一种非晶复合材料的制备方法

本发明属于合金材料，具体涉及一种非晶复合材料的制备方法。

背景技术：

1、金属非晶合金因其优异的力学性能和物理化学性能，在航空航天、海洋工程、精密机械、电子设备和生物医疗等领域显示出广阔的应用前景，受到人们的广泛关注。但是金属非晶合金的室温塑性变形主要集中在高度局域化的剪切带中，表现出无预警性的脆性断裂，严重阻碍了非晶合金作为新型结构材料的应用。研究发现在非晶合金基体中原位引入韧性晶体相制备获得的非晶-晶体复合材料表现出优异的室温力学性能。因此，块体非晶复合材料的成分和工艺优化变得至关重要。

2、目前国内外生产厂家和院校研究所普遍采用优化合金成分、改变铸造工艺和增材制造工艺、引入表面处理工艺和超快速热处理工艺以及增加异质形核点等方法，来调控非晶基体中韧性晶体相的形核和长大，从而成功制备出一系列金属非晶复合材料。尽管此类非晶复合材料的力学性能得到了改善，但是这种方法对晶体析出相的大小、形状、分布以及体积分数依然难以控制，不利于这类金属非晶复合材料力学性能的进一步提升。其次，为了得到第二韧性晶体相，往往通过牺牲非晶合金的非晶形成能力来获得，从而所获得复合材料的尺寸往往小于合金体系自身的非晶形成临界尺寸，不利于其作为结构材料的应用。再次，传统制备非晶复合材料的方法往往面临晶体相不均匀、体积分数和颗粒大小不可控以及力学性能不可重复性等风险，导致产品质量不高且废品率较高的问题。因此，需要一种新的方法来有效的制备出不低于其单相非晶合金的临界尺寸并且第二韧性晶体相的析出过程可调的高强高韧金属非晶复合材料。

3、利用真空电子束熔化技术制备非晶合金复合材料，具有独到优势，可提高产品研发的稳定性和可靠性，有利于实现工业化的快速推进。但是在利用真空电子束熔化技术制备非晶合金复合材料的过程中，通过观察复合材料的微观结构发现，制备的晶体组织存在缺陷，这种缺陷会影响复合材料力学性能，同时也使得第二韧性晶体相在非晶合金中的析出过程可调性变差。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非晶复合材料的制备方法，利用真空电子束熔化技术在非晶基体中形成晶体相，在真空电子束熔化的过程中，采用场辅助(磁场、声场、电场、热场中的一种或多种)方式来减少所形成的组织缺陷，提高了晶体相在非晶合金中析出过程的可调性，通过调控微区熔化位置、束流大小、扫描时间以及增加不同的场辅助方式协同，实现了非晶复合材料中晶体的大小、分布、体积分数和形貌的有效可控，同时也提高了复合材料的力学性能。

2、本发明提供的方法是不用牺牲非晶合金本身的玻璃形成能力前提条件下制备非晶合金板材，然后对所获得的非晶合金板材表面进行真空电子束微区重熔，当重熔一个微小区域，就会产生两种晶体相，即熔池区快速凝固获得的韧性晶体相和热影响区快速加热获得的韧性晶体相。通过在已有块体非晶板材表面进行真空电子束微区重熔，控制不同区域、熔化电流、熔化时间可以获得不同微观结构的块体非晶复合材料，通过增加不同的场辅助方式可以减少组织缺陷，最终达到结构和性能可调的高强高韧金属非晶复合材料。本发明的目的在于为非晶复合材料研发制备提供了一套行之有效的工艺方法，从而获得具有优异力学性能的高强高韧块体非晶复合材料，确保此类非晶复合材料的高质量和高重复性，降低产品的废品率，拓宽了非晶复合材料的应用前景，具有良好的工业应用价值。

3、另外，本发明还有两个技术优势，一是不需要类似传统制备工艺降低其冷却速度来制备非晶复合材料，从而最大程度上保留了非晶合金的临界形成尺寸；二是通过调控微区熔化位置、束流大小、扫描时间以及增加不同的场辅助方式协同，可以实现非晶复合材料中晶体的大小、分布、体积分数和形貌的有效可控。

4、本发明具体是通过如下技术方案来实现的。

5、一种非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

6、将非晶合金材料置于真空电子束微区重熔炉内的基板上，在真空条件下，采用电子束对非晶合金进行扫描，扫描过程中，对非晶合金材料施加辅助场，在非晶基体中形成晶体相；所述辅助场为磁场、声场、电场、热场中的一种或多种。

7、在本发明优选的实施例中，所述辅助场为磁场，在基板两侧分别放置一个永磁体，两个永磁体的磁性相对，所述非晶合金材料位于两个永磁体之间。所述磁场提供垂直于电子束方向的静磁场。

