Ti基金屬纖維的制備及其性能*

張樹玲，陳煒曄，張佃平，戚澤學(xué)，耿桂宏

(1 寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏　銀川　750021；2 北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏　銀川　750021；3 中國人民解放軍94213部隊(duì)，山東　濟(jì)南　250000)

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科學(xué)實(shí)驗(yàn)

Ti基金屬纖維的制備及其性能*

張樹玲1，陳煒曄2，張佃平1，戚澤學(xué)3，耿桂宏2

(1 寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2 北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川750021；3 中國人民解放軍94213部隊(duì)，山東濟(jì)南250000)

采用熔體抽拉法制備了直徑20～50 μm的Ti基金屬纖維。這類纖維直徑均勻、表面光潔，最大長度達(dá)到20 cm。隨后對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能進(jìn)行了觀察和分析。結(jié)果分析顯示，這類金屬纖維不但具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性好、在703 K開始晶化；而且，具有優(yōu)良的力學(xué)性能優(yōu)異，0.2 mm/min 的拉伸速率下，室溫?cái)嗔褟?qiáng)度達(dá)到2.5 GPa，0.05 mm/min的拉伸速率下斷裂強(qiáng)度達(dá)到2.7 GPa。

Ti基合金；金屬纖維；力學(xué)性能

金屬纖維由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異性能，如良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性以及強(qiáng)度高、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)近幾年得到了迅速發(fā)展，并在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但因制備技術(shù)的應(yīng)用合金領(lǐng)域不同，目前多種金屬纖維的制備尚處于探索階段。金屬纖維制備技術(shù)主要有三種：旋轉(zhuǎn)水紡法、玻璃包裹法、熔體抽拉法[2]。旋轉(zhuǎn)水紡法是在壓力作用下將熔體噴射到浸入水中快速旋轉(zhuǎn)的輥輪上，利用水和輥輪快速凝固形成纖維，這一技術(shù)主要用于制備Fe基、Co基金屬纖維[4]。玻璃包覆法由Taylor于1924年提出，隨后用于金屬纖維的制備[5]。該方法主要用于制備熔化溫度與玻璃管軟化溫度相近、且二者之間具有一定潤濕能力的金屬纖維。熔體抽拉技術(shù)最早由美國巴特爾公司在20世紀(jì)70 年代初期發(fā)明[6]，2008年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出國內(nèi)第一臺(tái)熔體抽拉設(shè)備[7]，此后，國內(nèi)熔體抽拉金屬纖維制備技術(shù)得到了發(fā)展。熔體抽拉技術(shù)利用快速旋轉(zhuǎn)的輥輪尖狀外圓蘸取熔融金屬液并抽拉出母合金熔體，在表面張力作用下形成纖維，并經(jīng)快速旋轉(zhuǎn)輥輪冷卻形成固態(tài)金屬纖維[8]，其冷卻速率高達(dá)106～109K/s，所以，熔體抽拉技術(shù)制備金屬纖維更容易獲得亞穩(wěn)相或者非晶態(tài)。目前，已經(jīng)采用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Co基、NiTi基、Mg基、La基、Zr基、Gd基等多種非晶態(tài)金屬纖維的生產(chǎn)。與傳統(tǒng)工藝下制備的金屬材料相比，金屬纖維具有高的強(qiáng)度和優(yōu)異的電磁性能[9-12]。Fe基非晶是一種典型的脆性非晶合金，室溫加工過程中易脆斷，斷裂方式多以破碎斷裂為主，但通過控制其凝固過程，所制備Fe基纖維柔韌性、塑性均大幅提高，而且具有優(yōu)異的巨磁阻抗效應(yīng)、巴克豪森效應(yīng)等[13-15]。傳統(tǒng)的Mg-Y合金，采用熔體抽拉技術(shù)制備成纖維后，與普通鑄造Mg-Y合金相比其抗拉強(qiáng)度提高了3倍，體液內(nèi)的降解速率為普通Mg-Y合金的1/10，耐蝕性亦大大提高[16]。由于Ti合金的高活性，其纖維制備技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究嘗試階段，本研究以TiCuNi基材料，采用熔體抽拉法研究TiCuNi基非晶微纖維成形過程，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能分析。

1　實(shí)　驗(yàn)

按照名義成分Ti53Cu27Ni12Zr3Al7Si4所配原料的鑄棒作為胚料。實(shí)驗(yàn)過程：首先將原材料進(jìn)行清洗處理，然后按照名義成分Ti53Cu27Ni12Zr3Al7Si4用精度為萬分之一的電子天平配料，利用真空磁控鎢極電弧爐將配料融化鑄成母合金棒料，再次將母合金棒料置入熔體抽拉裝置實(shí)現(xiàn)微纖維的制備。在對(duì)所配原料進(jìn)行熔煉前需將電弧爐抽真空至10-3Pa，然后充入氬氣(Ar，99.97%)作為保護(hù)氣氛。為保證合金成分均勻，熔煉過程中利用電磁攪拌保證組元之間充分混合。母合金鑄棒的尺寸為直徑10 mm，長度5 cm。

母合金鑄棒胚料置入熔體抽拉裝置的BN坩堝后，對(duì)熔體抽拉裝置抽真空后充入保護(hù)性氣體高純Ar(純度99.9%)，同時(shí)啟動(dòng)金屬輥輪，輥輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為2800 r/min，母合金完全熔化后按一定進(jìn)給速度進(jìn)行金屬纖維制備。

用XRD分析了Ti基金屬微纖維的相結(jié)構(gòu)。用掃描電鏡觀察這類金屬纖維的表面形貌，并對(duì)微纖維進(jìn)行了力學(xué)性能測試和熱分析。

