简介概要

钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料界面

来源期刊：中国有色金属学报2004年第10期

论文作者：王美玲惠希东董伟刘雄军陈国良

文章页码：1632 - 1632

关键词：渗流铸造；金属玻璃；复合材料；界面结构

Key words：melt infiltration casting; metallic glass; composite; interface structure

摘要：采用渗流铸造工艺制备了钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料，利用X射线衍射、扫描电镜、电子探针以及Nano Indenter 纳米显微力学探针考察了复合材料的界面结构以及界面微区力学性能。结果表明：钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料界面仅由单纯的界面溶解和扩散形成，并未发生界面反应，该界面应属于金属基复合材料的Ⅱ类界面；并且溶解和扩散的存在使界面微区的硬度和弹性模量高于基体，界面结合较强，没有沿界面的裂纹扩展。

Abstract: W fiber reinforced ZrTiCuNiBeNb metallic-glass matrix composite was prepared by melt infiltration casting. The interface structure and mechanical properties were analyzed by using XRD, SEM, EPMA and Nano Indenter MPM(mechanical properties micro-probe). The results illustrate that the interface of ZrTiCuNiBeNb metallic-glass matrix composite is a simply diffusion-dissolution layer only and there is no interfacial reactions between W fibers and matrix. The composite is included as a class system according to the theory of interfaces in metal matrix composites. The hardness and elastic modulus of the interface are higher than those of the matrix. The interfacial bond is very strong and there isn’t propagation of the cracks along the interface.

中国有色金属学报 2004,(10),1632-1636 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.10.002

钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料界面

王美玲惠希东董伟刘雄军陈国良

北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083

摘要：

采用渗流铸造工艺制备了钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料,利用X射线衍射、扫描电镜、电子探针以及NanoIndenterⅡ纳米显微力学探针考察了复合材料的界面结构以及界面微区力学性能。结果表明:钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料界面仅由单纯的界面溶解和扩散形成,并未发生界面反应,该界面应属于金属基复合材料的Ⅱ类界面;并且溶解和扩散的存在使界面微区的硬度和弹性模量高于基体,界面结合较强,没有沿界面的裂纹扩展。

关键词：

渗流铸造;金属玻璃;复合材料;界面结构;

中图分类号： TB331;TB333

作者简介：王美玲(1976),女,博士研究生.电话:01062332169;E mail:wang＿meiling@sina.com.cn;

收稿日期：2004-02-24

基金：国家"八六三"计划资助项目(2001AA331010);国家重点基础研究发展规划资助项目(G200067201 3);国家自然科学基金资助项目(50071005;50171006);北京市重大科技资助项目(H020420030320);

Interface of W fiber reinforced ZrTiCuNiBeNb bulk metallic glass matrix composite

Abstract：

W fiber reinforced ZrTiCuNiBeNb metallic-glass matrix composite was prepared by melt infiltration casting. The interface structure and mechanical properties were analyzed by using XRD, SEM, EPMA and Nano Indenter MPM(mechanical properties micro-probe). The results illustrate that the interface of ZrTiCuNiBeNb metallic-glass matrix composite is a simply diffusion-dissolution layer only and there is no interfacial reactions between W fibers and matrix. The composite is included as a class Ⅱ system according to the theory of interfaces in metal matrix composites. The hardness and elastic modulus of the interface are higher than those of the matrix. The interfacial bond is very strong and there isn't propagation of the cracks along the interface.

