Al基非晶合金比強(qiáng)度極高,因而在輕質(zhì)高強(qiáng)材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,但非晶形成能力差(臨界尺寸約1mm)、幾乎無(wú)宏觀塑性的特點(diǎn)嚴(yán)重制約了該類(lèi)材料的應(yīng)用。利用非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)的超塑性,通過(guò)粉末冶金的方法可以在一定程度上突破Al基非晶合金的尺寸限制。本文利用機(jī)械合金化(MA)+放電等離子燒結(jié)(SPS)的方法來(lái)制備Al-Cu-Ti非晶合金,系統(tǒng)研究了制備工藝對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)添加第二相顆粒(如高熵合金顆粒、Al顆粒)的方法來(lái)進(jìn)一步改善現(xiàn)有合金的力學(xué)性能。主要研究結(jié)果如下:利用MA技術(shù)制備出Al_(65)Cu_(16.5)Ti_(18.5)非晶合金粉末,其非晶化過(guò)程主要由固溶體的非晶化和金屬間化合物的非晶化組成。其中,固溶體的非晶化由固溶擴(kuò)散控制,在形成過(guò)飽和固溶體后發(fā)生非晶化;而金屬間化合物的非晶化則主要由球磨過(guò)程中產(chǎn)生的晶界能、缺陷能和無(wú)序能提供非晶化所需的能量,使其發(fā)生非晶化反應(yīng)。利用SPS技術(shù)制備Al基非晶合金,發(fā)現(xiàn)在過(guò)冷液相區(qū)燒結(jié)得到的合金盡管呈現(xiàn)出幾乎完全的非晶態(tài),但相對(duì)密度和強(qiáng)度均太低。在晶化溫度以上燒結(jié)時(shí),合金的強(qiáng)度顯著提升,并且隨著燒結(jié)溫度的提高,其強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。這是由于顆粒中的晶化程度和顆粒之間的冶金結(jié)合隨燒結(jié)溫度的升高而逐漸增加,當(dāng)顆粒內(nèi)部為非晶/納米晶、顆粒之間幾乎不存在燒結(jié)缺陷時(shí),合金達(dá)到最高的強(qiáng)度。繼續(xù)升高溫度,顆粒內(nèi)幾乎完全晶化且部分晶粒發(fā)生粗化,因此顆粒內(nèi)部的強(qiáng)度略有降低,合金的強(qiáng)度也隨之降低。結(jié)合高熵合金高強(qiáng)度的特點(diǎn),利用SPS技術(shù)制備Al基非晶-高熵合金復(fù)合材料。與Al基非晶合金相比,添加高熵合金顆粒體積分?jǐn)?shù)為50%的復(fù)合材料,其強(qiáng)度提高近一倍,但塑性并未改善。這是由于高熵合金顆粒與基體之間形成了互擴(kuò)散層,微裂紋可以在互擴(kuò)散層中穩(wěn)定擴(kuò)展,顯著增加了斷裂表面能,因此強(qiáng)度顯著提高。但承載過(guò)程中高熵顆粒與互擴(kuò)散層不能協(xié)同變形,斷裂只發(fā)生在脆性的基體和互擴(kuò)散層中,因此塑性較差。結(jié)合Al塑性極佳的特點(diǎn),通過(guò)先制備“Al包埋Al基非晶合金”復(fù)合結(jié)構(gòu)粉末,然后利用SPS技術(shù)制備Al基非晶-Al合金復(fù)合材料。復(fù)合材料可兼具高強(qiáng)度和良好延展性的特點(diǎn),這是由于此復(fù)合材料具有“納米晶+微米晶+非晶/納米晶”結(jié)構(gòu),在變形過(guò)程中大尺寸納米晶與微米晶可以協(xié)同變形,而且具有高加工硬化能力的大尺寸納米晶區(qū)與非晶/納米晶區(qū)之間的強(qiáng)度差迅速減小,從而促進(jìn)基體內(nèi)部應(yīng)力分布更為均勻,抑制了塑性失穩(wěn)的出現(xiàn)和擴(kuò)展,因此復(fù)合材料在保持高強(qiáng)度的同時(shí)具有較好的均勻變形能力。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類(lèi)】：TG139.8;TB33
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 非晶合金
        1.2.1 非晶合金的發(fā)展
        1.2.2 非晶合金的結(jié)構(gòu)和性能
    1.3 Al基非晶合金
    1.4 粉末冶金制備大塊Al基非晶合金
        1.4.1 Al基非晶合金粉末的制備
