锆基非晶合金电解质等离子体抛光工艺及废液处理

电解质等离子体抛光技术在非晶合金结构件的应用仍处于探索阶段,而且会产生含较高浓度的重金属和氟离子废液。为了提高锆基非晶合金结构件的表面质量以满足其使役性能,研究抛光时间、工作电压、硫酸铵浓度、初始温度、工件入水深度、阳极挂具材料等电解质等离子体抛光工艺参数对锆基非晶合金表面粗糙度、晶化情况的影响,并利用正交试验进行参数组合优化,对比不同参数对于表面粗糙度的影响显著程度。最后针对抛光后废液污染的问题,探究并配套合适的废液处理方案。结果表明:影响抛光后材料表面质量因素的显著程度为抛光时间>工作电压>初始温度>硫酸铵浓度,最优抛光工艺参数组合为抛光时间8 min,工作电压220 V,初始温度88℃,硫酸铵浓度为5%,此时表面粗糙度为0.103μm。经化学混凝沉淀法和离子交换树脂法组合工艺处理后,出水废液中的重金属和氟离子浓度均能达国家电镀污染物排放标准。研究成果可为电解质等离子体抛光在锆基非晶合金的实际生产提供工艺指导,有助于推广锆基非晶合金结构件的产业化应用,促进锆基非晶合金的大规模工业生产。

铝基非晶合金的制备、性能与应用研究进展

铝基非晶合金因其独特的物理和化学性能在诸多领域具有广泛的应用前景,综述了铝基非晶合金的成分体系、制备方法、性能特点及应用研究进展。首先,介绍了铝基非晶合金的发展历史和成分体系,目前铝基非晶主要分为3大体系:二元、三元和多元体系,以及综合性能和形成能力2大方面,多元体系表现更佳,并逐渐向更多元化发展;其次,系统介绍了铝基非晶合金的制备方法,包括粉末状、薄带状、块体样品的制备,相较于非晶薄带的制备,块体和粉状的制备方法较为丰富,而粉状非晶通常作为铝基非晶涂层的预制材料;随后,详细介绍了铝基非晶合金的性能特点、应用现状及发展趋势,从性能上来看,铝基非晶在强度和硬度以及耐腐蚀性能上表现良好,目前主要以涂层的形式参与应用,除此之外,研究者们也开始对磁性和热塑性展开研究,由于玻璃形成能力的限制,作为结构材料的应用较少;最后,对其未来应用前景进行了展望,认为涂层是目前铝基非晶合金最具应用前景的工程化方式。

Ti基块体非晶合金在酸性溶液中的腐蚀行为

研究Ti_(34.3)Zr_(31.5)Cu_(5)Ni_(5.5)Be_(23.7)块体非晶合金在不同浓度HCl和H_(2)SO_(4)溶液中的腐蚀行为。电化学测试与扫描电子显微镜分析发现,在极化过程中,Cl^(-)离子在HCl溶液中引发点蚀损伤,点蚀电位随溶液浓度的增大而降低,被腐蚀表面的损伤程度则与溶液浓度呈正相关。在H_(2)SO_(4)溶液中材料表面形成钝化膜,表现出良好的耐蚀性。X射线光电子能谱分析发现,随着HCl溶液浓度的增加,钝化膜的稳定性降低。通过浸泡实验得到4种材料的腐蚀速率。结果显示,Ti_(34.3)Zr_(31.5)Cu_(5)Ni_(5.5)Be_(23.7)块体非晶合金在HCl溶液中的耐腐蚀性能最好,其腐蚀速率为7.22×10^(-3) mm/a,约为316L不锈钢腐蚀速率的1/1294。

微量氮元素添加对Zr基非晶合金力学性能影响的研究

采用铜模吸铸法,成功地制备了直径3 mm的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)非晶合金棒材。利用氮氧分析仪、X射线衍射仪、差示扫描量热仪、万能试验机、显微硬度计和扫描电镜等手段,系统地研究了氮含量对(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)非晶合金的力学性能的影响。同时,对氮元素添加时非晶合金体系的剪切带与断口形貌进行了分析讨论。结果表明:不同氮含量的(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)合金中,氮含量(原子百分数)分别为0.08%、0.49%、1.18%、1.48%、1.73%;在添加微量氮元素前后,块体合金(Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5))_(100-x)N_(x)均呈现完全非晶结构;原始Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)非晶合金的显微硬度值为478.62 HV,添加氮元素后显微硬度随氮含量增加而递增,显微硬度最高为519.16 HV;添加氮元素前,Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)合金的抗压强度为1738 MPa、塑性形变量为2.1%;当x=0.5时,抗压强度降至1719 MPa、塑性形变量降至1.0%;当x≥1.0时,抗压强度持续下降且塑性较差。

