zr55al10ni5cu30非晶態(tài)合金的制備與性能研究

1、Zr55Al10Ni5Cu30非晶態(tài)合金的制備與性能研究非晶態(tài)合金的制備與性能研究何慶坤，劉俊成，王進(jìn)，劉安法（山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東淄博255091）摘要：摘要：采用石墨坩堝澆鑄法在真空中頻感應(yīng)熔煉爐中制備Zr55Al10Ni5Cu30合金，并對(duì)合金進(jìn)行了金相、X射線衍射和顯微硬度的測(cè)試，考察原料純度、過熱度及冷卻速率對(duì)非晶態(tài)合金性能的影響。結(jié)果表明，采用工業(yè)級(jí)原料就可以制備出性能良好的非晶態(tài)合金，在低的冷卻速率下形成的

2、非晶態(tài)合金具有相對(duì)較高的硬度，適當(dāng)提高過熱度可以減少微晶的形成。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：非晶態(tài)合金；Zr55Al10Ni5Cu30；制備；力學(xué)性能中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TG139.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：文章編號(hào)：10077545（2013）09000000PreparationPropertiesofZr55Al10Ni5Cu30AmphousAlloyHEQingkunLIUJunchengWANGJinLIUAnfa（Sc

3、hoolofMaterialScienceTechnologyShongUniversityofTechnologyZibo255091ShongChina）Abstract:Zr55Al10Ni5Cu30alloywaspreparedinvacuummediumfrequencyinductionfurnacebygraphitecruciblecastingmethodwithindustrialpurityrawmaterial

4、s.ThealloysweretestedbymetallographyXRDmicrohardnesstesting.Theeffectsofpurityofrawmaterialsdegreeofsuperheatcoolingrateonpropertiesofamphousalloywereinvestigated.TheresultsshowthatZr55Al10Ni5Cu30amphousalloywithgoodperf

5、manceispreparedwithindustrialgradematerials.Zr55Al10Ni5Cu30alloystakingintofmwithlowcoolingratehaverelativelyhighhardness.Appropriateincreaseofdegreeofsuperheatcanreducefmationofcrystallites.Keywds:amphousalloysZr55Al10N

6、i5Cu30preparationmechanicalproperties非晶態(tài)合金是指固態(tài)合金中的原子在三維空間內(nèi)呈拓?fù)錈o序結(jié)構(gòu)排列，并在一定溫度范圍內(nèi)保持這種狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的合金[1]。具有短程有序、長(zhǎng)程無序的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能、物理化學(xué)性能等比傳統(tǒng)合金更優(yōu)異。雖然非晶態(tài)合金的研究只有短短幾十年，但由于其具有優(yōu)異的性能，得到重視，因此取得了大量的研究成果并在一定領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[23]。研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的合金材料都可以玻璃化，但

7、是由于金屬具有很快的形核和長(zhǎng)大速率，要想得到非晶態(tài)合金必須有足夠大的冷卻速率。多組元鋯基非晶態(tài)合金具有很強(qiáng)的非晶形成能力，其臨界冷卻速率可低至1Ks[4]。制備鋯基大塊非晶態(tài)合金已經(jīng)有許多方法，如：真空吸鑄銅模鑄造法、離心鑄造法、水淬法等[59]。非晶態(tài)合金對(duì)組元金屬的純度、熔煉氣氛、坩堝及模具的要求很高，因此限制了非晶態(tài)合金的廣泛應(yīng)用。鋯基非晶態(tài)合金具有很好的玻璃形成能力以及比較寬的過冷液相區(qū)，符合大塊非晶態(tài)金屬的形成條件，因此，本文

8、嘗試?yán)霉I(yè)級(jí)別的材料在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)制備此種非晶態(tài)合金。1試驗(yàn)原料與方法試驗(yàn)原料與方法試驗(yàn)所用原料皆為工業(yè)純度的單質(zhì)塊體：海綿鋯(99.6%)、銅(99.97%)、鋁(99.99%)、鎳(99.9%)。經(jīng)過機(jī)械破碎為小塊體，按照原子百分?jǐn)?shù)Zr55Al10Ni5Cu30進(jìn)行配重，在中頻感應(yīng)熔煉爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下反復(fù)熔煉3次得到成分均勻的母合金錠。將母合金在石墨坩堝中加熱到一定溫度后，澆鑄到自行設(shè)計(jì)的楔形銅模具中得到楔形錠材。為保持合

