Ti掺杂对镁基非晶合金组织与性能的影响

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镁基非晶合金具有取材广、成本低、高强度、高比强度和耐腐蚀等性能优势,已经成为了公认的新型绿色结构材料。但镁基非晶合金塑性低,严重影响了在工程上的应用。为了解决此问题,本文采用元素替代法制备了高强度和高延展性的镁基非晶合金复合材料。同时,针对非晶合金的制备普遍存在高成本、低效率且不能连续制备的缺点,选用热型连铸工艺制备了镁基非晶合金,实验选择了较合适的工艺参数。本文设计选择了Mg-Cu-Y体系中非晶形成能力(GFA)最为突出的Mg58.5Cu30.5Y11非晶合金作为基体,向其内分别添加原子含量5 at.%、8 at.%和12 at.%的Ti。添加Ti元素后,计算了四元合金(Mg58.5Cu30.5Y11)100-xTix(x=0、5、8和12)的电负性差Δx,原子尺寸差σ,τ(σ·Δx)和υ(σ/Δx)。计算结果表明,Ti元素的掺入理论上具有形成非晶合金的可行性。采用铜模法制备了Mg58.5Cu30.5Y11块体非晶合金,当浇注温度从550 K增加到650K时,晶态成分数量变化趋势呈“凹”形变化,其中浇注温度为600 K时,熔体的流动性和过热度最佳,铸件为完全非晶态物质。以Mg58.5Cu30.5Y11为基体,制备(Mg58.5Cu30.5Y11)100-xTix(x为Ti含量)非晶合金,当Ti元素含量从0 at.%增加到12 at.%时,结果表明:合金的晶化温度Tx随着Ti含量的增加逐渐减小,过冷液相区ΔTx呈现减小趋势,Ti掺入量的多少与(Mg58.5Cu30.5Y11)100-xTix非晶形成能力成反比。(Mg58.5Cu30.5Y11)100-xTix(x含量分别为0 at%、5 at.%、8 at.%和12 at.%)合金在压缩断裂前都有一定屈服现象,它们的断裂强度分别为679.211 MPa、768.328 MPa、905.342MPa和794.442 MPa,掺钛合金的断裂强度与基体合金断裂强度相比,分别提高了13.1%、33.3%和17.0%。通过扫描电子显微镜(SEM)与差示扫描量热仪(DSC)对样品结构进行表征,发现了铜模浇注法制备的Ti=8 at.%的样品非晶形成性能最优,即(Mg58.5Cu30.5Y11)92Ti8的热力学参数Tx(晶化温度)、Tg(玻璃转变温度)和ΔTx(过冷液相区)分别为474 K、426 K和48 K。探究了热型连铸工艺对Mg58.5Cu30.5Y11非晶合金的影响。首先以型口温度为变量选定初始工艺参数,根据所制备样品的表面质量与XRD衍射图谱,分析得到有利于制备非晶合金的型口温度为800 K。其次,以温度参数为定量,分析牵引速度分别为12mm/min、18 mm/min和24 mm/min所铸样品,发现当牵引速度为18 mm/min时,连铸出表面质量较为光滑的样品,且长度达到14.8 cm。对冷却距离分别为60 mm与75 mm的工艺参数组所制备的样品进行显微分析与硬度测试,结果表明,在熔体温度为735K,保温时间为1 h,型口温度为800 K,牵引速度为18 mm/min,冷却距离为75 mm的工艺参数下,可以连铸出长度达到17.7 cm且具有一定非晶成分的镁基非晶复合材料。实验证明使用热型连铸工艺制备镁基非晶合金是可行的。
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