Cu-Zr-Al-Ti块体非晶合金的成分设计与晶化研究

在三元Cu-Zr-Al非晶合金的基础上,通过运用等电子浓度和等原子尺寸成分设计规则来引入第四组元Ti,将合金系拓展到Cu-Zr-Al-Ti四元合金体系,并在该四元系的等电子浓度面和等原子尺寸面的交线上进行成分设计。对设计的合金成分采用铜模吸铸法得到直径为3 mm的棒状样品。对铸态样品微观组织的分析表明:在设计的六个合金成分中有两个成分(即:Cu58Zr33Al6 Ti3和Cu56.9 Zr31.5 Al5.6 Ti6)可以形成块体非晶合金。示差扫描量热(DSC)分析的结果表明:Cu58 Zr33 Al6 Ti3的非晶形成能力(GFA)大于Cu56.9Zr31.5Al5.6Ti6和基础成分Cu58.1Zr35.9Al6的GFA。采用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对块体非晶合金Cu58Zr33Al6Ti3的晶化过程进行了研究。结果表明,Cu58Zr33Al6Ti3块体非晶合金的晶化分两个阶段进行:合金的初始晶化主要是对应着Cu10Zr7相的析出;而晶化的第二阶段是Cu10Zr7、Cu8Zr3和AlCu2Zr(Ti)三个相同时析出。对非晶合金在等温退火过程中组织结构转变进行了分析和讨论。     

Cu-Zr-Nb系铜基块体非晶合金的形成

Cu8Zr3和Cu10Zr7相中存在Cu8Zr5和Cu6Zr5团簇结构,它们与Cu-Zr系的两个深共晶点Cu61.8Zr38.2和Cu56Zr44对应. Cu64Zr36是Cu-Zr二元系具有最大玻璃形成能力的成分点.依据形成块体非晶的＂变电子浓度线判据＂,以Cu64Zr36,Cu61.8Zr38.2和Cu56Zr44 3个二元成分为出发点,以Nb元素为第三组元,建立变电子浓度线（Cu64Zr36）100-xNbx,（Cu61.8Zr38.2）100-xNbx和（Cu56Zr44）100-xNbx.采用分步熔炼法,由铜模吸铸法制备直径为3 mm的合金棒.块体非晶的玻璃形成区及玻璃形成能力由XRD和热分析确定.结果表明,添加少量Nb（原子分数,x≤3）可以显著提高Cu-Zr二元系的玻璃形成能力.具有最大Tg/Ti值（0.626）的成分Cu60.3Zr37.2Nb2.5位于具有Cu8Zr5团簇和最深共晶点的Cu61.8Zr38.2向第三组元Nb的连线上.结合Cu-Zr二元体系的团簇结构讨论了Cu-Zr-Nb系块体非晶的形成.     

Zr60Al10Cu30合金的玻璃形成能力和力学性能

利用铜模吸铸法制备了直径分别为3、4和6 mm的阶梯型Zr60Al10Cu30棒状试样,采用X射线衍射、扫描电镜和万能试验机等研究了所制备合金的玻璃形成能力(GFA)和力学性能。结果表明,Zr60Al10Cu30合金的非晶临界尺寸接近6 mm,具有较强的玻璃形成能力。其中全非晶结构的Ф4 mm合金块体金属玻璃的抗压强度、塑性应变分别为1 595 MPa和1.95%,断口呈现非晶典型的脉状纹络和脆性平滑区。在Ф6 mm处的原位生成晶体/非晶基复合材料中,新析出DO3结构的AlCu2Zr晶体相和Cu10Zr7共晶正交晶体相,增加了合金的脆性,最终断裂行为取决于塑性相和脆性相之间的竞争,致使其抗压强度和塑性应变分别为1 345 MPa和0.5%。     

半固态处理对Zr_(60)Cu_(17.5)Al_(7.5)Ni_(10)Ti_5非晶形成能力和力学性能的影响

采用铜模吸铸法将Ti元素添加到Zr65Cu17.5Al7.5Ni10非晶合金中,制备得到直径为3 mm的大块非晶合金。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、示差扫描量热仪(DSC)和微机控制电子式万能试验机等研究半固态处理对Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5大块非晶合金的微观组织结构、非晶形成能力、压缩力学性能以及断口形貌的影响。结果表明:半固态处理技术对非晶合金材料的组织结构和力学性能有很大的影响,能够提高非晶合金的强度和塑性;半固态下Zr60Cu17.5Al7.5Ni10Ti5表现出较好的非晶形成能力,表征非晶形成能力的参数Trg为0.618 9,过冷液相区△Tx达到40 K;且当吸铸电压为7 kV时试样的塑性最好,为1.94%,强度为1 487.411 MPa。     

