激光表面处理对工业级锆基块体非晶合金塑性变形能力的影响

目的针对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金受到原材料中杂质元素和制备环境中氧元素的影响,其本征塑性变形能力较差的问题,研究激光表面处理对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金在压缩和拉伸条件下塑性变形能力的影响。方法采用低纯原料制备工业级母合金锭子,利用铜模铸造法在低真空环境下制备工业级非晶合金试样,采用激光法对试样进行表面处理,利用万能试验机对激光处理试样的压缩和拉伸力学性能进行测试。通过X射线衍射仪和电子探针对试样的微观组织结构进行表征,采用扫描电镜对力学测试失效后试样的形貌进行微尺度观察。结果经激光表面处理后影响区的深度约为150μm,在影响区内铜元素的含量有所降低,但依然为非晶结构。在压缩条件下,未经激光表面处理的工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金的塑性应变为0,断裂强度为1534 MPa。经过激光表面处理后,试样具有1%的塑性应变,屈服强度为1337 MPa,断裂强度为1562 MPa。在拉伸条件下,激光表面处理前后工业级块体非晶合金的塑性应变均为0,断裂强度也无明显变化,其平均值为1379 MPa。结论通过激光表面处理在工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金试样表面引起的成分变化和引入的残余应力状态,能够有效促使压缩载荷作用下剪切带的萌生,提高其压缩塑性变形能力。

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。

等温热处理对Zr_(57)Cu_(15.4)Ni_(12.6)Al_(10)Nb_5块体非晶合金的组织结构与压缩性能的影响

对Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5块体非晶合金进行了等温热处理,用X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度计与压缩试验机研究了不同温度下的等温热处理后合金的组织结构变化、硬度变化与压缩性能变化。该非晶合金出现晶化的温度随热处理时间的增长而降低。在热处理时间相同的条件下,随热处理温度升高,合金的显微硬度有增大趋势。当非晶合金出现相分离或晶化时,其抗压缩强度将急剧下降,断裂方式由非晶态的断裂方式向晶态的断裂方式转变。

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.

Zr基块体非晶合金在过冷液相区的超塑性流变行为

研究了Zr_(41.25)Ti_(13.75)Ni_(10)Cu_(12.5)Be_(22.5)(原子分数,％)块体非晶合金在玻璃转变终了温度T_g^(end)附近的4个特征温度点(616,636,656和676 K)的等温拉伸行为。结果表明,块体非晶合金的超塑性能与环境温度及拉伸速度紧密相关,在656 K,以5 mm/min的速度拉伸时,获得了1625％的最大延伸率。利用速度突变法测出了636,656及676 K时的应力敏感指数分别为0.25,0.65和0.93。利用自由体积模型对块体非晶合金的超塑性流变行为的微观机制进行了分析。

Fe_(61)Co_(10)Zr_5W_4B_(20)块体非晶合金的晶化行为与力学性能研究

采用铜模吸铸法制备Φ2mm的Fe_(61)Co_(10)Zr_5W_4B_(20)块体非晶合金,采用XRD、SEM、DSC、硬度和压缩实验研究了非晶合金的结构组织、热稳定性、晶化特征、硬度和压缩性能。该块体非晶合金表现出二级晶化,其玻璃转变温度为561.1℃,晶化温度为619.0℃,第一晶化峰温度为632.6℃,第二晶化峰比之高约117℃;用Kissinger和Ozawa方法获得的玻璃转变激活能分别为595.1kJ/mol,578.7kJ/mol,晶化激活能分别为413.9kJ/mol,407.4kJ/mol;非晶合金的晶化行为比其玻璃转变表现出更为明显的动力学效应;非晶合金的显微硬度为1207HV,压缩强度为1707.6MPa,呈典型的脆性断裂,断口中光滑区与脉状花纹区并存。

