Ti基金属纤维的制备及其性能*

张树玲，陈炜晔，张佃平，戚泽学，耿桂宏

(1 宁夏大学机械工程学院，宁夏　银川　750021；2 北方民族大学材料科学与工程学院，宁夏　银川　750021；3 中国人民解放军94213部队，山东　济南　250000)



科学实验

Ti基金属纤维的制备及其性能*

张树玲1，陈炜晔2，张佃平1，戚泽学3，耿桂宏2

(1 宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021；2 北方民族大学材料科学与工程学院，宁夏银川750021；3 中国人民解放军94213部队，山东济南250000)

采用熔体抽拉法制备了直径20～50 μm的Ti基金属纤维。这类纤维直径均匀、表面光洁，最大长度达到20 cm。随后对纤维的结构、热稳定性和力学性能进行了观察和分析。结果分析显示，这类金属纤维不但具有非晶态结构、热稳定性好、在703 K开始晶化；而且，具有优良的力学性能优异，0.2 mm/min 的拉伸速率下，室温断裂强度达到2.5 GPa，0.05 mm/min的拉伸速率下断裂强度达到2.7 GPa。

Ti基合金；金属纤维；力学性能

金属纤维由于其独特的结构，具有优异性能，如良好的导电性、导热性、耐磨性以及强度高、弹性模量高等优点近几年得到了迅速发展，并在很多领域得到了广泛的应用[1-3]。但因制备技术的应用合金领域不同，目前多种金属纤维的制备尚处于探索阶段。金属纤维制备技术主要有三种：旋转水纺法、玻璃包裹法、熔体抽拉法[2]。旋转水纺法是在压力作用下将熔体喷射到浸入水中快速旋转的辊轮上，利用水和辊轮快速凝固形成纤维，这一技术主要用于制备Fe基、Co基金属纤维[4]。玻璃包覆法由Taylor于1924年提出，随后用于金属纤维的制备[5]。该方法主要用于制备熔化温度与玻璃管软化温度相近、且二者之间具有一定润湿能力的金属纤维。熔体抽拉技术最早由美国巴特尔公司在20世纪70 年代初期发明[6]，2008年，哈尔滨工业大学研制出国内第一台熔体抽拉设备[7]，此后，国内熔体抽拉金属纤维制备技术得到了发展。熔体抽拉技术利用快速旋转的辊轮尖状外圆蘸取熔融金属液并抽拉出母合金熔体，在表面张力作用下形成纤维，并经快速旋转辊轮冷却形成固态金属纤维[8]，其冷却速率高达106～109K/s，所以，熔体抽拉技术制备金属纤维更容易获得亚稳相或者非晶态。目前，已经采用这一技术实现了Co基、NiTi基、Mg基、La基、Zr基、Gd基等多种非晶态金属纤维的生产。与传统工艺下制备的金属材料相比，金属纤维具有高的强度和优异的电磁性能[9-12]。Fe基非晶是一种典型的脆性非晶合金，室温加工过程中易脆断，断裂方式多以破碎断裂为主，但通过控制其凝固过程，所制备Fe基纤维柔韧性、塑性均大幅提高，而且具有优异的巨磁阻抗效应、巴克豪森效应等[13-15]。传统的Mg-Y合金，采用熔体抽拉技术制备成纤维后，与普通铸造Mg-Y合金相比其抗拉强度提高了3倍，体液内的降解速率为普通Mg-Y合金的1/10，耐蚀性亦大大提高[16]。由于Ti合金的高活性，其纤维制备技术尚处于实验室研究尝试阶段，本研究以TiCuNi基材料，采用熔体抽拉法研究TiCuNi基非晶微纤维成形过程，并对其进行结构和性能分析。

1　实　验

按照名义成分Ti53Cu27Ni12Zr3Al7Si4所配原料的铸棒作为胚料。实验过程：首先将原材料进行清洗处理，然后按照名义成分Ti53Cu27Ni12Zr3Al7Si4用精度为万分之一的电子天平配料，利用真空磁控钨极电弧炉将配料融化铸成母合金棒料，再次将母合金棒料置入熔体抽拉装置实现微纤维的制备。在对所配原料进行熔炼前需将电弧炉抽真空至10-3Pa，然后充入氩气(Ar，99.97%)作为保护气氛。为保证合金成分均匀，熔炼过程中利用电磁搅拌保证组元之间充分混合。母合金铸棒的尺寸为直径10 mm，长度5 cm。

