引言

大多數(shù)的液態(tài)金屬(非晶合金)的強(qiáng)度很高，但拉伸塑性和斷裂韌性很低，高度局域化的剪切行為使得液態(tài)金屬通常是在沒有明顯室溫塑性變形的情況下，沿單一主剪切帶發(fā)生突然性斷裂破壞，這嚴(yán)重制約著其作為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料在工程中的應(yīng)用。

因此，為提高和改善液態(tài)金屬的變形、受沖擊性能，近幾年來，人們通過在液態(tài)金屬中引入具有不同強(qiáng)度和剪切模量的第二相以改善液態(tài)金屬的室溫塑性和斷裂脆性，發(fā)展出了液態(tài)金屬復(fù)合材料，使其塑性性能得到了很大的提高。如某些鋯基或銅基非晶合金復(fù)合材料在不損失強(qiáng)度的同時，室溫壓縮塑性變形量已經(jīng)超過了50%，鋯基和鈦基非晶合金基復(fù)合材料的室溫拉伸塑性超過10%。

液態(tài)金屬復(fù)合材料概述

普通金屬復(fù)合材料通常是通過金屬與金屬或者金屬與非金屬材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ苽涠?。金屬?fù)合材料可分為：陶瓷、顆粒、晶須等增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料、原位自生增強(qiáng)相的金屬基體中復(fù)合材料和層板金屬基復(fù)合材料等。同樣的，液態(tài)金屬復(fù)合材料也是通過引入增強(qiáng)相如顆粒、金屬網(wǎng)等制備而成，一方面保障了液態(tài)金屬高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損和耐腐燭等優(yōu)點(diǎn)；另一方面，增強(qiáng)相與基體相互作用，阻止剪切帶的快速擴(kuò)展，同時誘發(fā)多重剪切帶的形成，從而提高非晶合金的室溫塑性。

液態(tài)金屬復(fù)合材料首次出現(xiàn)是由Kimiru制備的WC顆粒增強(qiáng)的Ni基非晶薄帶。自此，纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、金屬網(wǎng)增強(qiáng)以及納米晶或晶體相增強(qiáng)的液態(tài)金屬復(fù)合材料逐步展開研究，通過控制增強(qiáng)相的組織結(jié)構(gòu)、尺寸形貌、體積分?jǐn)?shù)和分布規(guī)律來提高非晶合金的室溫塑性，在非晶合金力學(xué)性能的改善方面取得了巨大的進(jìn)展。

液態(tài)金屬復(fù)合材料制備方法

目前，液態(tài)金屬復(fù)合材料按照增強(qiáng)(韌)相的引入方式分為內(nèi)生相(原位合成)和外加相(異位合成)。對于內(nèi)生相非晶復(fù)合材料，其制備需要特殊的制備方法和工藝，而外加相非晶復(fù)合材料的性能與其增強(qiáng)相空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系更加密切。

（1）原位合成

原位合成液態(tài)金屬復(fù)合材料是指設(shè)計好合金成分，選擇合適的凝固工藝，使第二相在凝固過程中從合金溶體中直接析出。該方法使用過程中，冷卻速率是一個非常重要的參數(shù)，它直接影響第二相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)和分布規(guī)律。

近幾年，人們采用原位析出法在塊體液態(tài)金屬形成過程中析出具有良好韌性的金屬間化合物或金屬固溶體類的塑性相，這種復(fù)合材料具備了液態(tài)金屬的高強(qiáng)度，同時又具有良好的室溫塑性變形能力，是目前研究的一個熱點(diǎn)。

