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Zr-Al-Ni-Cu大块非晶合金成分设计及性能研究

陈伟荣

  八十年代末国外发现了可以通过铜模冷却制备的大块非晶合金,且这些材料具有一些优异的性能,这使得该领域成为新材料研究热点和前沿,但是,近几年来,却未见突破性的进展,究其原因,主要是非晶合金的形成机制一直不清楚,对于复杂的多元体系,显然不可能仅仅依靠大量实验及经验规律来获得理想的非晶成分。为了解非晶合金形成规律,本文选择Zr-Al-Ni-Cu合金系作为研究目标,从合金的电子结构和原子尺寸的角度,首次提出等电子浓度和等原子尺寸可以作为设计并优化非晶合金成分的新判据,并从热分析、微结构和性能等角度对以此新判据设计的合金进行了比较细致的分析,探索了电子结构、原子尺寸及其它因素对非晶形成能力和热稳定性的影响。首先对前人的工作进行了细致的总结与分析,在四元Zr-Al-Ni-Cu和它的三元亚非晶合金系中,已证实具有较大的玻璃形成能力和热稳定性的非晶合金成分点的位置,在三元相图中,位于一条线附近,在四元相图中,位于一个面上的一条线附近,显然,这种有规律的分布不是偶然的,联想到准晶中的等电子浓度理论,将其应用并扩展至四元合金系中,同时,加入对非晶合金的形成起重要影响的原子尺寸这一因素,我们建立了确定具有大的玻璃形成能力和热稳定性非晶合金成分点的新判据:具有相对大的玻璃形成能力和热稳定性的合金成分点应位于等电子浓度面和等原子尺寸面的交线上,即可以将等电子浓度面和等原子尺寸面作为设计并优化非晶合金成分的新判据。以此新判据设计了六种合金成分:1~#:Zr_(65.5)Al_(5.6)Ni_(6.5)Cu_(22.4),2~#:Zr_(65.3)Al_(6.5)Ni_(8.2)Cu_(20),3~#:Zr_(65)Al_(7.5)Ni_(10)Cu_(17.5)(Inoue合金),4~#:Zr_(64.8)Al_(8.3)Ni_(11.4)Cu_(15.5),5~#:Zr_(64.5)Al_(9.2)Ni_(13.2)Cu_(13.1)和6~#:Zr_(63.8)Al_(11.4)Ni_(17.2)Cu_(7.6),并用铜模吸铸法制备出细、粗端直径分别为3和4mm、长30mm的合金棒。通过热分析方法(DSC和DTA)对这六种合金进行分析,验证新判据的正确性。实验结果表明,六种合金均具有较大的约化玻璃转变温度T_(rg)值和过冷液相区宽度△T_x值,表明了一个具有高的玻璃形成能力和大的热稳定性的非晶合金系列的形成。在六种合金中,合金Zr_(63.8)Al_(11.4)Ni_(17.2)Cu_(7.6)具有最高玻璃转变温度T_g(671K)、最高的晶化温度T_x(758K)和最高的约化玻璃转变温度T_(rg)值(0.610),可以认为是六种合金中的最佳成分。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等实验手段对六种合金的铸态和晶化后组织进行微结构分析。结果表明,除1~#和2~#合金中有少量晶体相大连理工大学博土学位论文析出外,其余均为完全非晶相。合金晶化后的Xap结果显示,它们均为多相析出,没有发现新的、未见报道的相出现。本实验的性能测试选择了摩擦磨损和腐蚀性能。在考察非晶合金性能的同时,将它们与相同成分的晶态合金进行对比。在干摩擦条件下,六种非晶合金显示了相近的摩擦系数。成分相同的非晶合金与晶态合金相比,晶态合金有相对高的显微硬度和耐磨性。耐腐蚀性能中,在实验所选定的0.IMNa币O。电解质溶液中,2\3\4乍5’合金具有较高耐蚀性能,最好的是3’合金,表征其腐蚀速度的动力学参数腐蚀电流密度jmrr值仅为0刀138pAcm”\对其中两个合金 2和 4’进行了非晶与晶态的比较,晶态合金有着比非晶更好的耐蚀性能,但在这些非晶和晶态样品中,具有最好耐腐蚀性能的仍为3勺晶合#。……   
[关键词]:大块非晶;Zr-AI-Ni-Cu合金;电子浓度;原子尺寸;热分析;微结构;摩擦磨损性能;耐腐蚀性能
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:大连理工大学2002年