一種非晶復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬非晶復(fù)合材料領(lǐng)域，公開了一種非晶復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。該非晶復(fù)合材料，含有鎳、鋯、鈦、鈮、鋁和銅元素，以鎳基非晶相為基體相，以β-Ti和(Cu,Ni)Ti2為增強(qiáng)相，具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為：Ni?30～59at.%，Zr?10～24at.%，Ti?10～35at.%，Nb?7～10at.%，Al?3～7at.%，Cu?1～3at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。該非晶復(fù)合材料由鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末經(jīng)快速燒結(jié)而成。通過控制添加的鎳基非晶粉末的量，可得到不同非晶相含量的非晶復(fù)合材料。該非晶復(fù)合材料近全致密，可應(yīng)用于航空航天、軍工等領(lǐng)域。
【專利說明】一種非晶復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬非晶復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種非晶復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]大塊非晶合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量等良好的力學(xué)性能，但由于較低的塑性限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。塊狀非晶復(fù)合材料因位錯(cuò)受第二相的阻滯而增殖而可具有提高的塑性。同時(shí)，塊狀非晶復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐腐蝕和磨損性等優(yōu)異的綜合性能，因而在航空航天、電子、儀表儀器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。開發(fā)不同尺度的第二相顆粒與非晶基體共存的塊狀非晶復(fù)合材料已成為研究者追求的目標(biāo)。
[0003]非晶復(fù)合材料的力學(xué)性能與其組織中非晶及增強(qiáng)相的性質(zhì)、尺度、分布及相對(duì)含量具有密切的聯(lián)系(D.C.Hofmann, J.Y.Suh, A.Wiest, etal.Nature.,2008,451, 1085-1089.)。目前，已開發(fā)出來的塊狀非晶復(fù)合材料主要通過熔體凝固法制備，根據(jù)非晶基體與第二相性質(zhì)的不同，可分為以下幾種類型:(1)外加難熔金屬或陶瓷顆粒于非晶基體使剪切帶增殖以提高非晶復(fù)合材料的塑性(H.C.Yim, R.Busch, U.Koster, et al.Acta Mater, 1999, 47 (8): 2455-2462.)。(2)由 J.ff.Qiao (Appl.Phys.Lett.，2009, 94:151905.)等報(bào)道的通過精心設(shè)計(jì)合金成分和控制合金熔體的凝固條件制備內(nèi)生納米晶或超細(xì)晶的非晶復(fù)合材料。(3)通過熔體凝固法得到結(jié)構(gòu)為延性相(a-Fe、β-Ti或β-Zr)樹枝晶均勻分布于非晶基體、具有高強(qiáng)度及良好塑性的鐵基(S.F.Guo, L.Liu, N.Li, et al.Scripta Materialia, 2010, 62:329-33.)、欽基(He G, EckertJ, Loser W，et al.Mater Res Symp, 2003，754:327-332.)及錯(cuò)基(Kiihn U, EckertJ, Mattern N, et al.Appl.Phys.Lett.，2002，80 (14): 2478-2481.)非晶復(fù)合材料。(4)精選合金成分，在熔體快速冷凝條件下使鎳基非晶達(dá)到物相分離而形成雙相非晶的特殊結(jié)構(gòu)(N.Mattern, U.Kiihn, A.Geber.，et al.Scripta Materialia, 2005, 53:271-274.)。然而，熔體凝固法制備的塊狀非晶復(fù)合材料受合金成分和凝固條件限制，決定了這些非晶復(fù)合材料極其有限的尺寸(直徑一般小于5_，通常為2~4_)和非晶含量的不可控性，使其難以滿足作為工程材料的應(yīng)用要求。