块体非晶合金材料的研究进展

综述了块体非晶合金材料研究发展的历史和现状。介绍了主要的非晶合金体系及其国内外发展状况,并从块体非晶合金材料形成的成分与结构条件、热力学条件和动力学条件等方面阐述了块体非晶合金形成和稳定存在的机制。较全面地列出并介绍了目前块体非晶合金材料的制备方法及其特色,并总结了非晶合金的性能特征和应用现状。

Zr-Cu-Ni-Ta-Al块体非晶合金复合材料的合成及力学性能

采用电弧熔炼铜模铸造法制备了Ta晶体相增强的Zr基非晶合金复合材料。利用差示扫描量热仪(DSC),X射线衍(XRD)射仪,扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了Ta加入对(Zr0.65Cu0.175Ni0.175)90-xTaxAl10(x=0,4,6,8,10)(原子百分比)非晶复合材料非晶形成能力及力学性能的影响。结果表明,Ta的加入改变了合金的晶化行为,随着Ta含量的增加,合金的DSC曲线由单一晶化峰转变为多个晶化峰。加入10%Ta的块体非晶合金复合材料的基体固溶约4%的Ta。复合材料的塑性应变量达到3.2%,同时最大应力达到1855MPa,明显高于不含Ta合金。块状非晶合金复合材料中Ta晶体相的存在,阻止单一剪切带的扩展,诱发更多剪切带形成,从而提高了材料的抗压强度和塑性。

块体非晶合金的韧塑化

块体非晶合金因其独特的原子结构而具有许多优异的力学性能,成为近年来材料领域的研究热点之一,但是由于其在变形过程中的室温脆性和应变软化等关键问题一直制约着其实际工程应用.为解决此问题,块体非晶合金领域的研究者们提出了多种方案,包括通过在非晶合金中调控其内禀特性如弹性常数、结构不均匀性,通过外加手段改变其应力及缺陷状态,通过外加和内生的方法在非晶基体中引入晶态增强相等方式,获得了一系列力学性能优异的块体非晶合金及其复合材料.特别是利用"相变诱导塑性"(transformation-induced plasticity,TRIP)概念研制出的块体非晶合金复合材料,同时具有大的拉伸塑性和加工硬化能力.本文围绕块体非晶合金的韧塑化这个关键科学问题,对单相非晶及非晶复合材料的韧塑化方案及机理进行了综述,着重介绍了TRIP韧塑化块体非晶合金复合材料的制备、性能、组织调控及韧塑化机理等,并对此领域的未来发展进行了展望.

Zr基块体非晶合金的微塑性成形性能

采用自行研制的微成形系统进行热压缩实验,分别研究成形温度、成形时间和冲头速度等对尺寸为d1 mm×1.5 mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金(Vit.1)在过冷液相区微塑性成形性能的影响规律。进一步研究了不同坯料尺寸对Vit.1块体非晶合金在过冷液相区超塑性成形性能的影响程度,结果表明流动应力随坯料尺寸的减小而降低。在此基础上,利用闭式模锻方法成形了分度圆直径为d1 mm的微型齿轮,采用SEM观察成形件的表面形貌,结果表明采用微成形方法可以获得尺寸精度较高的Vit.1块体非晶合金微型齿轮。

近十年来块体非晶合金材料的研究现状及发展趋势

综述了现有的各种块体非晶合金(BMGs)体系及其主要性能特点、应用情况,分析了近十年来该领域的研究现状,认为当前的有关基础研究工作主要集中在新非晶合金体系的开发、不同变形方式下的变形行为及断裂机理、焊/连接工艺、复合强韧化、塑性成形及断裂过程的仿真模拟、微成形性能等几个方面;相关的应用研究,一是通过超塑性成型及各种连接技术实现常规尺寸非晶合金制件的加工;二是通过微塑性成型技术实现对微型器件的制造。最后,指出了实现非晶合金微型制件工业化、批量化生产所必须解决的几个关键问题。

Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2块体非晶合金在HCl溶液中的腐蚀行为

采用电化学极化曲线和电化学阻抗(EIS)测试方法研究Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2块体非晶合金在0.5,1,2以及4mol/LHCl溶液中的腐蚀行为,并比较了1mol/LHCl溶液中非晶合金和不锈钢的腐蚀行为。极化曲线测试结果表明,Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2块体非晶合金在各种浓度的HCl溶液中都具有很好的耐蚀性,阳极极化曲线表现出明显的钝化特征。随着HCl溶液浓度的增大,其耐蚀性能逐渐下降。在1mol/LHCl溶液中,非晶合金的自腐蚀电位高于不锈钢,自腐蚀电流密度比不锈钢小1个数量级。EIS结果显示,在开路电位下,Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2非晶合金和不锈钢的Nyquist图均由单一的容抗弧构成,但非晶合金的电化学转移电阻Rt比不锈钢的大2个数量级,这一结果与极化曲线结果一致,说明非晶合金在HCl溶液中的耐蚀性能优于不锈钢。

块体非晶合金Cu_(58)Zr_(20)Ti_(20)Mo_2的形成与力学性能

用铜模吸铸法获得直径3 mm的Cu58Zr20Ti20Mo2块体非晶合金,采用X射线衍射仪、示差扫描量热仪、压缩实验及扫描电镜等研究其结构、热稳定性、压缩性能及断口形貌。Mo的引入有利于非晶的形成,该非晶合金表现为两级晶化行为,玻璃转变温度为422.6℃,晶化起始温度为453.4℃;其压缩应力—应变曲线呈近似线性关系,不存在塑性变形阶段,为脆性断裂,断裂强度为1 720 MPa,变形量为3.4%,断口形貌为清晰的脉状河流花纹;含少量晶态相的Cu57Zr20Ti20Mo3非晶合金仍为脆性断裂,断裂强度为1 546 MPa,变形量为3.3%,断口形貌呈混乱的脉状河流花纹,且有类似液滴的小球形貌。

Cu-Zr-Ti块体非晶合金的形成及其力学性能

在Cu Zr Ti的三元合金系中发现了具有高非晶合金形成能力的Cu60 Zr40 xTix(x =5 %～ 2 7.5 % ,x为原子数分数 )合金 ,采用铜模铸造法制备了块体非晶合金 ,其过冷液体温度区间为 38～ 65K .在该合金系中具有最高非晶形成能力的成分范围为Cu60 Zr40 xTix(x =7.5 %～ 1 2 .5 % ) ,其非晶形成临界直径为 5mm ,是Cu Zr Ti三元非晶合金中迄今为止非晶形成能力最高的合金 .Cu60 Zr40 xTix(x =7.5 %～1 2 .5 % )块体非晶合金的杨氏模量、压缩断裂强度、压缩塑性应变和硬度分别为 80～1 1 4GPa ,1 730～ 1 865MPa ,0 .3%～ 1 .5 %和Hv 693～Hv 82 4 ,并随Ti含量的增加而提高 .同时具有高非晶形成能力。

Cu模吸铸法制备Cu基块体非晶合金

采用磁悬浮熔炼和Cu模吸铸工艺成功制备了圆棒Cu50Zr42Al8块体非晶合金,试样表面平滑且具有典型的金属光泽。试验制备的圆棒Cu50Zr42Al8块体非晶合金的直径尺寸小于5mm,该成分的块体非晶合金具有较强的非晶形成能力,其玻璃转变温度Tg=723K,晶化温度Tx=773K,过冷度ΔT=50K,约化玻璃转变温度Trg=0.753。

ZrCuNiAlTi块体非晶合金的变温晶化行为

研究了Zr56.6Cu17.3Ni12.5Al9.6Ti4(at.%)块体非晶合金连续升温过程中的晶化行为。结果表明,随着升温速度的增加,特征温度Tg,Tx,Tp1,Tp2均向高温区移动,特征温度与升温速度的关系可以用一次指数衰减关系拟合。采用Kissinger法和Ozawa法分别计算了特征温度对应的激活能Eg,Ex,Ep1,Ep2。由于不同升温速度下特征温度对应的晶化体积分数几乎不变,因而,采用Kissinger法计算结果与Ozawa法的计算结果呈现一致性。Eg,Ex,Ep1,Ep2之间的大小关系为:Eg≈Ep1≈Ep2<Ex。

