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Cu基大块非晶合金的制备及性能

张国庆  
【摘要】: Cu基非晶合金,特别是Cu-Zr-Al体系因其高强度、高硬度、塑性好而成为极具应用前景的非晶合金材料,并引起众多研究者的注目。本文通过微合金化,在Cu-Zr-Al体系中加入少量其他元素以铜模冷却吸铸的方法制备得到厘米级的大块非晶合金。并对所制备合金的热力学和力学性能进行了研究,找到一系列具有较大临界合成尺寸、较好力学性能、有应用前景的Cu基非晶合金。另外本文还在La基非晶合金方面做了部分工作,就其铸态和退火态的拉伸及应力松弛行为进行了研究。 通过加入微量稀土元素La、Ce、Nd、Gd和过渡金属元素Y、Ti、Ag实现微合金化,用传统的铜模冷却吸铸的方法成功制备出了一系列四元Cu-Zr-Al-Me(Me=La,Ce,Nd,Gd,Y Ti和Ag,0≤x≤8 at.%)体系大块非晶合金。实验结果表明,Gd、Y、Ti和Ag等元素的加入可增大上述四元合金体系的玻璃形成能力,并且在成分Cu_(45)Zr_(46)Al_7Gd_2、Cu_(45)Zr_(47)Al_7Y_1、Cu_(45)Zr_(46.5)Al_7Ti_(1.5)和Cu_(45-x)Zr_(48)Al_7Ag_x(x=0,2,5 and 8 at.%)中发现了临界吸铸直径达厘米级的非晶合金,其中成分为Cu_(43)Zr_(48)Al_7Ag_2的合金体系临界吸铸直径达到12mm。 通过分析这一系列Cu基非晶合金体系的热力学性质发现,非晶形成能力最好的成分并不一定是其共晶点成分。在评价合金玻璃形成能力的热力学参数中,过冷液相区(ΔT=T_x-T_g),约化温度(T_(rg)=T_g/T_l),和γ=T_x/(T_g+T_l)与玻璃形成能力之间没有表现出必然的联系,在这三个参数中γ能相对较好的反映合金的玻璃形成能力。 力学性能实验结果表明,微合金化对非晶合金体系的塑性有显著的影响。相比Cu_(45)Zr_(48)Al_7较好的塑性(塑性形变达2.4%),Gd的加入使四元Cu-Zr-Al-Gd非晶合金成为完全脆性材料。少量Ti的加入则大大增加了Cu_(45)Zr_(46.5)Al_7Ti_(1.5)非晶合金的塑性,其塑性应变达9.5%,SEM显示压缩过程产生了高密度并相互交织作用的剪切带,这可能是其具有高塑性的一个主要因素。Cu-Zr-Al-Ag体系中成分Cu_(43)Zr_(48)Al_7Ag_2体系的塑性达到3.0%,显示了较好的延展性,但随着Ag含量的增大,其塑性逐渐降低;Ag元素的加入显著增加了非晶合金体系的维氏硬度,杨氏模量、泊松比也都稍微增大。 近年来许多研究表明,Cu-Zr-Al体系非晶合金的高塑性与压缩过程中产生的纳米晶化相有关,因此我们对Cu_(45)Zr_(48)Al_7、Cu_(43)Zr_(48)Al_7Ag_2和Cu_(40)Zr_(46.5)Al_7Ti_(1.5)三个非晶合金体系就其晶化激活能与塑性的关系进行了研究。结果表明,晶化激活能最小的Cu_(40)Zr_(46.5)Al_7Ti_(1.5)合金体系具有最大的塑性应变,随着晶化激活能的增大,合金难以形核析出晶化相,塑性应变降低。 通过pin-on-disc的方法研究了一系列Cu_(45-x)Zr_(48)Al_7Ag_x(x=0,2,5 and 8 at.%)合金的干滑移磨损行为。结果显示这些非晶合金体系均表现出突出的耐磨性能,磨损系数K范围在2.4~5.4×10~4之间,摩擦系数k范围在0.152~0.206,而磨阻却高达0.96~2.55×10~(13)Pa。相比Zr_(48)Cu_(45)Al_7非晶合金,含Ag合金体系的磨阻显著增大。在我们所研究的四元Cu-Zr-Al-Ag大块非晶合金体系中,磨阻与材料的力学性能是息息相关的,它与合金硬度成正比例并在一定程度上与塑性成反比。通过SEM观察发现磨损的严重程度与非晶合金的硬度和塑性有关,低硬度高塑性的成分合金磨损程度严重。SEM照片还揭示了磨屑生成及脱落过程。 我们对新开发的La_(62)Al_(14)Cu_(11.7)Ag_(2.3)Ni_5Co_5大块非晶合金就其铸态和退火态试样进行了拉伸和应力松弛实验,发现恒温退火处理大大影响了该合金的结构和力学性能。密度和驰豫峰强度变化显示随着退火时间的延长自由体积减少了。相关力学性能如断裂强度、维氏硬度和杨氏模量等力学参数随着自由体积的减少都有不同程度的增大。应力松弛实验结果表明,应力松弛稳定性、松弛速率以及粘度均随退火时间的延长而增加。 用SEM对拉伸断裂形貌研究发现,断裂面垂直于加载轴方向,θ_T=90°,并且试样屈服后没有明显的塑性变形产生,这表明铸态和退火态试样在拉伸断裂过程中均是典型的脆性断裂。断面形貌由平滑区和犁沟区同时存在(在铸态和4h退火试样中)逐渐转变为以犁沟区为主(8h以上退火)。从断面形貌图中平滑区域的高倍照片可发现脉络状花纹,这说明在拉伸断裂过程中曾发生过局部颈缩和塑性变形。SEM照片还显示断裂的主裂纹总是起始于平滑区域和犁沟区域的交界处,随后众多细小裂纹沿着主裂纹延展方向呈树枝状开裂。长时间退火处理促使La_(62)Al_(14)Cu_(11.7)Ag_(2.3)Ni_5Co_5非晶合金中自由体积逐渐湮灭,并随着退火时间的延长自由体积浓度减小,因而铸态合金中可能存在更高浓度的自由体积,这在用SEM观察时表现为富含涡旋状花纹(暗示塑性断裂)的平滑区域逐渐缩小直至消失(退 火8h以上)。自由体积变化宏观上表现为力学性能的改变,随着退火时间的增加,力学性能如拉伸断裂强度、杨氏模量、硬度均有所增大。


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