[0004]作為一種替代的材料成形方法，機(jī)械合金化能合成具有寬過冷液相區(qū)的非晶合金粉末，基于不同體系非晶合金粉末過冷液相區(qū)的差異，利用機(jī)械合金化加隨后的粉末固結(jié)技術(shù)(包括擠壓、熱壓和放電等離子燒結(jié))是一種可行的制備較大尺寸塊狀可控非晶含量的非晶復(fù)合材料的方法。然而，在已開發(fā)的塊狀非晶復(fù)合材料中大都不能控制非晶含量且增強(qiáng)相顆粒粗大，未能獲得內(nèi)生納米晶且可控非晶含量的塊狀非晶復(fù)合材料。
[0005]因此，若能通過選擇合適的雙相非晶合金成分和含量，精確控制燒結(jié)溫度等燒結(jié)工藝，利用雙相非晶合金粉末過冷液相區(qū)溫度的差異，使其中一種非晶合金保留非晶結(jié)構(gòu)作為基體、另一種非晶合金晶化為納米尺度晶體相作為增強(qiáng)相顆粒，得到非晶和納米晶共存、非晶含量可控的大尺寸(結(jié)構(gòu)件直徑不小于20mm)非晶復(fù)合材料，將會(huì)具有非常重要的研究意義。迄今，尚無采用粉末冶金技術(shù)和非晶晶化法由雙相非晶合金粉末制取可控非晶含量的非晶復(fù)合材料的文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種非晶復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明另一目的在于提供一種上述非晶復(fù)合材料的制備方法。
[0008]本發(fā)明再一目的在于提供上述非晶復(fù)合材料在航天航空、軍工中的應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種非晶復(fù)合材料，含有鎳、鋯、鈦、鈮、鋁和銅元素，其微觀結(jié)構(gòu)以鎳基非晶相為基體相，以β-Ti和(CU，Ni)Ti2S增強(qiáng)相，具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ni 30~59at.%，Zr 10 ~24at.%，Ti 10 ~35at.%，Nb 7 ~IOat.%，Al 3 ~7at.%，Cu I ~3at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
[0011]上述非晶復(fù)合材料的制備方法:所述的非晶復(fù)合材料由鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末經(jīng)快速燒結(jié)而成。
[0012]所述的快速燒結(jié)包括擠壓、熱壓和放電等離子燒結(jié)的粉末燒結(jié)方法中的至少一種。
[0013]所述鎳基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ni 55~59at.%，Zr20 ~24at.%，Ti 6.0 ~IOat.%，Nb 6.0 ~IOat.%，Al 3.0 ~7.0at.%。
[0014]所述鈦基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ti 64~68at.%，Nb8 ~18at.%，Cu 6.0 ~10.5at.%，Ni 5.5 ~8.0at.%，Al 3.0 ~7.0at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
[0015]所述鎳基非晶粉末的用量按體積百分比為50~99%。
[0016]具體包含以下步驟:
[0017]步驟一:高能球磨制備非晶粉末
[0018]將鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末分別進(jìn)行高能球磨，直至兩種合金體系形成具有寬過冷液相區(qū)的非晶態(tài)合金粉末，兩種非晶粉末按各自其體積百分比計(jì)非晶相至少達(dá)95%。
[0019]步驟二:脈沖電流燒結(jié)非晶粉末
[0020]將球磨后的鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末混合均勻，采用脈沖電流快速燒結(jié)裝入燒結(jié)模具內(nèi)的雙相非晶粉末，精確調(diào)控?zé)Y(jié)參數(shù)，采用高壓低溫?zé)Y(jié)，脈沖電流燒結(jié)工藝條件如下:
[0021]燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0022]燒結(jié)電流類型:脈沖電流
[0023]燒結(jié)溫度Ts =Ts >鈦基非晶粉末的晶化溫度-20K
[0024]Ts <鎳基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度
[0025]保溫時(shí)間:10~20min
