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Ti基大块非晶合金的制备及性能研究

山圣峰  
【摘要】: Ti基非晶合金具有较高的抗拉强度和较强的非晶形成能力,具有良好的应用前景。本文以Ti基合金为研究对象,设计Ti_(40)Zr_(25)Cu_9Ni_8Be_(18)块体非晶合金成分,对其非晶形成能力、热稳定性、晶化动力学、力学性能及元素掺杂对其性能的影响进行了较为系统的研究。同时,利用一种新方法-相变制冷技术,制备了该成分的非晶合金,研究了该非晶合金的热力学、力学性能。 利用铜模冷却铸造工艺,制备了具有良好非晶形成能力的Ti_(40)Zr_(25)Cu_9Ni_8Be_(18)非晶合金。再利用不同升温速率下的DSC数据对该非晶合金进行了晶化动力学研究,得到玻璃转变温度、各晶化峰温度等各种特征温度的激活能。然后利用原位X射线技术,对非晶合金进行了晶化过程研究。并利用单轴室温压缩法对非晶合金进行了力学性能研究。 研究了Y元素的加入对该非晶合金性能的影响。Y元素含量为1%时,直径为3mm的棒状合金经XRD检测为非晶合金,当Y的加入量为2%时,合金样品稍有晶化,随Y含量的增多,合金晶化越来越明显,说明Y元素的加入不能提高合金的非晶形成能力。利用单轴室温压缩对Y元素含量为1%、2%、5%的合金进行了力学性能测试,并通过SEM对三种合金断裂样品及断口形貌进行了观察,研究发现,Y元素含量为1%时,呈非晶态,塑性应变为1%,类似于韧性断裂;Y元素含量为2%时,稍有晶化,无塑性应变,类似于准解理断裂;Y元素含量为5%时,晶化态,无塑性应变,类似于解理断裂。 制备了成份为(Ti_(40)Zr_(25)Cu_9Ni_8Be_(18))_(100-x)Nb_x (x=0,1,2,3,4,5 at. %)直径为3mm的非晶合金,对该系列非晶合金进行的热力学研究发现,随Nb元素含量的增加,降低了非晶合金的热稳定性,特征温度Tg、Tx1、Tx2没有再发生明显变化。单轴室温压缩力学性能显示, Nb元素的含量为3%时,非晶合金的抗压断裂强度为2177MPa,塑性应变约为13%,呈现出特别高的塑性应变及断裂强度;含量达到4%时,非晶合金的抗压断裂强度仍达到1934MPa,塑性应变达8%。进一步研究得出Nb元素添加提高非晶合金塑性应变的原因:压缩变形过程中,Nb原子发生迁移,使剪切带区域Nb原子富集,起到阻碍剪切带进一步扩展,导致剪切带数量增加、分岔,从而提高非晶合金的塑性变形能力。 Na-相变制冷法的最大冷却速率为300K/s,利用Na-相变制冷法成功制备出直径为13mm的Ti_(40)Zr_(25)Cu_9Ni_8Be_(18)大块非晶合金样品,样品经XRD、DSC等方法检测,均表明其为非晶态。压缩力学性能测试抗压强度达到2636 Mpa,塑性应变达到37%,而铜模铸造相同成分及尺寸的非晶合金的抗压断裂强度为1643 Mpa,塑性应变为8%。进一步研究得出相变制冷法制备非晶合金塑性提高的原因是,相变制冷冷却速度较快,非晶合金中含有过多的自由体积,促进大量剪切带的成核,使大量剪切带产生、交割,从而产生更大的塑性应变。


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