TiCuZrNiSn非晶合金粉末的熱穩(wěn)定性及燒結(jié)行為.pdf

1、本文對Ti基非晶合金的玻璃形成能力、氣霧化Ti基合金粉末的組織與性能、氣霧化Ti基非晶合金粉末在再加熱過程中的晶化行為、以及在放電等離子燒結(jié)（SPS）過程中的燒結(jié)行為和機理進行了研究。
　　從穩(wěn)態(tài)熔體和過冷熔體的熱力學特征角度，研究了Ti基非晶合金的玻璃形成能力。計算了穩(wěn)態(tài)熔體的混合熵（ΔSmix）、混合焓（ΔHmix）以及過冷熔體與晶態(tài)相之間自由能差（ΔG），結(jié)果表明：穩(wěn)態(tài)熔體的混合熵越大，混合焓為最佳值時，有利于形成Ti基非晶

2、態(tài)合金。而玻璃形成能力越強，則過冷熔體與晶態(tài)相之間自由能差越小。通過自由能擬合的方法，定義參數(shù)β=（Tg-Tk）/（Tl-Tg），其中，Tg、Tl和Tk分別為玻璃轉(zhuǎn)變溫度、液相線溫度和Kauzmann溫度。實驗結(jié)果表明，β值越大，Ti基非晶合金的玻璃形成能力越強。
　　采用Ar氣霧化的方法制備了Ti基非晶/晶態(tài)合金粉末。氣霧化粉末的形狀主要呈規(guī)則的球形，平均冷卻速度為103～105°C/s。隨粒度的增大，粉末的凝固組織由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變

3、為非晶態(tài)+ fcc-NiSnZr+ hexagonal-Ti3Sn的復(fù)合組織。晶態(tài)相的成分（富Sn）與殘余非晶相的成分（富Cu）存在明顯差異。粉末凝固過程中的熱力學（化學親和力）與動力學（原子遷移速率）條件共同決定析出相的結(jié)構(gòu)、尺寸及成分。
　　不同尺寸的氣霧化Ti基合金粉末在納米壓痕測試中表現(xiàn)出不同的變形行為：小尺寸粉末表現(xiàn)出更多的位移突進現(xiàn)象，以及更好的塑性變形能力（塑性堆起與總壓痕深度比）。粉末中的晶態(tài)相與非晶相中含有的自由

4、體積共同決定粉末的塑性變形行為，即變形過程中剪切帶的形成與擴展：小尺寸粉末擁有更多的自由體積，使得剪切帶形核的可能性更大，越有利于塑性變形；而大尺寸粉末中晶態(tài)相不能有效地抑制剪切帶的擴展，則不利于塑性變形。
　　Ti基非晶合金粉末在再加熱過程中表現(xiàn)出多步晶化的特征。非晶相首先完全晶化為亞穩(wěn)納米晶態(tài)相；隨后發(fā)生固態(tài)相變，亞穩(wěn)納米晶轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc的Ni2SnZr結(jié)構(gòu)相和單斜的TiNi0.8Cu0.2結(jié)構(gòu)相。伴隨著晶化的發(fā)生，成分偏析出現(xiàn)

5、在大尺寸原子（Zr，Sn）和小尺寸原子（Ti，Ni，Cu）之間。熱力學（化學親和力）與動力學（原子遷移速率）條件共同決定了析出相的結(jié)構(gòu)與成分。與冷卻過程中相比，深過冷的結(jié)晶條件（低結(jié)晶溫度）決定了再加熱晶化的高形核率和低生長速率，從而得到了納米級的晶化產(chǎn)物。
　　采用SPS方法成功制備了大尺寸、高強度Ti基大塊非晶合金。燒結(jié)溫度為440°C試樣的斷裂強度最高，達到1.67 GPa，與鑄態(tài)試樣1.7 GPa的壓縮斷裂強度相當。根據(jù)自

6、由體積模型，在燒結(jié)壓力作用下，由燒結(jié)溫度引起的充分粘性流動是非晶合金粉末致密化過程的微觀機制。在此過程中，原子的遷移能力與流動缺陷密度是決定最終燒結(jié)密度的關(guān)鍵因素。
　　在SPS過程中，由燒結(jié)樣品中心至樣品邊緣存在著溫度梯度。本論文中，440°C燒結(jié)樣品的中心溫度高于邊緣10～20°C。相對最高的燒結(jié)溫度使得中心區(qū)域結(jié)構(gòu)弛豫更充分，即發(fā)生了伴隨著致密化過程的晶化現(xiàn)象。另外，在燒結(jié)樣品中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一種正交結(jié)構(gòu)的新相，其晶格常數(shù)為