[0026]升溫速率:10~50K/min
[0027]燒結(jié)壓力:400~500MPa ；
[0028]經(jīng)燒結(jié)即獲得微觀結(jié)構(gòu)中以鎳基非晶相為基體相，以β -Ti和(Cu，Ni) Ti2納米晶為增強(qiáng)相的非晶復(fù)合材料。
[0029]步驟一中所述鎳基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ni 55~59at.%，Zr 20 ~24at.%，Ti 6.0 ~IOat.%，Nb 6.0 ~IOat.%，Al 3.0 ~7.0at.%。
[0030]步驟一中所述鈦基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ti 64~68at.%, Nb 8 ~18at.%, Cu 6.0 ~10.5at.%, Ni 5.5 ~8.0at.%, Al 3.0 ~7.0at.%,其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
[0031 ] 所述的鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末在高能球磨前分別在混粉機(jī)中干混至均勻。
[0032]所述非晶復(fù)合材料的鎳基非晶相含量可通過控制投入的鎳基非晶粉末的含量進(jìn)行控制。
[0033]步驟三中所述的燒結(jié)模具指碳化鎢模具。
[0034]通過精確控制燒結(jié)溫度，利用鎳基和鈦基非晶合金粉末的過冷液相區(qū)的差異，實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)基非晶粉末不晶化，保留鎮(zhèn)基非晶相；欽基非晶粉末晶化得到納米晶。調(diào)整鎮(zhèn)基和欽基非晶粉末的體積百分比來控制非晶基復(fù)合材料中的鎳基非晶相含量，制備的材料中鎳基非晶相含量為50~99at.%。
[0035]上述非晶復(fù)合材料可在航天航空、軍工中得到應(yīng)用。
[0036]本發(fā)明的機(jī)理為:
[0037]本發(fā)明制備方法的原理為:脈沖電流燒結(jié)技術(shù)具有加熱速率快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)；多組元非晶態(tài)合金粉末在過冷液相區(qū)內(nèi)具有超塑性和較低的粘度。本發(fā)明設(shè)計(jì)的合金成分，經(jīng)高能球磨制備具有寬過冷液相區(qū)的鎳基和鈦基非晶態(tài)合金粉末，基于鎳基非晶過冷液相區(qū)遠(yuǎn)高于鈦基非晶過冷液相區(qū)的特性，利用脈沖電流燒結(jié)技術(shù)使非晶態(tài)合金粉末在壓力作用下于鈦基非晶粉末的過冷液相區(qū)內(nèi)快速致密化成形，然后利用非晶晶化法，使鈦基非晶相在隨后的升溫?zé)Y(jié)過程中完全晶化轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶或超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)，保證燒結(jié)溫度低于鎳基非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度以保留鎳基非晶基體。另外，通過調(diào)整鎳基和鈦基非晶粉末的體積百分比來控制非晶基復(fù)合材料中的鎳基非晶基體和鈦基晶化相的含量，其中鎳基非晶粉末體積百分比不低于50%以保證燒結(jié)后形成非晶基體，鈦基非晶粉末體積百分比不高于50%以形成晶化增強(qiáng)相。通過精確控制燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力、加熱速率和保溫時(shí)間，控制非晶相的形核和長(zhǎng)大過程，即可獲得較大尺寸的、非晶含量可控的、晶化后β-Ti和(Cu，Ni)Ti2納米晶均勻分布于非晶基體的非晶基復(fù)合材料。本發(fā)明利用鎳基和鈦基非晶合金粉末的過冷液相區(qū)的差異，利用快速燒結(jié)實(shí)現(xiàn)鎳基非晶粉末不晶化保留非晶基體、鈦基非晶粉末晶化從而得到具有可控非晶含量的非晶基復(fù)合材料的制備。
[0038]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0039](I)本發(fā)明所述脈沖電流燒結(jié)技術(shù)和非晶晶化法相結(jié)合的成形方法，加工過程簡(jiǎn)單、操作方便，成材率高、節(jié)約原材料和近終成形；同時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部界面清潔且第二相晶粒可控制在納米晶尺寸。通過控制添加的鎳基非晶粉末的量，可以得到不同非晶相含量的非晶復(fù)合材料。
