ZrCuAl块体金属玻璃及其复合材料的制备与力学性能研究

• 作 者: 姚建忠
• 出 处: 兰州理工大学
• 发表日期: 2012年01期
• 关键词: 块体金属玻璃 熔体过热处理 热稳定性 非晶形成能力 力学性能

本文围绕制备—组织—性能之间的相互关系和内在机制，选取富锆基Zr60+xAl10Cu30-x（x=0,4,8,12,16at.%）合金系为研究对象，采用磁悬浮熔炼+铜模吸铸法制备Zr60+xAl10Cu30-x（x=0,4,8,12,16at.%）块体金属玻璃（BMG）及其复合材料。通过调控合金熔体加热和凝固过程，研究熔体过热处理、改变冷却速率对该块体金属玻璃及其复合材料的组织、热稳定性、玻璃形成能力（GFA）和力学性能的影响以及作用机理。Zr₆₀Al₁₀Cu₍30_和Zr₆₄Al₁₀Cu₂₆BMG具有较高的热稳定性，且玻璃形成能力较强。其过冷区间宽度ΔTx分别为54K和65K，约化玻璃转变温度Trg分别为0.588和0.567，γ参数分别为0.400和0.397。其中Zr₆₀Al₁₀Cu₃₀BMG的最大临界尺寸接近Ф6mm，而Zr₆₄Al₁₀Cu₂₆BMG的临界尺寸仅为3mm，表明Zr64Al10Cu26合金的玻璃形成能力较Zr₆₀Al₁₀Cu₃₀合金的弱。这一结论，在研究Zr₆₄Al₁₀Cu₂₆BMG的变温晶化行为时，得以验证。运用Kissinger法分别计算其特征温度表观激活能，得到Zr64Al10Cu26的玻璃转变激活能Eg为487kJ/mol、晶化起始激活能Ex为200kJ/mol、晶化峰的激活能Ep为244kJ/mol。组织的变化表现出力学性能的不同。Ф4mm Zr₆₀Al₁₀Cu₃₀BMG的抗压强度σmax为1595MPa、压缩断裂强度σ cf为1280MPa，压缩塑性应变εp为1.95%，断口呈现非晶典型的脉状纹络和脆性平滑区。在Ф6mm处的原位生成晶体/非晶基复合材料中，新析出DO3结构的AlCu2Zr晶体相和Cu10Zr7共晶正交晶体相，增加了合金的脆性，最终断裂行为取决于塑性相和脆性相之间的竞争，致使其抗压强度σmax和压缩塑性应变εp分别为1345MPa和0.5%。Ф3mm Zr₆₄Al₁₀Cu₂₄BMG的抗压强度σmax为1610MPa、压缩断裂强度σcf为1580MPa，压缩塑性εp达6.34%，发生弹性变形之后，出现典型的加工硬化现象，是室温综合力学性能最好的。同时对力学性能的改善机理进行分析。铸态试样Zr₆₀Al₁₀Cu₃₀和Zr₆₄Al₁₀Cu₂₆BMG及其复合材料的断裂行为均以剪切断裂方式进行，试样的断口与压力轴线夹角约小于45o，断面比较平整。试样侧面可以观察到二次剪切带，尤其Zr₆₄Al₁₀Cu₂₆试样侧面还可观察到三次剪切带。剪切带之间的交互作用在试样侧面明显形成网状结构，也是Zr₆₄Al₁₀Cu₂₆BMG具有较高压缩塑性的主要原因。而Zr68Al10Cu22、Zr₇₂Al₁₀Cu₁₈和Zr₇₆Al₁₀Cu₁₄合金的压缩断裂面的形貌，随着Cu含量的减少，试样断裂面的组织形状和尺寸，都有较大的差异。适当的熔体过热水平不仅影响合金的玻璃形成能力，也影响合金的微观组织结构，进而对力学性能有特殊的影响。Zr_60+xAl₁₀Cu_30-x（x=8,12,16at.%）合金系在凝固过程中，有多少ZrCu马氏体相转变为Zr₂Cu、Cu₁₀Zr₇脆性晶体相，一定程度上决定了该合金系的力学性能和最终断裂行为。因此，合理的成分设计和晶体相类型和尺寸的控制是提高该合金系力学行为的关键。