钛基非晶复合材料的微观结构及变形机制研究

利用Bridgman定向凝固技术成功制备了β-Ti增韧的非晶复合材料,并使用XRD、SEM、EBSD、TEM、EDS以及三维组织重构方法对制备的非晶复合材料(BMGCs)的组织结构、相组成比例以及相化学成分进行了系统分析,在此基础之上通过对准拉伸过程SEM、EBSD原位观察和断口形貌TEM分析揭示了在变形过程中晶体相和非晶基体界面的变形协调机制。结果表明,晶体相为枝晶形态,二次枝晶臂为1~3μm,具有很好的连接性,非晶基体和枝晶相的化学成分分别为Ti_(45)Zr_(34.8)Cu_(10.6)V_(9.6)和Ti_(62.4)Zr_(18.4)Cu_(2.6)V_(16.6)(at%),相应体积分数分别为非晶相38%和晶体相62%。在变形过程中晶体相中主要为位错增殖的过程,而非晶基体相形变主要是以多重剪切带的形式进行,在弹性变形阶段,位错在两相界面积累;在塑性变形阶段,主要通过在晶体相密排面{110}面上形成滑移台阶进行两相间应力传递,从而实现大的宏观塑性变形。     

W颗粒/Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)基非晶复合材料在3%NaCl溶液中的腐蚀行为研究

通过电化学测试、浸泡实验以及表面分析,研究了50%体积含量的W颗粒/Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)基非晶复合材料在3%(质量分数) NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明:在3%NaCl溶液中,该复合材料表面由于W颗粒与非晶合金基体相的偶对效应而形成了局部腐蚀微电池,其中非晶基体部位作为局部阳极区其表面的腐蚀溶解加速,复合材料的腐蚀电流密度增大,其耐蚀性能明显低于Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)非晶合金。50%W颗粒的加入对该复合材料的耐点蚀性能基本没有影响,在3%NaCl溶液中基体非晶部位发生了均匀的腐蚀溶解,该非晶复合材料具有较好的耐点蚀性能。     

Ti_(48)Zr_(20)Nb_(12)Cu_5Be_(15)内生相非晶合金的压缩性能

采用铜模喷铸法成功制备出内含β-Ti(Zr,Nb)晶体相的Ti_(48)Zr_(20)Nb_(12)Cu_5Be_(15)内生相非晶合金,在室温环境下对其进行准静态和动态压缩力学性能测试,用S-4800型扫描电镜(SEM)对压缩试样断口进行观察,并对不同应变率下的力学性能进行对比。结果表明,内生相非晶合金的结构为非晶基体和在非晶基体上均匀分布着的β-Ti(Zr,Nb)晶体相组成。Ti_(48)Zr_(20)Nb_(12)Cu_5Be_(15)内生相非晶合金在准静态压缩时,随应变率的增加抗压强度有明显的提高,存在应变率硬化现象,表现出与一般非晶合金体系不同的应变率效应;在动态压缩条件下,动态抗压强度随着应变率的提高也有较明显的增加,表现为应变率硬化效应。由于内生相非晶合金在动态压缩条件下的绝热温升效应和非晶的碎化,导致在室温条件下Ti_(48)Zr_(20)Nb_(12)Cu_5Be_(15)内生相非晶合金的动态压缩抗压强度和应变低于准静态压缩抗压强度和应变。     

半固态等温处理Ti_(48)Zr_(18)V_(12)Cu_5Be_(17)非晶合金的显微组织演变

采用水冷铜模吸铸法制备内生β-Ti晶体相增塑Ti_(48)Zr_(18)V_(12)Cu_5Be_(17)块体非晶复合材料,研究该材料在半固态温度区间的显微组织演变及其动力学。结果表明:水冷铜模吸铸的铸态组织和半固态等温处理后的水淬组织均由β-Ti晶体相和基体非晶相组成。半固态等温处理温度和保温时间决定着β-Ti相的最终形态,提高等温处理温度将提高β-Ti相的演变速度。β-Ti相晶粒尺寸D~3和保温时间t存在线性关系,生长动力学因子K=3.6μm~3/s,β-Ti相的球化过程是由溶质元素扩散控制的粗化行为。     