Nb对Zr基块体非晶合金热稳定性、非晶形成能力及机械性能的影响

利用水冷铜模铸造法成功制备了(Zr70Ni10Cu20)90-xNbxAl10(x=0,2,5,7)块体非晶合金,采用XRD,DSC 和DTA研究了Nb对该合金体系热稳定性和非晶合金形成能力(GFA)的影响.结果表明,适量Nb的添加可有效提高该合金的GFA和热稳定性.当Nb含量为x=2时,合金具有最宽的过冷液态区(△Tx=119 K)和最大的非晶形成能力(参数γ=Tx/(Tg+Tl=0.435).Nb的适量添加也有利于提高块体非晶合金的强度和塑性应变,其中x=2的块体非晶的抗压强度和断裂应变量分别达到1783 MPa和11.1%.

镁基块体非晶合金制备及其晶化处理

在空气中采用普通铜模浇注法制备了Mg65Cu22Zn3Y5Nd5块体合金试样,利用X射线衍射确定铸态样品的非晶态性质,用差示扫描量热仪(DSC)分析合金的玻璃转变、晶化和熔化行为。研究表明,能形成完全非晶态试样的最大尺寸为4·5mm,试样的过冷液相区△Tx为51·3K,约化玻璃转变温度Trg为0·59。与无锌合金比较,Mg65Cu22Zn3Y5Nd5金属玻璃的晶化转变行为更为复杂,表现为明显的三级晶化。对Mg65Cu22Zn3Y5Nd5非晶合金进行等温退火处理后,发生了非晶态向晶态的转变,原本单一非晶峰上出现了与晶体相对应的尖锐晶体峰。当采用分步退火处理时,组织更为均匀细小。

Cu-Zr-Nb系铜基块体非晶合金的形成

Cu8Zr3和Cu10Zr7相中存在Cu8Zr5和Cu6Zr5团簇结构,它们与Cu-Zr系的两个深共晶点Cu61.8Zr38.2和Cu56Zr44对应.Cu64Zr36是Cu-Zr二元系具有最大玻璃形成能力的成分点.依据形成块体非晶的“变电子浓度线判据”,以Cu64Zr36,Cu61.8Zr38.2和Cu56Zr443个二元成分为出发点,以Nb元素为第三组元,建立变电子浓度线(Cu64Zr36)100-xNbx,(Cu61.8Zr38.2)100-xNbx和(Cu56Zr44)100-xNbx.采用分步熔炼法,由铜模吸铸法制备直径为3mm的合金棒.块体非晶的玻璃形成区及玻璃形成能力由XRD和热分析确定.结果表明,添加少量Nb(原子分数,x≤3)可以显著提高Cu-Zr二元系的玻璃形成能力.具有最大Tg/Tl值(0.626)的成分Cu60.3Zr37.2Nb2.5位于具有Cu8Zr5团簇和最深共晶点的Cu61.8Zr38.2向第三组元Nb的连线上.结合Cu-Zr二元体系的团簇结构讨论了Cu-Zr-Nb系块体非晶的形成.

Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金的热稳定性和力学性能

采用差压铸造法成功制备了Cu47Ti34Zr11Ni8块体非晶合金,研究了其热稳定性和力学性能。结果表明:=735K,过冷液相区ΔTx=63K,约化玻璃温度Trg=0.该块体非晶合金的玻璃转变温度Tg=672K,晶化温度Tx1575,弯曲断裂强度高达2350MPa,断裂前弹性变形量为2.1%,弯曲模量为102GPa;淬态微米级结晶相的出现使合金的三点弯曲断裂强度下降至1100MPa。