【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(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)材料,具有優(yōu)異的機械、物理和化學(xué)性能,在軍工和微型精密器件等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)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(shè)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(nèi)生的非晶合金復(fù)合材料。通過固溶強化和熱壓等方法改變基體內(nèi)樹枝晶的強化效果,達(dá)到提高Ti Zr基非晶復(fù)合材料協(xié)調(diào)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(fù)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(zhǔn)備。然后以原子比為Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(VitreloyTM1)的經(jīng)典Zr基塊體非晶為研究對象,在自行設(shè)計裝置內(nèi)測試其鑄造流動性,同時建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證,利用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)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(xiàn)FV含量明顯增多。通過成分調(diào)控,得出成分為Ti38.8Zr28.8Cu6.2Be16.2Nb10的非晶復(fù)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(xiàn)變形過程中樹枝晶內(nèi)存在嚴(yán)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(fù)合材料組織性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著冷卻速率降低,樹枝晶明顯長大、團(tuán)聚,伴隨其屈服強度快速下降,表明樹枝晶在非晶基體內(nèi)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(diào)整。當(dāng)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(diào)整,材料顯微組織變化明顯:邊緣處由微型樹枝晶轉(zhuǎn)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(tuán)聚的等軸晶。當(dāng)Ti50.8Zr16.8Cu6.2Be6.8Al15.6Nb3.8鑄態(tài)直徑為6 mm時,密排六方結(jié)構(gòu)(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(xiàn)象,且隨著添加量提高顆粒明顯變大。當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)榛w強化為主導(dǎo),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(nèi)樹枝晶優(yōu)化,當(dāng)Ta體積分?jǐn)?shù)添加量0.0 8.0(標(biāo)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(xiàn)樹枝晶內(nèi)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(kuò)展,并促使其分叉、增殖,產(chǎn)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(xiàn),在溫度為315℃,應(yīng)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(xiàn)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(diào)遞增,隨著澆道直徑的增加而成冪指數(shù)形式增長。根據(jù)傳熱守恒定律和流體力學(xué)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(shù)為指導(dǎo)確定重力澆鑄時的溫度參數(shù),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(biāo)樣品。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG139.8

【參考文獻(xiàn)】

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

本文編號：2786564