块体金属玻璃的连续成形及其超塑性变形行为研究

摘要

块体金属玻璃(BMG)，也称为块体非晶合金，是一种在固态下具有短程有序而长程无序的原子排列结构方式的特殊合金，通常由现代快速凝固或近快速凝固的冶金工艺制备且具有玻璃态材料特性的新型合金材料。较之于结晶态的金属材料，块体金属玻璃材料具备着更优异的力学性能，物理性能与化学性能，以及很高的耐磨性，耐蚀性等特点。这些远超常规结晶态金属材料的特点使块体金属玻璃在结构材料领域及功能材料领域中展现出极大的应用潜力，并引起了国内外学者的诸多关注。但块体金属玻璃成形方法发展尚未成熟，依然普遍存在着成本过高，同时制备条件过于苛刻，且制备效率低，因此仅能满足小批量生产，很大程度上对块体金属玻璃的商业化应用与发展产生了限制。本研究室自主开发的的水平连续成形技术是一种将铸坯沿水平方向向外牵引连续成形的先进材料制备技术，较之于常规金属制备技术，此制备技术的制备过程具有连续化的典型特点，连续制备技术的应用可以有效提高块体金属玻璃制备的效率，同时降低其生产成本。因此，为实现块体金属玻璃的大规模工业化生产，块体金属玻璃的连续制备技术的研究和完善具有着非凡的研究价值。
　　本文关注点为块体金属玻璃的水平连续制备工艺参数的优化，尝试了块体金属玻璃连续制备更多的工艺参数。通过对块体金属玻璃连续制备过程中某些工艺参数的调节，实现块体金属玻璃材料连续制备技术的改进，并对不同工艺参数对块体金属玻璃在连续成形制备样品进行对比，以分析这些工艺参数的改变对样品所产生的影响。块状金属玻璃有着极高的强度与硬度，以及耐磨损等特性，这些特性也就决定了块体金属玻璃在室温下难于切削和变形，同时由于其宏观脆性的存在，室温加工几乎不可能进行。针对块体金属玻璃的这一特性，作为传统的金属加工技术的替代技术，以热塑成型为基础的加工方法在此可以得到应用。其原理是将金属加热至一个过冷态的温度范围内，在这个温度范围内，这些块状金属玻璃软化为粘性流体，可在一定压力下进行变形加工。因此本文中将会讨论在块状金属玻璃连铸样品成功制备后如何进行进一步的进行变形加工，并探讨其在小型设备中的应用前景。
　　本文选用锆基块体金属玻璃作为研究对象，锆基块体金属玻璃具有较高的玻璃形成能力及热稳定性，临界冷却速率可达到10 K/s，过冷液相区间宽度可达90 K以上。同时，锆基块体金属玻璃也具有出色的力学性能，其断裂强度可接近2 GPa，其弹性极限可接近2％，若作为结构材料或功能材料具有非常巨大的发展潜力。因此，本文通过Zr55Cu30Ni5Al10合金成分研究了石墨-水冷铜复合铸型结构以及冷却水量两种工艺参数对块体金属玻璃连续成形样品的结构及力学性能的影响。研究表明，改变石墨-水冷铜复合铸型结构或冷却水量等凝固条件则会获得不同显微结构与力学性能的合金样品。在保证其余工艺参数不变的条件下，随着石墨流道嵌入复合铸型的深度由5 mm增加到40mm，Zr55Cu30Ni5Al10合金样品的微观结构和力学性能都随之改变。而在另一组实验中，同样表明了在保证其余工艺参数不变的条件下，随着冷却水量由2 L/min增加到8 L/min，Zr55Cu30Ni5Al10合金样品的显微结构和力学性能同样随之改变。通过两方面的工艺优化过程，得出较为理想的工艺参数后，应用此工艺制备了(Cu47Zr45Al8)96Y4合金样品，而后经过显微分析与力学性能检测，样品除少量Y2O3颗粒外基本属于玻璃结构，室温断裂强度强度达1.58GPa，维氏显微硬度值为532HV。对Zr55Cu30Ni5Al10与(Cu47Zr45Al8)96Y4块体金属玻璃合金样品分别进行了剪切变形测试和压缩变形测试，并对不同变形条件下得到的应力-应变曲线以及变形效果进行了对比与分析。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 块体金属玻璃的发展及现状

1．1．1 块体金属玻璃的定义

1．1．2 块体金属玻璃的发展

1．2 金属玻璃的形成理论和影响因素

1．2．1 金属玻璃的形成机理

1．2．1 金属玻璃形成的影响因素

1．3 块体金属玻璃的性能

1．3．1 块体金属玻璃的弹性

1．3．2 块体金属玻璃的韧性

1．3．3 块体金属玻璃的硬度

1．3．4 块体金属玻璃的抗疲劳性能

1．3．5 块体金属玻璃的超塑性加工性能

1．4 块体金属玻璃的应用

1．4．1 精密机械

1．4．2 运动器材

1．4．3 航空航天

1．4．4 电子信息

1．4．5 生物医疗

1．5 块体金属玻璃的常规制备方法

1．5．1 水淬法(Water-quenching Method)

1．5．2 铜模喷铸法(Copper Mold Casting)

1．5．3 倾倒铸造法(tilt-Casting)

1．5．4 挤压铸造法(Squeeze Casting)

1．6 本文立题依据及主要内容

2 样品制备和分析方法

2．1 合金成分的选取和母合金制备过程

2．2 锆基块体金属玻璃的热物性参数与凝固特性

2．2．1 金属玻璃的热导率

2．2．2 金属玻璃的比热容

2．2．3 金属玻璃的凝固特性

2．3 真空水平压差连续成形装置及实验过程

2．3．1 炉体

2．3．2 内外嵌套式坩埚

2．3．3 石墨-水冷铜模复合铸型

2．3．4 动力牵引控制装置

2．4 块体金属玻璃水平连续成型工艺重要参数的制定

2．4．1 牵引模式及速度的制定

2．4．2 成形温度的制定

2．5 样品分析方法

2．5．1 样品显微结构分析方法

2．5．2 力学性能分析方法

3 块体金属玻璃连续制备工艺研究

3．1 引言

3．2 石墨-水冷铜复合铸型结构对块体金属玻璃的影响

3．2．1 石墨-水冷铜复合铸型结构对块体金属玻璃显微结构的影响

3．2．2 石墨-水冷铜复合铸型结构对块体金属玻璃力学性能的影响

3．3 冷却水量对块体金属玻璃的影响

3．3．1 冷却水量对块体金属玻璃显微结构的影响

3．3．2 冷却水量对块体金属玻璃力学性能的影响

3．4 含稀土钇(Y)成分的块体金属玻璃连续制备

3．4．1 含稀土钇(Y)成分的块体金属玻璃连续制备过程

3．4．2 含稀土钇(Y)成分的块体金属玻璃的显微结构

3．4．3 含稀土钇(Y)成分的块体金属玻璃的力学性能

3．5 本章小结

4 块体金属玻璃超塑性变形行为研究

4．1 块体金属玻璃超塑性剪切变形

4．1．1 超塑性剪切变形过程

4．1．2 超塑性剪切变形结果分析

4．2 块体金属玻璃超塑性压缩变形

4．2．1 超塑性压缩变形过程

4．2．2 超塑性压缩变形结果分析

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