【摘要】：液-液相分離雙相非晶合金是指通過液-液相變形成兩種非晶相的復(fù)合材料。當(dāng)均勻單一合金熔體快速冷卻進(jìn)入組元液態(tài)不混溶區(qū)域時將發(fā)生液-液相分離形成兩個液相。如果這兩個液相具有較好的非晶形成能力,則它們分別發(fā)生玻璃轉(zhuǎn)變形成雙非晶相。以往的液-液相分離雙相非晶合金的設(shè)計是建立在某個非晶形成能力較好的合金系基礎(chǔ)上通過添加其它合金元素來實(shí)現(xiàn)的。添加的合金元素通常滿足兩個條件:①與原合金系的主組元之間具有正混合焓,②與原合金系其它組元構(gòu)成的合金系具有較好的非晶形成能力。迄今為止,人們對液相分離雙相非晶合金的形成過程尚不清楚,尤其是液-液相分離過程中組織演變以及兩分離液相化學(xué)成分隨溫度演化及其控制缺乏深入研究,不能有效調(diào)控液-液相分離形成的兩液相的成分及非晶形成能力,很難獲得雙相塊體(三維尺寸≥1mm)非晶合金。本文針對上述問題,基于組元原子相互作用、共晶點(diǎn)準(zhǔn)則以及系統(tǒng)自由能最小化原則,優(yōu)化設(shè)計了合金成分,研制液-液相分離雙相塊體非晶。雙相非晶合金可以改善單相非晶合金材料的室溫塑性。主要研究工作和取得的成果如下:設(shè)計了 Zr-Ce-Co-Cu四元雙相非晶合金薄帶材料,探索了 Al對此合金體系雙非晶形成能力(形成雙非晶相的能力)的影響。研究了 Zr-Ce二元液相分離合金的凝固特征,Zr75Ce25二元合金在電弧熔煉的條件下會發(fā)生液相分離形成兩相分層的組織。在Zr-Ce二元液相分離合金中添加Cu和Co時,發(fā)現(xiàn)Cu和Co分別選擇性富集在富Ce液相和富Zr液相中。研究了(Zr0.89Ce0.11)100-x(CocCud)x四元液相分離合金的快速凝固特性;探索了制備方式和合金成分對凝固組織的影響。結(jié)果表明:在用銅模鑄造制備直徑為2 mm的棒狀樣品時,液-液相分離形成的富Ce-Cu液滴發(fā)生Marangoni遷移,棒狀樣品的表面形成了貧Ce-Cu層;在用熔體旋甩法制備薄帶樣品時,薄帶樣品的貼輥側(cè)冷卻速率較高,富Ce-Cu粒子尺寸較小。當(dāng)Co和Cu原子比和添加的總摩爾分?jǐn)?shù)分別為4/1和38.5 at.%時,液-液相分離形成的富Zr-Co和富Ce-Cu液相的化學(xué)成分隨著溫度的降低逐漸演變到各自共晶成分Zr65Co32和Ce72Cu28附近。在單輥熔體旋甩條件下,可獲得富Ce-Cu非晶粒子(體積分?jǐn)?shù)為9.4%)彌散分布在富Zr-Co非晶基體的雙相非晶合金薄帶樣品。研究了添加元素Al對Zr-Ce-Co-Cu四元液相分離合金液-液相分離行為以及凝固組織的影響。結(jié)果表明,當(dāng)Al含量較少(≤15at.%)時,Al溶質(zhì)在富Zr-Co和富Ce-Cu兩液相中的濃度比趨近1。當(dāng)Al含量為15 at.%時,兩液相都具有較好的非晶形成能力,在銅模鑄造快速冷卻條件下,可獲得直徑為1.5 mm的富Ce-Cu-Al非晶粒子(體積分?jǐn)?shù)6.99%)/富Zr-Co-Al非晶基體的雙相塊體非晶合金材料。設(shè)計了富RE-Cu-Al非晶粒子/富Zr-Co-Al非晶基體的雙相塊體非晶合金材料。富Ce-Cu-Al液相的非晶形成能力比富Zr-Co-Al液相弱,其非晶形成能力制約了雙相塊體非晶合金的研制。為了提高富Ce-Cu-Al液相的非晶形成能力,探索了與Ce元素化學(xué)性質(zhì)相似的稀土元素La、Pr和Nd對Zr-Ce-Co-Cu-Al五元液相分離合金液-液相分離行為和雙非晶形成能力的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Zr-Ce-Co-Cu-Al合金中的Ce被La、Pr和Nd部分替代時,多元合金熔體冷卻過程中仍然發(fā)生液-液相分離;La、Pr、Nd元素主要富集在富Ce-Cu-Al液相中,導(dǎo)致富Ce-Cu-Al液相的混合熵增大,非晶形成能力增強(qiáng)。相似稀土元素提高了 Zr-Ce-Co-Cu-Al五元液相分離合金的雙非晶形成能力。用銅模鑄造法制備了直徑為2mm的[(2r68Co32)0.86(RE52Cu48)0.14]0.85Al0.15(RE:Ce1/4La1/4Rr1/4Nd1/4混合稀土)雙相塊體非晶合金樣品,樣品的基體為富Zr-Co-Al非晶相,彌散粒子為富RE-Cu-Al非晶相(體積分?jǐn)?shù)約為7.95%)。設(shè)計了富Zr-Co-Al非晶粒子/富RE-Cu-Al非晶基體的雙相塊體非晶合金材料。研究了 A1 元素含量對[(Zr0.56Co0.44)0.2(RE0.74Cu0.26)0.8](100-xA);c(x=7.7-16.7 at.%)合金中富 Zr-Co-A1非晶相和富RE-Cu-AI非晶相熱穩(wěn)定性的影響,開展了富Zr-Co-Al非晶粒子/富RE-Cu-Al非晶基體的雙相塊體非晶合金硬度分析和軸向壓縮實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,Al含量為10.7 at.%時,兩個非晶相都具有較好的熱穩(wěn)定性;富Zr-Co-Al非晶相比富RE-Cu-Al非晶相具有更高的硬度和強(qiáng)度;富Zr-Co-Al非晶粒子/富RE-Cu-Al非晶基體的雙相塊體非晶合金材料發(fā)生塑性變形時,富Zr-Co-Al非晶粒子可阻礙富RE-Cu-Al非晶基體中剪切帶的快速擴(kuò)展,促進(jìn)多重剪切帶的萌生,提高材料的室溫塑性和斷裂強(qiáng)度。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG139.8
【圖文】：