2000年Johnson提出內(nèi)生塑性相的液態(tài)金屬復(fù)合材料的概念，在Zr-Ti-Cu-Ni-Be體系中添加β相穩(wěn)定元素Nb，制備出液態(tài)金屬基體中分散樹枝狀β相。He和Eckert等人在Ti基液態(tài)金屬中加入高熔點(diǎn)的Nb、Ta、Mo、Zr等元素，壓縮塑性變形率超過14%，極限強(qiáng)度達(dá)到2400MPa。Hofmann等人制備出具有拉伸塑性的Zr基液態(tài)金屬復(fù)合材料，該復(fù)合材料通過Zr基液態(tài)金屬基體中析出塑性的β相，復(fù)合材料的拉伸塑性得到顯著地提高，其室溫拉伸總變形率分別為10.8%和13.1%，斷面收縮率分別為50%和46%，其斷裂韌性指標(biāo)KIC為150GPa，該材料的塑韌性指標(biāo)達(dá)到了傳統(tǒng)金屬材料的指標(biāo)范圍。

韓國科學(xué)技術(shù)研究院材料分院成功地制得了由Lm尺寸的富Ta固溶體顆粒分布在塊體液態(tài)金屬基體中所構(gòu)成的(Cu60Zr30Ti10)95Ta5復(fù)合材料。Cu60Zr30Ti10液態(tài)金屬的抗壓強(qiáng)度為2080MPa，破斷延伸率為313%，(Cu60Zr30Ti10)95Ta5復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和延伸率分別為2320MPa和1415%。這種復(fù)合材料塑性之所以顯著改善，認(rèn)為是由于在受力變形過程中有高延展性Ta顆粒存在的情況下形成了復(fù)合剪切帶的緣故。

（2）異位合成

異位合成法是指將第二相直接引入非品基體，以達(dá)到增強(qiáng)增韌的目的。外加第二相包括單向絲或纖維、微米或者納米粉末或顆粒和金屬網(wǎng)等。

比如，采用鎢絲增強(qiáng)制備出ZrTiCuNiBe液態(tài)金屬復(fù)合材料，當(dāng)鎢絲直徑為0.25，體積分?jǐn)?shù)為60%時，材料的動態(tài)壓縮強(qiáng)度高達(dá)2600MPa。

中科院物理所汪衛(wèi)華研究組和英國劍橋大學(xué)材料冶金系合作，采用噴丸的方法(即往材料表面噴金屬小顆粒)，對大塊液態(tài)金屬材料進(jìn)行表面處理，在大塊液態(tài)金屬材料中引入大量剪切帶，這使得大塊液態(tài)金屬材料的壓縮過程更接近均勻形變，少數(shù)剪切帶難以很快擴(kuò)展成裂紋，從而可有效提高大塊液態(tài)金屬材料的塑性。對于(Zr-Cu-Al-Dy)-Ta液態(tài)金屬復(fù)合材料，壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示：液態(tài)金屬復(fù)合材料的宏觀塑性變形量從幾乎為零提高到13.5%，斷裂強(qiáng)度也從1850MPa提高到2050MPa。

存在的問題

新型塊狀液態(tài)金屬具有很強(qiáng)的非晶形成能力和很多的優(yōu)異性能，制備工藝簡單，應(yīng)用前景廣闊。雖然經(jīng)過十幾年的發(fā)展和研究，塊狀液態(tài)金屬已取得了很大的進(jìn)展，但無論是基礎(chǔ)理論、還是微觀結(jié)構(gòu)、宏觀性能及新材料探索方面，都還存在大量的問題有待解決。在各種塊狀液態(tài)金屬中，Zr基塊狀液態(tài)金屬發(fā)現(xiàn)的早，研究的也完善。由于其形成能力強(qiáng)、制備方法比較簡單而且強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是很具有發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)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，尤其液態(tài)金屬在斷裂、疲勞、腐蝕性能等方面的研究還有很多未知的東西。

另外引入第二相的同時也會惡化基體的玻璃形成能力，從而降低所得到的非晶復(fù)合材料的尺寸。目前得到的同時具有高強(qiáng)度、高塑性的液態(tài)金屬復(fù)合材料的尺寸一般都不大于5mm，剛發(fā)現(xiàn)的具有超塑性的液態(tài)金屬的大直徑也只有5mm。液態(tài)金屬及復(fù)合材料作為一種高性能結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)當(dāng)同時具有高強(qiáng)度和良好的塑性以及較大尺寸來滿足工程使用需要。因此對于液態(tài)金屬復(fù)合材料仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作