区域熔炼法制备高强高韧CuZr基非晶复合材料

摘要

块体非晶合金具有很好的玻璃形成能力，而且强度高、弹性极限大（约2％）以及较好的耐磨性，受到人们的广泛关注。但是，块体非晶合金由于其无序的结构导致其室温塑性差，严重限制了其作为结构材料的应用。近年来，在CuZr基块体非晶合金中引入具有形状记忆的B2CuZr软相，通过“相变诱导塑性效应”可以效地提高CuZr基块体非晶合金的室温塑性，其室温塑性与B2CuZr相的颗粒大小、体积分数、分布情况以及粒子间距等因素紧密联系。本论文利用高真空电弧焊接设备与高真空中功率电子束焊机对CuZr基块体非晶合金板材进行快速加热与快速冷却的方式进行区域熔炼，通过控输入参数可以人为控制B2CuZr相的体积分数以及空间分布情况。
　　首先，利用真空电弧焊机区域熔炼CuZr基块体非晶合金：利用高真空电弧熔炼-吸铸炉制备出CuZr基块体非晶合金板材，采用定制的电弧坞极对非晶合金板材进行区域熔炼。通过控制输入功率（317±57W，422±58W，604±124W）和改变电弧与样品板材之间的距离(1-2mm，2-4mm)可以诱发B2CuZr相的生成，再经快速冷却可以使B2CuZr相在室温下得到保留。通过控制输入电流的大小以及电弧与样品板材之间的距离可以控制B2CuZr相的大小，改变坞极熔炼的位置可以控制B2CuZr相的空间分布。当B2CuZr相的体积分数以及空间分布得到很好地控制时，制备的CuZr基块体非晶复合材料的屈服强度可达到1700±10MPa，相应的室温压缩塑性应变大于14％。SEM形貌测试发现，在变形过程初始阶段，B2CuZr相发生了马氏体相变，随后在B2CuZr相的界面处开始萌生多重剪切带;随着应变的进一步增加，孪晶化的马氏体和多重剪切带得到进一步增殖，从而诱发较大的室温塑性。尽管电弧区域熔炼可以达到人为控制B2CuZr相的体积分数和空间分布状况的效果，但是在区域熔炼的过程中，输入功率难以做到精确地控制，重复度相对较差，不利于后续复合材料的开发。
　　为了寻求能量束更加集中，输入参数能够得到精确控制，我们采用了高真空中功率电子束焊机对CuZr基块体非晶合金进行区域熔炼，电子束区域熔的方式分为点扫描、线扫描和面扫描三种，通过控制束流大小、扫描时间、扫描速度以及扫描位置等参数，可以更加精确地控制B2CuZr相的体积分数以及空间分布状况，从而制备出人为可控B2CuZr相的CuZr基非晶复合材料。
　　(1)采用点扫描方式时，束流大小为0.6mA-0.9mA，时间为2s，随着束流的增大，局部区域熔炼的区域面积也随之增大，主要包含熔化区域、热影响区和基体部分。熔化区域随着束流的增加其结构由含有其它大量金属间化合物的B2CuZr晶体相，转变为接近纯B2CuZr晶体相，甚至伴随少量的非晶相出现。热影响区域主要包含B2CuZr晶体相、非晶相和少量其它金属间化合物。由于此区域属于被动加热区域而不是熔化区域，晶体相的产生主要是来自于非晶合金在快速加热和冷却过程中的晶化产物。对于非晶基体区域来讲，由于受电子束能量的影响较小仍处于非晶态。(2)采用线扫描方式时，束流大小为1.4-1.9mA，扫描速率为1000mm/min，随着束流的增大，区域熔炼部位晶体相的含量随之增加。区域熔炼后熔化区域因冷却速率较快而形成非晶态，热影响区域以B2CuZr相为主并伴有非晶相以及其它少量金属间化合物。(3)采用面扫描方式时，束流大小为4.0-5.5mA，扫描速率为1000mm/min，区域熔炼后不同区域的结构跟采用线扫描方式区域熔炼后的样品结构相类似。
　　其中，当线扫描束流大小为1.4mA时，样品的拉伸屈服强度约为1450MPa，室温拉伸塑性约为2％;当面扫描束流大小为4.0mA时，样品的拉伸屈服强度约为1730MPa，室温塑性约为0.8％。同时，随着束流参数的增大，样品中晶体相的含量也随之增多，拉伸屈服强度降低，但是室温拉伸塑性增加。因此适当的控制束流参数可以有效地使B2CuZr相的体积分数以及空间分布状况达到最佳状态，从而获得具有拉伸塑性的非晶复合材料。

目录

声明

摘要

1．1 非晶合金的发展史

1．2 块体非晶合金的力学性能

1．3 块体非晶复合材料

1．3．1 外生法制备非晶复合材料

1．3．2 内生法制备非晶复合材料

1．4 CuZr基块体非晶复合材料及其力学性能

1．4．1 B2 CuZr相

1．4．2 相变诱导塑性效应

1．4．3 影响B2 CuZr相的因素

1．5 本文的研究内容与意义

第二章 实验方法

2．1 实验原料和试剂

2．2 实验设备和仪器

2．2．1 实验设备工作原理

2．2．2 Cu47Zr47Al6非晶复合材料样品制备

2．3 结构表征设备及其原理

第三章 电弧区域熔炼法制备CuZr基非晶复合材料

3．1 引言

3．2 实验方法及样品表征

3．2．1 样品的制备

3．2．2 样品的表征

3．3 区域熔炼前后微观结构分析

3．4 区域熔炼过程中B2 CuZr相形成机制

3．5 区域熔炼制备CuZr基非晶复合材料的机械性能

3．5．1 纳米压痕与杨氏模量分析

3．5．2 压缩实验力学性能分析

3．5．3 压缩断裂后样品形貌分析

3．6 本章小结

第四章 电子束区域熔炼法制备CuZr基非晶复合材料微观形貌分析

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．3 Cu47Zr47Al6非晶复合材料的表征

4．3．1 电子束点扫描区域熔炼后局部组织形貌分析

4．3．2 电子束线扫描区域熔炼后局部组织形貌分析

4．3．3 电子束面扫描区域熔炼后局部组织形貌分析

4．3 本章小结

第五章 电子束区域熔炼制备非晶复合材料的力学性能

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．3 Cu47Zr47Al6非晶复合材料力学性能表征

5．3．1 维氏硬度测试

5．3．2 Cu47Zr47Al6非晶复合材料的拉伸力学性能

5．4 拉伸断裂后样品的微观形貌SEM分析

5．4．1 Cu47Zr47Al6非晶合金拉伸断裂后样品SEM分析

5．4．2 点扫描区域熔炼样品拉伸断裂后SEM形貌分析

5．4．3 线扫描区域熔炼样品拉伸断裂后SEM形貌分析

5．4．4 面扫描区域熔炼样品拉伸断裂后SEM形貌分析

5．5 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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