激光熔覆Fe基非晶合金涂层的研究现状

近年来,随着激光高速熔覆技术的发展,所制备的Fe基非晶合金表面涂层具有制作工艺简便、玻璃形成能力高等特点,且该合金涂层具有优越的力学性能和耐腐蚀性能。本文旨在研究国内外激光熔覆Fe基非晶合金涂层最新的研究进展。总结了最新的制备方法,这些新方法不仅提升了传统激光熔覆材料的性能,还改善了表面涂层产生脆性而带来的裂纹和空隙。最后做以讨论和展望,为研究Fe基非晶涂层的制备工艺以及耐腐蚀、耐磨损等性能的发展提供了研究基础。

Gd对Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(6)B_(22)合金的非晶形成能力和力学性能的影响

Gd作为优异的中子吸收剂,在中子吸收元素中具有最大的热中子俘获截面。采用铜金属型铸造法研究了Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(6-x)Gd_(x)B_(22)(x=2,4,5,6 at.%)合金的非晶形成能力及力学性能。结果表明:当Gd含量为2 at.%和4 at.%时,两种合金的非晶形成能力分别为3 mm和4 mm。进一步提高Gd含量,合金的非晶形成能力低于3 mm。Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(2)Gd_(4)B_(22)合金具有最大的非晶形成能力,其过冷液相区ΔT_(x)、约化玻璃转变温度T_(rg)和非晶形成能力判定参数γ均达到最大值,分别为56 K,0.6673和0.4241。但是Fe_(66)Cr_(2)Nb_(4)Y_(6-x)Gd_(x)B_(22)(x=2 at.%,4 at.%,5 at.%)非晶合金的抗压强度和显微硬度随Gd含量的增加而降低。

Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料的准静态压缩力学行为

通过对Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料进行准静态压缩试验,对其变形及断裂机理等展开研究,为该类材料的成分设计和工程应用提供基础。试件是由Ti基非晶合金与不同孔隙率的SiC陶瓷骨架复合所得,在不同应变速率下,对试样进行室温轴向准静态压缩性能测试,并观察试件的微观组织和断面特征。结果表明:SiC体积分数为85%的复合材料的准静态抗压强度达到2343 MPa,抗压强度随SiC含量增加而增加,在准静态加载的应变率范围内,复合材料及各相的强度对应变率不敏感,断裂特征为典型的脆性断裂;裂纹主要在SiC相和两相界面处扩展,Ti基非晶相对裂纹的扩展起到阻碍作用;SiC相对Ti基非晶相的约束诱发了Ti基非晶相中多重剪切带的形成,提高了材料复合的变形能力,而Ti基非晶相对SiC相的约束导致SiC相碎化严重,增强了复合材料的承载能力。

Ti基非晶合金及其SiC陶瓷骨架复合材料动态压缩力学行为研究

为了验证Ti基非晶合金和陶瓷两种材料三维连通网状结构的复合优势,制备出具有优良抗冲击性能的复合材料,本文采用铜模吸铸法制备了Ti基非晶合金,并用渗流铸造法制备出孔隙率分别为30.86%、18.14%和15.28%的Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料。采用X射线衍射仪对纯Ti基非晶合金以及SiC陶瓷骨架复合材料进行相分析,确认了试件材料的非晶状态;在不同应变速率下,用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对试样进行室温轴向动态压缩力学性能测试,并利用能谱型场发射扫描电镜(SEM)等设备观察了试件的微观组织和断面特征,对比分析了Ti基非晶合金和SiC陶瓷骨架复合材料的动态压缩力学性能和失效机理。研究表明,Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料内部的微裂纹最初萌生于应力集中的两相界面处,并在SiC相内部或两相界面处扩展,继续加载,SiC相失效后,Ti基非晶合金相在远超过其动态压缩强度的应力下迅速失效,复合材料整体失效。SiC相内的断裂形貌主要有微裂纹与解理台阶,Ti基非晶合金相内的断裂形貌有脉状花样、多重脊状条带、蜂窝状花样与光滑无特征区,其中以光滑无特征区为主。复合材料的抗压强度随SiC含量的增加而增加,SiC体积分数为85%的复合材料,其动态抗压强度达到1 664 MPa。

