SPS制備鋯基和銅基塊體非晶復合材料及強韌化機理研究.pdf

1、非晶材料因其具有高強度、高硬度、高耐磨性以及優(yōu)異的耐蝕和磁性能等，得到了人們廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究也不斷深入。但是由于非晶材料對成分和冷卻速率敏感性很高，使其制備的尺寸受限。此外單相非晶塊體材料室溫下塑性變形能力差。這嚴重限制了其作為工程材料的應(yīng)用。在非晶基體內(nèi)引入晶體相，可提高塑性。但第二相顆粒的引入會對非晶的形成能力造成影響。因此如何制備大塊的高強度高塑性非晶材料已成為把非晶合金應(yīng)用于工程亟待解決的問題，也是非晶研究工作中的關(guān)注焦點。

2、
　　 放電等離子燒結(jié)(SparkPlasmaSintering，SPS)技術(shù)可實現(xiàn)短時快速燒結(jié)，可有效避免非晶晶化和增強相影響基體非晶形成能力等諸多問題，非常適合制備大塊非晶復合材料。此外，盡管目前很多研究工作集中在利用復合法提高非晶塑性變形能力，但是對其增韌機理，特別是增強相和非晶基體的性能對復合材料力學行為的影響機制的認識尚不夠全面。
　　 本文利用SPS技術(shù)成功制備了大塊的TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5

3、、ZrO2/Zr55Cu30Al10Ni5和TiNb/Cu46Zr42Al7Y5非晶復合材料。系統(tǒng)地研究了增強相（延性TiNb金屬顆粒和硬脆ZrO2陶瓷顆粒）對非晶基體結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性的影響;分析研究了增強相與非晶基體界面結(jié)合情況;重點考察了三種非晶基復合材料的力學行為;深入討論了兩種增強相和兩種非晶基體性能的差異對非晶基復合材料力學性能的影響;利用有限元模擬的方法并結(jié)合復合材料力學性能的結(jié)果，研究了復合材料在變形過程中增強相與非晶基體間

4、的應(yīng)力、應(yīng)變場的變化。全面地揭示了增強相體積分數(shù)、顆粒尺寸和力學性能以及非晶基體的斷裂韌性對非晶復合材料力學行為的影響機理。主要研究結(jié)果如下:
　　 系統(tǒng)地研究了SPS燒結(jié)過程中溫度對非晶合金致密化程度和強度的影響規(guī)律。研究表明燒結(jié)溫度與燒結(jié)非晶試樣的致密化程度和強度均呈非線性關(guān)系。燒結(jié)溫度存在一最佳值，當燒結(jié)溫度在此值以下時，燒結(jié)試樣的致密化程度和強度隨燒結(jié)溫度的增加而增加;當燒結(jié)溫度高于此值時，材料的強度會因非晶試樣內(nèi)缺陷濃

5、度的增加和脆性晶體相的析出而急劇降低。Cu46Zr42Al7Y5非晶最佳燒結(jié)溫度為653K，此時能夠得到直徑為15mm的非晶試樣(銅模鑄造法得到的最大尺寸為10mm)，且燒結(jié)試樣的相對密度可達到99.98％，強度達到1803MPa;Zr55Cu30Al10Ni5非晶的最佳燒結(jié)溫度為623K。此時相對密度達到99.85％，強度為1677MPa。均達到了與銅模鑄造非晶試樣相當?shù)膲嚎s強度。
　　 使用上述經(jīng)過優(yōu)化的工藝條件成功制備了T

6、iNb/Zr55Cu30Al10Ni5、ZrO2/Zr55Cu30Al10Ni5和TiNb/Cu46Zr42Al7Y5非晶復合材料。并對復合材料的致密化程度、結(jié)構(gòu)、熱力學性能以及增強相和非晶基體結(jié)合的界面等進行了系統(tǒng)的評價。研究結(jié)果表明，采用SPS燒結(jié)的方法可以制得致密的非晶復合材料。添加顆粒對非晶基體的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性沒有影響，使其保持了完全的非晶相結(jié)構(gòu)特征。透射電鏡和納米壓痕分析表明增強相與非晶基體的界面清晰且結(jié)合緊密。
　　

7、 全面地考察了增強相的體積分數(shù)和顆粒尺寸與復合材料力學性能的關(guān)系。Zr55Cu30Al10Ni基體中添加第二相顆粒后，斷裂強度得到提高。對于TiNb增韌的非晶復合材料，其塑性應(yīng)變量隨TiNb體積分數(shù)的增加而增加。當TiNb含量為30vol.％時，TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5復合材料的塑性應(yīng)變量達到了11％。而ZrO2顆粒增韌的非晶復合材料的塑性應(yīng)變量卻隨ZrO2顆粒含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，其最佳增韌效果的體積分數(shù)為

8、10-15vol.％。此外，研究結(jié)果表明非晶復合材料的塑性應(yīng)變量還與增強相的顆粒尺寸相關(guān)，小尺寸的增強相具有更好的增韌非晶的效果。
　　 研究了增強相增韌非晶的機理。利用有限元模擬的方法深入研究了非晶復合材料壓縮過程中增強相、非晶基體以及兩者界面處應(yīng)力和應(yīng)變場的變化。并結(jié)合TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5復合材料的力學行為，全面地揭示了增強相增韌非晶基復合材料的機理。研究結(jié)果表明由于在壓縮過程中增強相顆粒與非晶基體間存在

9、應(yīng)變的不匹配，導致兩者界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，界面處高的應(yīng)力值可誘發(fā)非晶基體內(nèi)剪切帶的萌生。增強相顆粒含量的增加意味著非晶基體中更多的剪切帶被開動，因而使非晶復合材料具有了更高的塑性應(yīng)變值。而增強相體積分數(shù)相同的情況下，小的顆粒意味著引入第二相在非晶基體內(nèi)分布更加均勻，增強相與非晶基體的界面更多。因此小尺寸的增強相具有了更好的增韌效果。
　　 比較分析了延性金屬顆粒(TiNb)和硬脆陶瓷顆粒(ZrO2)力學性能對復合材料力學行為的影

10、響。兩種顆粒與非晶基體間均存在應(yīng)變的不匹配，導致界面處應(yīng)力集中而誘發(fā)剪切帶產(chǎn)生。只是ZrO2顆粒只具有彈性變形，它與非晶基體間以彈性應(yīng)變的不匹配為主。而TiNb顆粒因其具有較強的塑性變形能力，它與非晶基體間除了彈性應(yīng)變不匹配外，還存在塑性應(yīng)變的不匹配，可在TiNb與非晶基體間的界面處引入更大的應(yīng)力集中，從而使非晶基體內(nèi)剪切帶持續(xù)增殖，更多的剪切帶在TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5復合材料中產(chǎn)生，因此TiNb顆粒有較ZrO2顆粒更

11、好的增韌效果。
　　 非晶基體斷裂韌性是影響非晶基復合材料力學行為的重要因素。斷裂韌性值較低的Cu46Zr42Al7Y5非晶對裂紋較敏感，一旦在非晶基體內(nèi)產(chǎn)生裂紋便會迅速擴展導致材料的失效，增強相對其塑性和強度的提高作用有限。而對于斷裂韌性值較高的Zr55Cu30Al10Ni5非晶，由于其對裂紋具有較高的抵御能力，且在應(yīng)力作用下裂紋尖端應(yīng)力集中可誘發(fā)剪切帶的萌生，使裂紋能量降低，同時大量剪切帶的萌生可導致微裂紋形成，可使主裂紋運