N、o元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料及其制備方法

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N、o元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料及其制備方法
【專利摘要】一種共同摻雜N、O元素的鈦基非晶復合材料及其制備方法。所述鈦基非晶復合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be以及摻雜的間隙元素N和O組成，按照擬熔煉的合金錠總質量確定N、O元素的質量。N元素和O元素通過在熔煉過程中添加TiN和TiO2粉末的方式摻雜引入。本發明中通過控制N、O元素的添加范圍，不改變原有Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶復合材料的枝晶體積分數，利用N,O元素在枝晶中的固溶強化作用，獲得的N、O元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料具有更高的屈服強度，同時具有較強的斷裂塑性。同時，通過調控N、O元素的添加量，實現調整非晶復合材料的力學性能，從而獲得適合的強度和塑性。
【專利說明】
N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及鈦合金或非晶合金領域，具體來說是一種同時具有超高強度和塑性匹配的鈦基非晶復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 鈦基非晶合金由于具有高的強度和低的密度以及良好的耐蝕性，在航空、航天、微型機械、運動器材等領域具有非常潛在的應用前景。但是由于高度局域化變形帶來的非晶合金的本征脆性制約了其作為高強韌結構材料的應用。因而通過第二相增強制備Ti基自生非晶復合材料，可以解決其室溫脆性的問題，同時兼具非晶合金輕質高強等優點。近幾年，人們開發出了一些鈦基非晶復合材料體系，如Ti-Zr-V-Cu-Be，Ti-Zr-V-Cu-Al-Be，Ti-Cu-Ni-Sn-Nb，Ti-Zr-Ni-Be-Ta 等。
[0003] 中國科學院金屬研究所的專利《內生韌性相增強Ti基非晶復合材料及其制備方法》（公開號：1 0 2 2 9 6 2 5 3 A )中通過電弧熔煉+噴鑄的方法獲得的成分為的β-Ti固溶體增強的Ti基非晶復合材料壓縮強度為1207MPa，壓縮斷裂強度為1913MPa，壓縮應變為14 %。
[0004] 蘭州理工大學的專利《形狀記憶晶相強韌化Ti基非晶復合材料及其制備方法》(公開號：102978541A)通過反重力吸鑄的方法獲得成分為(Ti Q.5NiQ.48C〇().()2)8()Cu2()的過冷奧氏體相B2-TiNi和馬氏體相B19'-TiNi增韌Ti基非晶復合材料壓縮屈服強度為1504MPa，斷裂強度為2582MPa，塑性應變為15 %，并表現出加工硬化。
[0005] 太原理工大學的專利《球晶增韌的非晶基復合材料的制備方法》（公開號： 102776453A)通過半固態處理+定向凝固的方法獲得成分為Zr60Th4.7Nb5.3Cu5.6Ni4.4BeK)的球晶增韌的非晶復合材料的強度和塑性分別達到1500MPa和12%。
[0006] 檢索文獻資料中，具有β-Ti枝晶相增強的Ti66Cu8Ni4.8Sn 7.2Nb^金屈服強度為 940MPa，斷裂強度為 2000MPa，塑性應變 28% (J.Eckert, J. Das, et al .Deformation behavior of a Ti66CusNi4.sSn7.2Nbi4nanostructured composite containing ductile dendrites Journal of Alloys and Compounds, 2007(434-435) :13-17.)成分為 Ti48Zr2()Bei5V12Cu^非晶復合材料屈服強度為1400MPa，斷裂強度為1990MPa，塑性應變為 21.0%(J.ff.Qiao,H.Y.Ye,et al.Distinguished work-hardening capacity of a Ti-based metallic glass matrix composite upon dynamic loading,Materials Science& Engineering A, (2013)277-280)。在我們先前的研究中，將TiasZnoBeBVuCus的非晶復合材料中的V元素替換成Nb元素所獲得的msZnoNb^CudeB的非晶復合材料擁有了比較優異的綜合力學性能：屈服強度為1370MPa，斷裂強度為2513MPa，塑性應變為33%(Jie Bai， Jinshan Li ,et al.Deformation Micromechanisms of a Ti-based Metallic Glass Composite with Excellent Mechanical Properties.Materials Science Forum Vols.745-746(2013)pp 809-814)。