微量添加Nb元素对原位合成Cu基非晶复合材料力学性能的影响（英文）

利用铜模铸造法获得(Cu_(0.6)Zr_(0.3)Ti_(0.1))_(95)Nb_5块体非晶复合材料试样。该试样中均匀分布富Nb元素的枝晶相。结果表明,相比于非晶基体,枝晶具有更低的硬度值和弹性模量,在加载变形过程中,非晶基体和枝晶界面处产生应力集中,促使非晶基体中剪切带的萌生和分叉增殖,最终获得了约2200 MPa的压缩断裂强度和6.08%断裂应变。与其他Cu基非晶复合材料相比,所制备的(Cu_(0.6)Zr_(0.3)Ti_(0.1))_(95)Nb_5非晶复合材料断裂强度没有明显的降低,证明添加Nb元素是一种非常容易和有效制备实用高强度、高塑性非晶复合材料的方法。     

Ti-Zr基块体非晶合金在NaOH溶液中的腐蚀研究

采用电化学极化曲线和变温失重法研究了Ti_(35)Zr_(30)Be_(20)Cu_(7.5)Co_(7.5)块体非晶合金分别在0.5、1、2 mol/L NaOH溶液中的腐蚀行为,并比较了304不锈钢的耐蚀性。极化曲线测试结果表明,Ti_(35)Zr_(30)Be_(20)Cu_(7.5)Co_(7.5)块体非晶合金在0.5、1、2mol/L NaOH溶液中均表现出良好的耐蚀性,阳极极化曲线表现出明显的钝化特征。随着NaOH溶液浓度的增大,极化曲线左移,耐蚀性降低。非晶合金的自腐蚀电位高于不锈钢。在293、313、333K,2mol/L NaOH溶液的不同温度失重腐蚀中,随温度增加,其非晶合金均较不锈钢耐蚀性高。探讨了NaOH溶液浓度变化、温度变化对Ti_(35)Zr_(30)Be_(20)Cu_(7.5)Co_(7.5)块体非晶合金的耐蚀性机理。     

不同GFA锆基非晶的内耗行为

利用内耗法研究了5种不同GFA(非晶形成能力)的锆基非晶(分别为Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)、Zr_(55)Al_(10)Ni_5Cu_(30)、Zr_(45)Cu_(45)Ag_5Al_5、Zr_(65)Al_(7.5)Ni_(10)Cu1_(7.5)、Zr_(57)Ti_5Al_(10)Cu_(20)Ni_8的力学行为,探索了内耗与GFA之间的关系。内耗温度曲线结果表明,GFA越大,非晶试样所产生的内耗峰值越高,且通过计算过冷液相区的激活能与从内耗的物理意义相联系,提出了一个表征同种体系GFA的新参数—内耗峰峰值。此外根据内耗频率曲线考察了不同GFA的锆基非晶的力学弛豫行为,GFA越大,其在过冷液相区内原子失稳的数量越多,力学弛豫时间越短。     

轻质钛基非晶合金热塑性成形性能研究

以轻质Ti_(41)Zr_(25)Be_(34)非晶合金为研究对象,采用Fe合金化的方法改善钛基非晶合金的热塑性成形性能。结果表明采用Fe替换Be能有效提高Ti-Zr-Be非晶合金的热塑性成形性能,最佳Fe添加量为6 at.%。系统研究了基于热力学特征温度的参数与钛基非晶合金热塑性成形性能之间的关系,发现S参数是最有效的基于特征温度的钛基非晶合金热塑性成形性能判据。Ti_(41)Zr_(25)Be_(28)Fe_6非晶合金具有123 K的宽广过冷液相温度区间和较大的S参数值(0. 238),其热塑性成形性能明显优于已开发的钛基非晶合金,可与热塑性成形常用合金Vit-4相媲美。采用润滑油辅助纳米模压技术,可以成功在大气环境下制备出钛基非晶合金纳米结构。     

