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。

Nb添加对Ti基非晶合金腐蚀及力学性能的影响

为研究微量添加Nb元素对Ti_(40)Zr_(10)Cu_(34-x)Pd_(14)Sn_2Nb_x(x为原子数分数,x=0、1%、3%、5%)非晶合金的耐腐蚀性能及力学性能的影响,本文利用动态极化曲线,分析了在0.144 mol/L的NaCl溶液及0.2 mol/L的PBS溶液中非晶合金Ti_(40)Zr_(10)Cu_(34-x)Pd_(14)Sn_2Nb_x(x=0、1%、3%、5%)的电化学性能,并通过材料拉伸试验研究了非晶合金块状样品的室温压缩性能.结果表明:在0.144 mol/L的NaCl溶液中,非晶合金样品在阳极区出现了自发钝化的特征,钝化电流密度在10^(-7)～10^(-8) A/cm^2,钝化电流密度随着Nb的添加略有降低,且点蚀电位随Nb原子数分数的增加分别为200、340、400和490 mV,说明微量添加Nb元素能有效提高Ti基非晶合金的耐点蚀能力,即在0.144 mol/L的NaCl溶液中Ti基非晶合金的耐腐蚀性随着Nb含量的增加而增强;在0.2 mol/L的PBS溶液中,因磷酸根离子的缓蚀作用,Nb添加导致的成分变化对非晶合金的腐蚀行为影响不大;此外,添加了原子数分数为1%及3%Nb的非晶合金,其压缩强度及塑性变形能力变化不大,但添加5%Nb的非晶合金因较大体积分数纳米晶的存在导致其室温断裂强度及塑性变形能力有明显下降.

生物医用Ti基非晶合金的研究进展

Ti基非晶合金因其具有与人体骨相近的弹性模量、良好的生物相容性及优良的抗腐蚀性而具有潜在的医用价值。本文综述了医用Ti基非晶合金及其复合材料的发展以及表面改性的研究现状。分析了Ti基非晶合金及其复合材料在医学应用中需要解决的问题,对未来发展方向及临床应用前景进行了展望。

多元素添加制备具有优异力学性能的Ti基非晶薄膜

目前MEMS系统在航空航天、电子电力以及生物医学中的广泛应用及发展,导致Ti基合金的力学性能无法适应当前的应用环境。非晶合金因没有晶界、位错等晶体缺陷,因而表现出优异的机械性能。基于此,本文通过磁控共溅射技术,通过控制靶材参数实现调控Zr、V、Nb元素在Ti基薄膜中的成分变化,并成功制出具有完全非晶态结构的Ti80.6Zr6.0V6.9Nb6.5非晶合金薄膜。该非晶合金薄膜与晶态薄膜相比表现出优异的综合性能,包括:1) 优异的力学性能:高的硬度和弹性模量:7.01 GPa,162 GPa;2) 良好的薄膜质量:高的致密性以及低的粗糙度。此外,还解释了该非晶薄膜具有优异力学性能的原因:1) 结构因素:非晶态结构不具备晶界、位错等结构缺陷;2) 变形机制:对于非晶态材料而言,变形机制是以剪切带机制为主,而剪切带的形成是一个复杂过程,需要消耗大量的势能,因此能承受更高的外加载荷。本次研究为Ti基非晶薄膜家族体系研究提供了新的研究思路,也为MEMS系统提供了有希望的候选材料。

Ti_(40)Zr_(25)Ni_8Cu_9Be_(18)非晶合金的晶化行为研究

采用吸铸法制备出直径3mm的Ti40Zr25Ni8Cu9Be18块体非晶合金,并采用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热(DSC)和透射电镜(TEM)研究了非晶合金试样的结构,同时,分别采用连续升温晶化方法和等温退火方法研究了该非晶合金的晶化动力学行为和晶化过程中的相转变。结果表明:该非晶合金的结构弛豫和晶化行为均具有显著的动力学特征,且具有较好的热稳定性,其过冷液相区宽度△Tx为54K,一级晶化激活能Ep1为213.04kJ/mol;晶化过程为二级晶化反应,第1阶段晶化对应I相从非晶基体中析出,第2阶段的晶化反应则包括:I相转变为Laves相和Laves相从残余非晶基体中直接析出。

Y添加Ti_(40)Zr_(25)Cu_9Ni_8Be_(18)非晶合金的纳米晶化及力学性能

利用铜模铸造法制备直径为3mm的(Ti_(40)Zr_(25)Cu_9Ni_8Be_(18))100-xYx(x=0,1.0,1.5,2.0,3.0)合金棒材,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差式扫描量热计(DSC)和单轴压缩测试设备对合金的组织、玻璃形成能力和力学性能进行研究。结果表明:Y元素含量为1.0%(原子分数,下同)时,合金的衍射结果为非晶态;Y元素含量为1.5%时,诱发了非晶合金的纳米晶化。在高分辨透射电镜下可观察到,非晶基体上析出5~20nm左右的晶化相,含Y为1.5%的合金抗压强度高达1990MPa,塑性应变高达3.0%;Y添加后合金断口处剪切带数量增加。多剪切带之间的交错,阻碍不均匀形变,提高了合金的塑性和强度。

