Zr基三元非晶合金及其复合材料的组织和力学性能研究

研究了Zr_(64+x)Cu_(26-x)Al_(10)(x=-4,0,4,8,12)非晶合金体系随锆铜比例变化的组织和力学性能,并考察了过热度对非晶复合材料力学性能的影响,分析了组织结构和力学性能的关系。结果表明,玻璃形成最优成分为Zr_(60)Cu_(30)Al_(10),其过冷液相区宽度ΔT_x,约化玻璃转变温度T_(rg),γ参数分别为69 K,0.573和0.402,具有良好的热稳定性。随着Cu含量的降低,合金的非晶形成能力下降,Zr_(64)Cu_(26)Al_(10)合金的非晶基体上有尺寸不同的纳米晶析出,纳米晶的存在能够有效增韧玻璃基体,并阻碍剪切带内部的原子运动使剪切带变窄而使基体增强,其综合力学性能最优,断裂强度和塑性应变分别为1610 MPa和6.34%。x=4,8,12时,合金中逐渐析出CuZr_2,ZrCu和Cu_(10)Zr_7晶体相,复合材料的力学性能取决于脆性相和增韧相的综合作用,过热度提高会促进非晶的形成从而提高材料的强度,改善力学性能。     

Nb元素对Zr-Ti基生物材料力学性能和耐腐蚀性能的影响

通过真空非自耗电弧熔炼炉制备Zr-Ti-xNb(x=6、8、10,摩尔分数,%,下同)合金,采用锻造和β单相区固溶热处理工艺进一步加工铸锭,通过对材料微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的表征,研究Nb元素对Zr-Ti基生物材料力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果显示,Zr-Ti-xNb(x=6、8、10)合金均由β相和α″相组成,随着Nb元素含量增加,β相含量增加,α″相含量降低,Nb元素添加提高了合金中β相的稳定性。同时Nb含量增加,合金屈服强度由360 MPa增加至780 MPa,固溶强化效应明显,在变形过程中出现了应力诱发马氏体相变现象,极大提高材料的抗拉强度和塑性。同时可以较好地提高合金的耐腐蚀性能,实验表明三种材料在生理盐水中均表现出较强的耐腐蚀性能。     

Al0.5CoCrFeNiBx多主元高熵合金的组织结构和力学性能

采用真空电弧炉熔炼不同B含量的Al0.5CoCrFeNiBx(x为摩尔分数,x=0,0.1,0.2,0.25,0.3)高熵合金,通过XRD分析、SEM观察和力学性能测试研究了不同B含量对Al0.5CoCrFeNiBx高熵合金微观组织结构与力学性能的影响.结果表明:Al0.5CoCrFeNiBx合金主要由简单的面心立方结构和体心立方结构相组成.Al0.5CoCrFeNi合金组织为典型的树枝晶形貌,B元素的加入使枝晶组织细化,且枝晶间形成针状β相和岛状a1相.适量B元素能提高合金的抗拉强度,但降低合金的塑性.     

合金元素对机械合金化和放电等离子烧结Ti-Nb基合金显微组织的影响

β-Ti型结构的钛基材料在生物材料领域具有广泛的应用前景。本文采用机械合金化法和放电等离子烧结制备β-Ti型Ti-Nb基合金,研究不同Nb,Fe含量对合金显微组织及力学性能的影响。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)等手段分析合金的显微组织变化情况。结果表明:机械合金化过程中,粉末的平均粒度减小,当球磨时间超过60 h时粉末易发生团聚。当球磨转速为300 r/min,球料比为12:1,Ti和Nb的质量分数分别为64%和24%时,球磨100 h后制备的粉体材料中具有一定体积的非晶相。该粉末在1 000℃下通过放电等离子烧结(SPS)制备具有均匀细小的球状晶粒组织的Ti-Nb合金,其强度、伸长率和弹性模量分别为2 180MPa,6.7%和55 GPa。通过控制Nb,Fe的含量,可以促进β-Ti相形成,获得高强度和低杨氏模量的Ti-Nb合金。     