Ti-Zr-Ni-Cu非晶系的等电子浓度特征

以准晶成分Ti40Zr40Ni20为基准,在Ti—Zr-Ni-Cu系中设计出电子浓度为1.200和原子尺寸为0．1474nm的系列合金,并用铜模吸铸法制备直径为3mm的合金棒试样．结果表明,Ti12Zr55Ni13Cu20成分附近可形成块体非晶合金,而Ti3Zr60Ni12Cu25和Zr60Ni10Cu30成分点上形成了单一的四方Zr2Cu型非晶相关相．准晶、块体非晶合金和Zr2Cu相是具有相同电子浓度的电子化合物,它们在成分图上表现出鲜明的等电子浓度特征,表明块体非晶合金的等电子浓度判据适用于Ti-Zr-Ni-Cu非晶系．二十面体与截角八面体间的结构关联可作为准晶或非晶合金多型性转变成Zr2Cu相的结构模型．     

一种具有优异玻璃形成能力的Zr50Ti5Cu27Ni10Al8大块非晶合金的开发

多组元的Zr基非晶合金成分的复杂性对开发具有优异玻璃形成能力的Zr基非晶合金提出巨大的挑战。另外,大部分Zr基非晶合金含有有毒元素Be或者贵金属。因此,采用一种简单有效的方法开发无毒无贵金属元素的多组元Zr基非晶合金十分必要。本文中采用二元共晶比例法和部分元素替代法快速的开发出了一种新的临界尺寸大于10mm的 Zr50Ti5Cu27Ni10Al8非晶合金。这个非晶合金的热稳定性和硬度也通过原位高温X射线衍射和纳米压痕方法测量得出。     

二元共晶比例法制备铜基大块非晶合金

采用二元深共晶比例法,设计了系列Cu-Ti-Zr-Ni非晶合金成分.采用传统的铜模铸造法,由成分为Cu52.55Ti30.05Zr11.4Ni6与Cu53.1Ti31.4Zr9.5Ni6的两种合金可以制备出临界直径达5 mm的完全非晶组织.两合金均具有较高的约化玻璃转变温度(Trg),分别为0.603与0.598,其合金成分更加接近体系深共晶点,因而具有良好的玻璃形成能力.其中Cu52.55Ti30.05Zr11.4Ni6的玻璃转变温度(694 K)与过冷液相区宽度(52 K)均较高,表明该合金具有良好的热稳定性.     

微量元素对Cu-Zr基合金非晶形成能力的影响

采用铜模喷铸成形法制备Cu50Zr50、Cu62-xZr38-xAl2x(2x=2at％、4at％和6at％)和Cu46Zr47-xAl7Yx(x=4at％ ～7at％)大块非晶试样.通过X射线衍射分析、扫描电子显微镜和示差扫描量热计(DSC)分别研究添加元素Al与Y对Cu-Zr二元合金非晶形成能力、显微形貌和热稳定性的影响.结果表明:所制备的Cu50Zr50、Cu61Zr37Al2为非晶合金,基体中含极少量结晶相,非晶形成能力对Cu-Zr-Al成分较为敏感;Y含量对直径为4 mm的Zr47-xCu46Al7Yx非晶形成能力和显微组织有着显著影响,Y含量4at％时,基体中含极少量结晶相,Y含量5at％ ～ 7at％时,非晶合金呈现完全无特征组织.     

Zr-Cu-Fe-Al合金的非晶形成能力、热稳定性及组织结构特征

采用铜模铸造法制备了Zr-Cu-Fe-Al非晶合金,利用X射线衍射仪、差热分析仪及高分辨透射电镜,系统研究了Al含量和Cu与Fe摩尔比对Zr59(Cu0.5Fe0.5)33Al8合金的非晶形成能力、热稳定性及组织结构的影响。结果表明,随着Al含量增加,Zr59(Cu0.5Fe0.5)41-xAlx和Zr67-x(Cu0.5Fe0.5)33Alx合金的非晶形成能力均呈现先增加后降低的趋势。对于Zr59(Cu1-xFex)33Al8合金,当Cu与Fe摩尔比在5∶5~8∶2之间时,合金非晶形成能力较好。γ参数及晶化温度研究表明,Zr59(Cu0.7Fe0.3)33Al8合金具有大的非晶形成能力及高的热稳定性。此外,Zr59(Cu0.5Fe0.5)33Al8合金的HRTEM结果表明,由于Cu与Fe混合焓为正,在快速冷却条件下,合金将会发生液-液相分离,形成富Fe和富Cu两液相,之后两液相分别发生玻璃转变,最终形成高数量密度的纳米富Fe非晶粒子分布在富Cu非晶基体上的组织结构。     

Y、Sn对Cu60Zr30Ti10合金非晶形成能力及性能的影响

采用铜模喷铸法制备了φ4 mm×80 mill的Cu60Zr30Ti10、(Cu60Zr30Ti10)98 Sn2和(Cu60Zr30Ti10)98Y2合金棒试样.用X射线衍射仪(XRD)和差式扫描量热仪(DSC)分析了三合金内部结构及热稳定性.结果表明:合金元素Y、Sn均能提高Cu60Zr30Ti10合金的非晶形成能力,但添加Y的效果更佳.所制备的φ4 mm(Cu60Zr30Ti10)98Y2合金棒为完全非晶结构,且其热稳定性高于另外两种合金;非晶态(Cu60Zr30Ti10)98Y2合金的显微硬度低于由晶相/非晶组成的(Cu60Zr30Ti10)98Sn2、Cu60Zr30Ti10合金,且在该系列合金中,随着析出晶相增多,合金显微硬度下降.