本發(fā)明涉及材料制備技術領域，尤其涉及一種鈦基非晶纖維及其制備方法。

背景技術：
非晶合金有著與液態(tài)近似的結構而且晶體中不存在位錯、晶界等缺陷，這使得非晶合金具有一些優(yōu)異的力學性能。如高強度、高硬度、高彈性應變等特性，非晶合金還能夠像塑料一樣易于鑄造，這種優(yōu)異的性能和成型能力使其可以替代某些傳統(tǒng)材料。Ti基非晶合金由于比強度高、價格低廉而逐漸受到各國學者的重視，其中，鈦-鋯-鎳-銅-鈹(Ti-Zr-Ni-Cu-Be)系合金由于Be元素的存在具有較高的非晶形成能力而備受關注，但是體系中的Be是劇毒元素，限制了這類非晶合金的廣泛應用。金屬纖維同有機和無機纖維一樣具有獨特的性能和廣泛的用途。金屬纖維具有良好的導電、導熱、導磁和耐高溫性能，而且制造方法較簡單，成本價格便宜。以金屬纖維為填充劑的復合材料在民用行業(yè)如電子、化工、機械、紡織、食品、醫(yī)藥部門開拓了廣闊的應用前景。在民用工業(yè)上應用金屬纖維復合材料也勢在必行。金屬纖維作為一種新興的纖維材料已經受到各行各業(yè)的重視。熔體抽拉技術成為制備金屬纖維的一種直接或者近凈成形方法。其他制備金屬纖維的方法主要有水紡法、玻璃包裹。水紡法冷卻能力較差，而且冷卻液會與Ti、Al等金屬發(fā)生發(fā)硬，因此不適合Ti基合金纖維的制備。玻璃包裹法，要求合金熔體熔化溫度與玻璃軟化溫度一致，合金與玻璃的熱膨脹系數也必須相似，否則合金絲的連續(xù)性受到限制，Ti基合金熔點相對高，而且Ti易于石英發(fā)生反應。與玻璃包裹法和水紡法相比，熔體抽拉技術可以作為TiZr非晶態(tài)合金直接成形方法，對合金的熔煉要求較低，普適性高。熔體抽拉技術中采用石英坩堝存放塊體母合金，再將母合金制成纖維，制作塊體合金采用的一般是銅模，直接通過感應線圈加熱澆注到銅模中快速冷卻，但制備纖維通常采用石英制的坩堝，Ti是高活性、親氧性的，Ti基合金會和石英制成的坩堝發(fā)生反應，一旦發(fā)生反應，無法制成Ti基纖維。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明實施例提供一種鈦基非晶纖維及其制備方法，用以解決現(xiàn)有技術中存在制備不含有Be的Ti基非晶纖維時容易與石英坩堝發(fā)生反應，無法制成Ti基纖維的問題。本發(fā)明實施例提供一種鈦基非晶纖維及其制備方法，包括以下兩個方面：第一方面，一種鈦基非晶纖維，該鈦基非晶纖維的化學通式以及原子百分數包括：Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)，其中，0≤x≤8，0≤x1≤10，0≤x2≤5，0≤x3≤3，且58-x、20+x1、8+x2、9+x3之和為100。第二方面，一種鈦基非晶纖維的制備方法，該方法包括：在保護氣體或真空條件下，將塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金通過激光加熱形成部分融化的Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體，并連續(xù)進給；通過金屬輪盤切削Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體，抽拉并快速冷卻形成鈦基非晶纖維Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)。本發(fā)明有益效果包括：克服了不含Be的鈦基非晶纖維難以成形的問題，通過激光部分加熱母合金，避免熔融合金與坩堝的直接接觸，避免鈦基非晶合金與石英管制的坩堝發(fā)生反應導致Ti基纖維制備失敗的問題，且采用消耗高純度氬的方式消耗制備設備中的氧氣，避免高活性，親氧性的Ti基纖維與氧氣發(fā)生反應。本發(fā)明制備出的Ti-Zr-Cu-Ni纖維為非晶態(tài)，斷裂強度大于1100MPa，表現(xiàn)出了良好的力學性能，晶化起始溫度為431℃，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，且纖維連續(xù)長度大于40cm。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例中的鈦基非晶纖維的制備方法流程圖；圖2為本發(fā)明實施例中的Ti58Zr25Cu8Ni9纖維X射線衍射(XRD)圖；圖3為本發(fā)明實施例中的Ti50Zr30Cu10Ni10纖維差熱分析曲線圖；圖4為本發(fā)明實施例中的Ti55Zr20Cu13Ni12合金纖維拉伸曲線。具體實施方式為了解決制備不含Be的鈦基非晶纖維難以形成非晶纖維的實現(xiàn)方案，本發(fā)明實施例提供了一種鈦基非晶纖維及其制備方法，以下結合說明書附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明。