Mg-Cu-Gd基塊體非晶合金的Sb-Sn-Cd微合金化效應研究.pdf

1、本論文以目前材料界廣泛關注的Mg基塊體非晶合金為研究對象，提出非晶形成能力的新判據(jù)、提高Mg-Cu-Gd基塊體非晶合金(MCGBAA)玻璃形成能力與塑性為目標，研究新判據(jù)并驗證其可靠性，用自主研發(fā)的氬弧熔煉爐與吸鑄一體化裝置制備MCGBAA，用XRD、SEM、OM、TEM、DSC、納米壓痕儀、電化學工作站和阻抗儀等多種分析測試手段，研究添加與MCGBAA主組元Cu具有正混合熱的微量sb、Sn和Cd對非晶形成能力、連續(xù)加熱與等溫加熱晶化動

2、力學、力學及耐蝕性能的影響規(guī)律與機理，并分析化學鍍銅層對其塑性的影響機制。
　　 基于非晶形成與熱力學特征溫度的關系，將抗晶化能力與液相結構相結合，提出了合金玻璃形成能力新判據(jù)ηc，ηc=(TxT8)1/2/(T8+T1)，并在多種非晶合金體系進行了驗證。發(fā)現(xiàn)ηc比其它判據(jù)具有更高的可靠性，且與本文研究的MCGBAA臨界尺寸Zc的相關性因子達到76.79％，明顯高于其它判據(jù)。
　　 自主研發(fā)的氬弧熔煉爐與吸鑄一體化裝置具

3、有對熔池良好的保護和攪拌作用，且可通過局部快速加壓和真空抽吸提高充型效果；用有限元模擬了吸鑄銅模的溫度場并優(yōu)化了其尺寸。成功制備了成分均勻、充型良好、無氧化夾雜與縮松等缺陷的柱形和錐形MCGBAA。
　　 分別加入微量sb、Sn和Cd均可提高基體合金的非晶形成能力，且隨添加量增加，非晶形成Zc先增加后減小，其中Cd改善效果最顯著，最優(yōu)成分(Mg61Cu28Gd11)98Cd2非晶形成Zc接近基體合金的2倍。微量元素主要通過調(diào)整體

4、系的原子尺寸梯度，增大液相黏度阻礙原子擴散，降低合金的過冷度(△Tg==Tm-Tg)，減弱初生Mg2Cu主晶化相的結晶驅動力，而提高非晶形成傾向，且固溶度高的元素改善非晶形成能力作用最明顯；過量添加與Gd和Mg具有負混合熱的元素將導致GdMg5相析出，非晶形成能力明顯下降。
　　 連續(xù)加熱和等溫晶化過程中，Sb、Sn或Cd單元微合金化均可延緩MCGBAA晶化過程，其中Cd的改善作用最明顯，且隨Cd增加，非晶合金的等溫晶化孕育時間

5、、連續(xù)加熱與等溫加熱晶化激活能及等溫晶化Avrami指數(shù)均先增加后減小，最優(yōu)成分(Mg61Cu28Gd11)98Cd2連續(xù)加熱晶化激活能Eg、Ex和Ep分別相比基體合金提高了30.9％、63.6％和65.8％，等溫晶化激活能Ec提高近50％；在464K-479K其等溫晶化的Avrami指數(shù)均大于2.5，表明晶粒形核與生長方式為擴散控制且形核率增加。
　　 基體非晶合金與(Mg61Cu28Gd11)98Cd2在469K等溫退火過程

6、中，結晶度隨退火時間延長不斷增大，結晶速率先增加后減小，且Cd存在明顯延緩了Mg2Cu主晶化相的析出時間。與主組元Cu具有正混合熱的微量元素可有效控制組元Mg、Cu原子的長程遷移，并促進Gd、Mg原子結合成為Mg2Cu的競爭相，抑制Mg2Cu形核生長。
　　 微量Sb、Sn或Cd的加入均能提高非晶合金的壓縮斷裂強度與塑性，Cd的作用最顯著。隨Cd增加，MCGBAA強度、塑性、彈性模量、硬度與抗壓痕蠕變性能均先提高后下降，并在Cd

7、達2at.％時達到最佳值，其中斷裂強度比基體合金提高15.9％，塑性從0提高到0.45％，壓縮斷口存在明顯塑性變形特征。合金變形過程中微量Cd主要通過提高結構穩(wěn)定性不晶化而提高強度；Cd微觀成分的不均勻性與壓縮過程中局部區(qū)域發(fā)生的相分離，可以成為剪切帶進一步擴展的障礙，促進形成多重剪切帶而改善塑性。
　　 化學鍍銅層的(Mg61Cu28Gd11)98Cd2壓縮斷裂塑性隨鍍層厚度增加持續(xù)提高，最大鍍層厚度100μm時可達1.76％

8、，約為無鍍層合金的4倍，且壓縮變形后側表面的剪切帶數(shù)量與分叉明顯增多。壓縮過程中銅層內(nèi)表面對非晶合金外表面形成的三向壓應力，致使非晶裂紋萌生和擴展困難；相同軸向壓力時銅層越薄，其三向變形越大且局部質(zhì)量缺陷促進其局部破碎剝落，導致非晶局部外表面處于平面應力狀態(tài)而萌生裂紋。
　　 微量Cd可同時改善MCGBAA的耐堿和酸腐蝕性能。隨Cd增加，MCGBAA腐蝕電位均不斷正移，腐蝕電流密度和腐蝕失重速率不斷降低，堿性溶液中的鈍化膜溶解破