Ti-Zr-Cu-Co-Sn-Si块体非晶合金的形成及生物腐蚀行为和力学性能

采用铜模铸造法制备了不含高生物毒性元素Ni和Be及贵金属元素的生物医用型Ti87-xZr7.5CuxCo2.5Sn2Si1（x=39,40,42,原子分数/%）块体非晶合金,并对其非晶形成能力、热稳定性、生物腐蚀行为及力学性能进行了研究。结果表明：该系非晶合金临界直径为2-3mm,并具有较高的热稳定性,其过冷液体温度区间为44-51K。Ti-Zr-Cu-Co-Sn-Si非晶合金在模拟人体体液环境中表现出高耐腐蚀性能,在37℃的磷酸盐缓冲溶液中发生自钝化,钝化电流密度低,且其开路电位和孔蚀电位随着Ti含量的增加而提高。该系非晶合金具有良好的力学性能,压缩断裂强度达2309MPa,弹性模量为92-100GPa。

机械合金化法制备Ti_(50)Ni_(15)Cu_(28)Sn_7非晶合金粉末

以一定比例配置Ti、Ni、Cu、Sn金属粉末,利用机械合金化方法在转速为300 r/min、球料比为12∶1的条件下制备Ti_(50)Ni_(15)Cu_(28)Sn_7非晶合金。采用XRD和SEM对不同球磨时间混合粉末的物相结构和形貌进行分析。并对合金粉末进行了DSC分析。结果表明:经过不同时间球磨之后,混合的金属粉末开始出现合金化及不同程度的非晶化。随着球磨时间的增加,粉末颗粒逐渐细化。球磨80 h后,合金粉末全部转变为非晶合金,且具有较高的热稳定性和非晶形成能力。

Ti_(45)Cu_(35)Zr_8Ni_7Pd_5块体非晶合金的形成能力及力学性能(英文)

利用铜模铸造方法制备了Ti45Cu35Zr8Ni7Pd5合金圆棒。通过XRD、SEM和DSC等手段研究了合金的组织,讨论了合金的玻璃形成能力,测定了合金的力学性能。结果表明,直径为2mm的圆棒为单一金属玻璃相,3mm和4mm直径的圆棒由金属玻璃相和TiCu结晶相组成。直径为2mm的圆棒具有最高的压缩断裂强度(2160MPa)和最高的硬度(维氏硬度,5600MPa)。压缩强度和硬度随着圆棒直径的增加而降低,但变形能力增加。

Ti含量对(Zr_(0.59)Cu_(0.18)Ni_(0.13)Al_(0.10))_(100-x)Ti_x合金非晶形成能力的影响

Ti具有明显降低(Zr0.59Cu0.18Ni0.13Al0.10)100-xTix(x=0,1,2,……6)合金液相线温度T1并提高约化玻璃转变温度Trg的作用.含Ti量不同的合金楔形试样中的非晶组织区域对比表明,x等于4左右的合金Zr56.64Cu17.28Ni12.48Al9.6Ti4具有最好的玻璃形成能力.此时△Tx=77.6℃,Trg(Tg/T1)=0.65.以电弧熔炼铜模铸造的方法可制备出此成分合金尺寸为直径10 mm、长70 mm的圆柱形完全非晶试样.对含Ti量不同的楔形试样中过渡区(结晶-非晶混合组织区)结晶相的分析表明,适量Ti的加入,促进了合金熔体中多种金属间相的同时析出,从而使各种结晶相之间的相互竞争和阻碍作用更强烈,因而有助于玻璃形成能力的提高.

Ti_(53)Cu_(27)Ni_(12)Hf_3Al_7Si_3B_1大块金属玻璃的制备及性能研究

用单辊甩带法和铜模铸造法制备了新型Ti基大块金属玻璃Ti53Cu27Ni12Hf3Al7Si3B1。DSC、DTA研究表明该合金具有较高的热力学稳定性,其第1晶化温度Tx1、玻璃转变温度Tg、过冷液相区间ΔTx 以及约化转变温度Trg分别为705、750、45、0.63 K。压缩性能研究其压缩断裂强度、弹性模量和压缩塑性变形量分别为2 304 MPa、120 GPa和1.1%。研究发现,具有复杂拓扑结构的原子配比提高了Ti53Cu15Ni18.5Al7Hf3Si3B0.5大块金属玻璃的力学性能和热力学性能。