金属玻璃(Fe_(1-x)Co_x)_(78)Si_(10)B_(12)的磁致伸缩随退火的变化

研究了金属玻璃(Fe_(1-x)Co_x)_(78)Si_(10)B_(12)(x=0,0.1,0.5,0.7,0.9和1)的饱和磁致伸缩常数λ_s随退火的变化。在晶化之前,退火对x≥0.9的合金的λ_s影响很小,其余合金的λ_s可提高(1.5～4.8)×10~(-6);初期晶化的退火使λ_s向相应多晶Fe_(1-x)Co_x的中场磁致伸缩值靠近。     

球磨参数对Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9产物微观结构的影响

研究了机械合金化法制备Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶先驱体的可行性,测试了不同球磨参数对Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9球磨产物微观结构的影响。试验结果表明:转速、球磨时间、球磨方式、球料比和原料对产物的微观结构有明显的影响。高转速、连续球磨更有利于生成Fe_(73.5)Cu_1Nb_3Si_(13.5)B_9非晶相;使用Fe Nb粉和Fe B粉分别代替Nb粉和B粉不利于非晶相的生成;延长球磨时间不一定对非晶化有利,还有可能引入杂质;大的球料比更有利于非晶相的生成。     

Ti-Ni-Nb钎料钎焊βNb-Ti合金接头的微观组织及力学性能

采用65Ti-25Ni-10Nb (%,质量分数)钎料对体心立方结构的βNb-Ti固溶体合金进行钎焊,研究了钎焊条件对接头微观组织和力学性能的影响规律。研究发现,接头焊缝组织主要由{(Nb,Ti)+TiNi}共晶组织、(Nb,Ti)固溶体相、 TiNi相、 Ti_2Ni相和富Ti相组成。随着钎焊温度的升高和钎焊时间的延长,钎焊过程中钎料和基体中的合金元素发生互扩散,焊缝组织中的{(Nb, Ti)+TiNi}共晶组织和TiNi相逐向Ti_2Ni相转变,并在Ti_2Ni相内部逐渐析出富Ti相。同时,基体中的其他合金元素如Al, V和Cr元素向钎料中扩散。随钎焊温度的升高或保温时间的延长,钎焊接头的剪切强度呈先增加后降低的趋势。这主要是由于Ti_2Ni相具有较高的剪切模量,其含量的增加使钎焊接头的剪切强度增加,但随后Ti_2Ni相内部析出富Ti相使焊缝内应力增加,导致钎焊接头的剪切强度迅速降低。在1150℃钎焊15 min时, 65Ti-25Ni-10Nb/Nb-Ti钎焊接头的室温剪切强度可达到617.7 MPa。     

废SCR钛基脱硝催化剂铝热还原重熔制备含铬钛铝基合金的试验研究

首次利用废选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂为原料,采用铝热还原—重熔法进行了Ti-Al基合金制备的试验研究,并通过添加不同含量的Cr元素,研究Cr对合金微观组织、物相组成及性能的影响。通过X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)分析,发现未添加Cr元素的合金中所观察到的相主要由Ti_(0.8)V_(0.2)Al_3、TiAl_2、Ti_3Al、TiAl等钛铝金属间化合物,Ti_5Si_3、TiSi_2等钛硅化合物,CaAl_4O_7、Ca_2AlSiO_(5.5)等氧化物组成。添加Cr元素可降低高铝型钛铝化合物的形成,减少钙铝氧化物含量,形成含铬元素的Ti_(0.25)Cr_(0.08)Al_(0.67)相,增加Ti_3Al与TiAl类物相的生成。通过Pandat热化学软件的物相衍变计算得出,Cr的添加可大幅度降低Al_3(Ti,V)的相比率,降低一定量的(Ti,Cr)_5Si_3相比率,同时增加TiAl相的形成。硬度测试结果表明,随Cr含量的增加,合金硬度整体呈上升趋势。这可能是由于等轴晶TiAl类物相的均匀分布和(Ti,W)_5Si_3相的减少所导致的。     

V元素掺杂对粉末冶金Ti_2AlNb合金显微组织的影响

采用高能球磨法和放电等离子烧结技术(SPS)制备Ti_2AlNb合金,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对合金显微组织及相结构进行表征,分析V元素掺杂对Ti_2AlNb合金显微组织的影响。研究表明,Ti_2AlNb预合金粉末球磨后出现胞状晶,经退火后胞状晶显著长大。掺杂V元素后,V原子占据O相中原本Ti原子的位置,hcp结构向bcc结构的转化受到抑制,O相组织由针状趋于圆润并均匀分布,出现均匀层片状网篮组织,α_2相与O相含量增加;当V含量为2%(原子分数)时,Ti_2AlNb合金中α_2相的含量最高。     

