機械合金化制備Zr-Al-Ni-Cu-Y非晶合金粉末及其低壓燒結(jié)工藝探索.pdf

1、非晶合金原子在三維空間呈拓?fù)錈o序排列,不存在常規(guī)晶態(tài)材料固有的晶粒、晶界等缺陷,宏觀上呈現(xiàn)出各向同性,具有許多優(yōu)異的性能,是材料科學(xué)界研究的熱點領(lǐng)域之一。其中,Zr-Al-Ni-Cu體系因不含貴金屬元素及有毒元素,并且具有較高的非晶形成能力而備受關(guān)注。然而,用常規(guī)模鑄法制備Zr-Al-Ni-Cu塊體非晶合金需要較為苛刻的工藝條件,難以產(chǎn)業(yè)化。機械合金化是一種非平衡態(tài)下的粉末固態(tài)合金化技術(shù),通過高能球磨使粉末經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊、破碎,最

2、終達(dá)到原子級合金化的過程,現(xiàn)已廣泛用于非晶合金粉末的制備。本文利用機械合金化的方法,以商業(yè)金屬元素粉末為原料,合成Zr-Al-Ni-Cu非晶合金粉末,并結(jié)合實驗和熱力學(xué)原理對其非晶化的機理進(jìn)行了探討。常規(guī)模鑄法因受熔體冷卻速度和合金體系非晶形成能力的影響而使所制備的非晶合金尺寸非常有限,粉末固結(jié)工藝可以避免這種缺陷,從而開拓了另一種合成塊體菲晶合金的路線?；诔杀究紤],本文采用常規(guī)的低壓燒結(jié)方式對所制備的Zr-基非晶合金粉末進(jìn)行燒結(jié)處理

3、,探索非晶合金粉末的燒結(jié)方法。
　　本文利用機械合金化方法成功制備了Zr50Al15-xNi10Cu25Yx非晶合金粉末,探索了Y取代A1對體系非晶形成能力的影響,確定了Y的最佳添加量,為利用合金元素添加的方法來提高體系的非晶形成能力提供有力的實驗證明。研究了外部添加劑對體系熱穩(wěn)定性的影響,確定了體系的最佳添加劑類型及其含量。利用低壓燒結(jié)處理將非晶合金粉末燒結(jié)成型,探索了添加劑類型、含量、燒結(jié)溫度以及保溫時間對制品形貌及基本力學(xué)性

4、能的影響。主要結(jié)論如下:
　　1.利用共晶點原則設(shè)計了Zr50Al15Ni10Cu25體系基礎(chǔ)組成,并采用正交實驗方法法,由機械合金化技術(shù)在較低的轉(zhuǎn)速(170 r/min)及20:1的球料比條件下球磨60小時后,由商業(yè)金屬元素粉末合成了Zr50Al15-xNi10Cu25Yx系列非晶合金粉末。
　　2.探索了Y元素部分取代A1對體系非晶化的影響,發(fā)現(xiàn)添加適量的Y可以增加系統(tǒng)無序度并消除體系中氧雜質(zhì)的有害作用,提高Zr50Al

5、15-xNi10Cu25Yx體系的非晶形成能力,Y的最佳添加量為1.25at.％,過少或過多的Y引入量都會降低體系的非晶形成能力。
　　3.用熱力學(xué)方法對Y的最佳添加量進(jìn)行了簡單的分析。結(jié)果表明,隨Y含量的增加,體系的混合焓呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢,而系統(tǒng)的混合熵則呈現(xiàn)出拋物線形變化規(guī)律,在x=7.5時達(dá)到最大值,通過對等效自由能數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)在x=1.20時獲得最低的等效自由能,熱力學(xué)上最有利于非晶合金的形成。
　　

6、4.探索了外部添加劑對Zr50Al15Ni10Cu25非晶合金體系熱穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)適量(5 wt.％)的外部添加劑(Si3N4)能有效提高Zr50Al15Ni10Cu25非晶合金粉末的析晶活化能,可以抑制zr50Al15Ni10Cu25系統(tǒng)在升溫過程中的析晶,增強體系的熱穩(wěn)定性,有助于非晶合金粉末的加熱固結(jié)成型。
　　5.探索了zr50Al15-xNi10Cu25Yx非晶合金粉末的低壓燒結(jié)工藝,由于實驗過程中所采用的燒結(jié)溫度過

7、高,導(dǎo)致了經(jīng)低壓燒結(jié)后非晶合金粉末已完全非晶化,未能成功獲得Zr50Al15-xNi10Cu25Yx塊體非晶合金材料。
　　6.探索了外部添加劑顆粒在Zr50Al15-xNi10Cu25Yx非晶合金粉末的低壓燒結(jié)過程中的作用,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)耐獠刻砑觿┠芷鸬揭欢ǖ墓羌茏饔?強化非晶基體。其中,以Si3N4的添加總體效果最好,塊體樣品的最高抗彎強度達(dá)115.22 Mpa。但由于添加物顆粒較粗,手工碾磨的方式很能使其均勻分散在基體粉末中,嚴(yán)