富铜基块体非晶合金的设计、制备与性能研究

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Cu基块体非晶合金具有优异的力学、物理及化学性能,是当前高性能先进金属材料的研究热点。目前国内外学者对块体非晶合金,尤其是多元块体非晶合金的非晶形成能力预测方法认识还不够。而在性能方面,现阶段的研究对于材料的塑性变形能力与合金耐腐蚀性能的研究仍不够深入。因此,本文从Cu基块体非晶合金的成分设计入手,利用相图热力学数据,预测多元Cu基非晶合金成分的凝固过程,并依据合金化技术手段构建块体非晶合金及其复合材料,改善其塑性变形能力。使用X射线衍射、示差扫描量热及微观组织分析表征了合金的非晶本质,同时研究合金化元素和紫外光辐照对块体非晶合金电化学腐蚀行为的影响。通过统计Tm与Tg之间的线性关系,将非晶形成能力参数Trg=Tg/T1合理地变换成Trg=κTm/Tl+C/T1,该式反映了固相线温度Tm也是影响非晶形成能力的重要参数,同时也揭示了液相线温度Tt对非晶形成能力的重要作用。另一方面,该将参数Trg从后验性参数转换成预测性参数,可以用于预测具有较高非晶形成能力的合金成分。同时,该参数揭示了合金的凝固温度区间对该合金的非晶形成能力的影响规律。根据该规律,设计并制备了多种三元Cu-Zr-Ti和Cu-Zr-Al系块体非晶合金。本论文设计的三元Cu-Zr-Ti块体非晶合金中,Ti元素含量范围在7.5-8.5at.%之间的块体非晶合金具有较大的塑性。通过热力学计算与合金凝固过程预测,并添加合金元素制备了三类四元块体非晶合金。Cu-Zr-Ti-Ni系合金中的Cu54.5Zr37Ti8Ni0.5、Cu-Zr-Ti-Si 合金中的 Cu54.5Zr37Ti8Si0.5、Cu53.5Zr37Ti8Si1.5表现较大的塑性变形能力。另外,通过分析组元间二元相图,选取了Mo、Nb和Hf元素分别取代Cu50.2Zr40.8Ti9块体非晶合金中的Ti元素,Cu50.2Zr40.8Ti8Mo1.0、 Cu50.2Zr40.8Ti8Nb1.0和Cu50.2Zr40.8Ti8Hf1.0在各自的体系内均表现出最好的塑性和断裂强度。在本论文设计的所有合金中,Cu50Zr42.5Ti7.5、Cu51.7Zr40.8Ti7.5、 Cu54.5Zr37Ti8Ni0.5、Cu50.2Zr40.8Ti8Nb1.0和Cu50.2Zr40.8Ti7Nb2.0合金的压缩塑性和断裂强度分别超过了10%和2000 MPa。通过纳米压痕研究了塑性差别明显的两类块体非晶基复合材料的压痕蠕变行为,发现了合金的塑性与非晶基体的结构密切相关。添加合金元素Al、Ni、Si、Mo、Nb和Hf均可以提高Cu-Zr-Ti块体非晶合金的腐蚀电位。另一方面,Cu54.5Zr37Ti8Si0.5合金的腐蚀电流密度明显低于Cu55Zr37Ti8。采用紫外光辐照,研究了两种Cu基块体非晶合金电化学腐蚀行为。动态极化曲线、电化学阻抗谱分析表明:Cu基块体非晶合金在紫外光辐照情况下腐蚀电流密度(腐蚀速率)降低和耐点蚀能力提高。通过观察腐蚀表面形貌,发现Cu基块体非晶合金在紫外光辐照条件下,点蚀位置较少且点蚀面积较小,证实了Cu基块体非晶合金在紫外光辐照的环境中具有高的耐点蚀能力。
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