原料粒径与烧结温度对放电等离子烧结Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金组织和性能的影响

利用放电等离子烧结技术(SPS)制备生物医用Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金,研究原料粒径与烧结温度对合金显微组织和力学性能的综合影响。结果表明:烧结合金组织由β-Ti相基体及少量未熔化金属颗粒和残留α-Ti相组成,烧结温度的升高会减少未熔化金属颗粒和残留α-Ti相;在相同烧结温度下,Nb、Ta、Zr金属颗粒粒径的减小,会促使烧结合金中的β-Ti相组织更为均匀并使未熔化金属颗粒明显减少,从而降低合金的压缩弹性模量和提高合金的抗压强度与致密度;在Nb、Ta、Zr金属颗粒粒径为10.5μm和烧结温度为1 200℃时,合金获得了压缩弹性模量为46 GPa、抗压强度为1 550 MPa的最佳综合力学性能。     

SiC纤维增强Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料制备及界面行为研究

以SiC纤维、Ti箔、Ti_2AlNb箔为原材料,采用箔-纤维-箔方法,通过真空热压技术制备了SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料相组成和微观组织进行了分析。结果表明,当真空热制造参数为920℃/40 MPa/30 min时,SiC纤维与韧性金属Ti实现良好冶金结合,界面反应产物主要为TiC,界面反应层厚度为0.8μm,C涂层厚度为1.3μm;韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层通过Ti,Al,Nb 3种元素相互扩散方式形成固相扩散连接,界面平直,复合材料呈现出理想叠层结构。制备态的SiCf/Ti/Ti_2AlNb叠层复合材料主要由α-Ti,β-Ti,SiC,TiC,O相和B2相构成。在Ti与Ti_2AlNb固相扩散连接过程中,由于Al原子的扩散速率大于Nb原子,且Al是α稳定元素,Nb是β稳定元素,从而导致在Ti/Ti_2AlNb界面区域依次形成α+β双相组织和富B2相。在真空热压实验中,韧性金属Ti层与金属间化合物Ti_2AlNb层固相扩散连接过程依次为:物理接触/α+β双相区形成/富B2相区形成/富B2相区增厚。     

TC4钛合金表面激光合金化Ti-Si-C涂层的研究

以Ti-Si-C单质元素混合粉末为原料,采用激光合金化技术在TC4钛合金表面成功制备出Ti-Si-C合金涂层。利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及其配备的能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计以及摩擦磨损试验机,分析了涂层的组织形貌、成分和物相,测试了涂层的显微硬度及与YG6在干摩擦磨损条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在激光功率P=2.0 k W,扫描速度v=9 mm·s~(-1),光斑直径D=2 mm下制备的涂层整体均匀致密、无裂纹,与TC4基体具有较高的冶金结合性;涂层组织主要由α-Ti基体、网状分布的Ti_3Si C_2,Ti_5Si_3/β-Ti共晶体(室温下为Ti_5Si_3/α-Ti)和弥散分布的Ti C相组成;Ti-Si-C涂层的显微硬度值沿层深变化比较平缓,平均硬度为HV 649,比TC4基体(HV 360)提高了80%;涂层平均摩擦系数为0.38,比钛合金基体(0.45)降低了16%;涂层的磨损体积为0.048 mm~3,耐磨性是钛合金基体(0.13 mm~3)的2.71倍。     

Nb含量对TiAl合金铸态组织的影响

利用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)等测试方法研究Nb含量对铸造TiAl-xNb(x=1,3,5,7;原子分数,%)合金组织的影响。结果表明:Nb含量为1%时,TiAl-Nb合金铸锭组织主要为单相的γ组织;随Nb含量升高,合金组织主要为α2/γ层片组织;并在层片组织间存在2种偏析,分别是网状β相和γ相,合金的层片晶团平均尺寸逐渐增加,β相的体积分数逐渐升高;当合金中Nb的含量从1%增加到7%,层片晶团平均尺寸由89μm增加至190μm,β相的体积分数从1.9%增至12.9%;随合金中Nb含量增加,β相中Nb含量增加而Cr含量减少,γ相的偏析区域宽度变窄。     

