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Zr基非晶合金是一类具有广阔应用前景的材料,国内外研究者已经对Zr基合金原料粉末的机械合金化进行了大量研究,得出了多种非晶化机理,制备了各种Zr基非晶粉末。但是,Zr基合金非晶化的机理并没有统一认识,而且,虽然用机械合金化方法可以制备出非晶态的合金粉末,但粉末在实际应用中受到极大限制,需要对粉末进行进一步的加工处理,使之成为块体材料。
粉末成为块体需要进行烧结,常用烧结方法有两种。一种是气压烧结,另一种是热压烧结。目前,国外绝大部分研究者采用的是热压烧结法制备块体非晶合金。由于非晶态合金粉末对温度特别敏感,在高温下容易结晶,所以用热压烧结法处理非晶态合金粉末需要在非常高的压力(高达1~8GPa)和比较低的温度下成型。这样苛刻的条件很难制备出体积比较大的块体非晶合金,而且对模具要求很高,成本很昂贵。基于以上考虑,本课题采用气压烧结法对非晶态Zr基合金粉末进行处理,通过调整烧结工艺和添加剂成分,期望能够得到具有研究意义和使用价值的材料。
本工作利用机械合金化法成功制备Zr50Al15Ni10Cu25的非晶态粉末,并对机械合金化法制备该合金的非晶化机理进行探讨。然后,利用气压烧结法对制备得到的非晶态粉末进行处理,通过改变烧结工艺,即改变烧结温度和保温时间以及添加剂的种类和含量等条件来进行工艺优化,改善制品的性能。采用X射线衍射分析(XRD)和扫描电子显微镜(SEM),确定了样品的晶相组成和含量,观察了样品的形貌。研究结果表明:
1、用机械合金化在比较短的时间内(30h)以高的球磨强度,即400r/min的球磨转速和20∶1的球料比可成功制备出完全非晶化的Zr50Al15Ni10Cu25合金,然而,Zr的原始粉末中由于存在ZrH2杂质,对非晶化有负面影响。采用高纯度的原始粉末可以缩短达到完全非晶化的时间。球磨过程中随着球磨时间的延长,颗粒和晶粒尺寸都不断地减小。
2、就本工作所研究的Zr基合金体系而言,在机械合金化过程中并没有出现过饱和固溶体或者中间合金相,合金非晶化的机理是由于冲击、剪切、摩擦还有挤压力使得混合粉末中的颗粒转变为极小的纳米晶,Zr50Al15Ni10Cu25粉末原料的非晶化是由于纳米晶粒的无序排列。
3、用Y取代Al制备Zr50Al15-xNi10Cu25Yx(x=0~10)非晶合金过程中,当x=5和x=7.5的时候,Y的添加对非晶化进程有阻碍作用。同样,添加的非金属单质或化合物,都不利于高能球磨中的非晶化作用,只会延长非晶化时间,并引入更多的Fe杂质。
4、对于Zr50Al5Ni10Cu25Y10体系,球磨时添加4wt%的乙醇作为过程控制剂有利于粉末的非晶化。
5、对于Zr50Al15Ni10Cu25组分,添加10vol%的Si3N4有利于样品抗弯强度的提高,最高强度是在1300℃下烧结的试样,达115MPa。对于Zr50Al5Ni10Cu25Y10组分,添加5vol%的C(石墨)有利于该样品的抗弯强度的提高,最高强度是在1350℃下烧结的试样,达88MPa。
6、以外加方式而且对外加的第二相粉末不进行高能球磨就直接成型然后烧结的Zr50Al15Ni10Cu25样品,烧结后都会出现以添加剂为核心的不同于其他区域的烧结致密区。致密区的结构对材料的力学性能(抗弯强度)影响很大。
7、Zr50Al15Ni10Cu25的样品在1300℃烧结,保温时间为20min,得到的样品的抗弯强度最高,达115.218MPa;Zr50Al5Ni10Cu25Y10的样品在1300℃烧结,保温时间为40min,得到的样品的抗弯强度最高,达97MPa。