[0007] 由于Ti、Zr等元素對N等間隙元素十分敏感且有很強的結合能力，因而N元素通常被視為必須盡量消除的有害雜質元素。所以上述的鈦基非晶復合材料的制備過程都是采用純度很高的原料在l〇_3Pa級別的高真空下進行的，高純原料和高真空設備的使用必然帶來高昂的制備成本;同時抽高真空需要很長時間，從而延長了制備周期。這些不利因素都會成為鈦基非晶復合材料邁向工業化生產過程中的嚴重阻礙。南京工程學院的專利《一種氮元素摻雜強韌化金屬玻璃復合材料及其制備方法》(公開號：104264082A)在Ti-Zr-Nb-Cu-Al-Be系列的非晶復合材料中摻入氮元素，使得原有的非晶復合材料性能有所提升，其成分范圍為52彡Ti彡60，14彡2『彡18,7.5彡他彡9,3彡〇1彡8,2彡八1彡4,6彡86彡14,0.5彡~彡2。其非晶復合材料的屈服強度彡1 lOOMPa，室溫拉伸塑性彡5 %。然而，1 lOOMPa的非晶復合材料與現有的高強度鈦合金以及一些非晶復合材料相比并不具有性能上的優勢。
[0008] 我們所研發的成分為Ti48Zr2QNb12Cu5B ei5的鈦基非晶復合材料本身就具有非常良好的綜合力學性能，屈服強度可以達到1300MPa，斷裂塑性可以達到30%，該成分的鈦基非晶復合材料在性能上相比現有的非晶復合材料具有一定的性能優勢。基于 Ti48Zr2QNb12CU5Bei4*基非晶復合材料研究發現，N元素的添加可以大幅提高其屈服強度而少量犧牲其塑性，并且這一成分的鈦基非晶復合材料的N元素可添加范圍很寬，使得本專利中的方法具有較強的可操作性和實用性。本專利中所獲得的(Ti-Zr-Nb-C U-Be)-N系非晶復合材料比上述專利中的非晶復合材料具有更優的綜合性能。在力學性能方面也超過前面所提到的相關非晶復合材料，具有較強的應用前景。

【發明內容】

[0009] 為了能在保持一定塑性的前提下獲得更高的屈服強度斷裂強度，本發明提出了一種共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料及其制備方法。
[0010] 所述的鈦基非晶復合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be以及摻雜的間隙元素 N和0組成，所述鈦基非晶復合材料的原子百分比為Ti48Zr2QNb12Cu 5Bei5，按照擬熔煉的合金錠總質量確定的 N、0元素的質量，其中N元素的添加量為0.1~1.4%，0元素的添加量為0.1~0.3%;所述的百分比均為質量百分比。
[0011]通過在熔煉過程中添加 TiN粉末和Ti02粉末的方式摻雜引入N元素和0元素。
[0012] 其中1^、2匕恥、〇1、86通過由純度彡99.99%的塊狀1^、2廣恥、〇1和純度彡99%的塊狀Be熔煉合成。
[0013] 本發明提出的制備共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料的具體過程如下：
[0014]第一步，原料的表面處理。
[0015]第二步，配料。將Ti-Zr-Nb-Cu-Be各元素的原子百分比轉換為質量百分比，按照熔煉所要獲得的合金錠總質量計算各組成元素的質量，分別稱取元素相應質量的經過表面處理的T i、Zr、Nb、Cu和Be塊狀原料，用于后續的熔煉過程中。
[0016] 第三步，N元素與0元素的引入。按照擬熔煉的合金錠總質量確定的N、0元素的質量，所述確定的N的質量為合金錠總質量的0.1~1.4%，所述確定的0元素的質量為合金錠總質量的0.1~0.3%。
[0017] 稱量確定的TiN粉末及Ti02粉末并混合，得到TiN粉末及Ti02粉末的混料。將該混料采用除去表面油污并干燥后的Ti箱包裹;所述Ti箱的質量為m，Ti箱的厚度為0.04mm;
[0018] 從第二步所配鈦基非晶復合材料中的Ti原料的質量中減除用于包裹所述混料的 T i箱的質量m，并減除添加的T iN粉末和T i 〇2粉末中的Ti元素質量，以保證所述鈦基非晶復合材料中的Ti原料的含量不變。
[0019] 將經過Ti箱包裹后的TiN以及Ti02粉末與經過表面處理的塊狀Ti原料一起放入真空電弧熔煉爐中熔煉爐中進行熔煉，熔煉電流為150A，熔煉時間為lmin，熔煉完成后獲得N、 0元素摻雜的鈦錠。
[0020] 第四步，制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。將獲得的N、0元素摻雜的鈦錠與經過表面處理的塊狀的Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空電弧熔煉爐中，熔煉制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。
[0021] 所述制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠的具體過程是：
[0022] 采用電弧熔煉方法，在對爐中的N、0元素摻雜的鈦錠及各種元素的塊狀原料進行第一次熔煉，熔煉時間為5min，得到合金熔液。熔煉結束后，將得到的合金熔液在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中降溫凝固為合金錠;將凝固所得到的合金錠翻轉180°，重復所述第一次熔煉的過程，進行第二次熔煉，熔煉時間為5min。所述重復熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A，熔煉過程中通高純氬氣保護。熔煉結束后，得到N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。
