一种克服弛豫致脆的Ti基非晶复合材料及其制备方法

本发明属于非晶合金复合材料领域，具体为一种克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、块状非晶合金不具有晶体材料中原子堆积的周期性特点，而其独特的非晶结构使之具有优异的力学性能，如：高强度、高硬度和大弹性，被视为有广阔前途的结构材料。然而，在单轴拉伸和远低于其玻璃化转变温度的条件下，非晶合金通常表现出零拉伸延展性，因为非晶合金中的塑性应变高度集中在狭窄的剪切带中，而剪切带传播迅速且不稳定，从而导致灾难性失效。为了打破这种瓶颈，含有原位形成晶体的非晶复合材料已被开发出来，来促进剪切带的增殖并阻止其传播。在所有非晶复合材料中，具有β-ti/zr枝晶的ti/zr基非晶复合材料引起了极大的关注，这是因为它们的微观结构和枝晶的亚稳定性可以被调整来实现大的拉伸延性和高应变硬化能力。然而，随着制备时冷却速率的降低，非晶相会发生明显的结构松弛，这导致非晶合金和非晶复合材料的延展性和断裂韧性显著下降，甚至发生韧脆转变现象。这极大地限制了非晶合金和非晶复合材料的铸造尺寸，进而限制了它们在大型结构材料中的应用。因此，迫切需要系统地研究非晶相中弛豫诱发脆化的机理以及探索突破这一限制的方法。

2、最近研究表明，如果内生β-ti相是亚稳相，并在变形过程中可以发生形变诱发马氏体相变并引起剪切带钝化效应，那么ti基非晶内生复合材料可以表现出优异的拉伸加工硬化能力。另外，这种剪切带钝化效应依赖于枝晶尺寸，而枝晶尺寸又与冷却速率呈现负相关关系。因此，调控内生形状记忆相ti基非晶内生复合材料的微观组织为克服非晶相弛豫诱发脆化提供了一种解决途径。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种克服弛豫致脆的大尺寸ti基非晶复合材料及其制备方法，通过调控制备时的冷却速率来研究非晶合金和非晶复合材料断裂韧性的变化规律。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料，该非晶复合材料的化学成分为：ti47.2zr33.8cu5.8co1be12.2(at.％)，通过制备不同直径(8mm和20mm)的合金棒来改变冷却速率，分别标记为bt50-8和bt50-20。采用上述同样的方法制备了非晶合金用于对比冷却速率的影响，该非晶合金的化学成分为：ti32zr30.2cu9co4.8be24(at.％)，分别标记为bt0-8和bt0-20。

4、所述形状记忆相ti基非晶内生复合材料中，其非晶基体具有高玻璃形成能力，其铜模浇铸的合金为非晶内生复合材料组织。表征非晶基体玻璃形成能力的技术指标为：对于铜模浇铸直径分别为8mm和20mm的合金棒，其非晶基体无晶化现象。这类形状记忆相ti基非晶内生复合材料是指：非晶复合材料中内生β-ti相为亚稳相，并能够发生形变诱发α″马氏体相变，因此这类非晶复合材料为大尺寸形状记忆相ti基非晶内生复合材料。所述块体ti基非晶合金中，其具有高玻璃形成能力，其铜模浇铸的合金为非晶合金，表征其玻璃形成能力的技术指标为：通过铜模浇铸获得合金棒的直径分别为8mm和20mm，中心和边缘部分均无晶化。

5、在这类大尺寸ti基非晶合金中，随着冷却速率的降低，其抗拉强度从bt0-8的1764±15mpa略减少到bt0-20的1727±18mpa，但该非晶合金的缺口韧性显著降低：从bt0-8的147±14mpa m1/2降低到bt0-20的118±10mpa m1/2。

6、在这类大尺寸形状记忆相ti基非晶内生复合材料中，随着冷却速率的降低，其屈服强度从bt50-8的1084±15mpa增加到bt50-20的1170±18mpa，抗拉强度从bt50-8的1378±15mpa增加到bt50-20的1393±18mpa，而拉伸塑性却从bt50-8的8.0±0.3％降低到bt50-20的8.6±0.4％。而且，该形状记忆相非晶ti基复合材料的缺口韧性随着冷却速率的降低而增加：从bt50-8的106±10mpa m1/2略微增加到bt50-20的108±12mpa m1/2。

7、本发明所述这类形状记忆相ti基非晶内生复合材料克服弛豫致脆的原理如下：

8、(一)在这类大尺寸ti基非晶合金中，在较低的冷却速率下表现出较低韧性的原因：非晶合金的结构和能态与冷却速率密切相关，在较低的冷却速率下，过冷液体向更平衡态演化，得到更松弛、更低能态的非晶合金。由于bt0-8的冷却速率比bt0-20高6倍多，因此bt0-20具有更松弛结构和更低的能量状态，这导致其更难以诱发剪切带和更小的塑性区，所以非晶合金的韧性对冷速极其敏感，降低冷速极易诱发韧脆转变。

