鋯基塊體金屬玻璃合金化及半固態(tài)處理研究.pdf

1、塊體金屬玻璃(BMG)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，為新型結(jié)構(gòu)材料和功能材料的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域。然而，BMG在室溫下發(fā)生災(zāi)難性脆性斷裂，已經(jīng)成為制約該材料規(guī)?；こ虘?yīng)用的瓶頸。因此，尋找提高BMG塑性的途徑是目前研究的熱點(diǎn)問題。本文針對(duì)BMG發(fā)展中的主要問題，以BMG合金化和半固態(tài)處理為主要研究目的，以不含貴重金屬元素及有毒元素Be的Zr基低成本BMG合金為研究對(duì)象開展了以下幾個(gè)主要方面的研究：
　　 1.研究了制備條件對(duì)Zr

2、基BMG熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響。在相同的冷卻速度下，通過改變鑄造條件，考察熱速處理、澆注保溫時(shí)間、澆注溫度對(duì)BMG熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，以確定最佳的制備條件。結(jié)果表明，熱速處理可以增加BMG的GFA和熱穩(wěn)定性，對(duì)于Zr55Al10Ni5Cu30BMG，當(dāng)鑄造電壓從7kV提高至10kV時(shí)，過冷液相區(qū)△Tx和參數(shù)γ分別從73K增至89K，從0.413增至0.417。在加熱溫度及冷卻速率等條件不變的情況下，隨著澆注保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，瞬態(tài)形

3、核率增大，液態(tài)合金有結(jié)晶的趨勢(shì)，原子的排列也由無規(guī)向有序轉(zhuǎn)變趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)無序密堆性下降，非晶合金的GFA和熱穩(wěn)定性降低。在相同的冷卻速率和澆注溫度下，制備BMG的澆注保溫時(shí)間存在一個(gè)臨界值，超過此臨界值，試樣開始晶化。高的澆注溫度制備的非晶合金GFA和壓縮斷裂強(qiáng)度增加，塑性下降。對(duì)于特定成分的BMG，存在一個(gè)最佳的澆注溫度，即在此澆注溫度條件下制備的BMG的壓縮斷裂強(qiáng)度最高，塑性最好，BMG的力學(xué)性能在一定程度上可由澆注溫度控制。在相同的

4、鑄造條件下，考察了不同成分試樣合金的冷卻速度對(duì)BMG的GFA和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，相同的冷卻速度對(duì)不同成分合金的GFA和力學(xué)性能的影響不同，與大直徑BMG相比，具有相同化學(xué)成分的小尺寸的BMG表現(xiàn)出更為優(yōu)異的塑性和良好的壓縮斷裂強(qiáng)度。
　　 2.選擇Zr55Cu30Ni5Al10BMG作為基體合金，研究了Fe、Mn、Nb元素合金化對(duì)其熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，并討論其作用機(jī)理。結(jié)果表明，元素加入對(duì)合金非晶形成有一定的成分范

5、圍，當(dāng)含量達(dá)到極限值時(shí)，在相同的冷卻條件下，加入組元與原有組元之間很可能發(fā)生反應(yīng)形成晶體相。Fe元素的添加使得非晶合金的GFA呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，熱穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Fe元素添加量為1％時(shí)，可以提高非晶合金的GFA，其約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg為0.59，參數(shù)γ為0.414。添加過量的Fe元素(4%的Fe含量)，會(huì)導(dǎo)致基體合金晶化，形成非晶與晶體的復(fù)合材料。添加2%的Fe元素，其BMG的壓縮斷裂強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別為1868MPa和2

6、.62%，表現(xiàn)了良好的綜合力學(xué)性能。添加4%的Mn元素能形成φ3mm的BMG，非晶合金的熱穩(wěn)定性和GFA呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其過冷液相區(qū)△Tx為61K，約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg為0.58，參數(shù)丫為0.40,壓縮斷裂強(qiáng)度為1817MPa，塑性無明顯改善。添加適量的Nb能提高基體合金的熱穩(wěn)定性和GFA。當(dāng)Nb含量為8%時(shí)，BMG具有最好的熱穩(wěn)定性和最高的GFA，其過冷液相區(qū)△Tx值達(dá)到86K，參數(shù)丫達(dá)到0.416。Nb元素的適量添加有利于提高非晶合

7、金的壓縮斷裂強(qiáng)度和塑性變形能力，(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)92Nb8BMG的壓縮斷裂強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別達(dá)到1877MPa和1.92%。
　　 3.通過改變鑄造電壓(熔化功率)，進(jìn)而改變?nèi)刍瘻囟?，使母合金達(dá)到固-液兩相區(qū)，通過改變半固態(tài)溫度和保溫時(shí)間，研究了半固態(tài)溫度和半固態(tài)保溫時(shí)間對(duì)先析出的金屬間化合物相尺寸形貌、分布、體積分?jǐn)?shù)的影響及其與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，并討論了復(fù)合材料的增塑機(jī)制。研究表明，半

8、固態(tài)溫度升高，(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)96Fe4BMG復(fù)合材料的GFA增加，析出的金屬間化合物第二相的體積分?jǐn)?shù)減小。在鑄造電壓7kV時(shí)制備出具有室溫壓縮塑性的鑄態(tài)內(nèi)生球形金屬間化合物/BMG復(fù)合材料，其不但具有高的壓縮斷裂強(qiáng)度(達(dá)到2203MPa)，也具有顯著的室溫塑性(塑性變形達(dá)到5.85%)。半固態(tài)溫度對(duì)(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)96Fe4BMG復(fù)合材料中析出的金屬間化合物第二相

9、的微觀形態(tài)有著很大的影響。鑄造電壓7kV制備的合金試樣非晶基體上分布著球形金屬間化合物，其直徑大部分在10μm-20μm之間，體積分?jǐn)?shù)為45.3%。復(fù)合材料中球形金屬間化合物相與非晶基體之間界面清晰，未發(fā)現(xiàn)其它相的出現(xiàn)。TEM研究表明球形金屬間化合物相與玻璃基體之間具有較好的界面結(jié)合力，有效的解決了濕潤(rùn)性的問題，低能量的界面使球形金屬間化合物第二相與基體之間牢固而穩(wěn)定地結(jié)合。壓縮變形后的試樣表面出現(xiàn)了大量的波浪狀的多重剪切帶，呈現(xiàn)出隆起

10、現(xiàn)象，其間距都小于1μm，小于球形金屬間化合物第二相的尺寸。在合適的合金成分下，可以通過半固態(tài)溫度的調(diào)整獲得鑄態(tài)內(nèi)生球形金屬間化合物/BMG兩相微觀組織，與相應(yīng)的單相BMG比較，可以在有效的提高材料塑性的同時(shí)保持高的斷裂強(qiáng)度，有利于獲得更好的綜合力學(xué)性能。延長(zhǎng)半固態(tài)保溫時(shí)間，(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)94Fe6BMG復(fù)合材料晶化明顯，GFA降低；隨著半固態(tài)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣中析出的金屬間化合物第二相的體積分?jǐn)?shù)