2　結(jié)果與討論

圖1是Ti基金屬纖維樣品的XRD圖譜。從圖譜中可以看出，衍射圖譜中不存在明顯的晶相衍射峰，由此說明所制備金屬纖維為非晶態(tài)。

圖2　Ti基金屬纖維樣品表面SEM照片F(xiàn)ig.2　SEM surface photo of Ti-based metallic fiber

圖2是這類Ti基非晶纖維樣品的表面SEM照片。從照片中可以看出，所制備的微纖維表面光潔，直徑均勻，不存在明顯的凹坑、竹節(jié)等缺陷；這類纖維連續(xù)長度達(dá)到20 cm，彎曲180度不斷裂，具有一定的彈塑性。

圖3分別是在0.05 mm/min 和0.2 mm/min拉伸速率下的Ti基非晶纖維應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力隨變形量的增加而增加，并且在兩種拉伸速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線都趨于線性關(guān)系。相同直徑的非晶纖維在低拉伸速率下，抗拉強(qiáng)度明顯變大，在0.2 mm/min的拉伸速率下非晶纖維的斷裂強(qiáng)度接近2.5 GPa，而在0.05 mm/min拉伸速率下，斷裂強(qiáng)度可達(dá)到2.75 GPa。

圖3　Ti基金屬纖維應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curve of Ti-based metallic fiber

圖4是Ti基非晶纖維樣品的斷口形貌SEM照片。從照片中可以看出，纖維的斷口形貌是由光滑區(qū)(又稱無特征區(qū)、冷剪切區(qū))和脈絡(luò)狀花樣區(qū)域組成。纖維界面圓度較高。斷口周圍存在極少的剪切帶，斷口邊緣的光滑區(qū)是試樣斷裂前的最大剪切臺(tái)階，高度約為10 μm。

圖4　Ti基非晶纖維樣品的斷口形貌Fig.4　Fracture morphology of Ti-based metallic fiber

這說明，雖然提高了Ti元素的含量，降低了具有更大玻璃形成能力的Zr、Cu合金元素的含量，這一成分的Ti基纖維依然保持為非晶態(tài)，而且斷裂強(qiáng)度大大提高，這與采用的熔體抽拉技術(shù)可以獲得大的凝固冷卻速率有關(guān)，根據(jù)熔體抽拉金屬纖維凝固冷卻速率計(jì)算公式[6]，直徑30 μm的這類Ti基非晶纖維凝固冷卻速率達(dá)到109K/s。

圖5　Ti基金屬纖維DSC曲線Fig.5　DSC curve of Ti-based metallic fiber

圖5的熱分析表明，Ti-Cu-Ni非晶纖維的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和初始晶化溫度 Tx值(Tg和Tx值均采用切線法標(biāo)定)分別為672 K和703 K。從DSC 曲線上可以觀察到在 Tg之后有一個(gè)吸熱峰，隨后出現(xiàn)了三個(gè)放熱峰，結(jié)果表明，晶化分為多個(gè)階段，非晶合金在加熱過程中從過冷液相轉(zhuǎn)變?yōu)榱司w相。而且，與Ti-Cu-Ni-塊體非晶合金相比，隨Cu 和Zr 含量的減少，有三個(gè)放熱峰變寬，表明晶體的形核和長大變得越來越慢，這類Ti非晶纖維熱穩(wěn)定性較好。

3　結(jié)　論

采用熔體抽拉法制備了Ti基金屬纖維，大的凝固冷卻速率下，增加Ti合金元素含量后，結(jié)構(gòu)分析表明這類金屬纖維為非晶態(tài)，其表面平整光滑，直徑均勻，抗拉強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好；拉伸斷裂以脆性斷裂為主，0.05 mm/min拉伸速率下，最大斷裂強(qiáng)度達(dá)到2.7 GPa，這為后續(xù)Ti基纖維制備工藝、特點(diǎn)及其復(fù)合材料研究建立前期基礎(chǔ)。

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Preparation and Properties of Ti Based Metal Fibers*

ZHANGShu-ling1,CHENWei-ye2,ZHANGDian-ping1,QIZe-xue3,GENGGui-hong2

(1 School of Mechanical Engineering, Niingxia University, Ningxia Yinchuan 750021;2 School of Materials Science and Engineering, Beifang University of Nationalities, Ningxia Yinchuan 750021;3 Unit 94213 of PLA, Shandong Jinan 250000, China)

Ti based metal fibers with a diameter of about 20～50 μm were prepared using melt extraction technology. The surface topography, structure, thermal stability and mechanical properties were investigated and analyzed by SEM, XRD, DSC and tensile test. This kind of Ti based metallic fibers had uniform diameter, smooth surface without pits and their maximum continuous length was up to 20 cm. It was found that this Ti based metal fibers not only had amorphous structure, good thermal stability and also had excellent mechanical performance. The onset crystallization temperature was 703 K with three crystallization exothermic peaks. Their tensile strength reached 2.5 GPa at 0.2 mm/min stretching rate and the rupture strength was as high as 2.7 GPa at a rate of 0.05 mm/min.

Ti based alloy; metal fiber; mechanical property

寧夏大學(xué)自然科學(xué)基金(No：ZR1411)；粉體材料與特種陶瓷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(No：1409)；寧夏大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(No：BQD2014019)；寧夏自然科學(xué)基金(No：NZ15038)；寧夏高等學(xué)校項(xiàng)目(No：NGY20140151、NGY2015056)；北方民族大學(xué)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(No：2015KJ15)。

陳煒曄，男，博士，主要從事金屬材料制備及應(yīng)用。

TG146.2+3

A

1001-9677(2016)015-0046-03