[发明专利]一种钛基块状非晶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属块状非晶复合材料的制备技术，具体是指一种含纳米晶的钛基块状非晶复合材料及其制备方法。

背景技术

块状非晶复合材料具有高强度、高硬度、耐腐蚀和磨损性等优异的综合性能，在航空航天、军工、仪表仪器、体育器材等领域具有广阔的应用前景。通常情况下，根据分布于非晶基体的第二相类型，目前用熔体凝固法制备的块状非晶复合材料主要可分为以下几种类型：(1)第二相为外加难熔金属或陶瓷颗粒的复合材料，公开于题为“具有塑性和吉帕级强度的镁基块状金属玻璃复合材料”(Mg-based bulk metallic glass composites with plasticity and gigapascal strength，Acta Mater.，2005，53(6)，1857-1866)；(2)第二相为内生体心立方(Body centered cubic，bcc)β-Ti树枝晶的复合材料，公开于题为“开发韧性、低密度、具有拉伸塑性的钛基块状金属玻璃基复合材料”(Development of tough，low-density titanium-based bulk metallic glass matrix composites with tensile ductility，PNAS，2008，105(51)，20136-20140)；(3)第二相为通过热处理块状非晶合金获得的内生纳米晶或超细晶的复合材料，公开于题为“块状金属玻璃和复合材料的力学性能”(Mechanical properties of bulk metallic glasses and composites，J.Mater.Res.，2007，22，285～301)。尤其是，对于某些特定合金体系的块状非晶复合材料，比如钛合金，由于冷却速率的限制，它们只具有几毫米的小临界尺寸。即使是含Be的TiZrVCuBe多组元合金体系，其最大直径也只有3mm(PNAS，2008，105(51)，20136-20140)。同时，对于不含Be的钛合金，比如据“具有高强度和提高塑性的纳米结构的锆基和钛基复合材料”(Nanostructured Zr-and Ti-based composite materials with high strength and enhanced plasticity，J.Appl.Phys.，2005，98，054307)记载，TiNbCuNiAl合金，很难通过熔体凝固法获得块状非晶复合材料，只能获得基体为纳米晶、第二相为β-Ti树枝晶的钛基复合材料，且其最大直径仅为3mm。

作为一种替代的材料成形方法，由于机械合金化能合成具有宽过冷液相区的非晶合金粉末，因此，机械合金化加随后的粉末固结法(包括放电等离子烧结、热压和挤压等)是一种可行的制备较大尺寸块状非晶复合材料的方法。然而，在这些制备的块状非晶复合材料中，分布于非晶基体的第二相大都为难熔的外加颗粒，未能获得第二相为内生bcc β-Ti相的块状非晶复合材料。

因此，若能通过选择合适的合金成分、材料成形方法及其制备参数，合成出较大尺寸、第二相为内生bcc β-Ti的块状非晶复合材料，将会具有非常重要的意义。迄今，尚无采用粉末冶金技术合成第二相为内生bcc β-Ti的钛基块状非晶复合材料的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种较大尺寸、第二相为内生bcc β-Ti的钛基块状非晶复合材料。

本发明的另一个目的在于提供一种实现近全致密、bcc β-Ti分布均匀的钛基块状非晶复合材料的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种钛基块状非晶复合材料，其特征在于：钛基块状非晶复合材料的微观结构中以非晶相为基体、以bcc β-Ti为第二相，具体组分及其按原子百分比计含量为：Ti 60.0～68.0at.％，Nb 7.0～20.0at.％，Cu 5.0～11.0at.％，Ni 5.0～9.0at.％，Al 3.0～8.0at.％，B 0.1～2.0at.％，C 0.1～2.0at.％，其余为不可避免的微量杂质。

上述钛基块状非晶复合材料的制备方法，包括混粉、高能球磨，其特征在于：该方法是高能球磨和脉冲电流烧结技术相结合的成形方法，它包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：混粉