[0040](2)本發(fā)明的制備方法有助于獲得多尺度結(jié)構(gòu)材料，提供了一種非晶含量可控的非晶復(fù)合材料的制備方法，制備的塊狀非晶基復(fù)合材料近全致密，具有β -Ti和(Cu，Ni) Ti2納米晶均勻分布于鎳基非晶基體的微觀結(jié)構(gòu)。
[0041](3)由于本發(fā)明采用的脈沖電流燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)溫度低、保溫時(shí)間短、加熱速率快等優(yōu)點(diǎn)，而多組元非晶態(tài)合金粉末在其寬的過冷液相區(qū)內(nèi)具有超塑性及粘滯流變行為的獨(dú)到之處，因此，本發(fā)明的制備方法集中了材料成形方法的優(yōu)勢(shì)和非晶合金粉末的獨(dú)特物性。
[0042](4)本發(fā)明的非晶復(fù)合材料可制備成較大尺寸塊狀材料，其綜合力學(xué)性能好，直徑大于30mm，基本滿足某些特殊零件的應(yīng)用要求，在航空航天、軍工等領(lǐng)域具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為實(shí)施例1制備得到的非晶復(fù)合材料的透射電鏡圖，其中，A為基體相鎳基非晶相，B為增強(qiáng)相(Cu, Ni)Ti2，C為增強(qiáng)相β -Ti。
[0044]圖2為實(shí)施例1制備得到的非晶復(fù)合材料基體相鎳基非晶相的透射電鏡圖。
[0045]圖3為實(shí)施例1制備得到的非晶復(fù)合材料增強(qiáng)相(Cu，Ni) Ti2和β -Ti的透射電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0047]實(shí)施例1:非晶復(fù)合材料的制備
[0048]步驟一:混粉
[0049]鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末分別按下述元素及其原子百分比用量配料，鎳基非晶粉末:Ni 57at.%, Zr 22at.%，Ti 8at.%，Nb 8at.%，Al 5at.% ;鈦基非晶粉末:Ti66at.%, Nb 13at.%, Cu 8at.%，Ni 6.8at.%，Al 6.2at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。鎳、鈦、鋯、鈮、銅和鋁均以單質(zhì)的形式加入，其中，各元素粉的平均顆粒尺寸均約為50 μ m，除了鋁的純度為99.0wt.%外，其余顆粒粉末的純度均高于99.9wt.%。然后，將混合粉末分別在V-0.002型混粉機(jī)中干混24h。
[0050]步驟二:高能球磨制備非晶粉末
[0051]采用QM-2SP20型行星球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，磨球和球磨罐內(nèi)壁材質(zhì)均采用不銹鋼，球料質(zhì)量比為10:1，球磨時(shí)球磨罐內(nèi)充高純氬氣作為保護(hù)氣氛，球磨轉(zhuǎn)速為3.8s—1，鎳基和鈦基合金粉末分別置于不同的球磨罐中球磨。鎳基和鈦基非晶粉末球磨時(shí)間分別為35h和80h。完成高能球磨后經(jīng)檢測(cè)，兩種非晶粉末中非晶相的體積分?jǐn)?shù)均為95%以上；在加熱速率為20K/min下，制備的鎳基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度807K、晶化溫度為870K，過冷液相區(qū)寬度為63K ;鈦基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度715K、晶化溫度為799K，過冷液相區(qū)寬度為 84K。
[0052]步驟三:脈沖電流燒結(jié)非晶粉末
[0053]將高能球磨后的鎳基和鈦基非晶粉末按體積百分比6:4混合均勻，取20g混合非晶粉末裝入直徑為O20mm的碳化鎢燒結(jié)模具中，通過正負(fù)碳化鎢電極先預(yù)壓非晶粉末到500MPa，抽真空到4Pa，然后充氬氣保護(hù)；燒結(jié)設(shè)備與工藝條件如下:
[0054]燒結(jié)設(shè)備:Dr.Sintering SPS-825放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0055]燒結(jié)電流類型:脈沖電流[0056]脈沖電流的占空比:12:2
[0057]燒結(jié)溫度Ts:779K
[0058]燒結(jié)時(shí)間:以ΙΟΚ/min從室溫升溫到779K、保溫20分鐘
[0059]燒結(jié)壓力:500MPa，