[0023] 第五步，噴鑄。將得到的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠破碎后，取6 ~8g的鈦基非晶復合材料合金錠碎塊作為合金試樣;將該合金試樣置于下端開有直徑為 0.5mm開口的石英坩堝內進行噴鑄，得到摻雜有N元素和0元素的鈦基非晶復合材料。
[0024] 所述噴鑄的具體過程是:通過機械栗將噴鑄爐內的氣壓抽到6 Xl(T3Pa，回充0.5個大氣壓的高純氬氣作為保護氣氛。噴鑄爐的感應線圈通電對石英坩堝內的合金試樣加熱至完全熔化。向石英坩堝內注入高純氬氣，使噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2X10 4Pa;石英坩堝內的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成棒狀摻雜有N元素和0元素的鈦基非晶復合材料;所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0025] 本發明中通過在制備Ti48Zr2〇Nbi2Cu5Bei5非晶復合材料過程中控制N、0元素的添加范圍，不改變原有Ti48Zr2QNb12Cu5Be15#晶復合材料的枝晶體積分數，利用N，0元素在枝晶中的固溶強化作用，獲得的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料具有更高的屈服強度，同時具有較強的斷裂塑性。其屈服強度比現有屈服強度最高的Ti基非晶復合材料高出許多，即 400~1200MPa，具備明顯的性能優勢，實施示例所列的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料力學性能如表1所示。同時，該(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系非晶復合材料的N，0元素可添加范圍非常廣，N元素的質量百分比為可以達到14000ppm，0元素的可添加量也達到3000ppm，在該非晶復合材料中通過適當調控N、0元素的添加量，合理調整非晶復合材料的力學性能，從而獲得適合的強度和塑性。
[0026]表1 N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料力學性能

【附圖說明】
[0028]圖1是典型的N，0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的XRD衍射曲線，該圖為實施示例一中摻雜N元素為1000ppm，0元素為lOOOppm的鈦基非晶復合材料的XRD衍射曲線，本發明中N，0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的XRD衍射曲線均與其相似；
[0029]圖2是典型的N，0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的掃描電子顯微組織，該圖為實施示例一中摻雜N元素為1000ppm，0元素為lOOOppm的鈦基非晶復合材料的掃描電子顯微組織，本發明中N，0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的掃描電子顯微組織均與其相似；
[0030] 圖3是實施示例一中摻雜N元素為1000ppm，0元素為lOOOppm的鈦基非晶復合材料的壓縮試驗應力-應變曲線:單軸向壓縮，應變速率為1 X 1 (T4S<，試樣尺寸：Φ 3 X 6mm;
[0031] 圖4是實施示例一中摻雜N元素為3000ppm，0元素為2000ppm的鈦基非晶復合材料的壓縮試驗應力-應變曲線:單軸向壓縮，應變速率為1 X 1 (T4S<，試樣尺寸：Φ 3 X 6mm;
[0032] 圖5是實施例二提供的實施示例一中摻雜N元素為10000ppm，0元素為2400ppm的鈦基非晶復合材料的壓縮試驗應力-應變曲線：單軸向壓縮，應變速率為IX ΙΟ^?Γ1，試樣尺寸：Φ 3 X 6mm;
[0033] 圖6是實施例三提供的實施示例一中摻雜N元素為14000ppm，0元素為3000ppm的鈦基非晶復合材料的壓縮試驗應力-應變曲線：單軸向壓縮，應變速率為IX ΙΟ^?Γ1，試樣尺寸：Φ 3 X 6mm;
[0034] 圖7是本發明的流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 實施例一
[0036]本實施例是一種N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料。
[0037]本實施實例所述的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be&& 摻雜的間隙兀素 N和0組成，所述鈦基非晶復合材料的原子百分比為Ti48Zr2〇Nbi2Cu5Bei5，N兀素的添加量為1000ppm，即N元素的質量百分比為0.1% ;0元素的添加量為1000ppm，即0元素的質量百分比為〇.1%。其中!^、2匕恥、(：11、86通過由純度彡99.99%的塊狀1^、2匕恥、〇1和純度多99%的塊狀Be熔煉合成。N元素和0元素通過在熔煉過程中添加 TiN和Ti02粉末的方式摻雜引入。