        1.4.2 放電等離子燒結(jié)
        1.4.3 放電等離子燒結(jié)制備Al基非晶合金
    1.5 本論文的研究意義和主要內(nèi)容
    參考文獻(xiàn)
第2章 實(shí)驗(yàn)方法
    2.1 樣品制備
        2.1.1 Al基非晶合金粉末
        2.1.2 Al基非晶合金及其復(fù)合材料
    2.2 結(jié)構(gòu)分析和表征
        2.2.1 物相分析
        2.2.2 微觀形貌
        2.2.3 微觀結(jié)構(gòu)
        2.2.4 熱穩(wěn)定性分析
    2.3 性能測(cè)試
        2.3.1 體積密度
        2.3.2 顯微硬度
        2.3.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能
        2.3.4 納米壓痕
    參考文獻(xiàn)
第3章 機(jī)械合金化制備Al基非晶合金粉末
    3.1 引言
    3.2 合金成分設(shè)計(jì)
        3.2.1 合金成分確定
        3.2.2 合金成分微調(diào)
    3.3 非晶化過(guò)程
    3.4 非晶合金粉末的性能表征
        3.4.1 熱穩(wěn)定性
        3.4.2 晶化行為
    3.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第4章 放電等離子燒結(jié)制備Al基非晶合金
    4.1 引言
    4.2 燒結(jié)工藝
        4.2.1 燒結(jié)工藝參數(shù)對(duì)樣品性能的影響
        4.2.2 燒結(jié)工藝流程
    4.3 組織結(jié)構(gòu)
        4.3.1 物相和微觀組織結(jié)構(gòu)
        4.3.2 燒結(jié)過(guò)程
    4.4 力學(xué)行為
        4.4.1 彈性模量和硬度
        4.4.2 壓縮性能
        4.4.3 變形特征
    4.5 粉末的熱穩(wěn)定性的對(duì)燒結(jié)過(guò)程的影響
        4.5.1 熱處理-球磨對(duì)非晶粉末熱穩(wěn)定性的影響
        4.5.2 高熱穩(wěn)定性粉末的燒結(jié)行為
    4.6 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第5章 Al基非晶-高熵合金復(fù)合材料的研究
    5.1 引言
    5.2 Al基非晶-高熵合金復(fù)合材料的制備
        5.2.1 高熵合金顆粒的性能
        5.2.2 燒結(jié)工藝參數(shù)
    5.3 組織結(jié)構(gòu)
        5.3.1 物相組成
        5.3.2 微觀組織結(jié)構(gòu)
        5.3.3 燒結(jié)過(guò)程
    5.4 力學(xué)行為
        5.4.1 強(qiáng)度
        5.4.2 變形特征
    5.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第6章 Al基非晶-Al合金復(fù)合材料的研究
    6.1 引言
    6.2 直接添加法制備復(fù)合材料
        6.2.1 復(fù)合材料的制備
        6.2.2 物相組成
        6.2.3 組織結(jié)構(gòu)
        6.2.4 力學(xué)行為
    6.3 球磨法制備復(fù)合材料
        6.3.1 復(fù)合粉末的制備和燒結(jié)
        6.3.2 物相組成
        6.3.4 組織結(jié)構(gòu)
        6.3.5 力學(xué)行為
    6.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
主要結(jié)論和展望
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單
    學(xué)術(shù)論文
    發(fā)明專(zhuān)利
致謝

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