激光诱导燃烧合成非晶合金

【摘要】：近年来发现了一系列具有较大玻璃形成能力的合金体系,如Zr基、Ti基、Mg基、Cu基等,并用铸造的方法获得毫米至分米量级的块体非晶合金。块体非晶合金与许多金属间化合物的主要组元之间都有较大的负混合焓,满足发生燃烧合成反应的热力学条件,因而可以通过自蔓延反应合成。本文从块体非晶合金的内在热力学属性出发,系统研究了强放热反应体系、弱放热反应体系和添加组元的多组元体系的激光诱导燃烧合成行为和合成产物的组织结构特征,初步建立了激光诱导燃烧合成非晶合金的基本框架。 首先,以电子浓度和原子尺寸判据设计了Zr-Al-Ni、Zr-Al-Ni-Ti和Zr-Al-Ni-Cu合金。XRD和热分析发现,在Zr-Al-Ni体系中,加入少量的Ti,可以形成块体非晶合金,但是其热稳定性降低,玻璃形成能力变化不大,基本保持稳定;添加Cu元素使Zr-Al-Ni非晶合金的稳定性下降,但玻璃形成能力提高。 Zr-Al-Ni是典型的块体非晶合金形成体系,Zr-Al-Ni体系的混合焓约为-50kJ/mol,为典型的强放热反应体系。本文以此合金为例,研究强放热体系激光诱导燃烧合成产物的组织结构特征。合成产物主要由Zr_2Ni,Zr_6Al_2Ni和Zr_5AlNi_4相组成,没有非晶相存在,这与材料体系的强放热特性有关。研究Zr-Al-Ni燃烧合成机理发现,在620℃发生了Zr-Al之间的放热反应,形成了ZrAl金属间化合物;1080℃发生了Zr-Ni之间的放热反应,形成了Zr_2Ni相。 添加第三组元以降低反应热是控制燃烧合成过程的有效途径。在Zr-Al-Ni强放热反应体系中添加Ti和Cu元素后混合焓降到了-45～-30 kJ/mol,均获得了含非晶相的合成产物。Zr-Al-Ni-Ti产物主要由非晶、面心立方的Zr_2Ni相、Zr_6Al_2Ni六角相和α-Ti/Zr固熔体组成,其中Zr_(55)Ti_(10.8)Al_(17.1)Ni_(17.1)成分的非晶体积含量约为一半;Zr-Al-Ni-Cu合成产物主要由非晶、Zr_2Ni、Zr_2Al和Zr_2Cu相组成,其中Zr_(54.4)Al_(20)Ni_(17.2)Cu_(8.4)和Zr_(55)Al_(18)Ni_(13.5)Cu_(13.5)成分的非晶含量达到一半左右。 Cu-Zr-Al合金体系的混合焓约为-23kJ/mol,为相对弱放热的反应体系。本文以此合金体系为例,研究了弱放热反应体系的激光诱导燃烧合成行为和合成产物的组织结构特征。产物主要由非晶、α-Zr,Zr_2Cu,Cu_(10)Zr_7和Cu_8Zr_3相组成,非晶、纳米晶含量大约在20%～60%。其中Cu_(59.6)Zr_(36.9)Al_(3.5)合金的非晶、纳米晶含量超过一半。透射电镜和XRD