Al-Ni-La合金熔体结构演变规律及其对凝固组织的影响

摘要

本实验通过电阻率实验、液态XRD测试以及黏度实验对Al-Ni-La合金熔体结构及其随温度和成分的变化规律进行了研究，探讨了温度诱导的结构转变现象;通过单辊旋淬设备在不同熔体状态下制备出Al-Ni-La快凝合金和非晶合金，通过XRD、SEM、DSC、电化学腐蚀和硬度测试分析表征了这些合金的结构和性能，探讨熔体结构对凝固组织的影响并从快凝合金和非晶合金角度来反映熔体结构及其变化。
　　在四次升降温过程中，Al100-xNix(x=0，2，2.7，5)合金和Al100-xLax(x=2，3，5)合金熔体电阻率随着温度的升高而升高，它们的温-阻曲线都先后呈现出线性和非线性变化，该变化的温度转折点随着成分中Ni含量和La含量的增加而增大，Al-Ni合金为850～950℃之间，Al-La合金为880～960℃之间。Al-Ni合金熔体结构中出现了一些可逆的结构变化和不可逆的结构变化，降温过程中的电阻率比升温过程高;而Al-La合金中升降温过程的电阻率没有明显差异，也没有观测到不可逆的结构转变现象。此外，Al-Ni合金和Al-La合金的电阻率都随着各自成分中Ni含量和La含量的增加而变大，该变化关系同样是非线性的。
　　在熔体过热处理至800℃铜辊转速2500rpm条件下，制备的Al100-xNix(x=2，2.7，5)快凝合金和Al100-xLax(x=2，3，5)快凝合金中即含有非晶结构。熔体处理改善了Al-Ni合金和Al-La合金的结构，提高了它们的耐腐蚀性和硬度。该合金各性能的随制备温度的升高而增强，且它们随温度的变化呈现出非线性的关系，分别在在850～950℃和880～980℃之间有明显的变化，验证了熔体电阻率实验的结论。
　　在熔体温度1020℃铜辊转速2000rpm条件下即可制备得到Al84Ni10La6非晶合金，其结构均匀而致密。熔体过热处理改善了非晶合金的结构，提高了其非晶形成能力、热稳定性、耐腐蚀性和硬度。非晶合金性能的随制备温度的变化呈非线性的关系，在1220℃～1280℃之间有明显的增加，反映了该体系熔体结构随温度的变化也是非线性的，某种液液结构转变在该温度区间内发生。
　　Al-Ni-La合金的结构从晶体状态、非晶状态到熔体状态其无序度依次增加，它们的结构参数最近邻原子距离和配位数也逐渐变大。该体系非晶结构与熔体结构是很近似的，而在熔点附近晶体结构和熔体结构也是相似的。本实验在104～105K/S冷却速率下将不同状态合金熔体的部分特征迅速“冻结”在固态组织中，以从快凝合金和非晶合金的角度来探究相应的熔体结构，实验证明该方法是可行的。
　　本实验根据XRD实验测试并计算得到Al-Ni合金熔体的结构因子和径向分布函数，进一步计算了其在选取温度下的最近邻原子间距、配位数和相关半径等参数的值。同时，基于该实验得到的结构因子和双体分布函数，本实验根据Faber-Ziman理论和Born-Green理论，分别采用近自由电子近似和赝势以及L-J势等结构模型计算了Al-Ni合金的电阻率和黏度，理论值与实验值有一定差别，整体趋势符合较好。
　　Al-Ni-La体系合金熔体XRD实验、电阻率实验、黏度试验与快凝合金XRD、SEM、DSC、电化学腐蚀、硬度实验这两方面的结论相互验证;同时，电阻率实验和黏度实验的理论计算值与实验值也在相当程度上相互吻合。基于这些相互印证的结果，本实验综合各方面的信息，探讨了温度诱导的液-液结构相变现象，研究比较了非晶态和熔体这两种无序态的区别与联系，描述了Al-Ni-La体系合金熔体结构及其随温度的演变规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 金属熔体结构

1．1．1 当前熔体结构研究的主要方法

1．1．2 熔体结构主要的理论和模型

1．2 Al-Ni-La体系合金的特性及应用

1．3 Al-Ni-La体系合金熔体结构的研究

1．3．1 直接观测法

1．3．2 间接观察法

1．3．3 计算机模拟技术

1．4 Al-Ni-La体系非晶合金的研究进展

1．5 本文的研究目的及意义

1．5．1 当前研究中存在的问题及困境

1．5．2 课题的提出

第二章 实验方案设计与研究方法

2．1 实验方案及技术路线

2．1．1 研究内容及方案

2．1．2 研究技术路线

2．2 Al-Ni-La合金体系熔体实验部分

2．2．1 高温液态X射线衍射实验

2．2．2 高温熔体电阻率实验

2．2．3 熔体黏度测量实验

2．3 Al-Ni-La合金体系快凝合金实验部分

2．3．1 快凝合金及非晶合金制备

2．3．2 合金结构与形貌表征

2．3．3 热分析测试方法

2．3．4 耐腐蚀性测试方法

2．3．5 维氏硬度测试方法

第三章 基于电子输运特性的Al-Ni-La体系合金熔体结构研究

3．1 Al-Ni-La体系合金液态结构随温度的变化

3．1．1 Al-Ni体系合金熔体

3．1．2 Al-La体系合金熔体

3．2 Al-Ni-La体系合金液态结构随成分的变化

3．2．1 Al-Ni体系合金熔体

3．2．2 Al-La体系合金熔体

3．3 本章小结

第四章 熔体结构对Al-Ni-La体系快凝合金及非晶合金结构和性能的影响

4．1 Al-Ni快凝合金结构、性能及其变化

4．1．1 合金结构组织及微观形貌

4．1．2 耐腐蚀性能

4．1．3 硬度

4．1．4 熔体结构变化及其对快凝合金的影响

4．2 Al-La快凝合金结构、性能及其变化

4．2．1 合金结构组织及微观形貌

4．2．2 耐腐蚀性能

4．2．3 硬度

4．2．4 熔体结构及其变化对快凝合金的影响

4．3 Al-Ni-La非晶合金结构、性能和熔体结构对其影响

4．3．1 Al84Ni10La6合金的结构及形貌

4．3．2 熔体结构对Al84Ni10La6非晶合金的影响

4．3．3 Al84Ni10LaL6合金熔体随温度的变化规律

4．4 本章小结

第五章 Al-Ni-La体系合金熔体结构信息及其演变规律

5．1 Al基合金熔体结构参数的测量及计算

5．2 Al-Ni-La体系合金熔体结构简单物理模型

5．2．1 基于电阻率实验的结构模型分析

5．2．2 基于黏度试验的结构模型分析

5．3 晶态合金、非晶合金和液态合金之间的联系与区别

5．4 Al-Ni-La体系合金熔体结构特征及其随温度的变化

5．4．1 熔体中的短程序及中程序

5．4．2 熔体结构的团簇结构

5．4．3 温度诱导的液-液结构转变

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录