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Cu基Cu-Zr-Al块体非晶合金的制备与性能

2020-12-11阅读(780)

Cu基Cu-Zr-Al块体非晶合金的制备与性能

论文摘要

非晶态合金,是指固态下原子排列具有短程有序而长程无序的金属合金,是由合金熔体快速冷却而得到的兼有金属和玻璃特性的一类结构和性能独特的固体材料。非晶合金比传统晶态金属材料表现出较高的强度、韧性、良好的耐磨性和耐腐蚀性等性能。此外,非晶合金在过冷液相区间内具有超塑性变形能力,可以通过模锻和挤压成型等方法制备出复杂形状的精密零件,这些优异的性能使非晶合金成为极具应用前景的先进材料之一,受到人们的高度重视。为使非晶合金作为结构材料在工程得到推广和应用,人们不断地研发兼具高玻璃形成能力、高强度、高塑性和低成本的非晶合金体系。Cu基非晶合金体系因具有过冷区间大、强度高和成本低等特性,近年来引起众多研究者的关注。但是,Cu基非晶合金的玻璃形成能力和塑性变形能力较小一直是制约其工程应用和推广的主要问题。因此,本文致力于研发具有高玻璃形成能力和优异力学性能的新型Cu基非晶合金,并对其形成机理和影响因素做出分析和评价。本文首先选择材料成本较低的三元Cu-Zr-Al合金系作为研究的出发点,通过铜模急冷甩带法制备出非晶条带样品进行热力学分析。结果表明：三元Cu基Cu-Zr-Al合金具有很高的热稳定性,在较大成分范围Cu100-x-yZrxAly（x=41-48 at.%; y=4-10 at.%）具有超过70 K的过冷区间。通过倾角铸造法制备出厘米级的三元Cu基Cu-Zr-Al非晶合金,玻璃形成能力最大的Cu47Zr45Al8和Cu47Zr46Al7合金成分临界尺寸可达直径15 mm。室温压缩试验证实该体系合金具有良好的力学性能,在玻璃形成能力超过10 mm的Cu基非晶合金中,最高的压缩强度超过2200 MPa,杨氏模量为99-120 GPa,但三元Cu-Zr-Al非晶合金的塑性变形能力较差。为了获得玻璃形成能力更高且塑性变形能力较好的Cu基非晶合金,通过相似元素替代法和微合金化两种方式,对多组元Cu基非晶的玻璃形成能力和性能进行详细的研究。结果表明,Ag和重稀土元素对三元Cu基Cu-Zr-Al合金性能提高有很显著的作用：添加3～4 at.%的Ag元素增加了三元Cu基Cu-Zr-Al合金系的热稳定性、玻璃形成能力和力学性能。Ag元素的添加降低了合金的液相线温度,使熔体更加稳定,原子扩散能力减弱,更容易形成大尺寸的块体非晶合金。四元CU47Zr46Al4Ag3和CU43Zr45Al8Ag4合金的非晶临界尺寸可达F 18 mm。Ag元素的添加提高了三元Cu基非晶合金的塑性变形能力,CU45Zr43Al4Ag8非晶合金表现出0.57%的压缩塑性以及1836 Mpa的断裂强度和94 GPa杨氏模量。适量的重稀土元素Y、Dy和Lu微合金化对提高Cu47Zr45Al8合金的热稳定性、玻璃形成能力和塑性变形作用明显：通过铜模铸造法可以获得临界尺寸超过F 20 mm的Cu基大块非晶合金,其中（Cu47Zr45Al8）99Y1和（CU47Zr45Al8）96Y4两个合金的玻璃形成能力可达直径25 mm,这是目前研发出的Cu基非晶合金中具有的最大玻璃形成能力的合金成分。添加适量的重稀土元素提高了CU47Zr45Al8合金的泊松比,增加了合金的抗剪切能力。同时,由于重稀土元素的原子尺寸较大,增加了原合金体系的自由体积数量,为剪切应变提供了更多的基本结构单元,从而提高了合金的塑性变形能力。（Cu47Zr45Al8）97Lu3合金表现出较好的力学性能,屈服强度和杨氏模量分别为1840 MPa和92 GPa,压缩塑性应变达到4.65%。但是,添加重稀土元素超过一定含量时,合金的失效方式由韧性断裂变为脆性断裂,且强度明显下降。快速凝固法制备出由细小纤维状fcc-Cu相与Cu5Zr增强相混合的高Cu含量Cu-Zr-Al合金。该合金系具有良好的铸态力学性能,所有合金均表现出良好的塑性变形能力,其中Cu90Zr9Al1合金的压缩屈服强度超过1500 MPa,硬度超过400 Hv。随Al含量的增加,合金屈服强度、杨氏模量和显微硬度逐渐减少。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 引言
  • 第一章 绪论
  • 1.1 非晶合金及其发展历史
  • 1.2 非晶合金形成理论及判据
  • 1.2.1 非晶合金形成理论
  • 1.2.2 非晶合金结构模型
  • 1.2.3 非晶态合金形成热力学