铸造工艺参数对Zr基非晶合金充型能力的影响

液态金属的流动性是影响其充型能力的主要因素之一,采用U形铜模研究了不同工艺参数对Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)和Zr_(61)Ti_(20)Cu_(25)Al_(12)合金充型能力以及非晶形成能力的影响。结果表明:随吸铸功率和吸铸压力的升高,两种合金熔体的流动长度增加,充型能力逐渐增强。Zr_(55)Cu_(30)Al_(10)Ni_(5)在吸铸功率8 k W,吸铸压力0.02 MPa,Zr_(61)Ti_(20)Cu_(25)Al_(12)在吸铸功率7 k W、吸铸压力0.03 MPa时,充型能力强。采用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)分析结果表明不同铸造参数下的试样均为非晶态结构,且适当提高吸铸功率,有助于提升铸造合金非晶形成能力(GFA)。

Zr基非晶破片对碳纤维复合靶及后效铝靶的侵彻试验研究

Zr基非晶破片是一种新兴的活性高效毁伤元,其着靶速度达到一定阈值时会发生燃烧反应并破碎,从而大幅提高其后效毁伤能力。为研究Zr基非晶破片对碳纤维增强复合材料的侵彻破坏机理及后效毁伤能力,利用弹道枪加载球形破片,分别以496.4~1 085.8 m/s、571.4~1 103.9 m/s的速度范围撞击8和6 mm厚的碳纤维复合靶,并布置2 mm厚LY12铝靶板作为后效靶,以比较破片在不同工况下的后效毁伤能力。实验结果表明:碳纤维靶受活性破片冲击时,其迎弹面的破坏形式主要是压缩失效与剪切失效的耦合破坏,其背弹面的破坏形式主要是拉伸失效破坏与层间的脱粘分裂;随着破片着靶速度的提高,碳纤维靶板的压剪耦合破坏比例逐渐增加,拉伸断裂与分层现象逐渐减弱;破片对于8和6 mm厚碳纤维靶的弹道极限速度分别为351.9、264.6 m/s;相同着靶速度下,8 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积大于6 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积,两者之间的差异随着着靶速度的提高而逐渐减小;破片冲击等厚度碳纤维靶时,破片的后效毁伤能力随着靶速度的提高而增强。

基于激光闪射法测量Zr基非晶合金的导热系数

激光闪射法是目前较普遍采用的测量材料导热系数的方法,介绍了激光闪射法测量热扩散系数与导热系数的原理,通过NETZSCH LFA467 HT HyperFlash型激光法导热仪,采用不同标准样品参比在不同温度下对Zr基非晶合金热扩散系数和导热系数进行了研究。结果表明:在相同标准样品参比下,Zr基非晶合金的热扩散系数随着温度升高逐渐增大;同一温度下,在不同标准样品参比下Zr基非晶合金的热扩散系数相同;在相同的温度下,Cu标准样品参比下Zr基非晶合金导热系数值最小,9606标准样品参比下导热系数值最高,310标准样品参比下导热系数值介于两者之间;在相同标准样品参比下,Zr基非晶合金的导热系数值随着温度的升高逐渐增大;选用Cu标准样品作为参比样品测量Zr基非晶合金导热系数更精确。

Cu元素添加对Fe基非晶合金结构-性能影响的研究进展

非晶合金(metallic glass, MG)因其独特的短程有序、长程无序结构,具有许多优异的物理和化学特性。其中,Fe基非晶合金(Fe-based metallic glass, Fe-MG)由于优异的磁性能、力学性能、耐腐蚀性能,及其原材料成本低等优势,显示出巨大的应用前景和研究价值。近年来,研究者们致力于通过合金成分设计调控Fe-MG的结构,进而改变材料的变形行为与性能特征。研究发现,Cu元素的添加可以显著影响FeMG的理化性质和力学性能。通过深入分析Cu元素对传统Fe-MG、纳米晶合金和高熵MG结构和性能的不同影响,探讨Cu元素的添加对MG的弛豫行为、晶化行为、熔化和凝固行为、玻璃转变行为、玻璃形成能力、机械性能、磁性能与其他性能的作用机制,发现Cu元素的添加能够促进Fe-MG基体中α-Fe团簇的析出,从而改变材料的变形行为与性能特征。研究结果表明:有望通过成分设计来调控MG的变形行为,进而为实现性能优化提供理论指导和实验参考。

