块体TiZr基非晶合金复合材料制备及组织与性能

发布时间：2020-08-09 03:49

【摘要】：块体非晶合金是同时具有金属键和类似无机玻璃原子排列结构的新型结构材料,具有优异的机械、物理和化学性能,在军工和微型精密器件等领域已有广泛应用。然而室温塑性差和难成形是块体非晶合金长期存在两个主要问题。为提高非晶合金的塑性,本文以原子比为Ti32.8Zr30.2Be22.7Cu9Ni5.3(ZT3)的块体非晶合金为研究对象,分别通过自由体积理论和伪三元相图,设计具有大塑性、大尺寸的完全非晶态合金和体心立方塑性相原位内生的非晶合金复合材料。通过固溶强化和热压等方法改变基体内树枝晶的强化效果,达到提高Ti Zr基非晶复合材料协调变形能力的目的。为解决成形性的问题,首先研究Ti Zr基非晶复合材料的热机械性能以及变形前后组织形貌,为超塑性成形做理论准备。然后以原子比为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(VitreloyTM1)的经典Zr基块体非晶为研究对象,在自行设计装置内测试其铸造流动性,同时建立相关的数学模型进行验证,利用优化参数进行Zr基块体非晶合金重力浇铸实验。通过添加Nb和Fe等与ZT3基体组元成正混合热金属元素,(ZT30.9)Nb10的最大强度和塑性变形分别提高到2080 MPa和8.3%,同时采用DSC观察自由体积(FV)的变化,发现FV含量明显增多。通过成分调控,得出成分为Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10的非晶复合材料,其具有2150 MPa最大压缩强度和12%塑性变形量。TEM发现变形过程中树枝晶内存在严重的晶格扭曲和堆垛的位错以及界面处存在的局部剪切流变。同时探讨了冷速对Ti Zr基非晶合金复合材料组织性能的影响,发现随着冷却速率降低,树枝晶明显长大、团聚,伴随其屈服强度快速下降,表明树枝晶在非晶基体内的尺寸和形貌对整体性能起着决定性的作用。通过添加α-Ti相稳定元素铝和氧分别对Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10成分调整。当Al添加量为6.2 at.%时,材料Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb3.8Al6.2再次发生非晶化。随着Al含量不断提高以及Ti Zr比例调整,材料显微组织变化明显:边缘处由微型树枝晶转变成大块等轴晶,再到柱状晶;而中心处则由微型树枝晶变成大块且团聚的等轴晶。当Ti50.8Zr16.8Cu6.2Be6.8Al15.6Nb3.8铸态直径为6 mm时,密排六方结构(hcp)的α-Ti晶体相析出。另外,氧以Zr O2的形式添加时析出相发生明显球化现象,且随着添加量提高颗粒明显变大。当Zr O2添加量为1.0 wt.%,材料的变形模式由原来的第二相强化转变为基体强化为主导,材料的最大拉伸强度由1691 MPa提高到1800 MPa。通过β-Ti相稳定元素Ta对Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10内树枝晶优化,当Ta体积分数添加量0.0 8.0(标定为Ta0.0 Ta8.0)时,树枝晶的硬度随着固溶强化程度的提高而不断提高,在压缩时加工硬化明显。其中拉伸时Ta0.5合金的最大强度为1680 MPa,塑性变形量为10.2%。对铸态非晶基体和树枝晶界面处高分辨图像做反傅里叶变换发现树枝晶内晶格扭曲和位错密度明显增多,因此强化后的树枝晶能够有效的阻碍剪切带的扩展,并促使其分叉、增殖,产生多重剪切带交割。另外,在Gleeble3500对Ta0.5合金做热机械性能试验发现,在温度为315℃,应变速率为0.001/s时,其变形过程为均匀变形,因此热压成型有望成为其制备零件的理想成形方式。通过测试VitreloyTM1非晶合金的铸造流动性,发现温度从850°C到950°C时,气体压力从0.025 MPa到0.030 MPa时,充型过程平稳。流动长度随着吸铸温度、压力的增加而单调递增,随着浇道直径的增加而成幂指数形式增长。根据传热守恒定律和流体力学Rayleigh法则建立Zr基非晶合金流动长度方程与实测值相吻合。以优化的流动性参数为指导确定重力浇铸时的温度参数,成功制备大尺寸的非晶合金棒材和轮廓清晰完整的奥运图标样品。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG139.8

【参考文献】