Ti_(45)Zr_(35)Cu_(5)Ni_(15)块体非晶合金动态压缩性能研究

通过铜模喷铸法制备了含有少量纳米晶的Ti_(45)Zr_(35)Cu_(5)Ni_(15)大块非晶合金。利用分离式霍普金森杆(SHPB)分别对试样进行室温(25℃)、-80℃和液氮温度(-196℃)3种不同温度环境下的高应变率加载动态压缩实验,结合带有能谱的场发射扫描电镜(SEM)观察材料压缩断口的形貌特征。对比分析发现:材料在-80℃下的动态最大抗压强度以及塑性变形最高,最大抗压强度达到2378 MPa,塑性应变达到12%,强韧性配合优异,在材料断口形貌中发现了独特的褶皱特征;材料在室温以及液氮温度下的力学性能相近,最大抗压强度在1600MPa左右,塑性应变达到8%左右,断口中出现了大量的河流花样。材料在室温下表现为应变软化,在低温下表现出一定程度的应变率强化效应。

Co含量对Ti-Zr-Be-Cu块体非晶合金热稳定性的影响

采用铜模法制备了Ti35Zr30Be27.5-xCu7.5Cox(x=3.5,7.5,11.5,摩尔分数)系列块体非晶合金,并采用差示扫描量热仪(DSC)和X射线分析(XRD)研究了不同Co含量对其热稳定性的影响。结果表明,随着加热速度的提高,3种非晶合金的玻璃转变温度、晶化开始温度和峰值温度均向高温区移动,说明该系列合金的玻璃转变和晶化均为动力学过程。用Kissinger方法计算出的玻璃转变激活能(Eg)以及晶化激活能(Ex)分别随着Co含量的增加而增大,当Co含量为11.5%时,其E和E分别为207.8kJ/mol和238.1kJ/mol。

Ti_(40)Zr_(25)Ni_8Cu_9Be_(18)块体非晶合金低温动态压缩性能研究

采用铜模喷铸法制备Ti40Zr25Ni8Cu9Be18块体非晶合金,通过分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对Ti40Zr25Ni8Cu9Be18块体非晶合金进行室温(25℃)和液氮温度(–196℃)条件下的高应变率加载动态压缩测试,结合S-4800型扫描电镜(SEM)对压缩试样断口进行观察,对比在室温和液氮温度下Ti40Zr25Ni8Cu9Be18块体非晶合金动态压缩性能及其断口形貌特征的差异。结果表明:Ti40Zr25Ni8Cu9Be18块体非晶合金室温动态压缩时,随应变率提高抗压强度无明显变化,没有应变率硬化效应。在液氮温度动态压缩时,抗压强度随着应变率提高有较大幅度增加,存在应变率硬化效应。液氮温度时的动态抗压强度明显高于室温动态抗压强度。Ti40Zr25Ni8Cu9Be18块体非晶合金室温动态压缩为剪切断裂,微观形貌上出现脉状花样和剪切带,剪切带诱发了裂纹的形成,裂纹沿着剪切带扩展。液氮温度下断口微观形貌有解理台阶和河流花样。室温动态断裂过程中,局域应变集中产生塑性变形;液氮温度下压缩动能转化的热量大部分被抵消,削弱了绝热剪切作用。

Sn对Ti-Zr-Cu-Ni系非晶薄带热稳定性及耐蚀性能的影响

通过单辊甩带法制备了Ti40Cu39Zr10Ni11-xSnx(x=0,3,7,11)非晶薄带。运用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、电化学工作站、扫描电镜(SEM)等手段测试了合金的组织与性能特性,研究了Sn替换Ni对合金热稳定性及生物耐蚀性能的影响。结果表明,随着Sn的添加,Ti40Cu39Zr10Ni11-xSnx(x=0,3,7,11)合金试样均表现为完全的非晶结构。与Ti40Cu39Zr10Ni11非晶合金相比,Ti40Cu39Zr10Sn11非晶合金的热稳定性稍有改善,且生物耐蚀性能得到明显提高。因此,不含Be、Ni等对人体有害元素的Ti40Cu39Zr10Sn11非晶合金具有作为生物医用材料的潜力。

Co对Ti-Zr-Be-Cu块体非晶形成能力及热稳定性的影响

采用铜型铸造法制备直径为12mm的Ti35Zr30Be27.5-xCu7.5Cox(x=3.5,7.5,11.5)系列块体非晶合金。采用X射线分析(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)研究了Co元素含量变化对Ti-Zr基合金的非晶形成能力、结构变化以及热稳定性的影响。结果表明,随着Co元素替代部分Be元素(x=3.5,7.5),合金的非晶形成能力由5mm显著提高到12mm,进一步增加Co元素含量(x=11.5)时,非晶形成能力迅速降低,其形成能力不足5mm;但随着Co含量的变化,Ti35Zr30Be27.5-x Cu7.5Cox(x=3.5,7.5,11.5)系列块体非晶合金的玻璃转变温度Tg、晶化温度Tx分别从x=0时的636K和718K降低到x=11.5时的612K和647K。讨论了Co元素的添加对Ti35Zr30Be27.5-xCu7.5Cox(x=3.5,7.5,11.5)合金结构变化的影响。