鋁基塊體金屬玻璃及其納米復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、研制具有強(qiáng)玻璃形成能力(Glass-forming ability，GFA)的合金體系一直是金屬玻璃領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。鋁基非晶態(tài)合金具有高的比強(qiáng)度，且可保持良好的韌性，部分晶化后的納米相復(fù)合材料，其性能進(jìn)一步提高。限制鋁基非晶態(tài)合金應(yīng)用的主要因素是其玻璃形成能力較差，尚未開(kāi)發(fā)出塊體金屬玻璃(Bulk metallic glass，BMG)樣品，僅可獲得條帶或粉末狀非晶態(tài)樣品。因此，開(kāi)展該類合金體系玻璃形成能力及塊體樣品成型工藝的研究對(duì)其作

2、為工程結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用有重要意義。
　　本論文的主要研究目的之一是理解Al基合金玻璃形成能力的特性，基于對(duì)現(xiàn)有非晶結(jié)構(gòu)模型和金屬玻璃的中程有序結(jié)構(gòu)模擬研究的理解，結(jié)合化學(xué)因素，尤其是電負(fù)性因素的影響以建立Al基非晶態(tài)合金強(qiáng)玻璃形成能力的模型判據(jù)，探索合金成分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)而研發(fā)具有高玻璃形成能力的Al基非晶態(tài)合金。
　　另一個(gè)目的是利用氣體霧化技術(shù)進(jìn)行高玻璃形成能力Al86Ni6Y4.5Co2La1.5合金非晶態(tài)粉末的制備，并

3、對(duì)該粉末的顯微結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析不同冷卻速度及氧含量對(duì)顯微結(jié)構(gòu)和初生相的影響。同時(shí)開(kāi)展Al86Ni6Y4.5Co2La1.5合金非晶態(tài)粉末的熱壓成型工作，對(duì)塊體材料的顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等進(jìn)行表征，建立熱壓參數(shù)與塊體材料性能的關(guān)系，研究塊體非晶態(tài)鋁合金的成型性及相關(guān)力學(xué)性能。主要結(jié)論如下:
　　(1)基于原子團(tuán)簇有效密堆積建立的團(tuán)簇穩(wěn)定線模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)Al-TM-RE合金系具有最佳GFA的合金成分點(diǎn)，這種原子團(tuán)簇的

4、穩(wěn)定堆垛形式可能與Al-TM-RE體系的實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。Al-TM-RE合金系中包含以TM為中心的團(tuán)簇和以RE為中心的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)單元，其中以TM為中心的團(tuán)簇的存在有利于提高Al-TM-RE體系的GFA。團(tuán)簇類型和數(shù)量的不同將導(dǎo)致原子堆垛密度的變化，從而影響非晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響GFA。同時(shí)，對(duì)于Al-TM-RE體系，具有最佳GFA合金的平均電負(fù)性為1.61，可用平均電負(fù)性約束結(jié)合團(tuán)簇穩(wěn)定線模型確定最優(yōu)玻璃形成成分?；趯?duì)上述結(jié)構(gòu)模

5、型的理解，首次制備出塊體鋁基金屬玻璃。Al-TM-RE體系中具有最佳玻璃形成能力的合金成分分別為Al86Ni6Y4.5Co2La1.5，Al86Ni7Y4.5Co1La1.5和Al86Ni7Y5Co1La1，其玻璃形成臨界尺寸為1 mm。該成分在加熱晶化前無(wú)明顯的玻璃轉(zhuǎn)變特征，且約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度和過(guò)冷液相區(qū)寬度等熱力學(xué)參數(shù)都不遵循經(jīng)典的非晶形成判據(jù)。
　　(2) Al基BMG的壓縮斷裂強(qiáng)度約為1050-1140MPa，其比強(qiáng)度高達(dá)

6、3.4×105Nm kg-1左右，并具有一定塑性，高于目前所有常見(jiàn)工程結(jié)構(gòu)材料，預(yù)示Al基BMG潛在的廣闊應(yīng)用前景。
　　(3)氣體霧化工藝制備的Al86Ni6Y4.5Co2La1.5非晶態(tài)粉末大部分呈球形，XPS結(jié)果表明，粉末表面富集元素為Al，Y和La，并且粉末表面存在Al2O3層，氧化層厚度大于30 nm，氧和氮元素在粉末表層的富集降低了粉末的GFA。測(cè)得粉末的臨界冷卻速率為1000 K/s，通過(guò)表觀激活能數(shù)據(jù)顯示其具有較好

7、的熱穩(wěn)定性。粒徑小于25μm的粉末呈完全非晶狀態(tài)，大于這一尺寸則呈部分或完全晶化狀態(tài)。粉末中主要包含三種晶體相，即Al2Y相，Al相和Al71.6Ni13Co4.4Y7.4O3.6相。其中Al2Y相為優(yōu)先析出相。
　　(4)當(dāng)熱壓溫度為530 K時(shí)，Al86Ni6Y4.5Co2La1.5非晶態(tài)合金樣品的密度和硬度同時(shí)達(dá)到最高，壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)到800MPa。樣品的結(jié)構(gòu)為非晶相+fcc Al相。壓力可導(dǎo)致樣品晶化程度的提高。當(dāng)受到外界