9、(二)在这类大尺寸形状记忆相ti基非晶内生复合材料中，在较低的冷却速率下却表现出较大断裂韧性的原因：该ti基非晶复合材料中的β-ti晶粒大小随着冷速降低而增加，而较大尺寸的β-ti晶体更容易形变诱发较厚的马氏体相变且诱发更高程度的剪切带钝化效应，而这种增韧效应会过度补偿非晶基体的弛豫脆性，从而导致该ti基非晶复合材料克服弛豫脆化现象。

10、本发明的优点及有益效果是：

11、1、本发明中所述ti-zr-cu-co-be非晶内生复合材料，其非晶基体具有高玻璃形成能力，易于获得较大尺寸，其铜模浇铸获得合金棒的直径分别为8mm和20mm，它们的组织都为β-ti均匀地分布在非晶基体中。

12、2、本发明通过调控冷却速率来研究非晶合金和形状记忆相非晶复合材料的断裂韧性，发现在非晶合金中，随着冷却速率的降低其断裂韧性显著降低，这称为弛豫诱发脆性。

13、3、本发明发现在这类大尺寸形状记忆相ti基非晶内生复合材料中，在较低的冷却速率下具有更大的断裂韧性，这说明了大尺寸β-ti较高程度的相变增韧效应和剪切带钝化效应会过度补偿非晶基体的弛豫脆性。

14、总之，本发明揭示了一种克服非晶相中弛豫诱发脆化的新策略。研究发现在非晶合金或非晶复合材料的制备过程中降低冷却速率会严重导致非晶相的结构松弛。低能态的非晶合金由于剪切带萌生困难而发生脆性断裂。然而，形状记忆相非晶复合材料随着冷却速率的降低却有利于枝晶粗化，这导致更容易发生形变诱发马氏体相变。在这种形状记忆相非晶复合材料中，马氏体相变诱发剪切带钝化效应，该效应对枝晶尺寸高度敏感。而该形状记忆相非晶复合材料在较低的冷却速率下表现出较高程度的剪切带钝化，补偿了其低能态非晶相中较少剪切带的缺陷。增强的剪切带钝化效应不仅有利于增塑，而且通过极大地阻碍裂纹扩展而增韧。这种形状记忆相非晶复合材料在较低冷却速率下的较高韧性归因于发生相变的较粗枝晶引起的显著裂纹偏转和分叉，尤其是新出现的大量裂纹桥接极大地促进了裂纹钝化。

技术特征：

1.一种克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料，其特征在于，该非晶复合材料为内生形状记忆相ti基非晶内生复合材料，形状记忆相ti基非晶内生复合材料是指：非晶复合材料中内生β-ti相为亚稳相，并能够发生形变诱发α″马氏体相变。

2.根据权利要求1所述的克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料，其特征在于，该非晶复合材料的化学成分为：ti47.2zr33.8cu5.8co1be12.2(at.％)。

3.根据权利要求2所述的克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料，其特征在于，形状记忆相ti基非晶内生复合材料通过铜模浇铸获得不同尺寸的合金棒，合金棒直径分别为8mm和20mm，非晶基体具有高玻璃形成能力、无晶化，采用铜模浇铸的合金为非晶内生复合材料组织。

4.根据权利要求3所述的克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料，其特征在于，形状记忆相ti基非晶内生复合材料中，随着冷却速率的降低，其断裂韧性有所增加：从的106±10mpa m1/2略微增加到的108±12mpa m1/2。

5.按照权利要求4所述的克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料，其特征在于，在较低的冷却速率下制备的该非晶复合材料中，粗化的β-ti晶体更容易形变诱发马氏体相变导致更高程度的剪切带钝化效应，从而这种增韧效应会过度补偿非晶基体的弛豫脆性。

6.根据权利要求1～5任一所述的克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，该方法首先在高纯氩气环境中通过电弧熔炼的方法制备合金锭，合金锭反复熔炼至少四次，保证组元的均匀性；然后在电弧炉高纯氩气环境中，重熔合金锭，并通过铜模翻转浇铸的方式获得合金棒。

7.根据权利要求6所述的克服弛豫致脆的ti基非晶复合材料的制备方法，其特征在于，采用铜模翻转浇铸时，降低冷却速率能够使该非晶复合材料具有更高的断裂韧性。

技术总结
本发明属于非晶合金复合材料领域，具体为一种克服弛豫致脆的Ti基非晶复合材料及其制备方法。该非晶复合材料为内生形状记忆相Ti基非晶内生复合材料，形状记忆相Ti基非晶内生复合材料是指：非晶复合材料中内生β‑Ti相为亚稳相，并能够发生形变诱发α″马氏体相变。首先在高纯氩气环境中通过电弧熔炼的方法制备合金锭，合金锭反复熔炼至少四次，保证组元的均匀性；然后在电弧炉高纯氩气环境中，重熔合金锭，并通过铜模翻转浇铸的方式获得合金棒。本发明避免了非晶合金或非晶复合材料在较低冷却速率制备条件下出现弛豫致脆的内禀性难题，有助于突破非晶相弛豫诱发脆化的瓶颈，并对开发大尺寸高韧性非晶复合材料并实现其应用具有重要价值。

技术研发人员：张龙,颜廷毅,张海峰,张宏伟,付华萌,朱正旺,李宏,王爱民
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16