Cu含量对共晶型活塞铝合金中液态析出相的影响

为了研究活塞合金中的析出相,以及Cu元素对其液态析出相形成规律的影响,本文分析了Al-Si-Cu-Mg-Ni系活塞合金中的常见液态析出相的组成。制备了5种Al-Si-Cu-Mg-Ni系活塞模型合金Al-13Si-1Mg-2Ni-x Cu(x=0%,2%,3%,4%,5%(质量分数)),采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析Cu含量对活塞模型合金中液态析出相的种类和形貌的影响,分析了活塞模型合金中液态析出相的析出规律。分析结果表明:当合金中不含Cu元素时,合金中的强化相主要为ε-Al3Ni相以及少量M-Mg_2Si相;当Cu元素含量为2%时,模型合金中有少量δ-Al_3Cu Ni相出现,并且δ-Al_3Cu Ni相会以ε-Al_3Ni相为基底在其周围生长,其含量有增加趋势;当Cu元素含量继续增加,超过3%时,δ-Al_3Cu Ni相会减少而γ-Al7Cu_4Ni相增多且多以块状形式存在于δ-Al_3Cu Ni相附近,此时ε-Al_3Ni相基本观察不到;并且当Cu元素含量达到4%时,Q-Al5Cu2Mg8Si6相出现在δ-Al_3Cu Ni相或γ-Al_7Cu_4Ni相附近;当Cu元素达5%时,Q-Al_5Cu_2Mg_8Si_6相会形成与γ-Al7Cu4Ni相的共晶组织。     

热处理对添加少量Cr、Fe的Ti-Ni合金组织和力学性能的影响

采用真空熔炼法制备Ti_(45)Ni_(55)Cr_(0.3)和Ti_(45)Ni_(52)Fe_3合金(元素含量为摩尔分数)铸锭,对其进行均匀化处理以及850℃/1 h固溶和水淬后,分别采用3种不同的工艺进行热处理:1)850℃/1 h固溶,2)375℃/1 h时效,3)25%冷轧+375℃/1 h退火,研究热处理工艺对合金的相变特性、力学性能、内耗性能和微观组织的影响。结果表明,Ti_(45)Ni_(55)Cr_(0.3)和Ti_(45)Ni_(52)Fe_3合金的基体均由B2与R相组成;Ti_(45)Ni_(55)Cr_(0.3)合金经过375℃/1 h时效或25%冷轧+375℃/1 h退火处理后,析出Cr3Ni2粒子,时效后抗拉强度为1 385 MPa,时效升温过程的峰值内耗达到0.53;Ti_(45)Ni_(52)Fe_3合金经过25%冷轧+375℃/1 h退火后析出Ti3Ni4相,抗拉强度为770 MPa;与其它热处理工艺的升温过程相比,Ti_(45)Ni_(52)Fe_3合金的时效升温过程峰值内耗最高,达到0.158;降温过程中,Ti_(45)Ni_(55)Cr_(0.3)合金在时效降温过程中发生B2→R→M相变,退火的降温过程中发生B2?R相变,而Ti_(45)Ni_(52)Fe_3合金在退火的降温过程中发生B2→R→M相变。     

放氢温度对吸氢后La_(1-x)Ce_xFe_(11.44)Si_(1.56)合金磁热性能的影响

利用X射线衍射仪(XRD)和VSM测量La_(1-x)Ce_xFe_(11.44)Si_(1.56)合金吸氢前后的相结构及磁性曲线,利用DSC测量了La_(0.8)Ce_(0.2)Fe_(11.44)Si_(1.56)Hy的热重曲线。结果表明,La_(1-x)Ce_xFe_(11.44)Si_(1.56)合金及其氢化物的主相均为NaZn_(13)型立方结构,吸氢后合金的居里温度明显升高,在室温空气中放置一段时间后,仍能保持良好的稳定性;La_(0.8)Ce_(0.2)Fe_(11.44)Si_(1.56)Hy合金约从483 K到708 K一直处于失重状态,氢化物的失重率为0.19%;通过提高放氢温度,La_(0.9)Ce_(0.1)Fe_(11.44)Si_(1.56)Hy合金的居里温度降低,放氢温度每提高10 K居里温度下降10 K左右,但对合金的等温磁熵变影响很小,熵变最小的样品与无放氢样品的熵变相差仅0.616 J/(kg·K)。     

