铁基宽过冷液相区非晶合金的机械合金化制备研究

摘要

块体非晶合金具有高强度、高硬度等一系列优异性能，相关研究具有重要的科学意义和巨大的潜在应用价值。目前，块体非晶合金制备多采用快速凝固法，采用机械合金化制备多组元、宽过冷液相区的块体非晶合金将有助于丰富非晶合金制备手段、对比揭示制备方法对非晶形成的影响等问题，同时也使得机械合金化法制备非晶合金的研究从目前主要集中于二元或三元合金体系拓宽至多元体系，丰富了对多组元非晶合金在机械合金化条件下转变行为的认识。
　　本文通过分析现有各成分快速凝固铁基块体非晶合金的玻璃形成能力与成分关系特征、计算了各成分的混合焓与形成焓并分析了与玻璃形成能力的关系，结合机械合金化实验条件特征设计选取了Fe-B-Si-Mo为实验合金主要成分体系。研究了行星球磨与振动球磨两种高能球磨方式、球磨时间、干湿磨条件、合金元素Ni等对机械合金化Fe-B-Si-Mo非晶合金的影响，采用差热分析等手段研究了所制备合金的热稳定性，采用所制备铁基非晶合金粉末在45钢表面实现了电子束熔覆，对涂层的组织性能等进行了研究。
　　研究结果表明:行星球磨和振动球磨均可制备出宽过冷液相区铁基非晶合金，非晶合金的形成过程可以描述为合金元素由易到难按B→Si→Mo逐渐固溶进Fe中形成固溶体，同时固溶体晶粒不断细化，最终形成非晶合金。其中行星球磨30h后Fe72B19.2Si4.8Mo4粉末晶粒尺寸已下降至10nm左右，球磨100h后已形成完全非晶，最终制备出的非晶合金其玻璃转变温度Tg=513℃，晶化温度Tx=585℃，过冷液相区宽度△Tx=72℃。同体系合金振动球磨球磨6h后晶粒尺寸下降至26nm，20h后粉末晶粒尺寸已降至12nm，80h后已形成完全非晶，对应非晶合金的Tg=555℃，Tx=588℃，△Tx=33℃;行星球磨干湿磨条件对机械合金化过程有影响，湿磨有利于粉末的细化，干磨有利于非晶的形成;对使用Ni替换部分Fe的Fe43.2Ni28.8B19.2Si4.8Mo4合金粉末行星球磨，球磨200h后已形成完全非晶合金，其Tg=511℃，Tx=579℃，△Tx=68℃;对行星球磨和振动球磨制备的Fe72819.2Si4.8Mo4非晶合金进行的差热分析发现其均具有明显的动力学效应，按Tg和Tx随加热速率变化的Kissinger及Losocka方程可以计算得到行星球磨制备的非晶合金其玻璃转变和非晶晶化的表观激活能分别为:Eg=281.5kJ/mol、Ex=253.6kJ/mol，Kauzmann温度Tk=552K。对于振动球磨制备的非晶合金，对应的参量为Eg=303.8kJ/mol、Ex=288.6kJ/mol、Tk=575K。
　　电子束熔敷实验说明机械合金化所制备的非晶粉末可以作为熔敷原料使用，在实验条件下，熔敷层组织为晶体相，具有典型的凝固枝晶组织特征，熔敷层由基体向外可分为过渡区和熔敷区，其中过渡区枝晶平均大小约为27μm，熔敷区枝晶平均大小约为10μm，熔敷区显微硬度约为700HV，过渡区则约为550HV，均远高于基体的200HV，对熔敷层进行了摩擦磨损试验，摩擦对偶件为440C钢球时熔敷层摩擦系数为0.75，高于基体的0.5，但磨损20min后熔敷层磨损体积为5612kμm3，远低于基体的9208kμm3，基体磨痕的表面形貌为正常的塑变、犁沟等特征，熔敷层则具有类似“抛光”的特征，MA非晶粉末熔敷使45钢耐磨性大大提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 非晶合金概述

1．2 非晶合金的性能

1．2．1 磁性能

1．2．2 腐蚀性能

1．2．3 机械性能

1．3 非晶合金的制备方法

1．3．1 快速凝固法

1．3．2 机械法

1．4 机械合金化设备以及工艺参数

1．4．1 行星球磨机

1．4．2 振动球磨机

1．4．3 球磨工艺参数

1．5 非晶形成能力的表征和预测

1．5．1 非晶形成能力的表征

1．5．2 玻璃形成能力理论预测

1．6 机械合金化非晶转变机理

1．6．1 机械破碎模型

1．6．2 间接转变理论

1．6．3 固态反应非晶化(SSAR)机制

1．7 本课题的研究内容和意义

2 实验方案及测试方法

2．1 实验原料

2．2 实验设备及其工艺参数选择

2．3 实验方法

2．4 实验结果分析和表征

2．4．1 X射线衍射分析(XRD)

2．4．2 热分析(DSC／TG)

2．4．3 扫描电镜分析(SEM)

2．4．4 金相显微分析

2．4．5 硬度分析

2．4．6 摩擦磨损性能分析

3 机械合金化制备Fe-B-Si-Mo非晶合金

3．1 合金体系的选择

3．1．1 玻璃形成能力的相关性计算

3．1．2 混合焓和形成焓的计算

3．1．3 结果分析及合金系的选定

3．2 干湿磨条件对行星球磨致非晶化的影响

3．2．1 微观结构分析

3．2．2 粉末形貌分析

3．3 行星球磨制备Fe-Si-B-Mo非晶合金

3．2．1 球磨时间对Fe-si-B-Mo合金微观结构的影响

3．2．2 Ni的添加对Fe-Si-B-Mo合金非晶化的影响

3．3 振动球磨制备Fe-Si-B-Mo非晶合金

3．3．1 振动球磨时间对微观结构的影响

3．3．2 SEM粉末形貌分析

3．4 本章小结

4 Fe-B-Si-Mo非晶合金的晶化行为研究

4．1 行星球磨Fe-B-Si-Mo非晶的晶化行为研究

4．1．1 行星球磨Fe-B-Si-Mo的热稳定性

4．1．2 行星球磨Fe-B-Si-Mo非晶晶化的Kissinger方程

4．1．3 行星球磨Fe-B-Si-Mo非晶晶化的Losocka方程

4．2 振动球磨Fe-B-Si-Mo非晶的晶化行为研究

4．2．1 振动球磨Fe-B-Si-Mo非晶的热稳定性

4．2．2 振动球磨Fe-B-Si-Mo非晶的晶化动力学分析

4．3 本章小结

5 Fe-Si-B-Mo非晶粉末应用初探

5．1 熔敷样品制备

5．2 表面形貌与结构分析

5．2．1 微观形貌分析

5．3．2 组织成分及结构分析

5．3 力学性能分析

5．3．1 硬度分析

5．3．2 摩擦磨损性能分析

5．4 本章小结

6 结论

7 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文与专利情况