放电等离子烧结制备TiNbCuNiAl块状合金的研究

摘要

大块金属玻璃及其相关的复合材料具有高强、高硬、耐磨、高弹、耐腐蚀等特性，作为一种新型的功能材料与工程材料，其在航空航天、军工、汽车、电子、仪器仪表、体育器材、医疗器材等领域具有广泛的应用前景。本课题组曾采用放电等离子烧结（spark plasma sintering，SPS）和非晶晶化法，成功地合成了强度高达2400 MPa的Ti66Nb13Cu8Ni6．8Al6．2超细晶复合材料。为了进一步丰富大块金属玻璃相关的复合材料的相关理论，使对该合金材料的制备方法及其性能特点有更为广泛的认识和了解，本论文根据Ti-Nb二元相图，Nb可以无限固溶于Ti，在前期合金成分的基础上增加组元Nb的含量，把合金成分设定为Ti66Nb18Cu6．4Ni6．1Al3．5，利用机械合金化（mechanical alloying，MA）和SPS固结合成含高Nb含量β-Ti（Nb）相的块状钛基合金材料，研究升温速率、保温时间、烧结温度等固结参数对块状合金的影响规律。
　　 通过MA，分别合成了Ti66Nb18Cu6．4Ni6．1Al3．5非晶粉末和纳米晶粉末。非晶粉末是在球磨60 h以后获得，在升温速率为40 K/min时，非晶粉末的玻璃转变温度、晶化温度、晶化峰值温度和熔化温度分别为750 K、830 K、847 K和1422 K，获得了宽达80 K的过冷液相区，表明其具有很强的玻璃转变能力。此外，非晶粉末的玻璃转变激活能、晶化激活能和晶化峰值激活能分别为172．9、266．5、291．1 kJ/mol。纳米晶粉末是在非晶粉末的基础上继续球磨，根据择优晶化原理，在球磨110 h以后获得，其主要晶化相为α-Ti，粉末颗粒尺寸约为4μm。
　　 通过SPS固结Ti66Nb18Cu6．4Ni6．1Al3．5非晶粉末合成块状钛基合金材料，所有块状试样的晶化相都由延性相β-Ti和脆性相（Cu，Ni）-Ti2构成。
　　 在过冷液相区固结成形时，块状试样的密度和显微硬度随着烧结温度的增大和保温时间的增加均呈上升趋势。其中，当烧结温度为813 K时，密度和显微硬度分别高达5．22g/cm3，7．29 GPa。当烧结温度为763 K，保温30 min时，密度高达5．28 g/cm3，显微硬度高达7．34 GPa。
　　 通过SPS在晶化温度以上固结Ti66Nb18Cu6．4Ni6．1Al3．5非晶粉末分别合成块状超细晶合金材料和细晶材料。所有块状试样的密度和显微硬度都随着升温速率的增大和保温时间的增加大致呈现锯齿状的变化模式。且显微硬度的变化趋势与脆性相的含量和相区尺寸有关，塑性应变则与其延性相的分布形态和含量有关。以267 K/min加热到1173 K固结成形时，块状超细晶合金的显微硬度高达5．54 GPa；以400 K/min加热到1173 K固结时，超细晶合金的屈服强度高达2317．5 MPa：以160 K/min加热到1173 K，保温5 min固结时，超细晶合金的塑性达4．8％。所有块状细晶合金的密度都很高，致密性很好。以100 K/min加热到1373 K固结成形时，塑性达2．5％。
　　 通过SPS固结Ti66Nb18Cu6．4Ni6．1Al3．5纳米晶粉末合成块状钛基纳米晶和细晶合金材料。所有块状试样的晶化相都由延性相β-Ti和脆性相（Cu， Ni）-Ti2构成，其密度和显微硬度随着不同的烧结参数具有相同的变化趋势。
　　 块状纳米晶合金材料的密度和显微硬度随着升温速率的减小和保温时间的增加均呈增大趋势。其中，以283 K/min加热到1173 K固结成形时，块状试样的密度高达5．90g/cm3，致密性很好，显微硬度高达7．44 GPa，根据Tabor's relationt[65]，H≈Cσy，屈服强度σy≈2．48 GPa。以160 K/min加热到1173 K并保温10min固结成形时，块状试样的密度高达5．90g/cm3，显微硬度高达7．63 GPa：保温20min时，断裂强度达2005．4 MPa。
　　 块状细晶合金材料的密度和显微硬度随着升温速率的增大呈现先减小后增大的变化趋势。其中，以250K/min升温到1373 K时，显微硬度高达7．20 GPa，断裂强度高达2027．6 MPa。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 金属玻璃

1.2 BMG及BMGCs的制备方法

1.2.1 粉末冶会法制备BMG及BMGCs的特点

1.2.2 粉末冶金法制备BMG及BMGCs的优越性

1.3 粉末冶金法制备BMG及BMGCs的原理

1.4 粉末冶金法制备BMG及BMGCs的研究进展

1.4.1 SPS

1.4.2 挤压

1.4.3 热压

1.4.4 扭转及其它成形方法

1.5 本论文的研究目的、意义和内容

1.5.1 研究目的和意义

1.5.2 研究内容

1.6 课题来源

第二章 机械合金化制备Ti66Nb18Cu6.4Ni6.1Al3.5合金粉末

2.1 试验方法

2.2 机械合金化制备Ti66Nb18Cu6.4Ni6.1Al3.5非晶粉末

2.2.1 XRD分析

2.2.2 SEM分析

2.2.3 DSC分析

2.3 机械合金化制备Ti66Nb18Cu6.4Ni6.1Al3.5纳米晶粉末

2.3.1 XRD分析

2.3.2 DSC分析

2.3.3 SEM分析

2.4 本章小结

第三章 SPS固结Ti66Nb18Cu6.4Ni6.1Al3.5非晶粉末合成块状钛基合金材料

3.1 试验方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 在过冷液相区固结成形

3.2.2 在晶化温度以上固结成形

3.3 本章小结

第四章 SPS固结Ti66Nb18Cu6.4Ni6.1Al3.5纳米晶复合材料粉末合成钛基纳米晶和细晶合金

4.1 试验方法

4.2 SPS固结合成块状纳米晶

4.2.1 升温速率的影响

4.2.2 保温时间的影响

4.3 SPS固结合成细晶

4.4 本章小结

全文结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