影响Nb替位掺杂γ-TiAl基合金延性的电子性质因素

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了影响Nb替位Ti(或Al)掺杂,且浓度为1.85%,2.78%,4.17%,6.25%(原子分数,下同)的γ-Ti Al合金延性的电子性质因素。结果显示,Nb替位掺杂具有较好的能量稳定性,且不同掺杂浓度引起的晶格参量的改变不同。当Nb替代Al原子且掺杂浓度为1.85%~4.17%时,合金的轴比将会减小更接近于1,此时合金的延性改善效果明显,就所研究的晶胞模型而言,Ti_(12)Al_(11)Nb合金的延性最佳。故以掺杂浓度为4.17%的Ti_(12)Al_(11)Nb和Ti_(11)Nb Al_(12)合金为例,研究掺杂Nb改善γ-Ti Al基合金延性的电子结构因素。研究结果表明:在该掺杂浓度情况下,Nb替代Al原子使Ti 4s→3d,Al 3s→3p的电荷转移明显减少,Al p-Ti d轨道杂化作用减弱,形成金属键的自由电子数量增多,金属性增强,合金延性得到改善;Nb替代Al原子掺杂会使合金的共价性减弱,且化学键Al-Al,Ti-Ti和Al-Ti强度明显趋同,这将会显著提高γ-Ti Al基合金的各向同性程度,从而使该类合金的延性得以改善。     

铌对美标桥梁结构钢板性能的影响

通过向桥梁结构钢板HPS70W中添加不同含量的Nb元素,研究了合金元素Nb对桥梁结构钢板的力学性能、金相组织和第二相粒子析出的影响。试验结果表明,合金元素Nb对桥梁结构钢板HPS70W低温韧性、强度和塑性有显著影响。     

在还原条件下ti—Si—Ca—O系中的相关系和钛氧化物的硅热还原

研究了1300—1600℃温度间 Ti-Si-Ca-O 系的相关系。1300℃时 Ti-Si-O 亚系中 Ti_2O_3与 Ti_5Si_3和 SiO_2共存。硅化物Ti_5Si_4、TiSi、TiSi_2除了与金属硅之外,也和 SiO_2共存。1600℃时 Ti_5Si_3与 TiO+Ti_2O_3,Ti_2O_3+SiO_2,以及 SiO_2+Ti_5Si_4共存。具有40%(原子)Ti 的液态 Si-Ti 合金与 SiO_2共存。在 CaO-Ti_2O_3-SiO_2 亚系中有一种石榴石结构a=12.165±0.001的三元相 Ca_3Ti_2Si_3O_(12),还有二元化合物 Ca_2Ti_2O_5与 Ca_8Ti_6O_(17),发现后面这两种化合物是CaTiO_(1+x)和 Ca_4Ti_3O_(4+3x)固溶系组成部分,其中前者具有钙钛矿结构。发现在 CaO-Ti_2O_3—SiO_2系中能与所有三相组合物平衡的金属相是 Si 含量仅小量变化的化合物 Ti_5Si_3(熔点=2125℃).为了在1600℃时由硅热还原钛的氧化物得到液态金属和渣,必须用过量的 Si 来获得40%原子(52重量%)Ti(或低于此)的硅钛合金。     

铌对纳米晶Nd2Fe14B合金组织结构与磁性能的影响

采用熔体快淬及晶化退火工艺制备了单相Nd2Fe14B纳米晶合金。研究了添加Nb对Nd12.3Fe81.7-xNbxB6.0(x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)系列合金的微观组织、磁性能和晶化行为的影响规律。结果表明:添加Nb可提高晶化温度并稳定非晶相;在退火晶化过程中,加入Nb后形成的析出相可以抑制晶粒长大,使晶粒细化且分布均匀,进而提高了材料的综合磁性能。通过对系列合金磁性能分析可知:Nd12.3Fe81.2Nb0.5B6.0合金在600℃退火处理10min后的磁性能最佳,磁能积(BH)m=141.13kJ.m-3,矫顽力Hci=867.95kA.m-1,剩磁Jr=1.02T。