钨粉/锆基非晶复合材料制备工艺研究

杨旭，雷济旭，路庆伟，邱海兵

（天津理工大学，天津300384）

钨粉/锆基非晶复合材料制备工艺研究

杨旭，雷济旭，路庆伟，邱海兵

（天津理工大学，天津300384）

研究了钨粉/锆基非晶复合材料的制备工艺。将高纯度的W、Ti、Ni粉混合均匀并压缩成块，与Cu、Be、Zr块一同放入铜坩埚中,通过电弧熔炼铜模铸造的方法制备出钨粉/锆基非晶复合材料。对该非晶复合材料进行金相组织观察、成分分析、力学性能测试，并对试样的断口进行SEM观察，发现由于钨粉和液态金属的接触面积增加，作用接触时间增长，使非晶复合材料中有晶态相产生，其压缩强度要低于非晶合金。

钨粉；非晶复合材料；显微组织；力学性能

1 引言

非晶合金没有晶态合金的晶界、晶粒、层错、位错等缺陷的存在，这种新型金属合金材料具有许多优异独特的化学性能、物理性能以及机械性能。在单轴拉伸和压缩条件下，单相非晶合金具有很高的强度（约2 GPa）和一定的弹性应变（约2%）。但非晶合金沿单一剪切带破坏而表现出脆性材料特征，即被破坏时几乎没有塑性变形[1]。材料的破坏不具有预见性,限制了它在一些结构材料的应用。为解决这方面的问题，可通过制备非晶基复合材料的办法来提高非晶合金的塑性变形能力[2]。目前非晶复合材料的研究集中在不同直径的纤维增强非晶复合材料和多孔块体非晶合金方面[3-7]，对粉体增强非晶复合材料的研究相对较少。在非晶合金中Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5合金具有较大的非晶形成能力[8]，将高纯度的W、Ti、Ni粉混合均匀并压缩成块和Cu、Be、Zr块一起放入铜坩埚中，利用高真空熔炼铜模铸造的方法可以方便制备出具有大体积分数的W粉增强非晶复合材料。

2 试验材料及方法

W粉/锆基非晶复合材料试样是通过电弧熔炼铜模铸造的方法直接由原材料制备得到。所用材料Zr、Ti、Ni、Cu、Be、W的纯度不低于99.9%，按照设计成分配比将Zr、Ni、W的粉体材料按照配比均匀混合，采用压片机将混合均匀的粉体压制成片，将其与Cu、Be、Zr块体一起放置于电弧熔炼炉的铜坩埚中，然后抽真空，真空度小于3×10-3Pa，在高纯氩气和钛吸收的保护下，熔炼3~4后，制备出了体积分数为40%和60%的W粉/锆基非晶复合材料锭，采用线切割截取Φ4×8 mm的圆柱试样。采用电液伺服万能试验机MTS（mechanical testing system，MTS），对相应样品进行准静态单轴压缩力学性能测试，选取应变速率为1×10-4/s。利用OLYMPUS BX60M数字式光学显微镜对非晶复合材料显微组织进行观察分析。在日本理学2038-X射线衍射仪上，对W粉/锆基非晶复合材料试样进行XRD分析。

3 实验结果与讨论

图1（a）、图1（b）分别为体积分数为40%和60%W粉的非晶复合材料的显微组织图像，W粉均匀的分布在基体中。由于在本实验条件下采用粉体的粒度小，含量高，在熔炼过程中熔融金属粘度过大，液态金属与W颗粒间润湿变得十分困难，W颗粒很难在合金熔体中流动同时熔融合金自身的流动也变得十分困难，不利于W颗粒均匀分布在非晶基体当中。

图1 W粉/锆基非晶复合材料显微组织

图2 （a）、（b）、（c）分别是体积分数40%和60% W粉/锆基非晶复合材料样品的X射线分析图谱，非晶合金样品（图2（a））为典型的漫散射峰，为完全非晶组织。非晶复合材料（图2（b）、图2（c））主要是由W峰和非晶漫射峰叠加而成的，除W峰外还有其它晶态相衍射峰存在，说明所制得样品有晶态相存在。这是因为实验采用的W粉颗粒细小，随W粉的体积分数的提高，熔融合金与晶态相W接触的表面积增大，非晶合金产生晶态相的可能性提高。同时W颗粒与非晶熔体的作用时间增加，液态金属的非晶形成能力也会下降[9]。

图2 非晶合金及W粉/锆基非晶复合材料样品X射线衍射分析图谱

图3 （a）、图3（b）、图3（c）分别为非晶合金和体积分数为40%、60%W粉/锆基非晶复合材料样品在准静态单轴压缩条件下的应力应变曲线，从曲线中可以看出体积分数为40%和60%样品的压缩强度分别为1 300 MPa和850 MPa，其压缩强度低于非晶合金的1 800 MPa。由于复合材料中有晶态相生成，非晶复合材料的压缩强度降低而且未产生塑性变形。

图3 （a）、图3（b）、图3（c）分别为非晶合金和体积分数为40%、60%W粉/锆基非晶复合材料样品在准静态单轴压缩条件下的应力应变曲线，从曲线中可以看出体积分数为40%和60%样品的压缩强度分别为1 300 MPa和850 MPa，其压缩强度低于非晶合金的1 800 MPa。由于复合材料中有晶态相生成，非晶复合材料的压缩强度降低而且未产生塑性变形。

图3 非晶合金及W粉/锆基非晶复合材料样品应力应变曲线

图4 （a）、图4（b）、图4（c）分别为非晶合金和体积分数为40%、60%W粉/锆基非晶复合材料微观断口形貌图，单相非晶合金为典型的脉状纹络，W粉/锆基非晶复合材料试样的断口平整，两者都表现为脆性断裂。

4 结论

图4 非晶合金及W粉/锆基非晶复合材料试样微观断口形貌图

将高纯度的W、Ti、Ni粉混合均匀并压缩成块和Cu、Be、Zr块一起放入铜坩埚中通过电弧熔炼铜模铸造的方法制备出了W粉/锆基非晶复合材料试样。由于W粉和液态金属的接触面积增加以及作用接触时间增长，非晶复合材料中有晶态相产生，导致其压缩强度要低于非晶合金。

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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

国家级大学生创新创业训练计划项目（201310060024）

杨旭（1993—），男，本科，主要从事材料方面的研究工作。