圖１．１液相分離合金示意相圖［１］逡逑ｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌｉｑｕｉｄ－ｐｈａｓｅ－ｓｅｐａｒａｔｅｄ邋ａｌｌｏ離熱力學(xué)逡逑體系的熔體摩爾自由能Ｇ＝（ｒ）可表示為逡逑ＧｌｉＴ）邋＝邋ｘＡＧｉ（Ｔ）＋ｘＢＧｉ（Ｔ）邋＋邋Ｇ＇＼Ｔ）邋＋邋Ｇｅ＼Ｔ）Ｇｔ｛Ｊ）邋＝邋ａＴ＼ｎ｛Ｔ）＾ＪｊｃＪｐ產(chǎn)＿】逡逑Ｇｉｄ邋（Ｔ）邋＝邋ＲＴ（ｘａ邋Ｉｎ邋ｘＡ邋＋邋ｘＢ邋Ｉｎ邋ｘＢ）Ｇ－（Ｔ）邋＝邋ｘａｘｂＩａｂ絕對溫度；ＪＣ，是組元／（Ａ或Ｂ）的摩爾分?jǐn)?shù)；Ｇｆ（ｒ）是Ｅ數(shù)據(jù)庫找到；（＾（乃和Ｇｅｘ（７）是理想熔體的摩爾自由

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【參考文獻(xiàn)】

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3 Hongxiang Jiang;Jiuzhou Zhao;Jie He;;Solidification Behavior of Immiscible Alloys under the Effect of a Direct Current[J];Journal of Materials Science & Technology;2014年10期

4 汪衛(wèi)華;;非晶態(tài)物質(zhì)的本質(zhì)和特性[J];物理學(xué)進(jìn)展;2013年05期

5 ;Centimeter-scale-diameter Co-based bulk metallic glasses with fracture strength exceeding 5000 MPa[J];Chinese Science Bulletin;2011年36期

6 ;Revisiting Al-Ni-Zr bulk metallic glasses using the 'cluster-resonance' model[J];Chinese Science Bulletin;2011年36期

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10 ;Microstructure Formation in Al-Bi-Co Immiscible Alloys Directionally Solidified with Different Melt Superheat Temperatures[J];Journal of Materials Science & Technology;2010年02期

本文編號：2798611