鋯基塊體金屬玻璃復(fù)合材料相選擇、氧含量與力學(xué)行為研究.pdf

1、Zr基塊體金屬玻璃(Zr-BMGs)具有強(qiáng)的玻璃形成能力，是最具應(yīng)用潛力的塊體非晶合金體系。但其室溫脆性、組織性能均勻性以及高純高真空苛刻制備條件等問(wèn)題尚亟待解決。因此，本文系統(tǒng)研究了Zr-BMGs合金中相選擇、氧含量、大尺寸無(wú)缺陷復(fù)合材料制備及其力學(xué)行為。
　　 已有研究表明，鑄態(tài)內(nèi)生晶體相對(duì)Zr-BMGs復(fù)合材料的力學(xué)性能有著重要影響，研究Zr-BMG合金中內(nèi)生晶體相的競(jìng)爭(zhēng)與選擇規(guī)律具有重要意義。本文利用Bridgman方法

2、系統(tǒng)研究了(Zr3Ti)66.7-x/2(Cu5Ni4)33.3-x/2Bex(x=15-44)偽三元合金不同冷卻速率下的組織演變，發(fā)現(xiàn)主要競(jìng)爭(zhēng)相為Zr2Cu、ZrBe2以及Zr2Cu+ZrBe2共晶相，為多組元Zr-BMG合金體系復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了借鑒。結(jié)合相圖，開發(fā)了一種新Zr-BMG合金Zr48.7Ti16.3Cu9.7Ni7.8Be17.5，并發(fā)展了新型Zr2Cu/BMG、ZrBe2/BMG、(β-Zr+ω-Zr)/BMG復(fù)合材

3、料。
　　 氧對(duì)BMG形成能力的影響及機(jī)制至今仍存在著爭(zhēng)儀。大部分研究者認(rèn)為，氧在BMG合金中易于生成高熔點(diǎn)氧化物而成為異質(zhì)形核核心，嚴(yán)重?fù)p害玻璃形成能力。但也有人認(rèn)為，氧可作為合金化元素溶于玻璃基體中，不僅不影響甚至還可以提高玻璃形成能力。本文研究發(fā)現(xiàn)氧在Zr-BMGs中既不生成氧化物，也不固溶于玻璃基體中，而是析出和氧具有較大親和力及固溶度的晶體相:如在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5合金中析出Zr3

4、NiO，在Zr48.7Ti16.3Cu9.7Ni7.8Be17.5合金中析出Zr固溶體相。隨著富氧晶體相的析出，剩余合金熔體仍保持低氧含量，具有強(qiáng)的玻璃形成能力。
　　 在上述發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，利用氧與β-Zr具有較大親和力及固溶度的特點(diǎn)，發(fā)明了氧固溶強(qiáng)化β-Zr/BMG復(fù)合材料，使氧偏聚于β-Zr中并固溶強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了拉伸塑性與高強(qiáng)度的良好結(jié)合，開辟了低純?cè)稀⒌驼婵諚l件制備高強(qiáng)高韌Zr-BMG復(fù)合材料的新途徑。制備的2000ppm氧

5、含量Zr60Ti14.6Nb5.4Cu6.4Ni5.6Be10復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為1302MPa和1355MPa，較常規(guī)低氧合金分別提高了21％和15％，拉伸塑性≥5.0％。
　　 Zr-BMG復(fù)合材料的結(jié)晶溫度區(qū)間(680℃～1200℃)寬，β-Zr初生相凝固收縮大，水淬或銅模冷卻工藝無(wú)法消除縮松等凝固缺陷，且組織性能不均勻。本文發(fā)明了半固態(tài)快速順序凝固(SSPS)制備新方法，成功制備了11mm直徑β-Zr/BM

6、G復(fù)合材料，拉伸塑性高達(dá)6.2％，攻克了大尺寸、無(wú)缺陷Zr-BMG復(fù)合材料制備難題。同時(shí)，系統(tǒng)研究并建立了β-Zr初生相形態(tài)尺寸參量(平均等效直徑Deq、比表面積Sv)與保溫時(shí)間t的關(guān)系。
　　 本文首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察并闡釋了β-Zr/BMG復(fù)合材料的拉伸力學(xué)行為。在應(yīng)力作用下，β-Zr晶體相和BMG基體發(fā)生彈性應(yīng)變，復(fù)合材料處于彈性變形階段;隨著應(yīng)力增大，β-Zr晶體相開始屈服和加工硬化，復(fù)合材料進(jìn)入加工硬化階段;當(dāng)應(yīng)力超過(guò)BM