锆基大块非晶基复合材料的制备及性能研究

【摘要】：本文采用铜模吸铸法成功地制备了直径3 mm的Zr(65-x)HfxCu17.5Ni10Al7.5(原子比)大块非晶合金及非晶基复合材料。利用X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、示差扫描量热仪(DSC)、差热分析仪(DTA)、电液伺服万能试验机(MTS)和扫描电子显微镜(SEM)等技术手段,研究了不同含量的Hf替代Zr后对淬火态Zr(65-x)HfxCu17..5Ni10Al7.5(x=1-65)合金的微观结构、玻璃形成能力、热稳定性、晶化动力学、压缩力学性能以及断口形貌的影响。 XRD和OM实验结果表明,1 %的Hf替代Zr后形成了大块非晶合金。而2-10 %的Hf替代Zr后形成了大块非晶基复合材料。该复合材料是由微米级的树枝晶弥散均匀分布在非晶基体上组成的,且枝晶尺寸随Hf含量的增加而增大。 DSC和DTA的实验结果表明,淬火态Zr(65-x)HfxCu17.5Ni10Al7.5合金在x=15-65时,其玻璃转变现象已不明显;在x=1-10时,随着Hf含量的增加,非晶基体的热稳定性逐渐提高,故Zr55Hf10Cu17.5Ni10Al7.5非晶复合材料具有最高的热稳定性,但合金系玻璃形成能力随Hf含量的增加呈下降趋势。Hf完全替代Zr后合金结构为完全晶态。另外,热分析结果还表明,淬态结晶相的体积分数随Hf含量增加而增大。 非等温晶化动力学实验结果表明,大块非晶复合材料具有和单相大块非晶合金相同的动力学特征,即玻璃转变和晶化都具有显著的动力学效应。与淬火态Zr64Hf1Cu17.5Ni10Al7.5大块非晶合金相比,Zr60Hf5Cu17.5Ni10Al7.5非晶复合材料的晶化表观激活能稍大。进一步证实了大块非晶复合材料的热稳定性要高于单相非晶合金。 压缩力学性能及断口形貌分析表明,淬态结晶相的晶粒尺寸和体积分数对非晶复合材料的力学性能起着至关重要的作用。相对于完全非晶合金Zr64Hf1Cu17.5Ni10Al7.5而言,大块非晶基复合材料Zr63Hf2Cu17.5Ni10Al7.5和Zr60Hf5Cu17.5Ni10Al7.5中枝晶相的存在,阻止了单一剪切带的扩展,诱发了更多剪切带的形成,从而使得材料的塑性变形能力有了较大的提高。而复合材料Zr55Hf10Cu17.5Ni10Al7.5的枝晶相体积分数较高且晶粒尺寸较大,从而导致其脆性断裂。