机械合金化法制备Mg-Cu非晶合金及其结构性能表征

摘要

非晶态合金具有高强度、高韧性、高硬度及高耐磨性，可做为超导材料、储氢材料、高电阻材料、恒弹性、恒热膨胀材料。90年代以来，高强度非晶态Mg合金由于潜在的工业应用前景而备受重视，成为新材料研究最重要的亮点之一。 本文利用机械合金化法制备Mg58Cu42和MgCu2非晶态合金。采用X射线衍射仪和差热扫描量热仪研究了球磨工艺参数、合金成分对合金的结构、非晶形成能力和热特性等的影响规律。通过控制非晶形核和结晶过程，深入研究和理解非晶合金的晶化行为，为获得具有优异综合性能的纳米晶材料提供实验支持。 配方MgCu2的非晶形成能力大于Mg58Cu42，说明非晶的形成能力与混合粉末的成分有关。经过110h的间断式球磨，Mg58Cu42的混合粉末已经转化为非晶态。在其它工艺参数不变的情况下，分别采用200r/min、250r/min、300r/min转速进行球磨，300r/min为最佳球磨转速。采用20:1的球料比，磨球在球罐中有足够大的运动自由程度，合金化速率较快、较充分。通过不断改进与优化，加入1.5％的无水乙醇过程控制剂，能明显地提高出粉率、细化粉末、减少杂质，有助于实现粉末的机械合金化。通过热力学与动力学分析结果表明非晶相的形成是通过超过饱和固溶体的失稳转变而成，不存在形核与核长大过程。对机械合金化法制备的Mg-Cu非晶，从室温加热到600℃附近，出现两个非晶结构驰豫放热峰，在结构驰豫阶段原子获得了一定的能量进行结构调整，自由能降低，粉末内应力被释放和应变被消除，为非晶晶化做结构上的准备。温度继续升高，有一小吸热峰，是非晶晶化前需要克服能量势垒而吸收热量，一旦越过该势垒就会发生非晶晶化反应。各特征温度(Tg、Tx、Ts、Tm)均随加热速度的升高移向高温方向，表明晶化过程是一种依赖于升温速率的动力学过程。 Mg、 Cu、B粉末机械合金化的进程较Mg、 Cu粉末加快，说明机械合金化可以加大Mg和B在Cu中的固溶度，B的加入促进了Mg在Cu中的溶解。对球磨后的样品进行退火处理，发生了非晶合金的晶化，有纳米级晶粒析出。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1非晶态合金简介

1.2非晶态合金的性能及其应用

1.2.1非晶态合金的主要性能

1.2.2非晶态合金的应用

1.3镁基非晶合金的研究进展

1.3.1镁基非晶合金的发展历史

1.3.2镁基非晶合金的结构与性能

1.4非晶态合金的性能及其应用

1.4.1大块非晶合金形成的热力学原理

1.4.2大块非晶合金形成的动力学原理

1.4.3非晶合金的制备方法

1.5非晶合金的晶化行为

1.6本课题的研究内容与意义

第二章试验内容与研究方案

2.1成分设计

2.1.1成分设计思路

2.1.2金属玻璃的形成机制

2.1.3非晶形成能力判据及合金体系的选择

2.2试验用原材料

2.3各合金成分称重配制

2.4机械合金化法制备非晶态合金的实验设备及工作原理

2.4.1行星式球磨机

2.4.2 X射线衍射分析

2.4.3 DTA热分析

2.4.4其它实验设备

2.5研究技术路线

第三章机械合金化Mg-Cu合金的物相结构分析

3.1 XRD分析

3.2 DTA热分析

3.2.1试样的压制

3.2.2测试结果及分析

3.3本章结论

第四章Mg-Cu-B粉末的机械合金化

4.1 MgB2超导体的自身结构特点与发展前景

4.2实验过程

4.3过饱和固溶体的形成解释

4.4从结构角度系统分析非晶合金的玻璃形成能力

4.5不同退火工艺下(MgB2)97Cu3非晶合金的XRD分析

4.6本章结论

第五章机械合金化中几个问题的探讨

5.1机械合金化简介

5.2高能球磨制备非晶合金的热力学条件和动力学条件

5.2.1热力学条件

5.2.2动力学条件

5.3机械合金化形成非晶的机制

5.3.1以扩散为主的转变机理

5.3.2以界面反应为主的转变机理

5.4.机械合金化试验工艺参数分析

5.5机械合金化的缺陷

5.6对Mg基非晶合金发展前景的展望

第六章结论

参考文献

附 录

发表论文和参加科研情况说明

致谢