Al-Cr合金系中準(zhǔn)晶近似晶體相的結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能要求越來越高，迫切需要新一代金屬材料的研發(fā)和生產(chǎn)。傳統(tǒng)金屬材料主要局限于純金屬和二元合金，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一個(gè)晶胞中一般只有幾個(gè)或者數(shù)十個(gè)原子。高性能的金屬材料有可能存在于大量未開發(fā)的三元或者四元合金。這類合金單胞參數(shù)巨大，晶胞中原子眾多 (數(shù)百甚至上千) 并形成大量原子簇，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，被稱為復(fù)雜金屬合金 (Complex Metallic Alloys)。了解復(fù)雜金屬合金的結(jié)構(gòu)會(huì)有助于新材料的設(shè)

2、計(jì)和性能的預(yù)測(cè)，但是解析這樣的晶體結(jié)構(gòu)比較困難。 Al-Cr 二元合金相圖中富鋁一端存在幾個(gè)十次準(zhǔn)晶近似晶體相，這些相的單胞參數(shù)也很大，且含有大量二十面體原子簇。它們的結(jié)構(gòu)研究不僅有助于更好地理解 Al-Cr十次準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)，也有助于理解復(fù)雜金屬合金中原子簇的組合方式。本論文便是在這樣的背景下展開的，主要包括以下內(nèi)容： 通過中頻感應(yīng)爐加熱熔煉后快速冷卻的方法，在名義成分為 Al<,11>Cr<,2>的合金鑄錠的縮孔中得到了

3、η-Al<,11>Cr<,2>相的單晶體，確認(rèn)該相確實(shí)存在。綜合選區(qū)電子衍射和單晶 X-射線衍射分析，解釋了歷史上對(duì)該相單胞錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)產(chǎn)生的原因。得到了η-Al<,11>Cr<,2>相精確的單胞參數(shù) a = 1.77348(10) nm，b = 3.04615(18) nm，c = 1.77344(10) nm，β =91.0520(12)°，確認(rèn)空間群為 C2/c。測(cè)得η-Al<,11>Cr<,2>相的化學(xué)成分為 Al<,83.8>Cr

4、<,16.2>。通過熱處理，在Al<,11>Cr<,2>合金的基體中也得到了η-Al<,11>Cr<,2>相。在金相實(shí)驗(yàn)中，觀察到了包晶反應(yīng)μ-Al<,4>Cr+L (Al) ←→η-Al<,11>Cr<,2>，證實(shí)了該反應(yīng)的存在；同時(shí)，也觀察到了共析反應(yīng)η-Al<,11>Cr<,2> ←→μ-Al<,4>Cr+θ-Al<,7>Cr，與文獻(xiàn)中的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果相符。 運(yùn)用單晶X-射線衍射結(jié)構(gòu)解析的方法，成功解出了 Al-Cr十重對(duì)

5、稱準(zhǔn)晶近似相單斜η-Al<,11>Cr<,2>和六方μ-Al<,4>Cr 的晶體結(jié)構(gòu)。η-Al<,11>Cr<,2>相由一個(gè)獨(dú)立的二十面體層塊(PFP’)沿(101) 晶面的法線方向堆垛，每四層為一個(gè)周期。這個(gè)二十面體層塊由五條平行的二十面體鏈α，β，γ，γ<'*>和β<'*>相互聯(lián)接而成，其中α，β，γ為獨(dú)立的二十面體鏈，β<'*>和γ<'*>通過處于b = 1/4 處的 n 滑移面由β，γ生成。μ-Al<,4>Cr 相由兩個(gè)獨(dú)立的二

6、十面體層塊(P<,1>F<,1>P<,1>’)和(P<,2>F<,2>P<,2><'m>)在 c 軸方向交替堆垛，共四層。兩相之間存在關(guān)系 c<,μ> ≈ 2d<,(101)η> ≈ 2.485nm。η-Al<,11>Cr<,2>相中的二十面體層塊(PFP’)與μ-Al<,4>Cr相的一個(gè)二十面體層塊(P<,1>F<,1>P<,1>’)具有很多相似的結(jié)構(gòu)特征。兩個(gè)相在偽十次軸方向呈現(xiàn)為一系列平行二十面體鏈的不同組合，連接這些二十面體鏈的

7、中心，可以形成按一定規(guī)律排列的 Penrose 拼塊。通過對(duì)比μ-Al<,4>Cr相和μ-Al<,4>Mn相的晶體結(jié)構(gòu)，確認(rèn)二者等結(jié)構(gòu)，證實(shí)了Cr原子和Mn原子在μ相中的完全可置換性。 通過原位加熱電子顯微鏡觀察，單斜η-Al<,11>Cr<,2>相在800℃加熱保溫 2 小時(shí)后，三個(gè)主要帶軸電子衍射花樣中的超結(jié)構(gòu)弱衍射點(diǎn)消失，且單斜角變?yōu)橹苯?，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)新的體心正交相 O-Al<,11>Cr<,2>。這說明η-Al<,11