化学短程序对铝基非晶合金形成和热稳定性的影响

摘要

含有过渡元素（TM）和稀土元素（Re）的铝基非晶合金具有优良的机械性能，引起了人们极高的研究兴趣。深入研究发现，纳米晶体弥散分布在非晶基体中的铝基纳米复合材料具有更好的力学性能、耐摩性能、以及抗腐蚀性能。但该类合金远离共晶成分，不符合传统的非晶形成的原子尺度和成分限制，对该类合金的形成机制仍不甚清楚。同时该类合金的热稳定性不高，限制了其在工程上的应用。本文利用X射线衍射、示差扫描量热分析和高分辨透射电镜等分析方法，选择具有准晶形成特点的Al-Fe基合金和具有典型失稳分解特征的Al-Zn基合金为研究对象，对Al-Fe-Ce和Al-Zn-Ce非晶合金的微观结构、玻璃形成能力、晶化行为和热稳定性等进行了研究，探讨了化学短程序对铝基非晶合金的形成和热稳定性的影响。 在快速凝固的Al-Fe-Ce非晶合金中存在着二十面体化学短程序，并且均匀弥散分布在非晶基体中。二十面体短程序的存在抑制了Al晶粒的生长，Al晶粒的生长需要二十面体短程序结构的分解及溶质元素的扩散。Al原子和Fe原子之间的强交互作用又使得二十面体短程序结构非常稳定。稳定的二十面体化学短程序抑制了溶质元素的溶解扩散，使得过剩的铝形成非晶态。因此，二十面体化学短程序的存在和均匀分布提高了非晶合金的形成能力和非晶相的热稳定性。 Al-Zn-Ce非晶合金的X射线衍射曲线上存在着预峰，预峰的出现预示了非晶合金中存在着强烈的化学短程序结构。预峰的形成与Al2Zn2Ce和Al4Ce化合物的形成相关，反映了Al2Zn2Ce或Al4Ce之间的化合作用。与Al-Zn二元合金相比，随着Zn和Ce含量的增加，化合物形成趋势的增强，阻止了Al相和Zn相的相分离，强烈的化合物形成趋势有利于Al-Zn-Ce非晶合金的形成，从而提高了合金的非晶形成能力。 Al83Zn10Ce7非晶合金的形成和晶化过程中存在着相的竞争形核和有限生长行为。fcc-Al、Al2Zn2Ce和Al4Ce很容易在熔体冷凝过程中形核，并具有结晶析出的趋势。fcc-Al相析出的同时伴随着Al2Zn2Ce相和Al4Ce相的析出，Al相和Al2Zn2Ce相及Al4Ce相三者竞争形核，Al2Zn2Ce相及Al4Ce相可以伴随fcc-Al相的长大而长大，因而Al晶粒的存在又有利于金属间化合物Al2Zn2Ce和Al4Ce的生长。在相的生长过程中，fcc-Al相和Al2Zn2Ce相的生长优于Al4Ce相，并最终淘汰了Al4Ce相，最后的晶化产物只有fcc-Al相和Al2Zn2Ce相。多种相的竞争形核和有限生长有利于铝基非晶合金的形成。 与Al83Zn10Ce7合金相比，Al86Zn5Ce9合金的晶化过程中，出现了Al92Ce8和未知相的中间亚稳相。这些亚稳相均具有较高的热稳定性。相比Al92Ce8相，未知相具有更高的热稳定性。Al86Zn5Ce9合金升温DSC曲线上的肩峰，可能是未知亚稳相分解消失的结果。 随Ce含量的增加，形成大量的Al-Ce团簇，合金中化学短程序结构单元数量增加，从而使合金在较高的温度下才发生晶化。Ce的加入有助于增强化合物的形成趋势，最终提高了合金的热稳定性。与淬火态的合金相比，自然时效Al-Zn-Ce合金DSC曲线的低角度处存在着一个小的放热峰，放热峰的出现是富含空位的短程序结构或团簇进一步有序化的结果。 不同的过渡金属可以在铝基非晶合金中形成不同的化学短程序结构。化学短程序结构的存在对铝基非晶合金的形成和热稳定性有着重要的影响。相比Al-Zn-Ce非晶合金中的化学短程序结构，Al-Fe-Ce非晶合金中的二十面体化学短程序结构更能影响Al-Fe-Ce非晶合金的形成和热稳定性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1非晶态合金

1.2非晶态合金的制备

1.2.1骤冷法

1.2.2化学还原法

1.2.3溅射、气相沉积法

1.2.4固相反应法

1.2.5大块非晶合金的制备

1.3非晶态合金的性能与应用

1.3.1良好的力学性能

1.3.2特殊的电学性能

1.3.3优异的磁学性能

1.3.4突出的化学性能

1.3.5良好的耐辐照性

1.4铝基快凝合金的发展

1.4.1铝基快凝晶态合金的研究状况

1.4.2铝基准晶合金

1.4.3铝基非晶合金

1.4.4纳米颗粒弥散分布的铝基非晶合金

1.5铝基非晶合金的形成能力、晶化行为与热稳定性

1.6非晶态物质的预峰

1.7大块铝基非晶合金的探索及应用展望

1.7.1大块铝基非晶合金的探索

1.7.2大块铝基非晶合金的应用及展望

1.8本文研究目的、意义及主要研究内容

1.8.1本文研究目的及意义

1.8.2本文主要研究内容

第2章 实验方法

2.1实验技术路线

2.2铝基非晶合金样品的制备

2.3测试分析

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2电镜分析

2.3.3示差扫描量热分析

第3章 二十面体化学短程序对Al-Fe-Ce非晶合金形成和热稳定性的影响

3.1引言

3.2 Al90Fe5Ce5非晶合金中的二十面体短程序

3.3 Al-Fe-Ce非晶合金的形成机制探讨

3.4本章小结

第4章 Al-Zn-Ce非晶合金的形成能力和热稳定性

4.1引言

4.2 Al-Zn-Ce合金的非晶形成能力

4.3 Al83Zn10Ce7非晶合金的热稳定性

4.4 Al86Zn5Ce9非晶合金的形成及热稳定性

4.5 Al83Zn10Ce7合金与Al86Zn5Ce9合金晶化行为的比较

4.6 Al-Zn-Ce合金的热稳定性研究

4.7 Al-Zn-Ce非晶合金的形成机制探讨

4.8 Al基非晶合金的化学短程序结构

4.9本章小结

第5章 结论

5.1本文主要结论

5.2本文创新与主要贡献

5.3需要进一步研究的问题

参考文献

致 谢

在学期间主要科研成果