Ti基准晶合金块体材料的制备与性能研究

发布时间：2020-08-20 20:43

【摘要】：准晶是具有准周期平移格子构造的固体，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重复，其对称要素包含与晶体空间格子不相容的对称（如5次对称轴），准晶的结构和理化性质通常介于晶体和非晶体之间，可以具有晶体所不允许的特殊宏观对称性。准晶合金因其独特的微观结构、介稳的理化性质，以及潜在的多种性能应用，使得其理论与应用研究处于科学研究热点，相关研究成果于2011年获诺贝尔化学奖。目前世界上准晶的研究十分活跃，中国、法国、德国、日本和美国的科研工作者都开展了相关工作，预计在未来若干年中，它的低摩擦、耐腐蚀、耐热性和非粘性会进一步被开发利用于材料领域。Ti基准晶合金作为除铝基准晶合金外最大的准晶体系，其在传输性能、力学性能、表面性能、贮氢性能、光学性能等方面的研究具有极其重要的理论与应用价值。遗憾的是，Ti基准晶合金形成能力有限，导致大尺寸Ti基准晶合金材料较难制备，这直接限制了其相关物理/化学性质、力学性能、以及功能特性等方面的系统研究。因此，制备出大尺寸Ti基准晶合金材料是为深入研究该材料性质、性能的前提。本工作针对“大尺寸Ti基准晶合金材料”制备这个行业的瓶颈问题，通过制备高纯度Ti40.83Zr40.83Ni18.34准晶合金粉末，然后采用压制成型热处理、热压烧结、超高压制备（超高压、超高压高温）、以及等离子放电烧结等方法，分别制备大尺寸准晶合金块体材料；并借助多种表征与测试手段，对制备样品的微观结构、相组成、力学性能、摩擦磨损性能、热导性能、电导性能、磁学性能等开展了研究，相关研究结果如下：（1）采用压制成型热处理、热压烧结、超高压制备（超高压、超高压高温）和等离子放电烧结方法均可以制备出大尺寸Ti40.83Zr40.83Ni18.34准晶合金块体材料。样品直径为9-15mm，其高度为2-9mm。各方法合成的样品均具有准晶的I相特征峰（36°和39°的两个特征峰），且准晶含量高，杂相成分极少。（2）力学性能测试结果表明：压制成型热处理制备样品易出现起翘、破裂和凹陷等缺陷，成形性较差；热压烧结法方便快捷，制备尺寸可变范围大，但样品强度较低；超高压高温制备方法制备的样品具有高耐磨性，但样品尺寸限制在厘米级；等离子放电烧结方法制得的块体致密度大（密度值为5.83g cm-3，约为理论密度的97.46%），其硬度、抗压强度和最大变形量均最高，分别为716(Hv)、662MPa和2.65%。（3）摩擦磨损性能测试结果表明：各种方法制备样品的摩擦系数在0.40-0.59的范围；摩擦系数的高低与样品致密度、强度和刚度的有关。测试的压力、摩擦速率、摩擦总时间以及摩擦温度分别增大，均会导致准晶块体材料的摩擦磨损系数减小，但减小幅度逐渐减弱直至稳定；其磨损体积均随压力、摩擦速率、摩擦总时间以及摩擦温度的增高而增加。（4）对具有最优机械性能的等离子放电烧结样品测试了材料的热电和磁学性能。热电性能测试结果表明：Ti40.83Zr40.83Ni18.34准晶合金块体材料热导率为3.88WK-1m-1、电导率为3.36×105-1m-1、赛贝克系数为3.26×10-6VK-1；室温下（20℃）热电系数ZT值为2.76×10-4，ZT值随着温度升高而降低，当温度为600℃时，ZT值为2.06×10-4。磁学性能测试结果表明：样品矫顽力为25.85(Oe)，剩磁为0.01emug-1，饱和磁感应强度为0.65emug-1。本工作制备的大尺寸Ti40.83Zr40.83Ni18.34准晶合金块体材料对推进该类准晶块体材料在性质/性能研究方面具有应用基础意义。此外，本工作对各种制备方法的优劣的对比，将为高性能大尺寸准晶合金块体材料制备方法的选择提供依据。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TF124
【图文】：

示意图,旋转对称轴,准晶,示意图

图 1.1 准晶旋转对称轴示意图(a) 五次，(b) 八次，(c) 十次，(d) 十二次Fig. 1.1 The sketch map of the quasicrystalline’s rotation axis of symmetry(a) 5-axis, (b) 8-axis, (c) 10-axis, (d) 12-axis rotation symmetry.准晶合金的结构晶在结构上，是由对称重复的小的单元组成的，这些小的单元的平面排元体来看，存在相当的准周期性，整个结构周期排布且填满整个空间。，因三维准晶多与二十面体有关，除了旋转对称轴之外，还具有 15 个称中心，其基本的结构单元是两个菱面体，且这两个菱面体边长相同，图 1.2 所示）[22]。维准晶的阵点的排列是准周期的：因为五次轴在菱面体边长上有六个，六个五次轴，分别作为不同方向的单位矢量，命名为 a1，a2，a3，a4，

菱面体,准晶,单元体

图 1.2 三维准晶单元体(a) 尖菱面体，(b) 厚菱面体Fig. 1.2 Unit body of the three-dimensional quasicrystalline(a) Sharp rhododendron, (b) Thick rhododendron.具有五次旋转对称轴的的准晶体，其在透射电子显微镜下呈现独特 1.3a 所示，中心处为光源，其结构单元为正五边形，在空间几何点构为 1.3b 中所示模型，其中由两种具有不同角度的四边形布满平面两种三维菱面体的一个表面[24]。

准晶,几何特征,菱面体,准晶体

图 1.2 三维准晶单元体(a) 尖菱面体，(b) 厚菱面体Fig. 1.2 Unit body of the three-dimensional quasicrystalline(a) Sharp rhododendron, (b) Thick rhododendron.于具有五次旋转对称轴的的准晶体，其在透射电子显微镜下呈现独特的衍图 1.3a 所示，中心处为光源，其结构单元为正五边形，在空间几何点阵排结构为 1.3b 中所示模型，其中由两种具有不同角度的四边形布满平面，这表两种三维菱面体的一个表面[24]。

【参考文献】