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TiCuZrNiSn非晶合金粉末的热稳定性及烧结行为

王东君  
【摘要】:本文对Ti基非晶合金的玻璃形成能力、气雾化Ti基合金粉末的组织与性能、气雾化Ti基非晶合金粉末在再加热过程中的晶化行为、以及在放电等离子烧结(SPS)过程中的烧结行为和机理进行了研究。 从稳态熔体和过冷熔体的热力学特征角度,研究了Ti基非晶合金的玻璃形成能力。计算了稳态熔体的混合熵(ΔSmix)、混合焓(ΔHmix)以及过冷熔体与晶态相之间自由能差(ΔG),结果表明:稳态熔体的混合熵越大,混合焓为最佳值时,有利于形成Ti基非晶态合金。而玻璃形成能力越强,则过冷熔体与晶态相之间自由能差越小。通过自由能拟合的方法,定义参数β= (Tg-Tk)/(Tl-Tg),其中,Tg、Tl和Tk分别为玻璃转变温度、液相线温度和Kauzmann温度。实验结果表明,β值越大,Ti基非晶合金的玻璃形成能力越强。 采用Ar气雾化的方法制备了Ti基非晶/晶态合金粉末。气雾化粉末的形状主要呈规则的球形,平均冷却速度为103~105°C/s。随粒度的增大,粉末的凝固组织由非晶态转变为非晶态+ fcc-NiSnZr + hexagonal-Ti3Sn的复合组织。晶态相的成分(富Sn)与残余非晶相的成分(富Cu)存在明显差异。粉末凝固过程中的热力学(化学亲和力)与动力学(原子迁移速率)条件共同决定析出相的结构、尺寸及成分。不同尺寸的气雾化Ti基合金粉末在纳米压痕测试中表现出不同的变形行为:小尺寸粉末表现出更多的位移突进现象,以及更好的塑性变形能力(塑性堆起与总压痕深度比)。粉末中的晶态相与非晶相中含有的自由体积共同决定粉末的塑性变形行为,即变形过程中剪切带的形成与扩展:小尺寸粉末拥有更多的自由体积,使得剪切带形核的可能性更大,越有利于塑性变形;而大尺寸粉末中晶态相不能有效地抑制剪切带的扩展,则不利于塑性变形。 Ti基非晶合金粉末在再加热过程中表现出多步晶化的特征。非晶相首先完全晶化为亚稳纳米晶态相;随后发生固态相变,亚稳纳米晶转变为fcc的Ni2SnZr结构相和单斜的TiNi0.8Cu0.2结构相。伴随着晶化的发生,成分偏析出现在大尺寸原子(Zr,Sn)和小尺寸原子(Ti,Ni,Cu)之间。热力学(化学亲和力)与动力学(原子迁移速率)条件共同决定了析出相的结构与成分。与冷却过程中相比,深过冷的结晶条件(低结晶温度)决定了再加热晶化的高形核率和低生长速率,从而得到了纳米级的晶化产物。 采用SPS方法成功制备了大尺寸、高强度Ti基大块非晶合金。烧结温度为440°C试样的断裂强度最高,达到1.67 GPa,与铸态试样1.7 GPa的压缩断裂强度相当。根据自由体积模型,在烧结压力作用下,由烧结温度引起的充分粘性流动是非晶合金粉末致密化过程的微观机制。在此过程中,原子的迁移能力与流动缺陷密度是决定最终烧结密度的关键因素。 在SPS过程中,由烧结样品中心至样品边缘存在着温度梯度。本论文中,440°C烧结样品的中心温度高于边缘10~20°C。相对最高的烧结温度使得中心区域结构弛豫更充分,即发生了伴随着致密化过程的晶化现象。另外,在烧结样品中心区域发现了一种正交结构的新相,其晶格常数为a = 0.48 nm,b = 1.03 nm,c = 0.61 nm。同时,440°C烧结样品的中心区域由于最高的烧结温度而表现出最高的硬度和弹性模量值。


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