SPS制備鋯基和銅基塊體非晶復(fù)合材料及強(qiáng)韌化機(jī)理研究.pdf

1、非晶材料因其具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性以及優(yōu)異的耐蝕和磁性能等，得到了人們廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究也不斷深入。但是由于非晶材料對(duì)成分和冷卻速率敏感性很高，使其制備的尺寸受限。此外單相非晶塊體材料室溫下塑性變形能力差。這嚴(yán)重限制了其作為工程材料的應(yīng)用。在非晶基體內(nèi)引入晶體相，可提高塑性。但第二相顆粒的引入會(huì)對(duì)非晶的形成能力造成影響。因此如何制備大塊的高強(qiáng)度高塑性非晶材料已成為把非晶合金應(yīng)用于工程亟待解決的問(wèn)題，也是非晶研究工作中的關(guān)注焦點(diǎn)。

2、
　　 放電等離子燒結(jié)(SparkPlasmaSintering，SPS)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)短時(shí)快速燒結(jié)，可有效避免非晶晶化和增強(qiáng)相影響基體非晶形成能力等諸多問(wèn)題，非常適合制備大塊非晶復(fù)合材料。此外，盡管目前很多研究工作集中在利用復(fù)合法提高非晶塑性變形能力，但是對(duì)其增韌機(jī)理，特別是增強(qiáng)相和非晶基體的性能對(duì)復(fù)合材料力學(xué)行為的影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不夠全面。
　　 本文利用SPS技術(shù)成功制備了大塊的TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5

3、、ZrO2/Zr55Cu30Al10Ni5和TiNb/Cu46Zr42Al7Y5非晶復(fù)合材料。系統(tǒng)地研究了增強(qiáng)相（延性TiNb金屬顆粒和硬脆ZrO2陶瓷顆粒）對(duì)非晶基體結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性的影響;分析研究了增強(qiáng)相與非晶基體界面結(jié)合情況;重點(diǎn)考察了三種非晶基復(fù)合材料的力學(xué)行為;深入討論了兩種增強(qiáng)相和兩種非晶基體性能的差異對(duì)非晶基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;利用有限元模擬的方法并結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)性能的結(jié)果，研究了復(fù)合材料在變形過(guò)程中增強(qiáng)相與非晶基體間

4、的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的變化。全面地揭示了增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)、顆粒尺寸和力學(xué)性能以及非晶基體的斷裂韌性對(duì)非晶復(fù)合材料力學(xué)行為的影響機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　 系統(tǒng)地研究了SPS燒結(jié)過(guò)程中溫度對(duì)非晶合金致密化程度和強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究表明燒結(jié)溫度與燒結(jié)非晶試樣的致密化程度和強(qiáng)度均呈非線性關(guān)系。燒結(jié)溫度存在一最佳值，當(dāng)燒結(jié)溫度在此值以下時(shí)，燒結(jié)試樣的致密化程度和強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的增加而增加;當(dāng)燒結(jié)溫度高于此值時(shí)，材料的強(qiáng)度會(huì)因非晶試樣內(nèi)缺陷濃

5、度的增加和脆性晶體相的析出而急劇降低。Cu46Zr42Al7Y5非晶最佳燒結(jié)溫度為653K，此時(shí)能夠得到直徑為15mm的非晶試樣(銅模鑄造法得到的最大尺寸為10mm)，且燒結(jié)試樣的相對(duì)密度可達(dá)到99.98％，強(qiáng)度達(dá)到1803MPa;Zr55Cu30Al10Ni5非晶的最佳燒結(jié)溫度為623K。此時(shí)相對(duì)密度達(dá)到99.85％，強(qiáng)度為1677MPa。均達(dá)到了與銅模鑄造非晶試樣相當(dāng)?shù)膲嚎s強(qiáng)度。
　　 使用上述經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝條件成功制備了T

6、iNb/Zr55Cu30Al10Ni5、ZrO2/Zr55Cu30Al10Ni5和TiNb/Cu46Zr42Al7Y5非晶復(fù)合材料。并對(duì)復(fù)合材料的致密化程度、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性能以及增強(qiáng)相和非晶基體結(jié)合的界面等進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，采用SPS燒結(jié)的方法可以制得致密的非晶復(fù)合材料。添加顆粒對(duì)非晶基體的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性沒(méi)有影響，使其保持了完全的非晶相結(jié)構(gòu)特征。透射電鏡和納米壓痕分析表明增強(qiáng)相與非晶基體的界面清晰且結(jié)合緊密。
　　

