鎢粉/鋯基非晶復合材料制備工藝研究

楊旭，雷濟旭，路慶偉，邱海兵

（天津理工大學，天津300384）

鎢粉/鋯基非晶復合材料制備工藝研究

楊旭，雷濟旭，路慶偉，邱海兵

（天津理工大學，天津300384）

研究了鎢粉/鋯基非晶復合材料的制備工藝。將高純度的W、Ti、Ni粉混合均勻并壓縮成塊，與Cu、Be、Zr塊一同放入銅坩堝中,通過電弧熔煉銅模鑄造的方法制備出鎢粉/鋯基非晶復合材料。對該非晶復合材料進行金相組織觀察、成分分析、力學性能測試，并對試樣的斷口進行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)由于鎢粉和液態(tài)金屬的接觸面積增加，作用接觸時間增長，使非晶復合材料中有晶態(tài)相產(chǎn)生，其壓縮強度要低于非晶合金。

鎢粉；非晶復合材料；顯微組織；力學性能

1 引言

非晶合金沒有晶態(tài)合金的晶界、晶粒、層錯、位錯等缺陷的存在，這種新型金屬合金材料具有許多優(yōu)異獨特的化學性能、物理性能以及機械性能。在單軸拉伸和壓縮條件下，單相非晶合金具有很高的強度（約2 GPa）和一定的彈性應變（約2%）。但非晶合金沿單一剪切帶破壞而表現(xiàn)出脆性材料特征，即被破壞時幾乎沒有塑性變形[1]。材料的破壞不具有預見性,限制了它在一些結構材料的應用。為解決這方面的問題，可通過制備非晶基復合材料的辦法來提高非晶合金的塑性變形能力[2]。目前非晶復合材料的研究集中在不同直徑的纖維增強非晶復合材料和多孔塊體非晶合金方面[3-7]，對粉體增強非晶復合材料的研究相對較少。在非晶合金中Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5合金具有較大的非晶形成能力[8]，將高純度的W、Ti、Ni粉混合均勻并壓縮成塊和Cu、Be、Zr塊一起放入銅坩堝中，利用高真空熔煉銅模鑄造的方法可以方便制備出具有大體積分數(shù)的W粉增強非晶復合材料。

2 試驗材料及方法

W粉/鋯基非晶復合材料試樣是通過電弧熔煉銅模鑄造的方法直接由原材料制備得到。所用材料Zr、Ti、Ni、Cu、Be、W的純度不低于99.9%，按照設計成分配比將Zr、Ni、W的粉體材料按照配比均勻混合，采用壓片機將混合均勻的粉體壓制成片，將其與Cu、Be、Zr塊體一起放置于電弧熔煉爐的銅坩堝中，然后抽真空，真空度小于3×10-3Pa，在高純氬氣和鈦吸收的保護下，熔煉3~4后，制備出了體積分數(shù)為40%和60%的W粉/鋯基非晶復合材料錠，采用線切割截取Φ4×8 mm的圓柱試樣。采用電液伺服萬能試驗機MTS（mechanical testing system，MTS），對相應樣品進行準靜態(tài)單軸壓縮力學性能測試，選取應變速率為1×10-4/s。利用OLYMPUS BX60M數(shù)字式光學顯微鏡對非晶復合材料顯微組織進行觀察分析。在日本理學2038-X射線衍射儀上，對W粉/鋯基非晶復合材料試樣進行XRD分析。

3 實驗結果與討論

圖1（a）、圖1（b）分別為體積分數(shù)為40%和60%W粉的非晶復合材料的顯微組織圖像，W粉均勻的分布在基體中。由于在本實驗條件下采用粉體的粒度小，含量高，在熔煉過程中熔融金屬粘度過大，液態(tài)金屬與W顆粒間潤濕變得十分困難，W顆粒很難在合金熔體中流動同時熔融合金自身的流動也變得十分困難，不利于W顆粒均勻分布在非晶基體當中。