设计制备具有优异形成能力和磁热效应的GdHoErCoNiAl高熵非晶合金

通过对Gd,Ho和Er进行元素替换,成功设计制备出临界尺寸为2 mm的Gd_(20+2x)Ho_(20-x)Er_(20-x)Co_(20)Ni_(10)Al_(10)(x=0,5,10)块体高熵非晶合金体系,系统研究了稀土元素种类和含量对高熵非晶合金的微观结构、热力学性能和磁热性能的影响及调控机理.研究结果表明,随着Ho和Er逐步被Gd取代,体系的热稳定性略有下降,其中,玻璃转变温度T_(g)和初始晶化温度T_(x)逐渐降低.与此同时,液相线温度T_(1)升高,导致玻璃形成能力的热力学判据,如约化玻璃转变温度T_(rg),γ和γ_(m)降低.X射线和高分辨透射电子显微镜的结果分析表明,随着Gd含量的增大,体系的有序度减小,有利于非晶相的生成.另一方面,随着Gd元素的加入,磁热性能参量如居里温度T_(c)、峰值磁熵变(|△S_(M)_(pk)|)和相对制冷能力(relative cooling power,RCP)均逐渐升高,其中Gd_(40)Ho_(10)Er_(10)CoNiAl的|△S_(M)_(pk)|和RCP最大,分别为8.31 J/(kg·K)和740.82 J/kg.研究结果表明,稀土基高熵非晶合金体系的磁热效应包括RCP,T_(c)和|△S_(M)_(pk)|主要依赖于de Gennes因子,与材料内部的有效磁矩并无直接关系,而热力学性能主要受到4f电子引起的f-d杂化效应影响,随着4f电子数的增加非晶合金体系的热稳定逐步增加.综上所述,我们可以借助稀土元素替换进行成分优选,通过调控4f电子数获得具有较高热稳定性且Tc可调的稀土基非晶合金磁热材料.

锆基非晶合金与不锈钢激光焊接的接头特性

为了优化非晶合金与晶体金属的激光焊接工艺,运用最大平均功率300 W脉冲红外激光焊接锆基非晶合金Zr_(57)Nb_(5)Cu_(15.4)Ni_(12.6)Al_(10)与440、304、17-4PH不锈钢。采用材料分析手段和力学测试方法对实验焊接接头的材料微观组织、成分组成以及力学性能进行了表征,取得了合适的激光偏移量焊接工艺参数、焊接接头微观组织特性数据及其力学性能数据。结果表明,激光焦点往不锈钢侧偏移0.2 mm~0.3 mm可以使焊接熔化均匀并有效提高抗弯强度,通过合适的焊接工艺使非晶合金与17-4PH接头抗弯强度达339 MPa;非晶合金与3种不锈钢的激光焊接接头主要分为熔化混合区与热影响区,熔化混合区中发现了呈树枝状与颗粒状的结晶组织,焊后通过低温退火可使抗弯强度提升14%~48%。此研究结果对扩大锆基非晶合金在各个领域的应用具有指导意义。

锆基非晶合金及其复合材料的非等温晶化动力学行为

非晶合金及其复合材料受热时容易发生晶化转变,这显著影响其力学性能。因此需要对非晶合金及其复合材料晶化动力学行为进行研究,明确材料应用环境,并对材料应用过程中的组织状态进行定量分析,这对材料工程应用具有重要意义。本文采用差示扫描量热法研究(Zr_(40.08)Ti_(13.30)Cu_(11.84)Ni_(10.07)Be_(24.71))_(99)Nb_(1)非晶合金及W/(Zr_(40.08)Ti_(13.30)Cu_(11.84)Ni_(10.07)Be_(24.71))_(99)Nb_(1),非晶复合材料的非等温晶化动力学行为。结果显示,随着加热速率的增大,锆基非晶合金及其复合材料的T_(g)、T_(x1)、T_(p1)、T_(x2)和T_(p2)均向高温方向移动、过冷液相区△T不断加宽,二者的晶化转变和玻璃化转变均具有明显的动力学效应。分别采用Kissinger方程和Ozawa方程计算锆基非晶合金及其复合材料的激活能,两种方法计算的激活能数值的变化规律一致,但Ozawa方程计算的激活能数值更大。通过对比锆基非晶合金及其复合材料的激活能数值,可以得出非晶复合材料的抗晶化能力更高、热稳定性更强,并且根据Avrami指数n(x)可以得出非晶合金及其复合材料的晶化过程均由三维扩散长大模式进行。