7、 全面地考察了增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸與復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)系。Zr55Cu30Al10Ni基體中添加第二相顆粒后，斷裂強(qiáng)度得到提高。對(duì)于TiNb增韌的非晶復(fù)合材料，其塑性應(yīng)變量隨TiNb體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。當(dāng)TiNb含量為30vol.％時(shí)，TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5復(fù)合材料的塑性應(yīng)變量達(dá)到了11％。而ZrO2顆粒增韌的非晶復(fù)合材料的塑性應(yīng)變量卻隨ZrO2顆粒含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象，其最佳增韌效果的體積分?jǐn)?shù)為

8、10-15vol.％。此外，研究結(jié)果表明非晶復(fù)合材料的塑性應(yīng)變量還與增強(qiáng)相的顆粒尺寸相關(guān)，小尺寸的增強(qiáng)相具有更好的增韌非晶的效果。
　　 研究了增強(qiáng)相增韌非晶的機(jī)理。利用有限元模擬的方法深入研究了非晶復(fù)合材料壓縮過(guò)程中增強(qiáng)相、非晶基體以及兩者界面處應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的變化。并結(jié)合TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5復(fù)合材料的力學(xué)行為，全面地揭示了增強(qiáng)相增韌非晶基復(fù)合材料的機(jī)理。研究結(jié)果表明由于在壓縮過(guò)程中增強(qiáng)相顆粒與非晶基體間存在

9、應(yīng)變的不匹配，導(dǎo)致兩者界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，界面處高的應(yīng)力值可誘發(fā)非晶基體內(nèi)剪切帶的萌生。增強(qiáng)相顆粒含量的增加意味著非晶基體中更多的剪切帶被開動(dòng)，因而使非晶復(fù)合材料具有了更高的塑性應(yīng)變值。而增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，小的顆粒意味著引入第二相在非晶基體內(nèi)分布更加均勻，增強(qiáng)相與非晶基體的界面更多。因此小尺寸的增強(qiáng)相具有了更好的增韌效果。
　　 比較分析了延性金屬顆粒(TiNb)和硬脆陶瓷顆粒(ZrO2)力學(xué)性能對(duì)復(fù)合材料力學(xué)行為的影

10、響。兩種顆粒與非晶基體間均存在應(yīng)變的不匹配，導(dǎo)致界面處應(yīng)力集中而誘發(fā)剪切帶產(chǎn)生。只是ZrO2顆粒只具有彈性變形，它與非晶基體間以彈性應(yīng)變的不匹配為主。而TiNb顆粒因其具有較強(qiáng)的塑性變形能力，它與非晶基體間除了彈性應(yīng)變不匹配外，還存在塑性應(yīng)變的不匹配，可在TiNb與非晶基體間的界面處引入更大的應(yīng)力集中，從而使非晶基體內(nèi)剪切帶持續(xù)增殖，更多的剪切帶在TiNb/Zr55Cu30Al10Ni5復(fù)合材料中產(chǎn)生，因此TiNb顆粒有較ZrO2顆粒更

11、好的增韌效果。
　　 非晶基體斷裂韌性是影響非晶基復(fù)合材料力學(xué)行為的重要因素。斷裂韌性值較低的Cu46Zr42Al7Y5非晶對(duì)裂紋較敏感，一旦在非晶基體內(nèi)產(chǎn)生裂紋便會(huì)迅速擴(kuò)展導(dǎo)致材料的失效，增強(qiáng)相對(duì)其塑性和強(qiáng)度的提高作用有限。而對(duì)于斷裂韌性值較高的Zr55Cu30Al10Ni5非晶，由于其對(duì)裂紋具有較高的抵御能力，且在應(yīng)力作用下裂紋尖端應(yīng)力集中可誘發(fā)剪切帶的萌生，使裂紋能量降低，同時(shí)大量剪切帶的萌生可導(dǎo)致微裂紋形成，可使主裂紋運(yùn)