Keyword：

melt infiltration casting; metallic glass; composite; interface structure;

Received： 2004-02-24

近几年来, 大块金属玻璃以其具有的优异力学性能成为结构材料领域的新热点 ^[1,2,3] , 但是大块金属玻璃的断裂表现为无宏观塑性变形的脆性断裂, 这大大限制了它的应用 ^[4,5] 。为了调整和改善大块金属玻璃的综合性能, 人们进行了各种各样的大块金属玻璃复合材料的研究 ^[6,7,8] , 采用渗流铸造工艺制备的长纤维增强金属玻璃复合材料便是其中之一 ^[9,10] 。同常规的晶态金属基复合材料一样,用渗流铸造工艺制备的钨丝增强Zr基大块金属玻璃复合材料也存在界面反应、界面扩散等界面结合问题。纤维和基体之间合适的扩散反应会提高复合材料的界面结合, 但是大量界面反应产物会在界面形成聚集的脆性相和界面反应产物脆性层, 使复合材料性能急剧下降 ^[11,12] 。同时对于金属玻璃基复合材料而言, 这种界面扩散和界面反应, 还会使基体合金的实际成分偏离其名义成分 ^[13] , 可能导致基体非晶形成能力的降低, 所以控制钨丝增强金属玻璃基复合材料的界面反应和界面扩散是非常重要的。作者前期的试验结果表明: 基体合金中Nb的加入能够有效抑制钨丝/Zr基金属玻璃复合材料W-Zr界面反应的发生, 并减弱Zr向钨丝中扩散。本文作者选取ZrTiCuNiBeNb系基体合金, 利用渗流铸造工艺制备了钨丝增强的ZrTiCuNiBeNb基大块金属玻璃复合材料, 研究了复合材料的界面结构和界面微区力学性能。

1 实验

选用高纯金属Zr(99.999%)、 Ni(99.999%)、 Cu(99.99%)、 Ti (99.9%)、 Nb(99.999%)、 Be(99.9%), 将它们以合适的比例调配, 在高纯氩气保护条件下, 应用液态母合金纯化技术, 利用电弧熔炼制备出ZrTiCuNiBeNb母合金锭。

直径为250 μm的钨丝轿直后切成5 cm长, 在40%HF中浸泡, 除去表面氧化膜, 然后通过超声波震荡分别在丙酮和酒精中清洗。渗流铸造制备复合材料的详细工艺过程见文献 [ 9] 。表1所列为试验所用基体合金成分以及渗流铸造工艺参数。

表1 基体合金成分以及渗流铸造工艺参数下载原图

Table 1 Composition of matrix alloy and parameters of melt infiltration casting

复合材料试样沿钨丝横向、纵向切开后, 预磨抛光, 采用PHILIPS APD-10 X射线衍射仪分析复合材料的相组成, 利用LEO1450扫描电镜以及其自带的电子探针对复合材料界面形貌和界面扩散情况进行研究, 并用Nano Indenter Ⅱ纳米显微力学探针测定复合材料界面微区的力学性能。

2 结果与讨论

2.1 界面结构

图1所示为钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料的X射线衍射谱, 从中可以看出复合材料的基体完全非晶化, 除了钨丝的主峰外, 复合材料的X射线衍射谱中并未出现其它的峰值。图2所示为复合材料的背散射电子像, 从中可以看到复合材料具有非常清晰的界面, 无界面反应相生成。图3所示为复合材料界面处元素的线扫描结果, 渗流时, 界面处不仅存在基体合金元素向钨丝中的固相扩散, 而且同时存在着固相W向基体合金中溶解扩散, 这种双向扩散在复合材料的界面处形成了大约2 μm的扩散层。而且由于渗流时双向扩散的不均衡, 复合材料的界面中心向钨丝方向移动。由此可见, 钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料界面由单纯的界面溶解、扩散构成, 按照金属基复合材料界面理论, 钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料的界面结构应属于Ⅱ类界面, 即为原组成成分构成的犬牙交错的溶解扩散型界面 ^[11] 。

图3 W丝/ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料界面元素线扫描图

Fig.3 FPMA line scanning across W fiber/ZrTiCuNiBeNb composite interface

2.2 界面微区力学性能

图4(a)所示为1 000倍光学显微镜下观察到的钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料Nano Indenter压痕在界面的分布。试验时, 设定的压入深度为100 nm, 压痕间距为1.88 μm, 在这种加载条件下, 复合材料基体、增强体以及界面的变形都处于塑性变形阶段, 放大的压痕周围清晰可见材料由于塑性变形被挤出的痕迹(如图4 (a)中左下图)。图4(a)各点的硬度和弹性模量分布曲线如图4(b)所示, 复合材料界面处的弹性模量和硬度值都介于基体和钨丝之间, 而且越靠近钨丝, 弹性模量和硬度越高。

