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)異的力學性能和物理性能，為新型結構材料和功能材料的發(fā)展開辟了新的領域。然而，BMG在室溫下發(fā)生災難性脆性斷裂，已經(jīng)成為制約該材料規(guī)模化工程應用的瓶頸。因此，尋找提高BMG塑性的途徑是目前研究的熱點問題。本文針對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合金為研究對象開展了以下幾個主要方面的研究：
　　 1.研究了制備條件對Zr

2、基BMG熱穩(wěn)定性和力學性能的影響。在相同的冷卻速度下，通過改變鑄造條件，考察熱速處理、澆注保溫時間、澆注溫度對BMG熱穩(wěn)定性和力學性能的影響，以確定最佳的制備條件。結果表明，熱速處理可以增加BMG的GFA和熱穩(wěn)定性，對于Zr55Al10Ni5Cu30BMG，當鑄造電壓從7kV提高至10kV時，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，隨著澆注保溫時間的延長，瞬態(tài)形

3、核率增大，液態(tài)合金有結晶的趨勢，原子的排列也由無規(guī)向有序轉變趨勢，結構無序密堆性下降，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的澆注保溫時間存在一個臨界值，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和壓縮斷裂強度增加，塑性下降。對于特定成分的BMG，存在一個最佳的澆注溫度，即在此澆注溫度條件下制備的BMG的壓縮斷裂強度最高，塑性最好，BMG的力學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BMG的GFA和力學性能的影響，結果表明，相同的冷卻速度對不同成分合金的GFA和力學性能的影響不同，與大直徑BMG相比，具有相同化學成分的小尺寸的BMG表現(xiàn)出更為優(yōu)異的塑性和良好的壓縮斷裂強度。
　　 2.選擇Zr55Cu30Ni5Al10BMG作為基體合金，研究了Fe、Mn、Nb元素合金化對其熱穩(wěn)定性和力學性能的影響，并討論其作用機理。結果表明，元素加入對合金非晶形成有一定的成分范

5、圍，當含量達到極限值時，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，熱穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降的趨勢。Fe元素添加量為1％時，可以提高非晶合金的GFA，其約化玻璃轉變溫度Trg為0.59，參數(shù)γ為0.414。添加過量的Fe元素(4%的Fe含量)，會導致基體合金晶化，形成非晶與晶體的復合材料。添加2%的Fe元素，其BMG的壓縮斷裂強度和塑性應變分別為1868MPa和2

6、.62%，表現(xiàn)了良好的綜合力學性能。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，其過冷液相區(qū)△Tx為61K，約化玻璃轉變溫度Trg為0.58，參數(shù)丫為0.40,壓縮斷裂強度為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Nb含量為8%時，BMG具有最好的熱穩(wěn)定性和最高的GFA，其過冷液相區(qū)△Tx值達到86K，參數(shù)丫達到0.416。Nb元素的適量添加有利于提高非晶合

7、金的壓縮斷裂強度和塑性變形能力，(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)92Nb8BMG的壓縮斷裂強度和塑性應變分別達到1877MPa和1.92%。
　　 3.通過改變鑄造電壓(熔化功率)，進而改變?nèi)刍瘻囟龋鼓负辖疬_到固-液兩相區(qū)，通過改變半固態(tài)溫度和保溫時間，研究了半固態(tài)溫度和半固態(tài)保溫時間對先析出的金屬間化合物相尺寸形貌、分布、體積分數(shù)的影響及其與復合材料力學性能之間的關系，并討論了復合材料的增塑機制。研究表明，半

8、固態(tài)溫度升高，(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)96Fe4BMG復合材料的GFA增加，析出的金屬間化合物第二相的體積分數(shù)減小。在鑄造電壓7kV時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復合材料，其不但具有高的壓縮斷裂強度(達到2203MPa)，也具有顯著的室溫塑性(塑性變形達到5.85%)。半固態(tài)溫度對(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)96Fe4BMG復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，體積分數(shù)為45.3%。復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合力，有效的解決了濕潤性的問題，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，與相應的單相BMG比較，可以在有效的提高材料塑性的同時保持高的斷裂強度，有利于獲得更好的綜合力學性能。延長半固態(tài)保溫時間，(Zr0.55Al0.10Ni0.05Cu0.30)94Fe6BMG復合材料晶化明顯，GFA降低；隨著半固態(tài)保溫時間的延長，試樣中析出的金屬間化合物第二相的體積分數(shù)