锆基BMG/Cu层状复合材料制备及其力学性能研究

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大块非晶合金相对于晶体合金具有极高的强度、良好的耐腐蚀性和优异的耐磨性,作为新一代结构材料有着广泛的应用前景。但是在室温下,非晶合金具有较低塑性,限制了非晶合金作为结构材料的应用。而提高非晶合金室温塑性的有效方法是限制非晶合金剪切变形的局部化和扩展,增加剪切带开动的数量。如果将塑性相与非晶合金通过热压法制备出非晶与塑性相层状复合材料,有望使非晶合金的室温塑性提高。本文在深入了解Zr基非晶合金在过冷液相区中的变形机制的基础上,利用非晶合金在过冷液相区的超塑性,采用热压法对锆基非晶合金和铜进行扩散连接,并以此为基础制备了锆基BMG/Cu层状复合材料,研究了温度和保温时间对制备的复合材料的显微组织和力学性能的影响,主要研究结果如下:(1)对锆基非晶在过冷液相区的变形行为进行研究。采用铜模吸铸法制备了Zr60Cu25Al10Fe5非晶合金,通过DSC表征,得到其玻璃化转变温度与晶化温度分别为375℃和477℃,其对应的过冷液相区宽度(ΔT=Tx-Tg)为102℃。对非晶合金过冷液相区内变形行为研究发现,其变形模式取决于温度与应变速率;非晶合金在低于应变速率2×10-4s-1条件下,当温度高于玻璃化转变温度(>375℃)时,表现出良好的超塑性;(2)对非晶和铜扩散连接工艺进行了研究。在420-440℃温度范围内,压强为150MPa条件下,对Zr基非晶与铜扩散连接,其结果表明,连接温度和时间对连接界面的形成有着非常重要的影响。在420℃,加载荷为150MPa,保温时间为90min,可实现锆基非晶和铜之间的完全冶金结合,其扩散层的厚度约为3μm;Cu原子在非晶合金中的扩散能力低于在晶体合金的扩散;理论分析结果表明,在420℃时,Zr基非晶与铜之间的扩散连接时间要高于Zr基非晶与自身的扩散连接时间;(3)通过热压法在不同条件下制备了非晶合金/铜层状复合材料。结果表明:在420℃和440℃温度下,外加载荷为150MPa,加载速率为2×10-3s-1以及保温时间为90min,成功制备了Zr-基非晶/Cu层状复合材料,其界面结合剪切强度分别为63MPa和90MPa。420℃下热压制备的层状复合材料,其非晶层未有明显晶化,仍然保持着非晶结构,其室温压缩强度约为850MPa,具有一定室温塑性;而在440℃热压制备的层状复合材料,其非晶层发生了部分晶化,主要生成了Zr2Cu晶化相,未表现出室温塑性。层状复合材料的强度满足混合复合材料强度的混合定律。420℃下热压制备的层状复合材料表现出室温塑性源于Cu层对非晶层中剪切带以及裂纹的形成与扩展的阻碍作为。
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