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Zr基非晶合金激光熔覆与诱导自蔓延合成

李刚  
【摘要】: 近年来大块非晶合金研究在国际上不断取得突破性进展,一系列具有高非晶形成能力的合金体系相继被发现,如Zr基、Ti基、Pa基、Mg基、La基等合金体系。大块非晶合金的发现和相关研究进展不仅为激光表面非晶制备提供了取得突破的机遇,既可通过新颖的非晶合金化设计,利用激光熔覆技术,在材料表面制备毫米级厚度的非晶表面涂层,而且为研发新的非晶合金制备方法创造了有利条件。本文就是在这种背景下,相继开展了以下三个方面的研究工作。 首先,采用激光熔覆技术在Ti基体上成功地制备了Zr基非晶合金涂层。运用XRD、SEM、EDS和TEM现代微观分析技术,系统地研究了非晶合金涂层微观组织结构特征。结果表明,涂层主要是由非晶、纳米晶、Al_2Zr_3、Cu_(10)Zr_7及Ni_(10)Zr_7金属间化合物所构成。然而,由于受微区成分和结晶参数变化的影响,涂层中各组成相的含量随层深发生了明显变化。逐层XRD半定量分析表明,涂层亚表层非晶含量明显增加。在涂层与基体的界面结合区,因受基体的稀释作用,相组成发生了完全改变,出现了由Ti柱状晶和α-(Ti/Zr)固熔体构成的混合组织。 非晶合金涂层的微观组织性能与掺杂组元的成分、预置涂层厚度、工艺参数及过程密切相关。向熔覆材料中分别掺杂一定比例的C、(B、Si)组元,将有利于形成非晶组织,同时增加涂层的硬度和耐磨性能;预置涂层厚度及扫描速度分别与涂层中非晶含量存在着一定的匹配关系;随着激光功率的增加,以及二次重熔工艺的实施,涂层中非晶含量增加,硬度和耐磨性提高; 在干摩擦磨损条件下,涂层的主要磨损机制为磨粒磨损、剥层磨损和粘着磨损。 其次,从Zr基大块非晶合金体系的内在热力学属性出发,提出了激光诱导自蔓延反应合成非晶合金的工艺设计思想,并做了较为深入的研究。发现Zr-Al-Ni-Cu系合成产物主要是由非晶、Zr_3Al_2和Zr_2Cu型金属间化合物所组成。非晶组织主要呈胞状形貌特征,并在其上分布着ZrAl金属间化合物微晶颗粒;在激光引燃区,由于激光高的能量密度和快的加热速度,不仅使非晶组织得到净化,而且非晶形貌也趋于多样化;高功率、短时间激光引燃有助于提高合成产物中非晶的数量;随着掺杂ZrC数量的增加,合成产物中晶化相比例增多,同时,合成产物的显微硬度及耐磨性也随之提高,但减摩性能变化不大。在微动磨损条件下,随着掺杂ZrC数量的增加,合成产物的主要磨损机制由粘着磨损、剥层磨损、氧化磨损和磨粒磨损逐渐转化为以剥层磨损和粘着磨损为主。 最后,以Zr_(65)Ni_(10)Al_(7.5)Cu_(17.5)非晶合金为研究对象,初步探索了大块非晶合金在高能 激光束作用下的晶化行为,并对非晶晶化过程瞬态温度场进行了数值模拟。由于激光作 用区内存在很大的温度梯度,导致激光晶化样品出现了非晶一树枝晶一非晶夹层结构。


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