Zr基非晶合金破片冲击破碎反应机制研究

为研究Zr基非晶合金破片的冲击破碎反应机制,进行了准密封箱冲击超压实验,测试了破片的碎片粒度,分析了碎片尺寸分布关系,并对不同粒径尺度的碎片进行了X射线衍射分析。实验结果表明,材料在冲击加载下的反应程度随着撞击速度的升高而增大;碎片分布符合分段式幂次律分布规律;材料冲击诱发的化学反应主要为Zr元素与空气中氧气的燃烧,其主要反应产物为ZrO_(2)。基于冲击升温-碎片分布-碎片燃烧的冲击破碎反应理论模型能较好地解释冲击作用下Zr基非晶合金破片的反应规律,理论计算与实验结果吻合度较高。

Mg基非晶态储氢合金的研究进展

非晶态合金是一类非平衡态材料,具有丰富的能量状态,并表现出多种亚稳特征,在很多方面展示出与晶态合金相比全新的性能。近年来,研究人员报道了一系列的新型Mg基非晶态储氢合金,与传统晶态Mg基储氢合金相比,非晶Mg基合金的原子结构均匀且化学成分范围广,因此具有更大的储氢性能调控空间。由于其长程无序的原子结构,部分Mg基非晶态合金还展示了更高的储氢量、更快的储氢动力学。对Mg基非晶态储氢合金的研究进展进行评述,首先讨论了非晶态合金在储氢方面的优势和不足,进而概括了Mg基非晶态储氢合金的常用制备方法,对其研究和应用进行评述,并介绍调控其储氢性能的新策略,最后总结并展望有关Mg基非晶态储氢合金的研究、应用和挑战。

高速激光熔覆液压立柱表面耐磨耐蚀Fe基非晶涂层制备工艺研究

为提高煤矿液压立柱在极端工况条件下的服役寿命,在液压立柱常用材料27SiMn钢表面利用高速激光熔覆技术制备了Fe基非晶涂层,并对其显微组织、硬度和耐磨耐蚀性能进行了研究。结果表明,涂层底部存在严重的晶化转变现象,但中部和顶部存在大面积非晶相组织。涂层的显微硬度能够达到1 200 HV,是基材的5倍以上;磨损率为2.14×10~(-4)mg/N·m,较基材减少了5.9×10~(-5)mg/N·m,具有优异的耐磨损性能;涂层的Ecoor和Icoor分别为-0.57 V和8.41μA/cm~2,耐腐蚀性能较基材有明显提升。研究结果为提高液压立柱耐磨耐蚀性能提供了方法与思路。

合金化与磁场热处理对Fe基非晶纳米晶带材高频磁性能影响的研究

随着宽禁带隙半导体在功率电子及电机控制领域的深入应用,软磁材料是实现高频工作的核心材料,铁基非晶纳米晶因其具有较低的磁致膨胀系数及均匀的磁各向异性等优点,在功率电子设备及电机等领域具有广阔的应用前景。铁基纳米材料的工作频率一般在0.5-150 kHz之间,但随着工作频率的提高,其磁导率会急剧下降,不能适应高频率工作条件下的工作需求。因此,发展具有优良高频磁学性能的软磁材料是目前国际上的一个热门课题。

微量Cr对Cu基块体非晶合金的形成能力及耐蚀性能的影响

XRD,DSC和DTA分析测试表明,微量Cr有利于提高块体非晶合金(Cu47Zr11Ti34Ni8)100-xCrx(x=0,0.5, 1)非晶形成能力室温动电位极化法对该合金在1 mol/L HCl溶液、3%NaCl溶液和6 mol/L KOH溶液中的电化学测试表明,非晶合金存在自钝化现象,随Cr含量增加,非晶合金的钝化区宽度显著增大,维钝电流密度降低,耐蚀性能增强.含微量Cr的Cu基块体非晶合金比不含Cr的具有更好的抗腐蚀性能,且远远优于不锈钢1Cr18Ni9Ti的抗腐蚀性能.