[0038] 本實施例提出的制備所述N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的具體過程如下：
[0039] 本實施實例所提出的制備所述N、0元素共同摻雜的非晶復合材料的過程如下：
[0040] 第一步，原料的表面處理。將11、2^他、&1和此塊狀原料用砂輪打磨掉表面氧化皮后浸泡在酒精中采用超聲波震蕩去除油污等表面雜質，得到經過表面處理的Ti、Zr、Nb、Cu 和Be塊狀原料。
[0041]第二步，配料。將Ti-Zr-Nb-Cu-Be各元素的原子百分比轉換為質量百分比，按照熔煉所要獲得的合金錠總質量計算各組成元素的質量，分別稱取元素相應質量的經過表面處理的T i、Zr、Nb、Cu和Be塊狀原料，用于后續的熔煉過程中。
[0042]第三步，N元素與0元素的引入。按照擬熔煉的合金錠總質量確定的N、0元素的質量，所述確定的N的質量為合金錠總質量的0.1~1.4%，所述確定的0元素的質量為合金錠總質量的0.1~0.3%，通過TiN的化學式和Ti02的化學式計算出添加所需的TiN及Ti02粉末的質量。本實施示例中N元素的添加量為lOOOppm，即N元素的質量百分比為0.1% ;0元素的添加量為lOOOppm，即0元素的質量百分比為0.1 % ;
[0043]根據擬熔煉的合金錠總質量和確定的N、0元素的質量，通過TiN的化學式和Ti02的化學式計算出添加所需的TiN及Ti02粉末的質量。
[0044]稱量確定的TiN粉末及Ti02粉末并混合，得到TiN粉末及Ti02粉末的混料。將該混料采用除去表面油污并干燥后的Ti箱包裹，以防止TiN粉末和Ti02粉末在熔煉過程中損失;該 Ti箱的凈重量為0.236g。為防止Ti元素質量超出計算值，從第二步所配鈦基非晶復合材料中的Ti原料的質量中減除用于包裹所述混料的Ti箱的質量，并減除添加的TiN粉末和Ti0 2 粉末中的Ti元素質量，以保證所述鈦基非晶復合材料中的Ti原料的含量不變。將經過Ti箱包裹后的TiN以及Ti02粉末與經過表面處理的塊狀Ti原料一起放入真空電弧熔煉爐中熔煉爐中進行恪煉，恪煉電流為150A，恪煉時間為lmin，恪煉完成后獲得N、0元素摻雜的鈦錠。
[0045] 第四步，制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。將獲得的N、0元素摻雜的鈦錠與經過表面處理的塊狀的Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空電弧熔煉爐中，熔煉制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為 400A，采用常規的電弧熔煉方法，在對爐中的N、0元素摻雜的鈦錠及各種元素的塊狀原料進行第一次熔煉，熔煉時間為5min，得到合金熔液。熔煉結束后，將得到的合金熔液在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中降溫凝固為合金錠;將凝固所得到的合金錠翻轉180°，重復所述第一次熔煉的過程，進行第二次熔煉，熔煉時間為5min。所述重復熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護。熔煉結束后，得到N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。
[0046] 第五步，噴鑄。將得到的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠破碎后，取 6.7g的合金試樣置于下端開有直徑為0.5mm開口的石英i甘堝內。通過機械栗將爐腔內的氣壓抽到6 X l(T3Pa，然后回充0.5個大氣壓的高純氬氣作為保護氣氛。噴鑄爐的感應線圈通電對石英坩堝內的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內注入高純氬氣，噴鑄時噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為3mm長度為80mm的棒狀摻雜N元素為1000ppm，0 元素為lOOOppm的鈦基非晶復合材料，所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0047]將得到的非晶復合材料棒切成Φ 3mm X 6mm的試樣，進行X射線衍射、元素分析、金相觀察和單軸壓縮試驗。試驗結果為：
[0048]獲得的摻雜N元素為1000ppm，0元素為lOOOppm的鈦基非晶復合材料棒材中枝晶相體積分數為55 %，壓縮屈服強度1500MPa，壓縮斷裂強度〇fS2800MPa，斷裂前塑性應變 εΡ為45%。
[0049] 實施例二
[0050]本實施例是一種Ν、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料。