通过制备非晶涂覆钢丝提高钢丝抗腐蚀性能（英文）

为了提高钢丝的耐腐蚀性能,使用连续涂覆工艺制备一系列锆基非晶合金(Zr_(41.2)Ti_(13.8)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5))_(100-x)Nb_x(x=0,3,5,8,at%)涂覆Q195钢丝。相分析结果表明,涂层主要由非晶基体和一些金属间化合物组成;阳极极化实验发现所有非晶涂覆钢丝表现钝化行为,具有高的点蚀破钝电位和低的腐蚀电流。随着非晶涂层中铌含量增加,非晶涂覆钢丝的钝化区宽度增加,点蚀破钝电位升高。电子能谱分析发现,非晶涂覆钢丝抗点蚀性能提升可能与金属铌元素容易钝化,形成稳定钝化膜,同时能够稳定锆、钛,降低相分离有关。     

Ti基内生枝晶非晶复合材料的摩擦磨损性能

采用电弧熔炼-铜模吸铸法制备Ti_(43)Zr_(27)Mo_5Cu_(10)Be_(15)非晶复合材料,利用销-盘式摩擦磨损试验机进行干滑动磨损试验,研究了载荷、转速和时间对非晶复合材料的摩擦磨损性能的影响。利用X射线衍射仪分析物相,扫描电镜观察分析磨损表面的形貌,探讨非晶复合材料的磨损机理。结果表明,在不同载荷、转速条件下摩擦因数比较低且稳定在0.219 0~0.367 5之间,磨损量为2.0~31.9mg;随着转速、载荷的增加,动态摩擦因数波动幅度逐渐减小,磨损量增大。磨损机制由磨粒磨损逐渐转变为粘着磨损,并伴有塑性变形。     

钛元素取代对Cu_(46)Zr_(46)(Al_(1-x)Ti_x)_8非晶合金腐蚀性能的影响

采用电化学方法结合扫描电子显微镜研究了钛元素取代对Cu_(46)Zr_(46)(Al_(1-x)Ti_x)_8(0≤x≤1)块体非晶合金腐蚀性能的影响。试验结果表明,对于基体Cu_(46)Zr_(46)Al_8非晶合金,浸泡处理降低了其抗腐蚀能力,在3. 5%Na Cl溶液中其开路电位和腐蚀电流密度分别由浸泡前的-428 m V和4. 31×10-6A/cm~2变为浸泡后的-439 m V和2. 75×10-5A/cm~2。钛元素取代对Cu_(46)Zr_(46)(Al_(1-x)Ti_x)_8块体非晶合金在中性溶液中的腐蚀性能并没有起到明显的改善作用。然而,Cu_(46)Zr_(46)(Al_(1-x)Ti_x)_8块体非晶合金在碱性Na OH溶液中却具有较好的抗腐蚀能力,这与其发生钝化现象有关。     

(Ti_(0.361)Zr_(0.332)Ni_(0.058)Be_(0.249))_(91)Cu_9非晶合金浇注尺寸对力学性能的影响

使用铜模铸造法制备了不同直径的(Ti_(0.361)Zr_(0.332)Ni_(0.058)Be_(0.249))_(91)Cu_9非晶合金。分别采用X射线衍射仪、扫描电镜、力学性能试验机和差示扫描量热仪对合金的相组成、断口、力学性能以及热物性进行了研究。结果表明:所制备的样品均为单一的非晶结构,压缩断口的脉状纹密度随浇注直径的降低而增加。在屈服强度和断裂强度变化不大的情况下,材料的塑性应变由浇注直径为4 mm时的0.33%增加至浇注直径为2 mm时的1.21%。计算和推断了三种浇注直径下的放热焓和自由体积数量,并通过自由体积理论解释了浇注尺寸对材料塑性的影响。     