图4 复合材料界面微区力学性能Fig.4 Mechanical properties of W fiber/matrix composite

(a)—Impression;(b)—Hardness and elastic modulus distributions

图5所示为用Nano IndenterⅡ纳米显微力学探针采用最大给定载荷750 mN压入靠近界面的基体时的压痕形貌。在750 mN给定载荷下, 界面处的基体不仅发生了很大的塑性变形, 而且沿着压痕的尖角有裂纹的产生和扩展, 可以看到裂纹A由基体进入界面区后, 贯穿界面进入钨丝内部, 而并没有沿着界面扩展, 造成界面开裂。

图5 复合材料界面裂纹扩展情况

Fig.5 Expanding of crack through W fiber/matrix interface

2.3 讨论

Ishida提出 ^[14] : 当固液二相接触时, 熔融的液态原子向固态金属中的扩散以及固态金属向液态金属中的溶解这2个过程同时发生, 这样在靠近固态金属的界面处会形成液态原子的固溶层; 而在靠近液态金属的界面处, 由于固态金属在液相中溶解, 在随后的冷却过程中会出现固态原子的过饱和溶液层, 在该层析出相图中存在的稳定金属间化合物, 形成界面反应层。作者前期的试验结果表明: 用渗流铸造工艺制备钨丝增强Zr基金属玻璃复合材料时, 渗流过程中钨丝和熔融基体之间确实存在着扩散和溶解, 但是界面反应却是通过W-Zr之间的包晶反应来完成的, 而不是Ishida提出的溶解析出机制, 而且基体合金中Nb的存在能有效地抑制界面包晶反应的发生(见图6)。钨丝增强Zr₅₅Al₁₀Ni₅- Cu₃₀金属玻璃复合材料的界面处存在由于W-Zr包晶反应而生成的W₅Zr₃界面反应相, 而含Nb的(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)_0.98Nb₂ 以及Zr₅₇Al₁₀Ni_12.6Cu_15.4- Nb₅基复合材料具有非常清晰的界面, 并无界面反应相存在, 钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料的界面结构也证实了这一点。

钨丝增强ZrTiCuNiBeNb金属玻璃基复合材料的界面结构属于由溶解扩散构成的Ⅱ类界面, 在这种形式下, 液态金属和纤维之间的浸润或局部互溶有利于界面结合力的提高 ^[15] 。 Schroers 关于Zr基金属玻璃和纯W的界面特性研究表明: 液态金属玻璃对W的浸润角θ<5°, 二者之间完全润湿 ^[16] 。表2列出了钨丝增强Vit 1 ^[17] 金属玻璃和本实验所用的ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料靠近基体的界面平均成分, 可以看到基体合金中Nb的加入提高了W在基体合金中的溶解, 这种液态金属玻璃和W纤维之间的完全浸润以及相互溶解扩散使得ZrTiCuNiBeNb金属玻璃复合材料界面的硬度和弹性模量相对于基体都有所增加, 同时界面结合力提高, 基体中裂纹贯穿界面进入增强相, 没有造成界面开裂。

表2 ZrTiCuNiBe(Nb)基复合材料钨丝周围基体的平均成分下载原图

Table 2 Average components of ZrTiCuNiBe(Nb) matrix near W fiber(mole fraction, %)

图6 渗流温度为1 205 K,时间为1 0 min时复合材料的界面形貌Fig.6 SEMimages of W fiber/matrix interface

(a)—Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀;(b)—(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)_0.98Nb₂;(c)—Zr57Al10Ni12.6Cu15.4Nb5(Infiltration temperature 1 205 K and time 10 min;Light zone—fibers;Dark zone—matrix)