[00511本實施實例所述的Ν、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be&& 摻雜的間隙兀素 N和0組成，所述鈦基非晶復合材料的原子百分比為Ti48Zr20Nbi2Cu5Bei5，N兀素的添加量為3000ppm，即N元素的質量百分比為0.3%;0元素的添加量為2000ppm，即0元素的質量百分比為0.2%。其中1^、2匕恥、(：11、86通過由純度彡99.99%的塊狀1^、2匕恥、01和純度多99%的塊狀Be熔煉合成。Ν元素和0元素通過在熔煉過程中添加 TiN和Ti02粉末的方式摻雜引入。
[0052] 本實施例提出的制備所述N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的具體過程如下：
[0053] 本實施實例所提出的制備所述N、0元素共同摻雜的非晶復合材料的過程如下： [0054]第一步，原料的表面處理。將11、2^他、&1和此塊狀原料用砂輪打磨掉表面氧化皮后浸泡在酒精中采用超聲波震蕩去除油污等表面雜質，得到經過表面處理的Ti、Zr、Nb、Cu 和Be塊狀原料。
[0055]第二步，配料。將Ti-Zr-Nb-Cu-Be各元素的原子百分比轉換為質量百分比，按照熔煉所要獲得的合金錠總質量計算各組成元素的質量，分別稱取元素相應質量的經過表面處理的T i、Zr、Nb、Cu和Be塊狀原料，用于后續的熔煉過程中。
[0056]第三步，N元素與0元素的引入。按照擬熔煉的合金錠總質量確定的N、0元素的質量，所述確定的N的質量為合金錠總質量的0.1~1.4%，所述確定的0元素的質量為合金錠總質量的0.1~0.3%，通過TiN的化學式和Ti0 2的化學式計算出添加所需的TiN及Ti02粉末的質量。本實施示例中N元素的添加量為3000ppm，即N元素的質量百分比為0.3%;0元素的添加量為2000ppm，即0元素的質量百分比為0.2%。
[0057]稱量確定的TiN粉末及Ti02粉末并混合，得到TiN粉末及Ti02粉末的混料。將該混料采用除去表面油污并干燥后的Ti箱包裹，以防止TiN粉末和Ti02粉末在熔煉過程中損失;該 Ti箱的凈重量為0.343g。為防止Ti元素質量超出計算值，從第二步所配鈦基非晶復合材料中的Ti原料的質量中減除用于包裹所述混料的Ti箱的質量，并減除添加的TiN粉末和Ti0 2 粉末中的Ti元素質量，以保證所述鈦基非晶復合材料中的Ti原料的含量不變。將經過Ti箱包裹后的TiN以及Ti02粉末與經過表面處理的塊狀Ti原料一起放入真空電弧熔煉爐中熔煉爐中進行恪煉，恪煉電流為150A，恪煉時間為lmin，恪煉完成后獲得N、0元素摻雜的鈦錠。 [0058]第四步，制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。將獲得的N、0元素摻雜的鈦錠與經過表面處理的塊狀的Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空電弧熔煉爐中，熔煉制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為 400A，采用常規的電弧熔煉方法，在對爐中的N、0元素摻雜的鈦錠及各種元素的塊狀原料進行第一次熔煉，熔煉時間為5min，得到合金熔液。熔煉結束后，將得到的合金熔液在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中降溫凝固為合金錠;將凝固所得到的合金錠翻轉180°，重復所述第一次熔煉的過程，進行第二次熔煉，熔煉時間為5min。所述重復熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護。熔煉結束后，得到N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。
[0059]第五步，噴鑄。將得到的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠破碎后，取 7g的合金試樣置于下端開有直徑為0.5mm開口的石英坩堝內。通過機械栗將爐腔內的氣壓抽到6 Xl(T3Pa，然后回充0.5個大氣壓的高純氬氣作為保護氣氛。噴鑄爐的感應線圈通電對石英坩堝內的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內注入高純氬氣，噴鑄時噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為3mm長度為80mm的棒狀摻雜N元素為3000ppm，0元素為2000ppm的鈦基非晶復合材料，所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0060]將得到的非晶復合材料棒切成φ 3mm X 6mm的試樣，進行X射線衍射、元素分析、金相觀察和單軸壓縮試驗。試驗結果為：
[0061 ]獲得的摻雜N元素為3000ppm，0元素為2000ppm的鈦基非晶復合材料棒材中枝晶相體積分數為55 %，壓縮屈服強度1800MPa，壓縮斷裂強度〇fS2600MPa，斷裂前塑性應變 εΡ為30%。
[0062] 實施例三
[0063]本實施例是一種Ν、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料。