本發(fā)明實施例提供一種鈦基非晶纖維，該鈦基非晶纖維的化學通式以及原子百分數包括：Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)，其中，0≤x≤8，0≤x1≤10，0≤x2≤5，0≤x3≤3，且58-x、20+x1、8+x2、9+x3之和為100。本發(fā)明實施例制備出的這種鈦基纖維為非晶態(tài)，直徑20微米至120微米的絲狀，其連續(xù)長度超過40厘米；斷裂強度大于1100MPa，表現(xiàn)出良好的力學性能，晶化起始溫度為431℃，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。參閱圖1所示，本發(fā)明實施例提供的上述鈦基非晶纖維的制備方法，具體包括以下步驟：步驟110：在保護氣體或真空條件下，將塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金通過激光加熱形成部分融化的Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體，并連續(xù)進給。具體的，在保護氣體或真空條件下，將連續(xù)進給的塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金通過激光加熱形成部分融化的Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體之前，還包括步驟：按照Ti單質為58-x、Zr單質為20+x1、Cu單質為8+x2以及Ni單質為9+x3的原子百分比進行混合。將混合后所得的混料在磁控鎢極電弧熔煉爐中反復熔煉三次，保證合金元素均勻混合，并吸鑄形成塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金，這種塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金為直徑9mm的棒狀材料。將直徑9mm的塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)非晶合金用電火花線切割成3厘米至7厘米長的圓柱，并用砂紙打磨、超聲波清洗并干燥，放置于內徑為10毫米至15毫米的石英坩堝中。保護氣體或真空條件下，包括：將熔體抽拉裝置抽真空至10-3Pa時，充入高純度氬氣至熔體抽拉裝置內氣壓為-0.5MPa；繼續(xù)將熔體抽拉裝置內氣壓抽真空至10-3Pa，充入高純度氬氣。通常將熔體抽拉裝置抽真空至10-3Pa時即可充氬氣實驗，Ti基合金是高活性、親氧性的，制備Ti基纖維時，需要通過消耗氬氣來保證將裝置內的氧氣都抽走了。通過激光加熱裝置，將塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金部分熔化，保持塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金連續(xù)進給，將連續(xù)進給的塊體Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)非晶合金的進給速度設置為5-12毫米/分鐘。步驟120：通過金屬輪盤切削Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體，抽拉并快速冷卻形成鈦基非晶纖維Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)。具體的，金屬輪盤切削Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體時，將金屬輪盤的轉速設置為2000轉/分鐘(r/min)至3000r/min。金屬輪盤為銅合金制成，啟動滾輪，保持轉速為2000r/min至3000r/min。將Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體與金屬輪盤接觸后，高速旋轉的金屬輪盤帶動Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體甩出，并快速凝固形成纖維，制備過程中保持Ti(58-x)Zr(20+x1)Cu(8+x2)Ni(9+x3)合金熔體進給速度不變。待合金熔體消耗完成后，停止進給，關閉激光加熱，停止金屬滾輪轉動。通過調整工藝參數，可以制備出不同直徑的鈦基非晶纖維。下面結合附圖，用具體實施例對本發(fā)明提供的方法及裝置和相應系統(tǒng)進行詳細描述。實施例1，(1)按照設定原子百分比為58、25、8、9的比例將單質Ti、Zr、Ni、Cu配置為Ti58Zr25Cu8Ni9合金，并在磁控鎢極電弧熔煉爐中吸鑄形成合金棒狀材料，在此實施例1中將Ti58Zr25Cu8Ni9合金稱為母合金。(2)將制備的母合金棒材用電火花線切割切成3-7cm長的小柱，并用砂紙打磨、超聲波清洗、干燥后，放置于熔體抽拉設備的坩堝中。(3)將熔體抽拉裝置抽真空至10-3Pa時，充入高純度氬氣至熔體抽拉裝置內氣壓為-0.5MPa；繼續(xù)將熔體抽拉裝置內氣壓抽真空至10-3Pa，充入高純度氬氣。