非晶形成能力與銅基塊體非晶合金的研究.pdf

1、本文從熱力學(xué)的角度,圍繞合金液的吉布斯自由能及其穩(wěn)定性,探索了合金非品形成能力的預(yù)測和了塊體非晶合金的成分設(shè)計(jì)方法,并將此方法用于開發(fā)新型銅基塊體非晶合金。 基于唯象熱力學(xué)模型,根據(jù)過冷合金熔體的同液熱容差△Cl-sp與溫度的變化規(guī)律,提出了△Cl-sp與溫度T之間非線性關(guān)系式：△Cl-sp=△Hm/T(△Hm為合金熔體的熔化焓)。在此基礎(chǔ)上建立了固液吉布斯自由能差△G的新估算表達(dá)式：△G=2△HmAT[T/(Tm+T)-△T2

2、/Tm/(3(Tm+T))]/Tm。 以合金熔體的結(jié)晶驅(qū)動力作為非晶形成能力的判據(jù),基于固液吉布斯自由能差△G的估算表達(dá)式,用差熱分析得到的特征溫度建立了非晶形成能力的表征參數(shù)：ω(=T1(T1+Tx)/[Tx(T1-Tx)]))。在塊體非晶合金和氧化物玻璃中,將ω與現(xiàn)常用的非晶形成能力表征參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和比較,結(jié)果表明ω是可靠與適用的非品形成能力表征參數(shù)之一。 在二元塊體非晶合金中,根據(jù)液、固相穩(wěn)定性和非晶、晶相競爭性

3、,提出了一個新的非品形成能力預(yù)測參數(shù)γ'(=△Hliq·△Hamor/(△Hinter)2,△Hliq為液相形成焓,△Hamor為非晶相形成焓,△Hinter為金屬間化合物形成焓)。將二元合金中空位形成能△Hh,與晶化轉(zhuǎn)變溫度Tx的線性關(guān)系擴(kuò)展到多元合金中。同時,依據(jù)合金的混合焓△Hmix和配置熵Sconfig,建立了通過計(jì)算△Hh·△Hmix·Sconfig的值在三元合金系中預(yù)測具有最佳非晶形成能力的成分線的方法。此外,采用由近似元素

4、替代構(gòu)建偽三元合金系的方法,還建立了四元及四元以上塊體非晶合金的成分設(shè)計(jì)方法。 采用△Hh·Hmix·Sconfig的成分設(shè)計(jì)方法,在真空電弧熔煉和銅模吸鑄的條件下,制備了四種Cu-Zr-Al合金。X射線衍射(XRD)和掃描量熱計(jì)(DSC)的測試結(jié)果表明,四種合金成分的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,并獲得了Cu55Zr38Al7等臨界直徑≥2mm的新型基塊體非晶合金。此外,采用同樣的成分設(shè)計(jì)方法,還開發(fā)了新型三元Cu-Zr-Nd塊體

5、非品合金,并獲得Cu60.5Zr34Nd5.5等臨界直徑達(dá)2mm的富銅基塊體非晶合金。 為進(jìn)一步提高非晶合金的非晶形成能力,在Cu-zr-Ti合金系中,添加3at.％的Al,可獲得臨界直徑達(dá)4mm的塊體非晶合金；而在Cu-Zr-Al合金系中,添加2at.％的Ag、Ti、Ga、Y或Nd都可以明顯提高非品形成能力。6at.％的Ag替代Cu,可獲得臨界直徑達(dá)4mm的塊體非品合金。而同時添加2at.％的Ag和Y對提高合金的非品形成能力也

6、能達(dá)劍同樣的效果。通過對微量元素的種類及添加方式的討論,說明提高非晶形成能力的有效手段是替代合金中化學(xué)性質(zhì)相似的元素或者擴(kuò)大合金系的原子尺寸范圍。 對銅基塊體非晶合金的力學(xué)性能的測試結(jié)果表明,三元Cu-Zr-Al塊體非晶合金的維氏硬度HV明顯高于Zr基塊體非晶合金和不完全非晶態(tài)的塊體非品合金,其壓縮強(qiáng)度可達(dá)1693MPa。添加微量元素對塊體非品合金的力學(xué)性能有顯著影響,微量元素的彈性模量越大則塊體非晶合金的硬度越高；添加2at.