Cu基非晶合金晶化過程和微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、金屬玻璃，也稱為非晶態(tài)合金，是熾熱的金屬熔化物在瞬間驟冷的情況下，由于原子來不及重新排列成規(guī)則的晶體，從而把液態(tài)下無規(guī)則排列的原子凍結(jié)下來而形成的，并在一定溫度范圍，這種狀態(tài)保持相對穩(wěn)定。由于其結(jié)構(gòu)與玻璃非常相似，是一種亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)，具有短程有序，長程無序的特征，所以才被稱為金屬玻璃。 由于金屬玻璃特殊的微結(jié)構(gòu)使其具有許多普通晶態(tài)合金材料所不具備的優(yōu)良的力學、化學及物理性能，使之在機械、通訊、航空航天、汽車工業(yè)、化學工業(yè)、運動器

2、材乃至國防軍事上具有廣泛的應用潛力。利用其在超過冷溫度區(qū)間的超塑成形能力，可以進行微型零件及微型模具的成形，并實現(xiàn)復雜形狀零件的近終成形。近年來，科學界和材料工程界對大塊非晶合金進行了廣泛地研究，并且取得了很大的進展，但它仍是處于研究階段的新型材料，在理論和實際應用中還有許多問題亟待解決，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1目前對大塊金屬玻璃形成能力的本質(zhì)認識還不足，沒有一種成熟的理論指導如何尋找具有較高玻璃形成能力的合金成分；

3、 2沒有成熟的物理模型來解釋金屬玻璃合金的短程有序、長程無序結(jié)構(gòu)及各組元之間的相互作用形式； 3金屬玻璃合金中玻璃化轉(zhuǎn)變過程和晶化過程的理論認識還有待進一步研究； 4如何把塊體金屬玻璃的尺寸做得更大、降低制備要求，實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)； 5金屬玻璃合金的應用研究，開發(fā)金屬玻璃合金的應用潛力。 近些年開發(fā)的Cu基大塊金屬玻璃體系具有材料成本低、高的玻璃形成能力和優(yōu)異的機械性能等優(yōu)點，銅基大塊金屬玻璃必將適合

4、作為新型的工程材料。據(jù)最近報道，Cu-Zr二元體系具有驚人的玻璃形成能力，這無論對大塊金屬玻璃的理論研究還是工業(yè)應用都具有極其重要的意義。 本文全面綜述了金屬玻璃合金的非晶態(tài)物理和研究發(fā)展過程、總結(jié)了該合金特殊的制備方法、優(yōu)異的性能和應用前景、并介紹了對于研究這種特殊結(jié)構(gòu)合金先進的測試手段。 采用差熱分析技術(shù)(DSC)、X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、正電子湮滅技術(shù)及以同步輻射為光源的原位高溫XRD測試、

5、高能X光衍射技術(shù)、擴展邊精細吸收譜技術(shù)(EXAFS)等先進的研究手段，系統(tǒng)研究了Cu-Zr-Al-Ag、Cu-Zr-Al、Cu-Zr金屬玻璃合金體系的熱穩(wěn)定性、原子短程結(jié)構(gòu)、及玻璃轉(zhuǎn)變和晶化過程的部分熱力學和動力學問題，并取得一些令人欣喜的結(jié)果，對豐富大塊金屬玻璃相關(guān)領(lǐng)域的理論和今后該體系的工業(yè)應用將會起到一定作用。 研究結(jié)果表明，CuZrAl金屬玻璃合金體系中加入元素Ag將有效增加合金的超過冷液態(tài)區(qū)的寬度，當Ag含量為15at

6、.％Ag時，△Tx值達到最大為110K。此合金可能具有Cu基金屬玻璃合金中最大的超過冷液態(tài)區(qū)的寬度。Ag元素的加入提高了合金中不同元素原子的堆積效率并提高了合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜度，最終提高了體系的熱穩(wěn)定性。Cu50Zr45Al5金屬玻璃合金的EXAFS測試結(jié)果表明距離中心Zr原子2.70A處有5個Cu原子配位，在距離中心Zr原子3.14A處有5個Zr原子配位。Cu50Zr45Al5金屬玻璃的第一殼層主要由Zr-Zr、Zr-Cu和Cu-Cu

7、原子對組成。Cu50Zr45Al5金屬玻璃合金在加熱到783K時同時析出四角的CuZr2相和正方的Cu10Zr7相，這種共晶轉(zhuǎn)變可能與該合金具有寬超過冷液態(tài)區(qū)和高Trg和γ值有關(guān)。在最新發(fā)現(xiàn)的Cu-Zr二元大塊非晶合金體系中，玻璃形成能力對合金成分非常敏感，研究表明具有最佳玻璃形成能力成分的合金同臨近成分的Cu-Zr合金在微結(jié)構(gòu)上沒有明顯差別，它們相似的原子結(jié)構(gòu)為：原子間距從1.74到3.76A范圍內(nèi)的第一殼層配位數(shù)N～14,在中心原子