(4)設置銅輪轉速為2800r/min，母合金進給速度為5mm/min。(5)金屬輥輪為銅合金，啟動輥輪，保持轉速為2800r/min。(6)啟動激光加熱裝置，將坩堝加熱，將合金融化，保持合金熔體溫度在合金熔點以上150℃-200℃，并保溫。母合金熔化后啟動進給，保持進給速度為5mm/min。(7)纖維成形。熔融母合金與銅輪接觸后，高速旋轉銅輪帶動母合金甩出，并快速凝固形成纖維，并保持母合金進給速度不變。(8)結束。合金熔體消耗完成后，停止進給，并關閉激光加熱，以及停止輥輪轉動，制備出連續(xù)Ti58Zr25Cu8Ni9合金纖維絲。參閱圖2所示，這一圖譜說明組織結構中不存在大的長程有序結構，可以初步斷定為非晶態(tài)結構，說明利用熔體抽拉工藝制備出了不含Be的Ti基非晶合金。實施例2，(1)按照設定原子百分比為50、30、10、10的比例將單質Ti、Zr、Ni、Cu配置為Ti50Zr30Cu10Ni10非晶合金，并在磁控鎢極電弧熔煉爐中吸鑄形成合金棒狀材料，在此實施例2中將Ti50Zr30Cu10Ni10非晶合金稱為母合金。(2)將制備的母合金棒材用電火花線切割切成3-7cm長的小柱，并用砂紙打磨、超聲波清洗、干燥后，放置于熔體抽拉設備的坩堝中。(3)將熔體抽拉裝置抽真空至10-3Pa時，充入高純度氬氣至熔體抽拉裝置內氣壓為-0.5MPa；繼續(xù)將熔體抽拉裝置內氣壓抽真空至10-3Pa，充入高純度氬氣。(4)設置銅輪轉速為3000r/min，母合金進給速度為7mm/min。(5)金屬輥輪為銅合金，啟動輥輪，保持轉速為3000r/min。(6)啟動激光加熱裝置，將坩堝加熱，將合金融化，保持合金熔體溫度在合金熔點以上150℃-200℃，并保溫。母合金熔化后啟動進給，保持進給速度為7mm/min。(7)纖維成形。熔融母合金與銅輪接觸后，高速旋轉銅輪帶動母合金甩出，并快速凝固形成纖維，并保持母合金進給速度不變。(8)結束。合金熔體消耗完成后，停止進給，并關閉激光加熱，以及停止輥輪轉動，制備出連續(xù)Ti50Zr30Cu10Ni10合金纖維絲，制備出的纖維表面光滑。參閱圖3所示，這類纖維的起始晶化溫度為431℃。實施例3，(1)按照設定原子百分比為55、20、13、12的比例將單質Ti、Zr、Ni、Cu配置為Ti55Zr20Cu13Ni12合金，并在磁控鎢極電弧熔煉爐中吸鑄形成合金棒狀材料，在此實施例3中將Ti55Zr20Cu13Ni12非晶合金稱為母合金。(2)將制備的母合金棒材用電火花線切割切成3-7cm長的小柱，并用砂紙打磨、超聲波清洗、干燥后，放置于熔體抽拉設備的坩堝中。(3)將熔體抽拉裝置抽真空至10-3Pa時，充入高純度氬氣至熔體抽拉裝置內氣壓為-0.5MPa；繼續(xù)將熔體抽拉裝置內氣壓抽真空至10-3Pa，充入高純度氬氣。(4)設置銅輪轉速為2600r/min，母合金進給速度為7mm/min。(5)金屬輥輪為銅合金，啟動輥輪，保持轉速為2600r/min。(6)啟動激光加熱裝置，將坩堝加熱，將合金融化，保持合金熔體溫度在合金熔點以上150℃-200℃，并保溫。母合金熔化后啟動進給，保持進給速度為7mm/min。(7)纖維成形。熔融母合金與銅輪接觸后，高速旋轉銅輪帶動母合金甩出，并快速凝固形成纖維，并保持母合金進給速度不變。(8)結束。合金熔體消耗完成后，停止進給，并關閉激光加熱，以及停止輥輪轉動，制備出連續(xù)Ti55Zr20Cu13Ni12合金纖維絲。這種纖維的拉伸斷口形貌，為明顯的剪切斷裂，微觀形貌上有脈狀花樣和細小的類似河流花樣的分支。參閱圖4所示，直徑為38微米的鈦基非晶纖維的抗拉強度為1130MPa，直徑為50微米的鈦基非晶纖維的抗拉強度為1190MPa。本發(fā)明實施例提供的方案，克服了不含Be的鈦基非晶纖維難以成形的問題，非晶塊體比非晶纖維容易成形，只要大于臨界冷卻速率都可以得到塊體非晶，做塊體非晶時采用銅模，通過感應加熱后澆注到銅模中快冷即可。而本發(fā)明實施例中的鈦基非晶纖維，采用石英管做坩堝，會發(fā)生化學反應，鈦基合金的熔點較高，熔化后容易與石英發(fā)生反應，但本發(fā)明采用激光加熱時鈦基合金只是局部熔化，不會像采用感應加熱時鈦基合金熔融成液體，液面與石英管壁接觸時容易與石英發(fā)生反應，因此做鈦基非晶纖維會失敗。綜上所述，本發(fā)明實施例提供的方案，克服了不含Be的鈦基非晶纖維難以成形的問題，避免鈦基非晶合金與石英制的坩堝發(fā)生反應導致Ti基纖維制備失敗的問題，且采用消耗高純度氬的方式消耗制備設備中的氧氣，避免高活性，親氧性的Ti與氧氣發(fā)生反應。本發(fā)明制備出的Ti-Zr-Cu-Ni纖維為非晶態(tài)，斷裂強度大于1100MPa，表現(xiàn)出了良好的力學性能，晶化起始溫度為431℃，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，且纖維連續(xù)長度大學40cm。顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。