材料的制備。


圖1是本發(fā)明的大塊非晶/纖維復合材料滲流鑄造方法及設(shè)備示意圖，其中機械泵1，羅茨泵2，分子泵3，閥門4，上室爐蓋5，爐蓋鎖緊機構(gòu)6，上爐室7，鉬片發(fā)熱體8，熱電偶9，導電銅排10，電源變壓器11，下室爐門12，下爐室13，氣缸組件14，工作平臺15，水冷冷卻槽16，鎢纖維17，輻射屏18，模具19，母合金20，外接高純氬氣21。
圖2為本發(fā)明制備的直徑為6mm粗Zr57Nb5Al10Cu15.4Ni12.6大塊非晶合金/纖維復合材料棒狀試樣的縱截面圖。
圖3為Zr57Nb5Al10Cu15.4Ni12.6大塊非晶合金/纖維復合材料棒材橫截面SEM照片。
圖4為Zr57Nb5Al10Cu15.4Ni12.6大塊非晶合金/纖維復合材料棒材橫截面X射線衍射圖。
具體實施例方式選用高純度的5種純金屬，即Zr(99.99wt％)，Ni(99.95wt％)，Cu(99.95wt％)，Al(99.95wt％)，Nb(99.99wt％)。按原子百分比為Zr為57，Cu為15.4，Ni為12.6，Al為10，Nb為5的比例調(diào)配，在純度為99.8％高純氬氣保護下，應用液態(tài)母合金的純化技術(shù)，利用電弧熔煉法而制得母合金。為了確保母合金中各組元的均勻性，母合金被重熔三次。母合金錠子的表面被機械打磨拋光去掉表面的氧化皮，然后被壓碎成小塊并用酒精清洗表面。將直徑為250μm的鎢纖維捋直后切成長度為100mm，為保證鎢纖維的良好分布，避免疏密不均，鎢絲還要恰當?shù)挠幸恍澢Ｏ扔肗aOH溶液清洗鎢絲表面的氧化層，然后再用超聲波清洗先在丙酮中清洗10分鐘，后在乙醇中清洗5分鐘。
將鎢纖維放入石英模具中，然后將鎢纖維以上40mm處的石英管作出一個直徑為2mm的縮頸，再放入小塊的母合金，利用如附圖1所示的裝置，按照如上所述的工作原理，制備出如附圖2所示的Zr57Nb5Al10Cu15.4Ni12.6大塊非晶合金/纖維復合材料棒狀試樣。
利用掃描電鏡(SEM)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。SEM樣品用2％的HF水溶液浸蝕制得，浸蝕時間為5～10秒。試樣縱截面的SEM圖象如圖2所示。試樣橫截面的SEM圖象如附圖3所示，可以看到，圖象中白色部分為鎢纖維，其它組織幾乎是完全的非晶相，界面處沒有明顯的反應。利用X射線衍射儀檢驗，衍射譜如附圖4所示，曲線上在非晶相的衍射峰上疊加了很多鎢峰，除此之外，只有很少量的強度很低的W2Zr峰。結(jié)合附圖3說明，非晶相與鎢纖維界面處沒有明顯的界面反應，結(jié)合較好，可以確定該試樣為鎢纖維/大塊非晶合金復合材料。
權(quán)利要求
1.一種制備大塊非晶/纖維復合材料的真空滲流鑄造方法，其特征在于首先在電弧爐內(nèi)將大塊非晶合金元素Zr、Ti、Cu、Al、Be、Nb、Ta、W、Fe、Co、Ni、C、P、B、Pd中的4～7種元素按下列原子百分比配料Zr40～80％、Ti5～10％、Cu5～50％、Al3～20％、Be5～25％、Nb2～15％、Ta1～10％、W1～10％、Co1～10％、Ni5～50％、C1～10％、P5～20％、B1～10％、Pd5～60％，熔配過程中采用高純氬氣保護；將充分清潔的鎢纖維和母合金裝入石英管(19)內(nèi)并安放于上爐室(7)內(nèi)，鎖緊爐蓋鎖緊機構(gòu)(6)和下室爐門(12)；順序開機械泵(1)和羅茨泵(2)，至1×10-2Pa真空度后再打開分子泵(3)，同時關(guān)閉閥門(4-1)，打開閥門(4-3)，抽上、下爐室真空至高真空度5×10-3-5×10-4Pa；開電源，以1-10K/min的加熱速度加熱鎢纖維(17)和母合金(19)，同時利用熱電偶(9)進行測溫和控溫，至800-1000℃溫度后加熱使(19)熔化并過熱100-200℃，打開氣閥(4-5)給合金液上端充2-5GPa的純度為99.8％氬氣并保壓2-60min，使合金液滲入密排的鎢纖維(17)之間；然后，降低氣缸組件(14-2)，將石英管淬入裝有高冷卻能力冷卻介質(zhì)的水冷冷卻槽(16)中，同時關(guān)閉電源；當爐溫降至80-100℃時，停止抽真空，打開放氣閥使空氣進入真空室，打開下真空室爐門(12)，用氣缸組件(14-1)降低工作平臺(15)取出試樣。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的制備大塊非晶/纖維復合材料的設(shè)備，由機械泵(1)，羅茨泵(2)，分子泵(3)，閥門(4)，上室爐蓋(5)，爐蓋鎖緊機構(gòu)(6)，上爐室(7)，鉬片發(fā)熱體(8)，熱電偶(9)，導電銅排(10)，電源變壓器(11)，下室爐門(12)，下爐室(13)，氣缸組件(14)，工作平臺(15)，水冷冷卻槽(16)，鎢纖維(17)，輻射屏(18)，石英模具(19)，母合金(20)，外接高純氬氣(21)構(gòu)成；其特征在于發(fā)熱體(6)由1層鉬片和6層反射屏組成，模具(19)放在發(fā)熱體內(nèi)，下部與牽引機構(gòu)相連，模具采用石英玻璃或石墨制造，模具的外徑尺寸10～50mm，高度200～500mm，石英玻璃和石墨模具總部采用縮頸設(shè)計，縮頸內(nèi)孔2～5mm，模具采用氣動方式牽引(14)；冷卻水槽(16)置于模具的下方，采用雙壁設(shè)計，雙壁中間通冷卻水，中心部分放入Ga-In，Ga-In-Sn合金，模具與冷卻槽之間采用動密封。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備大塊非晶/纖維復合材料的方法及其設(shè)備。其設(shè)備特征在于發(fā)熱體(6)由1層鉬片和6層反射屏組成，模具(19)放在發(fā)熱體內(nèi)，下部與牽引機構(gòu)相連，模具采用石英玻璃或石墨制造，模具的外徑尺寸10～50mm，高度200～500mm，石英玻璃和石墨模具總部采用縮頸設(shè)計，縮頸內(nèi)孔2～5mm，模具采用氣動方式牽引(14)；冷卻水槽(16)置于模具的下方，采用雙壁設(shè)計，雙壁中間通冷卻水，中心部分放入Ga－In，Ga－In－Sn合金，模具與冷卻槽之間采用動密封。本發(fā)明的優(yōu)點在于有利于控制影響非晶形成能力和基體與增強體結(jié)合的諸多因素，減少了熔體污染，降低了原材料的成本。
文檔編號C22C45/10GK1442502SQ0312141
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者惠希東, 寇宏超, 陳俊, 崔新發(fā), 陳國良 申請人:北京科技大學