Cu-Zr基非晶及其復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和腐蝕性能研究.pdf

1、Cu-Zr-Al非晶合金因其獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能成為極具應(yīng)用前景的先進(jìn)材料。然而，此體系非晶合金仍然存在很多基礎(chǔ)問(wèn)題有待深入研究。本文以Cu46Zr46Al8大塊非晶合金為研究對(duì)象，采用機(jī)械方法中的變形處理和化學(xué)方法中的微合金化對(duì)其進(jìn)行處理，先后研究了軋制變形和元素添加對(duì)基體非晶合金的玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和腐蝕性能等方面的影響。最后，對(duì)含內(nèi)生晶相的Cu46Zr46Al8非晶復(fù)合材料進(jìn)行了深冷處理，并系統(tǒng)探討了深冷處理對(duì)

2、非晶復(fù)合材料的相變、力學(xué)和腐蝕性能的影響及機(jī)制。
　　鑄態(tài)Cu46Zr46Al8塊體非晶合金具有非常好的玻璃形成能力和較高的熱穩(wěn)定性。其過(guò)冷液相區(qū)ΔTx、約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg和γ參數(shù)分別為81K、0.608和0.421;其晶化初始點(diǎn)和晶化峰的晶化激活能Ex和Ep分別為355kJ/mol和403kJ/mol。此外，合金的晶化過(guò)程為兩階段晶化。隨晶化體積分?jǐn)?shù)的增加，其晶化過(guò)程由初期的一維、二維和三維形核與長(zhǎng)大機(jī)制演變成后期的初級(jí)晶體

3、相長(zhǎng)大和二級(jí)晶化相的形核、長(zhǎng)大共同的作用機(jī)制。并且，晶化激活能也隨之逐漸增大，合金的熱穩(wěn)定性提高。
　　軋制變形和元素添加降低了鑄態(tài)Cu46Zr46Al8塊體非晶合金的熱穩(wěn)定性，其晶化激活能分別隨變形量和元素含量的增加而下降。軋制變形量由0增加到28％時(shí)，晶化激活能Ex和Ep分別下降到251kJ/mol和250kJ/mol。當(dāng)Ti元素含量由0增加到8at.％時(shí)，玻璃形成能力也隨之降低。其過(guò)冷液相區(qū)ΔTx由81K下降到36K，約化玻

4、璃轉(zhuǎn)變溫度Trg由0.608下降到0.566，γ參數(shù)相應(yīng)地由0.421下降到0.381。此外，隨Ti元素含量的增加，非晶合金體系的晶化行為由基體非晶合金的一級(jí)晶化向二級(jí)、三級(jí)甚至四級(jí)晶化演變。其相應(yīng)晶化激活能隨Ti含量的增加表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，但不是線性變化。
　　軋制變形和元素添加都可以顯著改善鑄態(tài)Cu46Zr46Al8塊體非晶合金的力學(xué)性能，在不降低材料斷裂強(qiáng)度的同時(shí)提高了其塑性變形能力。軋制變形量由0增加到28％時(shí)，其室溫壓縮

5、斷裂強(qiáng)度由1754MPa增加到2237MPa，塑性應(yīng)變由0％增加到11.9％。四元Cu-Zr-Al-Ti非晶合金系的壓縮斷裂強(qiáng)度和塑性應(yīng)變隨Ti元素含量的增加不是線性增加的趨勢(shì)。當(dāng)Ti元素為3.2at.％時(shí)，其塑性變形能力達(dá)到最大，斷裂強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別達(dá)到1950MPa和12％。高密度并相互交織的剪切帶是非晶材料塑性提高的主要原因。此外，軋制樣品剪切帶的形成是絕熱升溫和局域擴(kuò)張共同作用的結(jié)果;添加Ti元素的合金樣品的剪切帶形成主要是局

6、域擴(kuò)張機(jī)制。
　　腐蝕性能測(cè)試結(jié)果表明，鑄態(tài)Cu46Zr46Al8塊體非晶合金在NaCl中性溶液中發(fā)生活性溶解，在NaOH堿性溶液中產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，其阻抗譜由單一的容抗弧組成。浸泡處理降低了Cu46Zr46Al8塊體非晶合金的耐腐蝕性能。浸泡24h后，其腐蝕電流密度增加，腐蝕性能下降。其阻抗譜由高頻容抗弧、中頻容抗弧及低頻的擴(kuò)散阻抗組成，具有三個(gè)時(shí)間常數(shù)。添加Ti元素改善了Cu46Zr46Al8塊體非晶合金在不同介質(zhì)中的耐腐蝕性能。

7、與基體合金相比，四元Cu-Zr-Al-Ti非晶合金系在中性NaCl溶液中的腐蝕電流密度下降，腐蝕電位提高;在NaOH堿性溶液中均發(fā)生鈍化現(xiàn)象，鈍化范圍比較寬，維鈍電流密度較低。此外，添加Ti元素后，各非晶合金在1mol/LNaOH溶液中的電化學(xué)阻抗也都是由單一的容抗弧組成，說(shuō)明非晶合金表面形成的氧化物對(duì)其具有保護(hù)作用。
　　深冷處理使Cu46Zr46Al8塊體非晶復(fù)合材料發(fā)生晶粒細(xì)化、馬氏體相變等組織演變。深冷處理后，其晶粒尺寸由

8、鑄態(tài)時(shí)的3μm減小到2μm，基體中部分B2結(jié)構(gòu)的CuZr相轉(zhuǎn)變成B19'CuZr馬氏體相。組織結(jié)構(gòu)的變化影響了非晶復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能。深冷72h后，顯微硬度和室溫壓縮斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到574Hv和1759MPa，與深冷前相比，分別提高了18.55％和37.5％。深冷處理雖然提高了其顯微硬度和室溫壓縮斷裂強(qiáng)度，但加劇了材料的脆性斷裂過(guò)程。此外，由于深冷導(dǎo)致的馬氏體相的出現(xiàn)，其腐蝕性能并沒(méi)有得到改善。深冷處理誘發(fā)非晶復(fù)合材料馬氏體相變的研