母合金铸棒胚料置入熔体抽拉装置的BN坩埚后，对熔体抽拉装置抽真空后充入保护性气体高纯Ar(纯度99.9%)，同时启动金属辊轮，辊轮转速设定为2800 r/min，母合金完全熔化后按一定进给速度进行金属纤维制备。

用XRD分析了Ti基金属微纤维的相结构。用扫描电镜观察这类金属纤维的表面形貌，并对微纤维进行了力学性能测试和热分析。

2　结果与讨论

图1是Ti基金属纤维样品的XRD图谱。从图谱中可以看出，衍射图谱中不存在明显的晶相衍射峰，由此说明所制备金属纤维为非晶态。

图2　Ti基金属纤维样品表面SEM照片Fig.2　SEM surface photo of Ti-based metallic fiber

图2是这类Ti基非晶纤维样品的表面SEM照片。从照片中可以看出，所制备的微纤维表面光洁，直径均匀，不存在明显的凹坑、竹节等缺陷；这类纤维连续长度达到20 cm，弯曲180度不断裂，具有一定的弹塑性。

图3分别是在0.05 mm/min 和0.2 mm/min拉伸速率下的Ti基非晶纤维应力应变曲线应力随变形量的增加而增加，并且在两种拉伸速率下应力应变曲线都趋于线性关系。相同直径的非晶纤维在低拉伸速率下，抗拉强度明显变大，在0.2 mm/min的拉伸速率下非晶纤维的断裂强度接近2.5 GPa，而在0.05 mm/min拉伸速率下，断裂强度可达到2.75 GPa。

图3　Ti基金属纤维应力应变曲线Fig.3　Stress-strain curve of Ti-based metallic fiber

图4是Ti基非晶纤维样品的断口形貌SEM照片。从照片中可以看出，纤维的断口形貌是由光滑区(又称无特征区、冷剪切区)和脉络状花样区域组成。纤维界面圆度较高。断口周围存在极少的剪切带，断口边缘的光滑区是试样断裂前的最大剪切台阶，高度约为10 μm。

图4　Ti基非晶纤维样品的断口形貌Fig.4　Fracture morphology of Ti-based metallic fiber

这说明，虽然提高了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，这一成分的Ti基纤维依然保持为非晶态，而且断裂强度大大提高，这与采用的熔体抽拉技术可以获得大的凝固冷却速率有关，根据熔体抽拉金属纤维凝固冷却速率计算公式[6]，直径30 μm的这类Ti基非晶纤维凝固冷却速率达到109K/s。

图5　Ti基金属纤维DSC曲线Fig.5　DSC curve of Ti-based metallic fiber

图5的热分析表明，Ti-Cu-Ni非晶纤维的玻璃转变温度Tg和初始晶化温度 Tx值(Tg和Tx值均采用切线法标定)分别为672 K和703 K。从DSC 曲线上可以观察到在 Tg之后有一个吸热峰，随后出现了三个放热峰，结果表明，晶化分为多个阶段，非晶合金在加热过程中从过冷液相转变为了晶体相。而且，与Ti-Cu-Ni-块体非晶合金相比，随Cu 和Zr 含量的减少，有三个放热峰变宽，表明晶体的形核和长大变得越来越慢，这类Ti非晶纤维热稳定性较好。

3　结　论

采用熔体抽拉法制备了Ti基金属纤维，大的凝固冷却速率下，增加Ti合金元素含量后，结构分析表明这类金属纤维为非晶态，其表面平整光滑，直径均匀，抗拉强度高，热稳定性好；拉伸断裂以脆性断裂为主，0.05 mm/min拉伸速率下，最大断裂强度达到2.7 GPa，这为后续Ti基纤维制备工艺、特点及其复合材料研究建立前期基础。

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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

宁夏大学自然科学基金(No：ZR1411)；粉体材料与特种陶瓷重点实验室开放课题(No：1409)；宁夏大学博士科研启动基金(No：BQD2014019)；宁夏自然科学基金(No：NZ15038)；宁夏高等学校项目(No：NGY20140151、NGY2015056)；北方民族大学重点科研项目(No：2015KJ15)。

陈炜晔，男，博士，主要从事金属材料制备及应用。

TG146.2+3

A

1001-9677(2016)015-0046-03