Nb元素对Zr-Cu基非晶合金力学性能的影响

采用铜模吸铸法制备了直径为3mm的(Zr_(0.48)Cu_(0.36)Al_(0.08)Ag_(0.08))_(100-x)Nb_x(x=0,1,2,4)非晶试样,分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、力学性能试验机对合金的相组成、力学性能进行研究。结果表明,随Nb含量的增加,非晶合金的玻璃形成能力不断降低,试样由完全非晶结构变为非晶基体与晶体相的复合结构。此外,试样的塑性先增加后减小,当x=2时试样塑性达到最大值,最大塑性应变为1.025%,并且出现了一定的加工硬化现象。x=4时最大断裂强度为1.723GPa且加工硬化现象最明显。因此,添加适量Nb元素有利于Zr_(48)Cu_(36)Al_8Ag_8非晶合金室温塑性的提高。     

一种Zr基非晶合金/纯铜焊接组织研究

以玻璃形成能力较强的Zr基非晶合金作为研究对象,对Zr_(41.2)Ti_(13.8)Ni_(12.5)Cu_(10)Be_(22.5)非晶合金初始显微结构进行分析,采用热压法对Zr基非晶合金/纯铜的进行了焊接。研究结果表明:通过氩气保护热压法可成功实现Zr基非晶合金/纯铜的焊接,并达到原子级别的冶金结合。当扩散温度为653 K时,在界面附近非晶基体处基本保持非晶态,但是当温度为663 K时,在靠近非晶侧有大量纳米晶形成。因此,扩散温度是影响Zr基非晶合金/纯铜界面微结构的关键因素。     

具有最优玻璃形成能力的Zr-Co(Cu)-Al大块金属玻璃及其压缩性能（英文）

采用铜模吸铸法在三元Zr_(56)Co_(28)Al_(16)和四元Zr_(56)Co_(28)-xCuxAl_(16)(x=2,4,5,6,7,摩尔分数,%)非晶合金中形成大块金属玻璃(BMGs)。本研究主要目的是找到四元Zr Co(Cu)Al合金中形成大块金属玻璃的最优成分,并提高母合金的塑性。采用X射线衍射(XRD)技术、透射电镜(TEM)和差示扫描量热法(DSC)研究非晶合金的结构及其玻璃形成能力(GFA)。此外,利用压缩试验、显微硬度、纳米压痕和扫描电镜(SEM)讨论塑性提高的可能机制。含铜合金中玻璃形成能力最强的是Zr_(56)Co_(22)Cu_6Al_(16)合金,与基体合金相似。此外,Zr_(56)Co_(22)Cu_6Al_(16)大块金属玻璃的塑性从基体合金的3.3%显著增加到6%。最后,结合铜和钴的正混合热,讨论合金塑性和GFA的变化。     

铁元素添加对Cu基非晶合金结构及力学性能的影响

利用铜模吸铸法制备了(Cu_(0.46)Zr_(0.44)Al_(0.08)Dy_(0.02))_(100-x)Fe_x(x=0,1,3,5,7)非晶合金,利用X射线衍射仪(XRD)、同步热分析仪(DSC)、透射电镜(TEM)、万能试验机和扫描电镜(SEM)研究了Fe元素添加对Cu基非晶合金结构及力学性能的影响。结果表明:Fe元素的适量添加有利于改善Cu_(46)Zr_(44)Al_8Dy_2块体非晶合金的结构,当添加原子分数为1%和3%Fe时,合金为完全非晶结构,并且出现富Fe相和富Cu相两相分离。Fe元素的适量添加有利于提高Cu_(46)Zr_(44)Al_8Dy_2合金的强度和塑性,当添加3%Fe时,块体非晶合金的抗压强度σ_f和塑性ε_p分别达到1835 MPa和0.5%。     