[0060]對(duì)粉末進(jìn)行低溫高壓燒結(jié)，在通電燒結(jié)和冷卻過程中，壓力始終保持在500MPa，即可獲得直徑為Φ20_的非晶含量可控的非晶復(fù)合材料。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測(cè)表明(見圖1~3)，非晶復(fù)合材料內(nèi)部不包含明顯可見的孔洞，達(dá)到近全致密，其致密度為98.6%，室溫硬度為697HV。如圖1~3所示的透射電鏡照片，說明其結(jié)構(gòu)以鎳基非晶相為基體相、析出的晶粒尺寸為25~35nm的β -Ti和(Cu，Ni) Ti2為增強(qiáng)相，非晶體積含量約為60%。
[0061 ] 實(shí)施例2:非晶復(fù)合材料的制備
[0062]步驟一:混粉
[0063]首先鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末分別按下述元素及其原子百分比用量配料，鎳基非晶粉末:Ni 57at.%，Zr 22at.%，Ti 8at.%，Nb 8at.%，Al 5at.% ;鈦基非晶粉末:Ti66at.%, Nb 13at.%, Cu 8at.%，Ni 6.8at.%，Al 6.2at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。鎳、鈦、鋯、鈮、銅和鋁均以單質(zhì)的形式加入，其中，各元素粉的平均顆粒尺寸均約為50 μ m，除了鋁的純度為99.0wt.%外，其余顆粒粉末的純度均高于99.9wt.%。然后，將混合粉末分別在V-0.002型混粉機(jī)中干混24h。
[0064]步驟二:高能球磨制備非晶粉末
[0065]采用QM-2SP20型行星球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，磨球和球磨罐內(nèi)壁材質(zhì)均采用不銹鋼，球料質(zhì)量比為10:1，球磨時(shí)球磨罐內(nèi)充高純氬氣作為保護(hù)氣氛，球磨轉(zhuǎn)速為3.8s—1，鎳基和鈦基非晶粉末分別置于不同的球磨罐中球磨。鎳基和鈦基非晶粉末的球磨時(shí)間分別為35h和80h。完成高能球磨后經(jīng)檢測(cè)，兩種非晶粉末中非晶相的體積分?jǐn)?shù)均為95%以上；在加熱速率為20K/min下，制備的鎳基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度807K、晶化溫度為870K，過冷液相區(qū)寬度為63K ;鈦基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度715K、晶化溫度為799K，過冷液相區(qū)寬度為 84K。
[0066]步驟三:脈沖電流燒結(jié)非晶粉末
[0067]將高能球磨后的鎳基和鈦基非晶粉末按體積百分比5:5混合均勻，取20g混合非晶粉末裝入直徑為O20mm的碳化鎢燒結(jié)模具中，通過正負(fù)碳化鎢電極先預(yù)壓非晶粉末到445MPa，抽真空到4Pa，然后充氬氣保護(hù)；燒結(jié)設(shè)備與工藝條件如下:
[0068]燒結(jié)設(shè)備:Dr.Sintering SPS-825放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0069]燒結(jié)電流類型:脈沖電流
[0070]脈沖電流的占空比:12:2
[0071]燒結(jié)溫度Ts:807K
[0072]燒結(jié)時(shí)間:以40K/min從室溫升溫到807K、保溫15分鐘
[0073]燒結(jié)壓力:445MPa，
[0074]對(duì)粉末進(jìn)行低溫高壓燒結(jié)，在通電燒結(jié)和冷卻過程中，壓力始終保持在445MPa，即可獲得直徑為Φ20_的可控非晶含量的非晶復(fù)合材料。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測(cè)表明，非晶復(fù)合材料內(nèi)部不包含明顯可見的孔洞，達(dá)到了近全致密，其致密度為99.3%，室溫硬度為772HV，微觀結(jié)構(gòu)為鎳基非晶相為基體相、析出的β-Ti和(Cu，Ni) Ti2納米晶為增強(qiáng)相，非晶體積含量約為50%。
[0075]實(shí)施例3:非晶復(fù)合材料的制備
[0076]步驟一:混粉
