【摘要】：塊體非晶合金是同時具有金屬鍵和類似無機玻璃原子排列結構的新型結構材料,具有優(yōu)異的機械、物理和化學性能,在軍工和微型精密器件等領域已有廣泛應用。然而室溫塑性差和難成形是塊體非晶合金長期存在兩個主要問題。為提高非晶合金的塑性,本文以原子比為Ti32.8Zr30.2Be22.7Cu9Ni5.3(ZT3)的塊體非晶合金為研究對象,分別通過自由體積理論和偽三元相圖,設計具有大塑性、大尺寸的完全非晶態(tài)合金和體心立方塑性相原位內生的非晶合金復合材料。通過固溶強化和熱壓等方法改變基體內樹枝晶的強化效果,達到提高Ti Zr基非晶復合材料協(xié)調變形能力的目的。為解決成形性的問題,首先研究Ti Zr基非晶復合材料的熱機械性能以及變形前后組織形貌,為超塑性成形做理論準備。然后以原子比為Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(VitreloyTM1)的經典Zr基塊體非晶為研究對象,在自行設計裝置內測試其鑄造流動性,同時建立相關的數學模型進行驗證,利用優(yōu)化參數進行Zr基塊體非晶合金重力澆鑄實驗。通過添加Nb和Fe等與ZT3基體組元成正混合熱金屬元素,(ZT30.9)Nb10的最大強度和塑性變形分別提高到2080 MPa和8.3%,同時采用DSC觀察自由體積(FV)的變化,發(fā)現FV含量明顯增多。通過成分調控,得出成分為Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10的非晶復合材料,其具有2150 MPa最大壓縮強度和12%塑性變形量。TEM發(fā)現變形過程中樹枝晶內存在嚴重的晶格扭曲和堆垛的位錯以及界面處存在的局部剪切流變。同時探討了冷速對Ti Zr基非晶合金復合材料組織性能的影響,發(fā)現隨著冷卻速率降低,樹枝晶明顯長大、團聚,伴隨其屈服強度快速下降,表明樹枝晶在非晶基體內的尺寸和形貌對整體性能起著決定性的作用。通過添加α-Ti相穩(wěn)定元素鋁和氧分別對Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10成分調整。當Al添加量為6.2 at.%時,材料Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb3.8Al6.2再次發(fā)生非晶化。隨著Al含量不斷提高以及Ti Zr比例調整,材料顯微組織變化明顯:邊緣處由微型樹枝晶轉變成大塊等軸晶,再到柱狀晶;而中心處則由微型樹枝晶變成大塊且團聚的等軸晶。當Ti50.8Zr16.8Cu6.2Be6.8Al15.6Nb3.8鑄態(tài)直徑為6 mm時,密排六方結構(hcp)的α-Ti晶體相析出。另外,氧以Zr O2的形式添加時析出相發(fā)生明顯球化現象,且隨著添加量提高顆粒明顯變大。當Zr O2添加量為1.0 wt.%,材料的變形模式由原來的第二相強化轉變?yōu)榛w強化為主導,材料的最大拉伸強度由1691 MPa提高到1800 MPa。通過β-Ti相穩(wěn)定元素Ta對Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10內樹枝晶優(yōu)化,當Ta體積分數添加量0.0 8.0(標定為Ta0.0 Ta8.0)時,樹枝晶的硬度隨著固溶強化程度的提高而不斷提高,在壓縮時加工硬化明顯。其中拉伸時Ta0.5合金的最大強度為1680 MPa,塑性變形量為10.2%。對鑄態(tài)非晶基體和樹枝晶界面處高分辨圖像做反傅里葉變換發(fā)現樹枝晶內晶格扭曲和位錯密度明顯增多,因此強化后的樹枝晶能夠有效的阻礙剪切帶的擴展,并促使其分叉、增殖,產生多重剪切帶交割。另外,在Gleeble3500對Ta0.5合金做熱機械性能試驗發(fā)現,在溫度為315℃,應變速率為0.001/s時,其變形過程為均勻變形,因此熱壓成型有望成為其制備零件的理想成形方式。通過測試VitreloyTM1非晶合金的鑄造流動性,發(fā)現溫度從850°C到950°C時,氣體壓力從0.025 MPa到0.030 MPa時,充型過程平穩(wěn)。流動長度隨著吸鑄溫度、壓力的增加而單調遞增,隨著澆道直徑的增加而成冪指數形式增長。根據傳熱守恒定律和流體力學Rayleigh法則建立Zr基非晶合金流動長度方程與實測值相吻合。以優(yōu)化的流動性參數為指導確定重力澆鑄時的溫度參數,成功制備大尺寸的非晶合金棒材和輪廓清晰完整的奧運圖標樣品。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG139.8

【參考文獻】

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1 呂政;任學平;盧成壯;;動能穿甲彈用鎢合金絕熱剪切帶的研究進展[J];兵器材料科學與工程;2014年06期

本文編號：2786564