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液态金属复合材料

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液态金属复合材料

发布日期:2018-09-20 作者: 点击:

引言

大多数的液态金属(非晶合金)的强度很高,但拉伸塑性和断裂韧性很低,高度局域化的剪切行为使得液态金属通常是在没有明显室温塑性变形的情况下,沿单一主剪切带发生突然性断裂破坏,这严重制约着其作为先进结构材料在工程中的应用。


因此,为提高和改善液态金属的变形、受冲击性能,近几年来,人们通过在液态金属中引入具有不同强度和剪切模量的第二相以改善液态金属的室温塑性和断裂脆性,发展出了液态金属复合材料,使其塑性性能得到了很大的提高。如某些锆基或铜基非晶合金复合材料在不损失强度的同时,室温压缩塑性变形量已经超过了50%,锆基和钛基非晶合金基复合材料的室温拉伸塑性超过10%。


液态金属复合材料概述

普通金属复合材料通常是通过金属与金属或者金属与非金属材料经过适当的方法制备而成。金属复合材料可分为:陶瓷、颗粒、晶须等增强的金属基复合材料、原位自生增强相的金属基体中复合材料和层板金属基复合材料等。同样的,液态金属复合材料也是通过引入增强相如颗粒、金属网等制备而成,一方面保障了液态金属高强度、高硬度、耐磨损和耐腐烛等优点;另一方面,增强相与基体相互作用,阻止剪切带的快速扩展,同时诱发多重剪切带的形成,从而提高非晶合金的室温塑性。


液态金属复合材料首次出现是由Kimiru制备的WC颗粒增强的Ni基非晶薄带。自此,纤维增强、颗粒增强、金属网增强以及纳米晶或晶体相增强的液态金属复合材料逐步展开研究,通过控制增强相的组织结构、尺寸形貌、体积分数和分布规律来提高非晶合金的室温塑性,在非晶合金力学性能的改善方面取得了巨大的进展。


液态金属复合材料制备方法

目前,液态金属复合材料按照增强(韧)相的引入方式分为内生相(原位合成)和外加相(异位合成)。对于内生相非晶复合材料,其制备需要特殊的制备方法和工艺,而外加相非晶复合材料的性能与其增强相空间拓扑结构关系更加密切。


(1)原位合成


原位合成液态金属复合材料是指设计好合金成分,选择合适的凝固工艺,使第二相在凝固过程中从合金溶体中直接析出。该方法使用过程中,冷却速率是一个非常重要的参数,它直接影响第二相的尺寸、体积分数和分布规律。


近几年,人们采用原位析出法在块体液态金属形成过程中析出具有良好韧性的金属间化合物或金属固溶体类的塑性相,这种复合材料具备了液态金属的高强度,同时又具有良好的室温塑性变形能力,是目前研究的一个热点。


2000年Johnson提出内生塑性相的液态金属复合材料的概念,在Zr-Ti-Cu-Ni-Be体系中添加β相稳定元素Nb,制备出液态金属基体中分散树枝状β相。He和Eckert等人在Ti基液态金属中加入高熔点的Nb、Ta、Mo、Zr等元素,压缩塑性变形率超过14%,极限强度达到2400MPa。Hofmann等人制备出具有拉伸塑性的Zr基液态金属复合材料,该复合材料通过Zr基液态金属基体中析出塑性的β相,复合材料的拉伸塑性得到显著地提高,其室温拉伸总变形率分别为10.8%和13.1%,断面收缩率分别为50%和46%,其断裂韧性指标KIC为150GPa,该材料的塑韧性指标达到了传统金属材料的指标范围。


韩国科学技术研究院材料分院成功地制得了由Lm尺寸的富Ta固溶体颗粒分布在块体液态金属基体中所构成的(Cu60Zr30Ti10)95Ta5复合材料。Cu60Zr30Ti10液态金属的抗压强度为2080MPa,破断延伸率为313%,(Cu60Zr30Ti10)95Ta5复合材料的抗压强度和延伸率分别为2320MPa和1415%。这种复合材料塑性之所以显著改善,认为是由于在受力变形过程中有高延展性Ta颗粒存在的情况下形成了复合剪切带的缘故。


(2)异位合成


异位合成法是指将第二相直接引入非品基体,以达到增强增韧的目的。外加第二相包括单向丝或纤维、微米或者纳米粉末或颗粒和金属网等。


比如,采用钨丝增强制备出ZrTiCuNiBe液态金属复合材料,当钨丝直径为0.25,体积分数为60%时,材料的动态压缩强度高达2600MPa。


中科院物理所汪卫华研究组和英国剑桥大学材料冶金系合作,采用喷丸的方法(即往材料表面喷金属小颗粒),对大块液态金属材料进行表面处理,在大块液态金属材料中引入大量剪切带,这使得大块液态金属材料的压缩过程更接近均匀形变,少数剪切带难以很快扩展成裂纹,从而可有效提高大块液态金属材料的塑性。对于(Zr-Cu-Al-Dy)-Ta液态金属复合材料,压缩试验结果显示:液态金属复合材料的宏观塑性变形量从几乎为零提高到13.5%,断裂强度也从1850MPa提高到2050MPa。


存在的问题

新型块状液态金属具有很强的非晶形成能力和很多的优异性能,制备工艺简单,应用前景广阔。虽然经过十几年的发展和研究,块状液态金属已取得了很大的进展,但无论是基础理论、还是微观结构、宏观性能及新材料探索方面,都还存在大量的问题有待解决。在各种块状液态金属中,Zr基块状液态金属发现的早,研究的也完善。由于其形成能力强、制备方法比较简单而且强度高等特点,被认为是很具有发展前景的结构材料。但是此合金在晶化及性能等方面的研究并不是很完善,尤其液态金属在断裂、疲劳、腐蚀性能等方面的研究还有很多未知的东西。


另外引入第二相的同时也会恶化基体的玻璃形成能力,从而降低所得到的非晶复合材料的尺寸。目前得到的同时具有高强度、高塑性的液态金属复合材料的尺寸一般都不大于5mm,刚发现的具有超塑性的液态金属的大直径也只有5mm。液态金属及复合材料作为一种高性能结构材料,应当同时具有高强度和良好的塑性以及较大尺寸来满足工程使用需要。因此对于液态金属复合材料仍然需要进行进一步的研究工作


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