[0077]鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末分別按下述元素及其原子百分比用量配料，鎳基非晶粉末:Ni 59at.%, Zr 20at.%，Ti IOat.%，Nb 7at.%，Al 4at.% ;鈦基非晶粉末:Ti66at.%，Nb 18at.%，Cu 6.0at.%, Ni 6.5at.%，Al 3.5at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。鎳、鈦、鋯、鈮、銅和鋁均以單質(zhì)的形式加入，其中，各元素粉的平均顆粒尺寸均約為50 μ m，除了鋁的純度為99.0wt.%外，其余顆粒粉末的純度均高于99.9wt.%。然后，將混合粉末分別在V-0.002型混粉機(jī)中干混24h。
[0078]步驟二:高能球磨制備非晶粉末
[0079]采用QM-2SP20型行星球磨機(jī)完成高能球磨，磨球和球磨罐內(nèi)壁材質(zhì)均采用不銹鋼，球料質(zhì)量比為10:1，球磨時(shí)球磨罐內(nèi)充高純氬氣作為保護(hù)氣氛，球磨轉(zhuǎn)速為3.8s—1，鎳基和鈦基非晶粉末分別置于不同的球磨罐中球磨。鎳基和鈦基非晶粉末的球磨時(shí)間分別為40h和75h。完成高能球磨后經(jīng)檢測(cè)，兩種非晶粉末中非晶相的體積分?jǐn)?shù)均為95%以上；在加熱速率為20K/min下，制備的鎳基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度809K、晶化溫度為873K，過冷液相區(qū)寬度為64K ;鈦基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度718K、晶化溫度為802K，過冷液相區(qū)寬度為 84K。
[0080]步驟三:脈沖電流燒結(jié)非晶粉末
[0081]將高能球磨后的鎳基和鈦基非晶粉末按體積百分比比9:1混合均勻，取20g混合非晶粉末裝入直徑為O20mm的碳化鎢燒結(jié)模具中，通過正負(fù)碳化鎢電極先預(yù)壓非晶粉末到400MPa，抽真空到4Pa，然 后充氬氣保護(hù)；燒結(jié)設(shè)備與工藝條件如下:
[0082]燒結(jié)設(shè)備:Dr.Sintering SPS-825放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0083]燒結(jié)電流類型:脈沖電流
[0084]脈沖電流的占空比:12:2
[0085]燒結(jié)溫度Ts:805K
[0086]燒結(jié)時(shí)間:以50K/min從室溫升溫到805K、保溫10分鐘
[0087]燒結(jié)壓力:400MPa，
[0088]對(duì)粉末進(jìn)行快速燒結(jié)，在通電燒結(jié)和冷卻過程中，壓力始終保持在400MPa，即可獲得直徑為O20mm的可控非晶含量的非晶復(fù)合材料。其致密度為98.5%，室溫硬度為690HV，非晶體積含量約為90%。
[0089]實(shí)施例4:非晶復(fù)合材料的制備
[0090]鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末分別按下述元素及其原子百分比用量配料，鎳基非晶粉末:Ni 55at.%，Zr 24at.%，Ti 6at.%，Nb 8.5at.%，Al 6.5at.% ;鈦基非晶粉末:Ti67.5at.%，Nb 7.0at.%，Cu 10.5at.%，Ni 8.5at.%，Al 6.5at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
[0091]本實(shí)施例的步驟及其工藝參數(shù)均同實(shí)施例1。即可獲得直徑為Φ20_的、以鎳基非晶相為基體相、析出納米尺寸的β-Ti和(Cu，Ni) Ti2為增強(qiáng)相非晶含量可控的非晶基復(fù)合材料。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測(cè)表明，復(fù)合材料內(nèi)部不包含明顯可見的孔洞，達(dá)到了近全致密，其致密度為97.4%，室溫硬度為601HV，非晶體積含量約為60%。[0092]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式， 都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種非晶復(fù)合材料，含有鎳、鋯、鈦、鈮、鋁和銅元素，其特征在于:該非晶復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)以鎳基非晶相為基體相，以β-Ti和(Cu，Ni) 112為增強(qiáng)相，具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ni 30 ~59at.%，Zr 10 ~24at.%，Ti 10 ~35at.%，Nb 7 ~IOat.%，Al 3~7at.