形状记忆晶相/铜基非晶复合材料的组织和微观力学行为（英文）

采用悬浮熔炼-水冷铜模吸铸法制备Cu_(50)Zr_(42)Al_8锥形试样,研究了合金不同直径处的组织和微观力学行为,分析了尺寸效应和裂纹自愈合行为。结果表明,复合材料组织中包括非晶基体相、金属间化合物Al Cu_2Zr相、奥氏体B_2-Zr Cu相和热致马氏体B19’-Zr Cu相。纳米压痕结果表明,单一非晶结构的试样心部硬而表面较软,呈现越小越软趋势,而较大尺寸的非晶复合材料由于析出相的存在,心部软而表面较硬。形状记忆晶相由TRIP效应对非晶基体增强增韧,而Al Cu_2Zr相析出使基体脆化。经150℃/10 min退火后,微观压痕产生的裂纹表现出自愈合行为。加载时,形变诱导B2奥氏体向B19’马氏体相转变并伴随着体积的膨胀,而高于逆转变温度退火,B19’转变为B2相,体积收缩并在组织应力作用下驱动裂纹愈合。     

Ti-Cu-Ni-Zr大块非晶合金玻璃形成能力与力学性能

采用"二元共晶混合"法设计富Ti基Ti-Cu-Ni-Zr合金成分,通过水冷铜模铸造法制备出不同直径Ti-Cu-Ni-Zr合金棒材。利用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、万能试验机和扫描电镜(SEM)研究合金的玻璃形成能力和力学性能。结果表明,Ti-Cu-Ni-Zr合金具有较高玻璃形成能力,其中Ti_(38)Cu_(45.26)Ni_(9.14)Zr_(7.6)合金最大临界直径为3 mm;Ti-Cu-Ni-Zr合金玻璃形成能力与Trg值关系较大,而与ΔTx、γ值关系较小。通过对合金力学性能进行研究,结果表明,Ti_(38)Cu_(45.26)Ni_(9.14)Zr_(7.6)非晶合金具有屈服强度1 937 MPa,断裂强度2 071 MPa,且具有0.6%的塑性,而Ti_(39)Cu_(43.8)Ni_(9.6)Zr_(7.6)非晶合金断裂机制为完全脆性断裂;对于完全脆性断裂的Ti_(39)Cu_(43.8)Ni_(9.6)Zr_(7.6)非晶合金,主剪切面和次剪切带可能同时发生。     

Zr基非晶合金与铜的扩散连接研究（英文）

利用Gleeble 3500热模拟试验机在添加和未添加扩散连接中间层条件下对Zr_(41.25)Ti_(13.75)Cu_(12.5)Ni_(10)Be_(22.5)块体非晶合金与纯铜的扩散连接性进行了研究。实验结果表明,在2种条件下均获得了无裂纹和空洞的良好的连接界面。通过能谱分析和电子探针分析,在连接界面处观察到明显的原子扩散,但原子扩散距离较窄。非晶合金中晶化相的出现促进了界面处原子的扩散。     

Cu_(46)Zr_(46)Al_8块体非晶合金的晶化动力学研究

在连续加热和等温加热条件下,对Cu_(46)Zr_(46)Al_8块体非晶合金的晶化动力学行为进行了研究。在连续加热条件下,非晶合金具有与升温速度相关的非常明显的动力学特征。利用Kissinger方程计算得到的晶化激活能Ex和Ep分别为(355±10)kJ/mol和(403±10)kJ/mol。借助Johnson-Mehl-Avrami (JMA)模型,通过求解等温晶化过程的Avrami指数和局部Avrami指数揭示了非晶合金的晶化机制。这一晶化机制在其晶化激活能与晶化体积分数的关系中得到验证。等温晶化动力学研究表明,Cu_(46)Zr_(46)Al_8块体非晶合金在过冷液相区的晶化为初级晶体相的长大和二级晶化相的形核、长大的共同作用机制。