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镁基块体非晶合金的制备与玻璃形成能力研究

刘伟  
【摘要】: 镁基金属玻璃具有高的比强度、优异的耐腐蚀性能,作为一类轻质高强度材料,具有广阔的应用潜力。研究开发具有强玻璃形成能力的新型镁基金属玻璃,特别是在常规(非真空)条件下采用工业纯度原材料获得金属玻璃,具有十分重要的意义。而在影响合金玻璃形成能力的因素当中,制备方法和合金成分最为关键,本论文从这两点出发,利用常规(非真空)制备条件和工业纯度原材料对镁基块体非晶合金的制备以及合金的玻璃形成能力进行了研究。 考虑到玻璃熔体在熔融状态下粘度大、流动性差、充型困难,本文设计了铜模振动铸造法、中频真空感应炉熔炼制备母合金——熔化浇注成型法、粉体压力制坯——熔化浇注成型法、负压铜模吸铸法等多种制备方法。通过多种成分合金对各种实验方法的比较和实验验证,成功开发出负压铜模吸铸制备方法,该方法在高纯氩气保护下熔炼合金,铜模在空气气氛中利用负压吸铸成型,具有操作方便、工艺简单、易于控制的特点。配合该制备方法,选用Mg65Cu25Y10成分合金进行对比实验,确定了所开发的新成分合金Mg65Cu25Y10-xNd(xx=0,2,4,6,8,10)较为合适的工艺参数:在炉温600℃左右将合金放入炉内加热,达到750℃后保温25分钟,随后升温至800℃搅拌并随即负压吸铸,吸铸温度约750℃。制备工艺参数随合金成分变化可在小范围内调整。 采用工业纯度的原材料和负压铜模吸铸法制备获得了直径为3mm的Mg65Cu25Y10-xNdx圆棒试样,分析表明x=0,4,6成分合金为非晶态,而x=2,8,10成分合金除含部分非晶外呈较典型的晶体特征。 利用光学显微镜(OM)、差示扫描量热分析仪(DSC)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDX)和X射线衍射仪(XRD)对试样进行了观察和分析,并首次研究了Nd对Mg-Cu-Y-Nd合金玻璃形成能力的影响。SEM和XRD分析发现x=0成分合金试样中较为均匀的分布着尺寸大小约2μm体积百分含量高达0.15%的(Cu,Y)非晶氧化物,x=4成分合金中有0.18%,但如此高含量的(Cu,Y)非晶氧化物,并未显著影响合金的玻璃形成能力;与x=0相比,适量Nd替换Y明显提高了合金的玻璃形成能力,当x=4时合金具有最大的玻璃形成能力,其约化玻璃转变温度为0.592,过冷液相区宽度高达66K,DSC分析为单一熔化峰,且固液两相区(Trg?T xTl ? Tm)宽度仅为16K,表明该成分处于合金系统一个共晶成分点或位于其附近的位置;而x=6合金玻璃形成能力相比x=0时略有提高。初步估算成分为x=4,6的合金玻璃形成的临界冷却速率Rc约为100K/s。当x=2,8,10时,由于合金成分明显偏离共晶点,使得固液两相区非常宽(分别为104K,92K,143K),在冷却过程中晶体形核和长大都有较为充分的时间,利于结晶,在直径3mm尺寸最终获得只有少量非晶而主要呈晶体特征的晶体试样,其主要晶体相为Mg(T l ? Tm)24Y5、Cu5Y、Cu4Nd、Cu2Nd、Mg2Cu等。


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