8、在本发明优选的实施例中，通过调控扫描模式来调控晶体相在非晶基体中的形貌。扫描模式为点扫描模式或线扫描模式。

9、在本发明优选的实施例中，所述扫描为点扫描模式，通过控制电子束束流大小和每个区域的微区重熔时间来调控晶体相在非晶基体中的体积分数。

10、在本发明优选的实施例中，所述扫描为线扫描模式，通过控制电子束束流大小和扫描速度来调控晶体相在非晶基体中的体积分数。

11、在本发明优选的实施例中，非晶合金材料为块状，通过调控非晶合金材料的x轴位置和y轴位置来控制晶体相在非晶基体中的位置和分布。

12、在本发明优选的实施例中，非晶合金材料为由以下原子百分比的原料组成：cu46zr46al8 at.％，合金在铸态下为典型的非晶结构，采用点扫描模式时，电子束束流大小为0.6-0.9ma，微区重熔时间为2-4s。

13、在本发明优选的实施例中，非晶合金材料为由以下原子百分比的原料组成：cu46zr46al8 at.％，合金在铸态下为典型的非晶结构，采用线扫描模式时，电子束束流大小为2-2.5ma，扫描速度为500-1000mm/min。

14、在本发明优选的实施例中，真空电子束微区重熔炉腔室真空小于等于8×10-3pa，焊接腔室真空小于等于9×10-3pa，电子束的聚焦电流设置为500-700ma，扫描频率设置为400-600hz，偏压设置为1800v，灯丝电流设置为17-19a，采用的高压为65-75kv，光斑直径为100-300μm。

15、本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

16、1、本发明将非晶合金材料置于真空电子束微区重熔炉内的基板上，在真空条件下，采用电子束对非晶合金进行扫描，扫描过程中，对非晶合金材料施加辅助场(磁场、声场、电场、热场中的一种或多种)，在非晶基体中形成晶体相；通过采用场辅助方式减少了所形成的组织缺陷，提高了制备的非晶材料的力学性能，同时也使得制备的非晶材料的结构和性能可调性提高。

17、2、本发明创新性的提供了一种采用场辅助真空电子束微区重熔工艺的方法，用于制备高强高韧的块体非晶复合材料。所制备的合金材料具备结构的稳定性、可控性和高度重复性等优势。由此制得的材料在室温下展现出性能可控的力学性能，适用于航空航天、轨道交通、船舶舰艇等载体。此外，该材料还可用于生物医疗领域和支架固定装置等，呈现出重要的工业应用前景。

18、3、本发明方法具备低成本、高自动化程度、简单而有效等特点，因此在航空航天领域和生物医学领域的应用潜力巨大。

技术特征：

1.一种非晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述辅助场为磁场，在基板两侧分别放置一个永磁体，两个永磁体的磁性相对，所述非晶合金位于两个永磁体之间。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述磁场提供垂直于电子束方向的静磁场。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过调控扫描模式来调控晶体相在非晶合金基体中的形貌，所述扫描模式为点扫描模式或线扫描模式。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述扫描为点扫描模式，通过控制电子束束流大小和每个区域的微区重熔时间来调控晶体相在非晶合金基体中的体积分数。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述扫描为线扫描模式，通过控制电子束束流大小和扫描速度来调控晶体相在非晶合金基体中的体积分数。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，非晶合金为块状，通过调控非晶合金的x轴位置和y轴位置来控制晶体相在非晶合金基体中的位置和分布。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，非晶合金由以下原子百分比的原料组成：cu 44-48at.％，zr 44-48at.％，余量为al，合计100％，合金在铸态下为非晶结构，采用点扫描模式时，电子束束流大小为0.6-0.9ma，每个区域的微区重熔时间为2-4s。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，非晶合金材料由以下原子百分比的原料组成：cu 44-48at.％，zr 44-48at.％，余量为al，合计100％，合金在铸态下为非晶结构，采用线扫描模式时，电子束束流大小为2-2.5ma，扫描速度为500-1000mm/min。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，真空电子束微区重熔炉腔室真空小于等于8×10-3pa，焊接腔室真空小于等于9×10-3pa，电子束的聚焦电流设置为500-700ma，扫描频率设置为400-600hz，偏压设置为1800v，灯丝电流设置为17-19a，采用的高压为65-75kv，光斑直径为100-300μm。

技术总结本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：将非晶合金材料置于真空电子束微区重熔炉内的基板上，在真空条件下，采用电子束对非晶合金进行扫描，扫描过程中，对非晶合金材料施加辅助场，在非晶基体中形成晶体相；所述辅助场为磁场、声场、电场、热场中的一种或多种。本发明利用真空电子束熔化技术在非晶基体中形成晶体相，在真空电子束熔化的过程中，采用场辅助方式来减少所形成的组织缺陷，提高了制备的非晶材料的力学性能，同时也使得制备的非晶材料的结构和性能可调性提高。技术研发人员：宋凯凯,郜庆伟,宫建红,张继雷,赵文哲,司德坤,崔振鲁,陈湘艳受保护的技术使用者：山东大学深圳研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/11