Zr-Co-Al系非晶合金的團簇式成分設(shè)計方法及性能研究.pdf

1、非晶合金的形成是固體物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題。人們一直試圖理解復(fù)雜多組元非晶合金的成分規(guī)律及其高非晶形成能力問題，這是發(fā)展大非晶形成能力、高性能和低成本非晶合金的重要基礎(chǔ)。鑒于非晶合金以近程有序結(jié)構(gòu)為特征，且近程有序主要體現(xiàn)在第一近鄰配位多面體團簇結(jié)構(gòu)上，團簇概念被大量用來探索非晶合金結(jié)構(gòu)，并可用以此闡釋和推斷大非晶形成能力合金的成分特征。我們前期建立的“團簇加連接原子”模型將非晶合金可看作由基礎(chǔ)團簇與占據(jù)團簇間空隙位置的連接原子兩

2、部分構(gòu)成。相應(yīng)的，非晶合金的結(jié)構(gòu)與組分特征可用[團簇]（連接原子）x描述，這里，x為連接原子數(shù)目與團簇的數(shù)目比?！皥F簇+連接原子”模型將非晶合金的結(jié)構(gòu)與成分信息有機統(tǒng)一于團簇成分式中。如果我們合理地確定出非晶合金的團簇式，由其就可得到合金確切的化學(xué)成分。這就是基于“團簇+連接原子”模型的非晶合金團簇式定量成分設(shè)計方法，其實施主要包括二元非晶基礎(chǔ)團簇式的確立及其合金化過程。Zr-Co-Al系為重要的非晶形成體系，本文將通過非晶合金的團簇式

3、設(shè)計方法對其進行再研究。具體的，將從Zr-Co二元系出發(fā)，解析與闡釋非晶相關(guān)的共晶化合物結(jié)構(gòu)及共晶點成分，以其為基礎(chǔ)建立Zr-Co-Al系的非晶團簇式，設(shè)計與制備具有大非晶形成能力的Zr-Co-Al合金，并測試分析Zr-Co-Al塊體非晶的熱學(xué)與力學(xué)等性能，為發(fā)展具有優(yōu)良綜合性能的Zr-Al-Co非晶合金提供理論與實驗依據(jù)。
　　本研究主要結(jié)果如下：⑴解析了tI12-Zr2Co與cP2-ZrCo共晶相的基礎(chǔ)團簇，分別為以Co為心的

4、Co3Zr8與以Zr為心的Zr7Co8團簇。以其為基礎(chǔ)可將Co-Zr二元非晶系的主要共晶點成分——Zr46.6Co53.4、 Zr65Co35和Zr78.5Co21.5用團簇式精確解析成:[Zr7Co8](CoZr)=Zr47Co53、[Co3Zr8](Co2Zr)=Zr64.3Co35.7和[Co3Zr8]Zr3=Zr78.6Co21.4。⑵著重Zr基Zr-Co-Al非晶研究，因此將Co3Zr8作為構(gòu)筑非晶團簇式的基礎(chǔ)團簇;分別以Co

5、/Zr為連接原子，結(jié)合非晶形成的原子尺寸與電子濃度判據(jù)，確定出Zr-Co二元非晶的四個基礎(chǔ)團簇成分式:[Co3Zr8]Co、[Co3Zr8]Co2、[Co3Zr8]Co3和[Co3Zr8]Zr;由于共晶點與非晶形成關(guān)系密切，我們將兩富Zr共晶點的團簇式[Co3Zr8](Co2Zr)與[Co3Zr8]Zr3也作為Zr-Co二元基礎(chǔ)非晶團簇式進行合金化，以作比較。⑶引入第三組元Al，替換上述六基礎(chǔ)團簇式中Co3Zr8團簇殼層上的Co和Zr，

6、在原子尺寸上Co+Zr=2Al，由此獲得六個Zr-Co-Al非晶成分:[Co2Zr7Al2]Co、[Co2Zr7Al2]Co2、[Co2Zr7Al2]Co3、[Co2Zr7Al2]Zr、[Co2Zr7Al2](Co2Zr)和[Co2Zr7Al2]Zr3，其對應(yīng)的原子百分比成分分別為Zr58.3Co25Al16.7、Zr53.8Co30.8Al15.4、Zr50Co35.7Al14.3、Zr66.6Co16.7Al16.7、Zr57.1C

7、o28.6 Al14.3和Zr71.4Co14.3Al14.3。水冷銅模吸鑄實驗表明:除Zr71.4Co14.3Al14.3與Zr66.6Co16.7Al16.7外，其余成分處都可得到臨界直徑大于2 mm非晶棒;Zr58.3Co25Al16.7、 Zr53.8Co30.8Al15.4和Zr57.1Co28.6 Al14.3非晶的臨界直徑超過8mm;其中，[Co2Zr7Al2]Co2團簇式對應(yīng)的Zr53.8Co30.8Al15.4成分處的

8、非晶形成能力最大，臨界尺寸達12 mm，在同等制備條件下高于已報道的最好成分Zr56Co28Al16（臨界尺寸10 mm）。⑷通過銅模鑄造實驗對最佳團簇式[Co2Zr7Al2] Co2成分周圍的Zr85-xCoxAl15（x=24～34）、Zr54Co46-yAly(y=14～18)、Zr84-x'Cox'Al16(x'=28～32)和Zr53Co47-y'Aly'(y'=15～17)系列合金進行了非晶形成能力評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn):Zr-Co