新型Mg基块体非晶合金的喷铸制备与力学性能研究

摘要

Mg基块体非晶合金由于其较大的玻璃形成能力和优异的力学性能，特别是其密度低、比强度高等特点，而被认为是一种具广阔应用前景的新型轻质结构材料，日益受到人们的重视和关注。本文以Mg基块体非晶合金为研究对象，采用铜模喷铸工艺成功地制备出直径为2mm的新型Mg-Li-Cu-Ni-Y、Mg-Cu-Ti-Y和Mg-Zn-Cu-Gd系块体非晶合金，利用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)和力学实验机等仪器设备对铸态合金试样的相结构、热力学性质、力学性能及断口形貌等进行了系统研究。主要结果如下：
　　 (1)XRD分析表明，Mg65LixCu20-xNi5Y10(x=0，2，4)、Mg60Cu30-xTixY10(x=3，5，8)和Mg65-xZnxCu25Gd10(x=0，3，5)合金试样均具有完全非晶态结构，Mg65Li6Cu14Ni5Y10、Mg60Cu20Ti10Y10和Mg57Zn8Cu25Gd10合金试样为非晶相和晶体相共同组成的非晶复合结构。通过进一步分析发现，其晶体相均以Mg2Cu相为主，由此可见，抑制合金熔体快速冷却过程中Mg2Cu相的析出成为获得上述具有完全非晶态结构的新型Mg基块体非晶合金的关键所在。
　　 (2)DSC测试结果表明，新型Mg-Li-Cu-Ni-Y、Mg-Cu-Ti-Y和Mg-Zn-Cu-Gd系块体非晶合金金均具有较高玻璃形成能力和热稳定性，但随合金中Li、Ti和Zn含量的增加，非晶合金的玻璃形成能力和热稳定性逐渐降低。其中，Li和Ti的增加均分别使Mg-Li-Cu-Ni-Y系和Mg-Cu-Ti-Y系非晶合金试样的玻璃转变温度Tg和初始晶化温度Tx降低，并且Tx降低幅度较Tg大，使过冷液相区宽度△Tx减小，表明非晶合金的玻璃形成能力逐渐下降，其原因可能与元素Li和Ti与相应合金组元间的混合热为正有关(Li-Mg：0kJ/mol；Li-Y：+8kJ/mol；Li-Ni：+1kJ/mol；Ti-Mg：+16kJ/mol；Ti-Y：+15kJ/mol)；而Zn的增加则使Mg-Cu-Zn-Gd系块体非晶合金的Tg升高、Tx降低，导致△Tx大幅度减小，表明非晶合金的玻璃形成能力明显下降。
　　 (3)力学性能研究发现，新型Mg-Li-Cu-Ni-Y、Mg-Cu-Ti-Y和Mg-Zn-Cu-Gd系块体非晶合金均具有高的压缩断裂强度(Sf)、大的弹性应变(ee)、高的显微硬度(Hv)和低的弹性模量(E)。其中，Mg65Li2Cu18Ni5Y10非晶合金试样的Sf、ee、Hv和E分别为729MPa、2.28％、253和36GPa；Mg60Cu27Ti3Y10非晶合金试样的Sf、ee、Hv和E分别为879MPa、3.04％、347和34GPa；Mg60Zn5Cu25Gd10非晶合金试样的Sf、ee、Hv和E分别为754MPa、3.07％、286和32GPa。不难看出，相较而言金属Ti作为一种增强元素可以在较高程度上提高Mg基非晶合金的力学性能。
　　 (4)SEM断口形貌分析表明，新型Mg-Li-Cu-Ni-Y、Mg-Cu-Ti-Y和Mg-Zn-Cu-Gd系块体非晶合金的断裂形式与其他典型块体非晶合金一样，仍大都是以剪切断裂模式为主导的脆性断裂。因此，提高塑性依然是Mg基非晶合金将来研究的重点之一。