Cu-ZR-Al非晶合金性能分析及其板材连铸技术研究

摘要

非晶合金具有独特的原子排列方式，因此具有多种优异的性能，如高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性及耐磨能力、优异的磁性能和生物相容性。但是块体非晶合金受临界尺寸及制备工艺的制约，一直未能在工业上广泛应用。
　　本文采用自主设计的铜模制备非晶合金多种形状非晶合金，利用X射线衍射仪、扫描电镜、DSC和DTA等设备及分析手段，研究了三种成分的Cu-Zr-Al三元非晶合金各项性能（热稳定性、硬度、耐腐蚀能力、耐摩擦磨损性能、细胞附着能力）。然后设计和制造了双室真空水平连铸设备，并使用该设备水平连铸纯铝板材对非晶合金板材连铸工艺进行初步探索。
　　本文在对Cu40Zr50Al10、 Cu47Zr45Al8和Cu50Zr42Al8三种非晶合金热稳定性研究时，发现其都具有较大的过冷液相区间(＞70K)，具有很好的热稳定性。在硬度测试实验中发现Cu40Zr50Al10、Cu47Zr45Al8和Cu50Zr42Al8三种非晶合金均具有较高的硬度(＞570HV)，并且发现随Cu元素含量增加，非晶合金硬度增大。在电化学腐蚀实验中发现Cu50Zr42Al8非晶合金在3.5％的NaCl溶液和0.5 mol/L的H2SO4溶液中自腐蚀倾向最小，并且三种非晶合金都有优异的耐腐蚀能力，根据实验结果可知随Cu元素含量增加，非晶合金耐腐蚀性能增强。在Cu40Zr50Al10、 Cu47Zr45Al8和Cu50Zr42Al8非晶合金与Ti6Al4V摩擦磨损对比实验中，发现非晶合金耐磨能力要优于Ti6Al4V，其中Cu50Zr42Al8的耐磨能力最佳。还发现非晶合金随摩擦时间增长，摩擦机制由氧化磨损变为磨粒磨损;随着成分中Cu元素含量增加，非晶合金耐磨能力增强，与硬度随Cu含量变化趋势一致。细胞附着实验结果显示Cu40Zr50Al10非晶合金较另两种非晶合金具有较好的生物相容性，并得出增加Zr元素含量可以优化非晶合金生物相容性的结论。
　　本文设计并制造了双室真空水平连铸设备，并使用其进行了非晶合金板材连铸工艺的初步探索。在对纯铝板材连铸时发现拉坯速度不能过大，拉坯速度过大影响板坯表面质量;双室压差对金属液充型有积极影响，有利于提高板坯表面质量;浇铸温度过高会对板坯表面质量产生不良影响。实验结果还显示，连铸后的铝板材铝含量为99.9319％高于原料的99.8564％，这说明连续铸造方式制备纯铝板材有利于提高产品中铝含量。本文最后利用纯铝板材连铸所探得的工艺，对Cu40Zr50Al10合金进行了板材连铸，制备出表面质量良好，尺寸达到50mm×6mm×300mm的Cu40Zr50Al10合金板材。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 非晶合金简述及其发展历史

1．2 非晶合金的性能与应用

1．2．1 非晶合金的性能

1．2．2 非晶合金的应用

1．3 铜基非晶合金的发展及研究现状

1．4 块体非晶合金作为生物医用材料研究现状

1．5 块体非晶制备方法

1．5．1 直接凝固法

1．5．2 连续制备法

1．6 本论文主要研究内容及其意义

2 实验方法

2．1 合金元素及配料

2．1．1 合金元素

2．1．2 元素配料

2．2 样品制备

2．2．1 母合金制备

2．2．2 条带样品的制备

2．2．3 棒状样品的制备

2．3 性能测定

2．3．1 热力学行为测定

2．3．2 维氏硬度测量

2．3．3 摩擦磨损性能测定

2．3．4 耐腐蚀性能测定

2．3．5 生物相容性测定

2．4 样品表征

2．4．1 结构表征

2．4．2 形貌及组织观察

2．5 实验流程

3 块体非晶合金的制备及性能研究

3．1 非晶合金成分选择

3．2 非晶合金的热力学分析

3．3 非晶合金的制备及结构

3．4 非晶合金的硬度测试

3．5 非晶合金的耐腐蚀测试

3．6 非晶合金摩擦磨损实验

3．6．1 摩擦磨损实验结果分析

3．6．2 试样磨损形貌分析

3．7 Cu-Zr-Al非晶合金的生物相容性

3．8 小结

4 块体非晶合金板材连铸技术初探

4．1 非晶板材连续铸造装置设计

4．1．1 熔炼系统及拉坯系统设计

4．1．2 结晶器设计

4．1．3 电磁线圈设计

4．1．4 保温坩埚设计

4．2 纯铝板材连铸

4．2．1 前言

4．2．2 纯铝板材水平连铸实验方法

4．2．3 纯铝板材水平连铸试样分析

4．2．4 连铸对铝含量影响

4．3 非晶合金板材水平连铸工艺初探

4．3．1 非晶合金板材水平水平实验方法

4．3．2 Cu40Zr50Al10合金板材表面质量

4．4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