[0064]本實施實例所述的Ν、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be&& 摻雜的間隙兀素 N和0組成，所述鈦基非晶復合材料的原子百分比為Ti48Zr2〇Nbi2Cu5Bei5，N兀素的添加量為10000ppm，即N元素的質量百分比為1% ;0元素的添加量為2400ppm，即0元素的質量百分比為0.24%。其中11、2廣恥、(：11、86通過由純度彡99.99%的塊狀11、2匕恥、〇1和純度多99%的塊狀Be熔煉合成。N元素和0元素通過在熔煉過程中添加 TiN和Ti02粉末的方式摻雜引入。
[0065] 本發明提出的制備所述N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的具體過程如下：
[0066] 本實施實例所提出的制備所述N、0元素共同摻雜的非晶復合材料的過程如下： [0067]第一步，原料的表面處理。將11、2^他、&1和此塊狀原料用砂輪打磨掉表面氧化皮后浸泡在酒精中采用超聲波震蕩去除油污等表面雜質，得到經過表面處理的Ti、Zr、Nb、Cu 和Be塊狀原料。
[0068]第二步，配料。將Ti-Zr-Nb-Cu-Be各元素的原子百分比轉換為質量百分比，按照熔煉所要獲得的合金錠總質量計算各組成元素的質量，分別稱取元素相應質量的經過表面處理的T i、Zr、Nb、Cu和Be塊狀原料，用于后續的熔煉過程中。
[0069]第三步，N元素與0元素的引入。按照擬熔煉的合金錠總質量確定的N、0元素的質量，所述確定的N的質量為合金錠總質量的0.1~1.4%，所述確定的0元素的質量為合金錠總質量的0.1~0.3%，通過TiN的化學式和Ti0 2的化學式計算出添加所需的TiN及Ti02粉末的質量。本實施示例中N元素的添加量為lOOOOppm，即N元素的質量百分比為1%;0元素的添加量為2400ppm，即0元素的質量百分比為0.24%。
[0070] 稱量確定的TiN粉末及Ti02粉末并混合，得到TiN粉末及Ti02粉末的混料。將該混料采用除去表面油污并干燥后的Ti箱包裹，以防止TiN粉末和Ti0 2粉末在熔煉過程中損失;該 Ti箱的凈重量為0.332g。為防止Ti元素質量超出計算值，從第二步所配鈦基非晶復合材料中的Ti原料的質量中減除用于包裹所述混料的Ti箱的質量，并減除添加的TiN粉末和Ti0 2 粉末中的Ti元素質量，以保證所述鈦基非晶復合材料中的Ti原料的含量不變。將經過Ti箱包裹后的TiN以及Ti02粉末與經過表面處理的塊狀Ti原料一起放入真空電弧熔煉爐中熔煉爐中進行恪煉，恪煉電流為150A，恪煉時間為lmin，恪煉完成后獲得N、0元素摻雜的鈦錠。
[0071] 第四步，制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。將獲得的N、0元素摻雜的鈦錠與經過表面處理的塊狀的Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空電弧熔煉爐中，熔煉制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為 400A，采用常規的電弧熔煉方法，在對爐中的N、0元素摻雜的鈦錠及各種元素的塊狀原料進行第一次熔煉，熔煉時間為5min，得到合金熔液。熔煉結束后，將得到的合金熔液在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中降溫凝固為合金錠;將凝固所得到的合金錠翻轉180°，重復所述第一次熔煉的過程，進行第二次熔煉，熔煉時間為5min。所述重復熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護。熔煉結束后，得到N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。
[0072]第五步，噴鑄。將得到的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠破碎后，取 7.6g的合金試樣置于下端開有直徑為0.5mm開口的石英i甘堝內。通過機械栗將爐腔內的氣壓抽到6 X l(T3Pa，然后回充0.5個大氣壓的高純氬氣作為保護氣氛。噴鑄爐的感應線圈通電對石英坩堝內的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內注入高純氬氣，噴鑄時噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為3mm長度為80mm的棒狀摻雜N元素為10000ppm，0 元素為2400ppm的鈦基非晶復合材料，所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0073]將得到的非晶復合材料棒切成Φ 3mm X 6mm的試樣，進行X射線衍射、元素分析、金相觀察和單軸壓縮試驗。試驗結果為：
[0074]獲得的摻雜N元素為10000ppm，0元素為2400ppm的鈦基非晶復合材料棒材中枝晶相體積分數為55 %，壓縮屈服強度％為2150MPa，壓縮斷裂強度〇fS2400MPa，斷裂前塑性應變ερ為12%。
[0075] 實施例四
[0076] 本實施例是一種Ν、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料。
