碳元素掺杂对铝基非晶形成的影响

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本文选择Al88Ni6Y6非晶合金为研究对象,利用机械合金化法成功制备了Al88Ni6Y6+x wt.%石墨/石墨烯(x=0,0.2,0.5和0.8)非晶基复合材料,利用X射线衍射仪、差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜对制得的粉末进行了测试分析,探讨不同结构类型的C元素单质对于基体合金物相组成、微观形貌、热稳定性以及非晶形成能力的影响。并初步探讨利用放电等离子体烧结技术制备块体Al基非晶复合材料,初步对烧结块体的密度、物相组成、微观形貌、热力学性质以及显微硬度进行了分析,并探讨掺杂元素和烧结温度对于块体合金力学性能的影响。结果表明,石墨或石墨烯掺杂均显著提高基体合金的热稳定性和非晶形成能力。掺杂石墨及延长球磨时间均会明显改变合金的晶化模式。x=0.5和0.8wt.%的掺杂量有利于缩短基体合金的非晶化进程,x=0.2wt.%的掺杂量则会延长非晶化进程。掺杂石墨会产生独特的碎屑状微观形貌,有利于微观组织细化,但也会导致团聚现象加剧。石墨掺杂极大地提高了Al基非晶合金的玻璃转变温度(Tg)、初始晶化温度(Tx1)、晶化峰温度(Tp)和过冷液相区(ΔTx)范围。同时适当的掺杂量可以提高晶化激活能(当x=0.8wt.%、球磨时间为200h时,Ex1、Ep1分别为500.6KJ/mol和489.4KJ/mol)。延长球磨时间,激活能普遍减低。另外,石墨可以降低合金的结晶速率常数νT,拓宽ΔTx范围,有利于提高非晶形成能力。但合金的热稳定性和非晶形成能力并不一致变化,它们由不同的机理所决定;掺杂石墨烯会显著改变合金的晶化模式,但延长球磨时间对于晶化模式的影响作用减弱。石墨烯对于缩短基体合金非晶化进程的作用并不明显,当x=0.2和0.5wt.%时非晶化进程与基体合金基本一致,当x=0.8wt.%时会延长非晶形成时间。掺杂石墨烯会产生独特的层片状微观形貌,适当掺杂量有利于微观组织细化,过量掺杂会增大颗粒尺寸,也会导致团聚现象加剧。石墨烯掺杂极大地提高了基体合金的Tg、Tx1、Tp和ΔTx值,但增加掺杂量和延长球磨时间对于热力学特征参数的提升并不明显。初始晶化焓与热力学特征参数间存在良好的负相关性。适当的掺杂量可以提高晶化激活能(当x=0.5wt.%、球磨时间为200h时,Ex1、Ep1分别为672.2KJ/mol和560.1KJ/mol)。延长球磨时间,激活能普遍减低。另外,石墨烯也可以降低合金的结晶速率常数νT,拓宽ΔTx范围(当x=0.8wt.%、球磨时间为200h时,ΔTx=362K),有利于提高非晶形成能力。对Al88Ni6Y6+0.8wt.%石墨/石墨烯非晶基复合粉末在不同烧结温度下制得试样的测试结果显示:烧结块体均完全晶化,未能成功制备出Al基大块非晶基复合材料。块体的相对密度和显微硬度具有类似的变化趋势。无论是掺杂石墨或是石墨烯的试样,随着烧结温度的提高,密度和显微硬度均随之增加,掺杂0.8wt.%石墨烯、烧结温度为1200℃的试样,其密度和维氏硬度分别为4.24g/cm3和375HV,但相同烧结温度下掺杂石墨的试样表现出更高的密度和显微硬度。微观形貌分析显示各块体致密程度并不高,微观组织中颗粒间的结合力以机械力为主,较弱的原子间结合力是导致密度和显微硬度相对较低的原因。烧结工艺参数有待于今后进一步探索和优化。
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