锆基非晶合金的连铸工艺研究

发布时间：2020-01-25 19:12

【摘要】：非晶合金不存在晶体的结构缺陷,表现出优异的力学性能和物理、化学性能,如高强度、高硬度、耐腐蚀以及良好的导磁性能等。因此,非晶合金具有广泛的用途。但目前块体非晶合金的制备普遍存在成本高,效率低的特点,不能实现连续制备,这极大地限制了非晶合金材料的应用发展。热型连铸工艺可实现合金的连续制备,是一种近净成型技术,并能有效地提高非晶合金的制备效率。因此,对锆基非晶合金连铸工艺的研究具有重要意义。本文使用水平连铸工艺手段制备Zr5 5Al10N i5Cu30合金,研究锆基合金连铸成型的工艺方案。通过调节连铸工艺参数制备不同结构的锆基合金,分析工艺参数对锆基合金结构、性能的影响。最后分析连铸工艺对锆基合金非晶形成能力的影响,优化工艺方案,实现锆基非晶合金的连续制备。首先,使用铜模铸造法熔炼工业纯度的原料,制备出了具有较好非晶结构的合金。研究了熔体温度对锆基合金非晶形成能力的影响,实验结果表明:在合金熔点以上,随着熔体温度的适当增加,合金的非晶形成能力增强,制备合金样品的维氏硬度值在540左右。实验证明了工业纯度的原料可以制备非晶合金。其次,通过连铸法制备锆基合金,确定了锆基合金连铸成型的工艺参数方案。熔体温度在950℃~1000℃,保温1h,牵引速率为1mm/s~9mm/s,型口温度为850℃~1000℃时,连铸出了最长1500mm,直径为8mm的合金棒材。在其他工艺参数不变的条件下,随着牵引速度的增加,合金中非晶组分越多。熔体加热到1000℃,型口温度在950℃左右,牵引速率在3mm/s~5 mm/s范围时,连铸出具有较好非晶形态的合金。测量其硬度,硬度值在600左右,远远大于晶态合金的数值。实验证明使用热型连铸工艺制备非晶合金是可行的。
【图文】：

非晶合金,最大尺寸,年份

提出用玻璃化转变温度来判定非晶合金的形成理论，成为非晶合金研究的重要理论依据。人们开始研究价格低廉的且形成能力较强的普通金属体系。图1.1为不同体系非晶合金的最大尺寸及对应时间，从图中可以看出，20世纪90年代以来，块体非晶合金的发展得到突破性进展，在这一时期，非晶合金的体系不断增多，尺寸不断增大。特别是日本科学家Inoue等[ 19]探索出了Zr-Al-Ni-Cu等非晶形成能力强的合金体系。之后一系列大块非晶合金体系如镁基[ 20 ]、铁基[ 21]、镍基[ 22]等被挖掘出来。1.2 非晶合金的发展

过程图,晶态,过程图,液态

公式中 G自由能之差； H为液固转变时的焓变； S为液固转变时的熵变。图1.2 液态到晶态过程图Fig.1.2 The process diagram of liquid to crystaline合金凝固的过程是由高能态向低能态转变的过程，吉布斯自由能之差越小，越有利于非晶的形成，，则该体系非晶形成能力强。金属间化合物一般比非晶态物质的自由能还低，亚稳态的非晶相既然存在，说明非晶态的形成还有动力学上的优势。因此说明热力学条件是非晶态形成的必要条件。1.3.2 非晶形成的动力学判据从动力学的角度考虑，熔体在凝固结晶的过程需要克服一定的势垒，其中包括形成新的界面所需要消耗的界面能以及供晶核长大所需要的活化能。当需要克服较大的势垒时，如粘度增大，冷却速率加快，质点无规则排列，就会导致晶核形成和晶体长大困难，有利于非晶合金的形成[ 25]。因此，非晶态合金的形成的条件就是使液态合金冷却到非晶转变温度以下不发生或不易发生结晶的条件
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.8;TG249.7

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