圖1 W粉/鋯基非晶復合材料顯微組織

圖2 （a）、（b）、（c）分別是體積分數(shù)40%和60% W粉/鋯基非晶復合材料樣品的X射線分析圖譜，非晶合金樣品（圖2（a））為典型的漫散射峰，為完全非晶組織。非晶復合材料（圖2（b）、圖2（c））主要是由W峰和非晶漫射峰疊加而成的，除W峰外還有其它晶態(tài)相衍射峰存在，說明所制得樣品有晶態(tài)相存在。這是因為實驗采用的W粉顆粒細小，隨W粉的體積分數(shù)的提高，熔融合金與晶態(tài)相W接觸的表面積增大，非晶合金產(chǎn)生晶態(tài)相的可能性提高。同時W顆粒與非晶熔體的作用時間增加，液態(tài)金屬的非晶形成能力也會下降[9]。

圖2 非晶合金及W粉/鋯基非晶復合材料樣品X射線衍射分析圖譜

圖3 （a）、圖3（b）、圖3（c）分別為非晶合金和體積分數(shù)為40%、60%W粉/鋯基非晶復合材料樣品在準靜態(tài)單軸壓縮條件下的應力應變曲線，從曲線中可以看出體積分數(shù)為40%和60%樣品的壓縮強度分別為1 300 MPa和850 MPa，其壓縮強度低于非晶合金的1 800 MPa。由于復合材料中有晶態(tài)相生成，非晶復合材料的壓縮強度降低而且未產(chǎn)生塑性變形。

圖3 （a）、圖3（b）、圖3（c）分別為非晶合金和體積分數(shù)為40%、60%W粉/鋯基非晶復合材料樣品在準靜態(tài)單軸壓縮條件下的應力應變曲線，從曲線中可以看出體積分數(shù)為40%和60%樣品的壓縮強度分別為1 300 MPa和850 MPa，其壓縮強度低于非晶合金的1 800 MPa。由于復合材料中有晶態(tài)相生成，非晶復合材料的壓縮強度降低而且未產(chǎn)生塑性變形。

圖3 非晶合金及W粉/鋯基非晶復合材料樣品應力應變曲線

圖4 （a）、圖4（b）、圖4（c）分別為非晶合金和體積分數(shù)為40%、60%W粉/鋯基非晶復合材料微觀斷口形貌圖，單相非晶合金為典型的脈狀紋絡，W粉/鋯基非晶復合材料試樣的斷口平整，兩者都表現(xiàn)為脆性斷裂。

4 結論

圖4 非晶合金及W粉/鋯基非晶復合材料試樣微觀斷口形貌圖

將高純度的W、Ti、Ni粉混合均勻并壓縮成塊和Cu、Be、Zr塊一起放入銅坩堝中通過電弧熔煉銅模鑄造的方法制備出了W粉/鋯基非晶復合材料試樣。由于W粉和液態(tài)金屬的接觸面積增加以及作用接觸時間增長，非晶復合材料中有晶態(tài)相產(chǎn)生，導致其壓縮強度要低于非晶合金。

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Study on Preparation Process of Tungsten Powder/Zirconium Based Amorphous Com posite

YANG Xu,LEI Ji-xu,LU Qing-wei and QIU Hai-bing
(Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

The preparation process for tungsten powder/zirconium based amorphous composite was studied. W,Ti and Ni powders with high purity were mixed uniform ly and pressed to lump and put in copper crucible with Cu,Be and Zr lumps.Then tungsten powder/zirconium based amorphous composite was prepared by arc melting and copper mould casting method.The above amorphous composite was observed by metallographic structure inspection,composition analysis,mechanical property test and SEM inspection on fracture.It was found that crystalline phase,the compression strength of which was lower than amorphous alloy,generated in amorphous composite because of the increase of the contacting area of tungsten powder with liquid metal and longer contacting time.

tungsten powder;amorphous composite;microscopic structure;mechanical property

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.009

2016-06-08

2016-06-24

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201310060024）

楊旭（1993—），男，本科，主要從事材料方面的研究工作。