[0077]本實施實例所述的Ν、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料由Ti、Zr、Nb、Cu、Be&& 摻雜的間隙兀素 N和0組成，所述鈦基非晶復合材料的原子百分比為Ti48Zr2〇Nbi2Cu5Bei5，N兀素的添加量為14000ppm，即N元素的質量百分比為1% ;0元素的添加量為3000ppm，即0元素的質量百分比為0.24%。其中11、2廣恥、(：11、86通過由純度彡99.99%的塊狀11、2匕恥、〇1和純度多99%的塊狀Be熔煉合成。N元素和0元素通過在熔煉過程中添加 TiN和Ti02粉末的方式摻雜引入。
[0078] 本實施例提出的制備所述N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料的具體過程如下：
[0079] 本實施實例所提出的制備所述N、0元素共同摻雜的非晶復合材料的過程如下：
[0080] 第一步，原料的表面處理。將11、2^他、&1和此塊狀原料用砂輪打磨掉表面氧化皮后浸泡在酒精中采用超聲波震蕩去除油污等表面雜質，得到經過表面處理的Ti、Zr、Nb、Cu 和Be塊狀原料。
[0081] 第二步，配料。將Ti-Zr-Nb-Cu-Be各元素的原子百分比轉換為質量百分比，按照熔煉所要獲得的合金錠總質量計算各組成元素的質量，分別稱取元素相應質量的經過表面處理的T i、Zr、Nb、Cu和Be塊狀原料，用于后續的熔煉過程中。
[0082]第三步，N元素與0元素的引入。按照擬熔煉的合金錠總質量確定的N、0元素的質量，所述確定的N的質量為合金錠總質量的0.1~1.4%，所述確定的0元素的質量為合金錠總質量的0.1~0.3%，通過TiN的化學式和Ti0 2的化學式計算出添加所需的TiN及Ti02粉末的質量。本實施示例中N元素的添加量為14000ppm，即N元素的質量百分比為1.4% ;0元素的添加量為3000ppm，即0元素的質量百分比為0.3%。
[0083]稱量確定的TiN粉末及Ti02粉末并混合，得到TiN粉末及Ti02粉末的混料。將該混料采用除去表面油污并干燥后的Ti箱包裹，以防止TiN粉末和Ti02粉末在熔煉過程中損失;該 Ti箱的凈重量為0.446g。為防止Ti元素質量超出計算值，從第二步所配鈦基非晶復合材料中的Ti原料的質量中減除用于包裹所述混料的Ti箱的質量，并減除添加的TiN粉末和Ti0 2 粉末中的Ti元素質量，以保證所述鈦基非晶復合材料中的Ti原料的含量不變。將經過Ti箱包裹后的TiN以及Ti02粉末與經過表面處理的塊狀Ti原料一起放入真空電弧熔煉爐中熔煉爐中進行恪煉，恪煉電流為150A，恪煉時間為lmin，恪煉完成后獲得N、0元素摻雜的鈦錠。
[0084] 第四步，制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。將獲得的N、0元素摻雜的鈦錠與經過表面處理的塊狀的Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空電弧熔煉爐中，熔煉制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。具體是，真空電弧熔煉爐的熔煉電流為 400A，采用常規的電弧熔煉方法，在對爐中的N、0元素摻雜的鈦錠及各種元素的塊狀原料進行第一次熔煉，熔煉時間為5min，得到合金熔液。熔煉結束后，將得到的合金熔液在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中降溫凝固為合金錠;將凝固所得到的合金錠翻轉180°，重復所述第一次熔煉的過程，進行第二次熔煉，熔煉時間為5min。所述重復熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻。熔煉過程中通高純氬氣保護。熔煉結束后，得到N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。
[0085] 第五步，噴鑄。將得到的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠破碎后，取 8g的合金試樣置于下端開有直徑為0.5mm開口的石英坩堝內。通過機械栗將爐腔內的氣壓抽到6 Xl(T3Pa，然后回充0.5個大氣壓的高純氬氣作為保護氣氛。噴鑄爐的感應線圈通電對石英坩堝內的合金試樣加熱至完全熔化。打開噴鑄爐的噴氣閥，向石英坩堝內注入高純氬氣，噴鑄時噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X104Pa，以保證有足夠的氣流將合金試樣溶液從石英坩堝底部的開孔處快速噴出，石英坩堝內的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成直徑為3mm長度為80mm的棒狀摻雜N元素為14000ppm，0元素為3000ppm的鈦基非晶復合材料，所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
[0086]將得到的非晶復合材料棒切成Φ 3mm X 6mm的試樣，進行X射線衍射、元素分析、金相觀察和單軸壓縮試驗。試驗結果為：
