论文部分内容阅读
研制具有强玻璃形成能力(Glass-forming ability,GFA)的合金体系一直是金属玻璃领域的研究热点。铝基非晶态合金具有高的比强度,且可保持良好的韧性,部分晶化后的纳米相复合材料,其性能进一步提高。限制铝基非晶态合金应用的主要因素是其玻璃形成能力较差,尚未开发出块体金属玻璃(Bulk metallic glass, BMG)样品,仅可获得条带或粉末状非晶态样品。因此,开展该类合金体系玻璃形成能力及块体样品成型工艺的研究对其作为工程结构材料的应用有重要意义。本论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,基于对现有非晶结构模型和金属玻璃的中程有序结构模拟研究的理解,结合化学因素,尤其是电负性因素的影响以建立Al基非晶态合金强玻璃形成能力的模型判据,探索合金成分的设计准则,进而研发具有高玻璃形成能力的Al基非晶态合金。另一个目的是利用气体雾化技术进行高玻璃形成能力A186Ni6y4.5Co2La1.5合金非晶态粉末的制备,并对该粉末的显微结构、热稳定性进行研究,分析不同冷却速度及氧含量对显微结构和初生相的影响。同时开展A186Ni6y4.5Co2La1.5合金非晶态粉末的热压成型工作,对块体材料的显微结构及力学性能等进行表征,建立热压参数与块体材料性能的关系,研究块体非晶态铝合金的成型性及相关力学性能。主要结论如下：(1)基于原子团簇有效密堆积建立的团簇稳定线模型可以较为准确地预测Al-TM-RE合金系具有最佳GFA的合金成分点,这种原子团簇的稳定堆垛形式可能与Al-TM-RE体系的实际结构相符合。Al-TM-RE合金系中包含以TM为中心的团簇和以RE为中心的团簇结构单元,其中以TM为中心的团簇的存在有利于提高Al-TM-RE体系的GFA。团簇类型和数量的不同将导致原子堆垛密度的变化,从而影响非晶内部结构的稳定性,进而影响GFA。同时,对于Al-TM-RE体系,具有最佳GFA合金的平均电负性为1.61,可用平均电负性约束结合团簇稳定线模型确定最优玻璃形成成分。基于对上述结构模型的理解,首次制备出块体铝基金属玻璃。Al-TM-RE体系中具有最佳玻璃形成能力的合金成分分别为A186Ni6y4.5Co2La1.5,A186Ni7y4.5Co1La1.5和Al86Ni7y5Co1La1,其玻璃形成临界尺寸为1mm。该成分在加热晶化前无明显的玻璃转变特征,且约化玻璃转变温度和过冷液相区宽度等热力学参数都不遵循经典的非晶形成判据。(2)Al基BMG的压缩断裂强度约为1050-1140MPa,其比强度高达3.4×105N mkg-1左右,并具有一定塑性,高于目前所有常见工程结构材料,预示Al基BMG潜在的广阔应用前景。(3)气体雾化工艺制备的A186Ni6y4.5Co2La1.5非晶态粉末大部分呈球形,XPS结果表明,粉末表面富集元素为Al,Y和La,并且粉末表面存在Al2O3层,氧化层厚度大于30nm,氧和氮元素在粉末表层的富集降低了粉末的GFA。测得粉末的临界冷却速率为1000K/s,通过表观激活能数据显示其具有较好的热稳定性。粒径小于25μm的粉末呈完全非晶状态,大于这一尺寸则呈部分或完全晶化状态。粉末中主要包含三种晶体相,即Al2Y相,Al相和A171.6N113Co4.4y7.4O3.6相。其中Al2Y相为优先析出相。(4)当热压温度为530K时,A186Ni6y4.5Co2La1.5非晶态合金样品的密度和硬度同时达到最高,压缩断裂强度达到800MPa。样品的结构为非晶相+fcc Al相。压力可导致样品晶化程度的提高。当受到外界载荷时,热压样品内部存在的大量孔洞成为裂纹源,降低了材料的强度。半固态成型过程中,当浇注温度为1300℃,振动频率为50Hz时,Al86Ni6y4.5Co2La1.5合金半固态样品的组织得到了明显的细化。但同时针状组织增多,降低了材料的强度和塑性。