放电等离子烧结制备Al基非晶合金及其复合材料

发布时间：2020-10-28 02:49

　　 Al基非晶合金比强度极高,因而在轻质高强材料领域应用前景广阔,但非晶形成能力差(临界尺寸约1mm)、几乎无宏观塑性的特点严重制约了该类材料的应用。利用非晶合金在过冷液相区的超塑性,通过粉末冶金的方法可以在一定程度上突破Al基非晶合金的尺寸限制。本文利用机械合金化(MA)+放电等离子烧结(SPS)的方法来制备Al-Cu-Ti非晶合金,系统研究了制备工艺对材料结构和性能的影响。在此基础上,通过添加第二相颗粒(如高熵合金颗粒、Al颗粒)的方法来进一步改善现有合金的力学性能。主要研究结果如下:利用MA技术制备出Al_(65)Cu_(16.5)Ti_(18.5)非晶合金粉末,其非晶化过程主要由固溶体的非晶化和金属间化合物的非晶化组成。其中,固溶体的非晶化由固溶扩散控制,在形成过饱和固溶体后发生非晶化;而金属间化合物的非晶化则主要由球磨过程中产生的晶界能、缺陷能和无序能提供非晶化所需的能量,使其发生非晶化反应。利用SPS技术制备Al基非晶合金,发现在过冷液相区烧结得到的合金尽管呈现出几乎完全的非晶态,但相对密度和强度均太低。在晶化温度以上烧结时,合金的强度显著提升,并且随着烧结温度的提高,其强度呈现出先升后降的趋势。这是由于颗粒中的晶化程度和颗粒之间的冶金结合随烧结温度的升高而逐渐增加,当颗粒内部为非晶/纳米晶、颗粒之间几乎不存在烧结缺陷时,合金达到最高的强度。继续升高温度,颗粒内几乎完全晶化且部分晶粒发生粗化,因此颗粒内部的强度略有降低,合金的强度也随之降低。结合高熵合金高强度的特点,利用SPS技术制备Al基非晶-高熵合金复合材料。与Al基非晶合金相比,添加高熵合金颗粒体积分数为50%的复合材料,其强度提高近一倍,但塑性并未改善。这是由于高熵合金颗粒与基体之间形成了互扩散层,微裂纹可以在互扩散层中稳定扩展,显著增加了断裂表面能,因此强度显著提高。但承载过程中高熵颗粒与互扩散层不能协同变形,断裂只发生在脆性的基体和互扩散层中,因此塑性较差。结合Al塑性极佳的特点,通过先制备“Al包埋Al基非晶合金”复合结构粉末,然后利用SPS技术制备Al基非晶-Al合金复合材料。复合材料可兼具高强度和良好延展性的特点,这是由于此复合材料具有“纳米晶+微米晶+非晶/纳米晶”结构,在变形过程中大尺寸纳米晶与微米晶可以协同变形,而且具有高加工硬化能力的大尺寸纳米晶区与非晶/纳米晶区之间的强度差迅速减小,从而促进基体内部应力分布更为均匀,抑制了塑性失稳的出现和扩展,因此复合材料在保持高强度的同时具有较好的均匀变形能力。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TG139.8;TB33
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 非晶合金
        1.2.1 非晶合金的发展
        1.2.2 非晶合金的结构和性能
    1.3 Al基非晶合金
    1.4 粉末冶金制备大块Al基非晶合金
        1.4.1 Al基非晶合金粉末的制备
        1.4.2 放电等离子烧结
        1.4.3 放电等离子烧结制备Al基非晶合金
    1.5 本论文的研究意义和主要内容
    参考文献
第2章 实验方法
    2.1 样品制备
        2.1.1 Al基非晶合金粉末
        2.1.2 Al基非晶合金及其复合材料
    2.2 结构分析和表征
        2.2.1 物相分析
        2.2.2 微观形貌
        2.2.3 微观结构
        2.2.4 热稳定性分析
    2.3 性能测试
        2.3.1 体积密度
        2.3.2 显微硬度
        2.3.3 准静态压缩性能
        2.3.4 纳米压痕
    参考文献
第3章 机械合金化制备Al基非晶合金粉末
    3.1 引言
    3.2 合金成分设计
        3.2.1 合金成分确定
        3.2.2 合金成分微调
    3.3 非晶化过程
    3.4 非晶合金粉末的性能表征
        3.4.1 热稳定性
        3.4.2 晶化行为
    3.5 本章小结
    参考文献
第4章 放电等离子烧结制备Al基非晶合金
    4.1 引言
    4.2 烧结工艺
        4.2.1 烧结工艺参数对样品性能的影响
        4.2.2 烧结工艺流程
    4.3 组织结构
        4.3.1 物相和微观组织结构
        4.3.2 烧结过程
    4.4 力学行为
        4.4.1 弹性模量和硬度
        4.4.2 压缩性能
        4.4.3 变形特征
    4.5 粉末的热稳定性的对烧结过程的影响
        4.5.1 热处理-球磨对非晶粉末热稳定性的影响
        4.5.2 高热稳定性粉末的烧结行为
    4.6 本章小结
    参考文献
第5章 Al基非晶-高熵合金复合材料的研究
    5.1 引言
    5.2 Al基非晶-高熵合金复合材料的制备
        5.2.1 高熵合金颗粒的性能
        5.2.2 烧结工艺参数
    5.3 组织结构
        5.3.1 物相组成
        5.3.2 微观组织结构
        5.3.3 烧结过程
    5.4 力学行为
        5.4.1 强度
        5.4.2 变形特征
    5.5 本章小结
    参考文献
第6章 Al基非晶-Al合金复合材料的研究
    6.1 引言
    6.2 直接添加法制备复合材料
        6.2.1 复合材料的制备
        6.2.2 物相组成
        6.2.3 组织结构
        6.2.4 力学行为
    6.3 球磨法制备复合材料
        6.3.1 复合粉末的制备和烧结
        6.3.2 物相组成
        6.3.4 组织结构
        6.3.5 力学行为
    6.4 本章小结
    参考文献
主要结论和展望
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
    学术论文
    发明专利
致谢

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本文编号：2859461