[0087]獲得的摻雜N元素為14000ppm，0元素為3000ppm的鈦基非晶復合材料棒材中枝晶相體積分數為55 %，壓縮屈服強度〇yS2350MPa，壓縮斷裂強度〇fS2500MPa，斷裂前塑性應變ε ρ為10%。
【主權項】
1. 一種共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料，其特征在于，所述的鈦基非晶復合材料由11、2^他、〇!、8 6以及摻雜的間隙元素~和0組成，所述鈦基非晶復合材料的原子百分比為 Ti48Zr2QNbi2Cu5Bei5，按照擬恪煉的合金錠總質量確定的N、O元素的質量，其中N元素的添加量為0.1~1.4%，0兀素的添加量為0.1~0.3% ;所述的百分比均為質量百分比。2. 如權利要求1所述共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料，其特征在于，通過在熔煉過程中添加 TiN粉末和TiO2粉末的方式摻雜引入N元素和O元素。3. 如權利要求1所述共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料，其特征在于，其中Ti、Zr、 Nb、Cu、Be通過由純度多99.99 %的塊狀Ti、Zr、Nb、Cu和純度多99 %的塊狀Be熔煉合成。4. 一種制備權利要求1所述共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料的方法，其特征在于，具體過程如下：第一步，原料的表面處理；第二步，配料:將Ti-Zr-Nb-Cu-Be各元素的原子百分比轉換為質量百分比，按照熔煉所要獲得的合金錠總質量計算各組成元素的質量，分別稱取元素相應質量的經過表面處理的 T i、Zr、Nb、Cu和Be塊狀原料，用于后續的熔煉過程中；第三步，N元素與0元素的引入:按照擬熔煉的合金錠總質量確定的N、0元素的質量，所述確定的N的質量為合金錠總質量的0.1~1.4%，所述確定的0元素的質量為合金錠總質量的 0.1 ~0.3%; 稱量確定的TiN粉末及TiO2粉末并混合，得到TiN粉末及TiO2粉末的混料;將該混料采用除去表面油污并干燥后的Ti箱包裹;所述Ti箱的質量為m，Ti箱的厚度為0.04mm; 從第二步所配鈦基非晶復合材料中的Ti原料的質量中減除用于包裹所述混料的Ti箱的質量m，并減除添加的TiN粉末和Ti〇2粉末中的Ti元素質量，以保證所述鈦基非晶復合材料中的Ti原料的含量不變；將經過Ti箱包裹后的TiN以及TiO2粉末與經過表面處理的塊狀Ti原料一起放入真空電弧熔煉爐中熔煉爐中進行熔煉，熔煉電流為150A，熔煉時間為Imin，熔煉完成后獲得N、0元素摻雜的鈦錠；第四步，制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠:將獲得的N、0元素摻雜的鈦錠與經過表面處理的塊狀的Zr、Nb、Cu和Be原料一起放入真空電弧熔煉爐中，熔煉制備N、 0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠；第五步，噴鑄:將得到的N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠破碎后，取6~Sg 的鈦基非晶復合材料合金錠碎塊作為合金試樣;將該合金試樣置于下端開有直徑為〇.5_ 開口的石英坩堝內進行噴鑄，得到摻雜有N元素和0元素的鈦基非晶復合材料。5. 如權利要求4所述制備共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料的方法，其特征在于，所述制備N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠的具體過程是：采用電弧熔煉方法，在對爐中的N、0元素摻雜的鈦錠及各種元素的塊狀原料進行第一次熔煉，熔煉時間為5min，得到合金熔液;熔煉結束后，將得到的合金熔液在真空電弧熔煉爐的水冷銅坩堝中降溫凝固為合金錠;將凝固所得到的合金錠翻轉180°，重復所述第一次熔煉的過程，進行第二次熔煉，熔煉時間為5min;所述重復熔煉的過程為三次，以保證合金錠成分均勻；真空電弧熔煉爐的熔煉電流為400A，熔煉過程中通高純氬氣保護;熔煉結束后，得到N、0元素共同摻雜的鈦基非晶復合材料合金錠。6.如權利要求4所述制備共同摻雜N、0元素的鈦基非晶復合材料的方法，其特征在于，所述噴鑄的具體過程是:通過機械栗將噴鑄爐內的氣壓抽到6 X KT3Pa，回充0.5個大氣壓的高純氬氣作為保護氣氛;噴鑄爐的感應線圈通電對石英坩堝內的合金試樣加熱至完全熔化；向石英坩堝內注入高純氬氣，使噴鑄氣罐中高純氬氣的氣壓為2 X IO4Pa;石英坩堝內的合金試樣溶液在高純氬氣氣流的壓力下噴鑄至水冷的無氧銅模具中，形成棒狀摻雜有N元素和O元素的鈦基非晶復合材料;所述噴鑄爐熔煉的功率為12KW。
【文檔編號】C22C45/10GK105886965SQ201610297186
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】李金山, 李力源, 王軍, 寇宏超
【申請人】西北工業大學

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