9、金錠原有的組織形態(tài)不被破壞，用金剛石線線切割器沿樣品的橫截面進(jìn)行切割。試樣進(jìn)行打磨、拋光后用一定比例的HF和HNO3進(jìn)行腐蝕，然后在金相顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察，利用D8advanceX射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行分析，利用Vickershardness硬度測(cè)量?jī)x對(duì)試樣的不同位置進(jìn)行硬度測(cè)量。收稿日期收稿日期：20130305基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2009GG10003038)作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：何慶坤（1988），男，山東日

10、照人，碩士研究生.doi：10.3969j.issn.10077545.2013.09.016非晶態(tài)合金由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，因此具有高強(qiáng)度，低韌性的特點(diǎn)。要測(cè)量某種非晶態(tài)金屬材料的屈服強(qiáng)度很難通過傳統(tǒng)的拉伸方法進(jìn)行測(cè)量，可以通過其他途徑來進(jìn)行估算。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[12]，材料的硬度與屈服強(qiáng)度存在以下關(guān)系：C=Hσ=3(1)式中，C為束縛因子，H為材料的強(qiáng)度，σ為材料的屈服強(qiáng)度壓痕面積F為：F=d21.8544(mm2)(2)維氏硬度為：HV

11、=PF=1.8544Pd2(kgfmm2)(3)用線切割將所得到的試樣3mm厚度處切開，對(duì)所制取的試樣進(jìn)行拋光，使其表面為光滑的平面，然后采用維氏壓頭沿一側(cè)每隔0.5mm進(jìn)行一次硬度測(cè)量(對(duì)面夾角為136())，測(cè)量結(jié)果見表1。表1硬度測(cè)量結(jié)果硬度測(cè)量結(jié)果Table1Measurementresultsofhardness序號(hào)d12μmd2μmHVHRC1130.819133.462531.0051.332132.801132.1415

12、28.3551.193129.498130.819547.2952.274130.819134.123528.3551.195133.462134.123517.9750.56運(yùn)用公式計(jì)(1)計(jì)算得到的樣品的屈服強(qiáng)度和硬度如圖3所示。圖3不同位置的硬度分布不同位置的硬度分布Fig.3Hardnessdistributionofdifferentlocations由圖3可知，不同位置處的硬度及屈服強(qiáng)度基本相同，但是也存在些許差異。由于非晶

13、態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是一種無序態(tài)的隨機(jī)堆垛的結(jié)構(gòu)，在一定程度上影響了非晶的力學(xué)性能。而致密程度與冷卻速率有很大的關(guān)系，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，由于原子間距要變小，因此冷卻速率越大，致密度越差；冷卻速率越小，原子間就會(huì)有足夠的時(shí)間進(jìn)行致密化；而當(dāng)冷卻速率低于臨界冷卻速率時(shí)，原子間具有了足夠的時(shí)間進(jìn)行重排，就會(huì)形成晶態(tài)結(jié)構(gòu)。因此在3mm厚度的非晶態(tài)合金中，中間位置的非晶態(tài)合金具有最高的硬度。通過公式(1)計(jì)算所得到的屈服強(qiáng)度與文獻(xiàn)[13]報(bào)道的數(shù)值一致

14、。說明運(yùn)用澆鑄法，通過工業(yè)級(jí)別的原料也可以制備出性能良好的大塊非晶態(tài)合金。3結(jié)論結(jié)論1)采用工業(yè)級(jí)別的原料在特定的條件下可以制取Zr55Al10Ni5Cu30非晶態(tài)合金，制取的非晶態(tài)合金表面并無氧化現(xiàn)象，微觀組織分布均勻，組織致密，無明顯氣孔夾雜。但由于原料純度的限制，制取的非晶態(tài)合金中存在很少量微晶。2)適當(dāng)提高澆鑄時(shí)的過熱度可以減少晶態(tài)形核，得到組織形態(tài)更好的非晶態(tài)合金。3)對(duì)于同種組分的非晶態(tài)合金，低的冷卻速率制取的非晶態(tài)合金具有