  • 1.2.4 非晶态合金形成动力学
  • 1.2.5 非晶合金玻璃形成能力的判据
  • 1.3 块体非晶合金的制备方法
  • 1.3.1 熔炼与制备
  • 1.3.2 成型方法
  • 1.4 非晶合金的性能与应用
  • 1.4.1 非晶合金的性能
  • 1.4.2 非晶合金的应用
  • 1.5 铜基非晶合金的发展与研究
  • 1.6 本文立题依据及主要内容
  • 第二章 实验方法
  • 2.1 合金元素
  • 2.2 样品制备
  • 2.2.1 母合金制备
  • 2.2.2 条带样品的制备
  • 2.2.3 棒状样品的制备
  • 2.3 性能测定
  • 2.3.1 热力学行为测定
  • 2.3.2 力学性能
  • 2.3.3 弹性性能
  • 2.4 样品表征
  • 2.4.1 结构表征
  • 2.4.2 形貌及组织观察
  • 2.5 实验流程
  • 第三章 三元Cu-Zr-Al非晶合金的制备和性能
  • 3.1 引言
  • 93-xZrxAl7合金系的玻璃形成能力和力学性能'>3.2 Cu93-xZrxAl7合金系的玻璃形成能力和力学性能
  • 93-xZrxAl7合金的热稳定性'>3.2.1 Cu93-xZrxAl7合金的热稳定性
  • 93-xZrxAl7合金的玻璃形成能力'>3.2.2 Cu93-xZrxAl7合金的玻璃形成能力
  • xAl7合金的力学性能'>3.2.3 Cu-（93-x）ZrxAl7合金的力学性能
  • 3.2.4 小结
  • 55-xZr45Alx合金系的玻璃形成能力和力学性能'>3.3 Cu55-xZr45Alx合金系的玻璃形成能力和力学性能
  • 55-xZr45Alx合金的热稳定性'>3.3.1 Cu55-xZr45Alx合金的热稳定性
  • 55-xZr45Alx合金的玻璃形成能力'>3.3.2 Cu55-xZr45Alx合金的玻璃形成能力
  • 55s-xZr45Alx合金的力学性能'>3.3.3 Cu55s-xZr45Alx合金的力学性能
  • 3.3.4 小结
  • 92-xZrxAl8合金系的玻璃形成能力和力学性能'>3.4 Cu92-xZrxAl8合金系的玻璃形成能力和力学性能
  • 92-xZrxAl8合金的热稳定性'>3.4.1 Cu92-xZrxAl8合金的热稳定性
  • 92-xZrxAl8合金的晶化行为'>3.4.2 Cu92-xZrxAl8合金的晶化行为
  • 92-xZrxAl8合金的玻璃形成能力'>3.4.3 Cu92-xZrxAl8合金的玻璃形成能力
  • 92-xZrxAl8合金的力学性能'>3.4.4 Cu92-xZrxAl8合金的力学性能
  • 3.4.5 小结
  • 3.5 分析与讨论
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 合金元素对Cu-Zr-Al非晶合金性能的影响
  • 4.1 引言
  • 4.2 Ag元素对Cu-Zr-Al非晶合金性能的影响
  • 4.2.1 热稳定性和玻璃形成能力（Ag→Al）
  • 4.2.2 热稳定性和玻璃形成能力（Ag→Cu）
  • 4.2.3 四元Cu基Cu-Zr-Al-Ag合金的力学性能
  • 4.3 稀土元素微合金化对Cu基Cu-Zr-Al非晶合金性能的影响
  • 47Zr45Al8)100-xYx（x=0-4 at.%）非晶合金系'>4.3.1 (Cu47Zr45Al8)100-xYx（x=0-4 at.%）非晶合金系
  • 47Zr45Al8)100-xREx（x=0-4 at.%）非晶合金系'>4.3.2 (Cu47Zr45Al8)100-xREx（x=0-4 at.%）非晶合金系
  • 4.4 分析与讨论
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 快速凝固法制备Cu-Zr-Al合金的组织与性能
  • 5.1 引言
  • 5.2 快速凝固下高Cu 合金的结构和组织分析
  • 5.3 快速凝固下高Cu合金的力学性能
  • 5.4 分析与讨论
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 主要创新点摘要
  • 攻读博士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢
  • 作者简介

    • 相关论文文献

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