%，Cu I~3at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的非晶復(fù)合材料由鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末經(jīng)快速燒結(jié)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的快速燒結(jié)指擠壓、熱壓和放電等離子燒結(jié)的粉末燒結(jié)方法中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述鎳基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為=Ni 55~59at.%，Zr 20~24at.%，Ti 6.0~1Oat.%，Nb 6.0 ~IOat.%，Al 3.0 ~7.0at.%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述鈦基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為=Ti 64~68at.%，Nb 8~18at.%，Cu 6.0~10.5at.%，Ni 5.5~8.0at.%，Al 3.0~7.0at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述鎳基非晶粉末的用量按體積百分比為50~99%。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:具體包含以下步驟: 步驟一:高能球磨制備非晶粉末 將鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末分別進(jìn)行高能球磨，直至兩種合金體系形成具有寬過冷液相區(qū)的非晶態(tài)合金粉末，兩種非晶粉末按各自其體積百分比計(jì)非晶相至少達(dá)95%; 步驟二:脈沖電流燒結(jié)非晶粉末 將球磨后的鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末混合均勻，采用脈沖電流快速燒結(jié)裝入燒結(jié)模具內(nèi)的雙相非晶粉末，精確調(diào)控?zé)Y(jié)參數(shù)，采用高壓低溫?zé)Y(jié)，脈沖電流燒結(jié)工藝條件如下: 燒結(jié)設(shè)備:放電等離子燒結(jié)系統(tǒng) 燒結(jié)電流類型:脈沖電流 燒結(jié)溫度Ts =Ts >鈦基非晶粉末的晶化溫度-20K Ts <鎳基非晶粉末的玻璃轉(zhuǎn)變溫度 保溫時(shí)間:10~20min 升溫速率:10~50K/min 燒結(jié)壓力:400~500MPa ； 經(jīng)燒結(jié)即獲得微觀結(jié)構(gòu)中以鎳基非晶相為基體相，以β-Ti和(Cu，Ni) Ti2納米晶為增強(qiáng)相的非晶復(fù)合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟一中所述鎳基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為=Ni 55~59at.%，Zr 20~24at.%，Ti6.0~IOat.%，Nb 6.0~IOat.%，Al 3.0~7.0at.% ;所述鈦基非晶粉末的具體組分及其按原子百分比含量計(jì)為:Ti 64~68at.%，Nb 8~18at.%，Cu 6.0~10.5at.%，Ni 5.5~8.0at.%，Al 3.0~7.0at.%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；所述的鎳基非晶粉末和鈦基非晶粉末在高能球磨前分別在混粉機(jī)中干混至均勻。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非晶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述非晶復(fù)合材料的鎳基非晶相含量可通過控制投入的鎳基非晶粉末的含量進(jìn)行控制；步驟二中所述的燒結(jié)模具指碳化鎢模具。
10.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的非晶復(fù)合材料在航天航空、軍工中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C22C1/04GK103469119SQ201310356833
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】楊超, 曾勁, 屈盛官, 李小強(qiáng) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)