微合金化对Cu基非晶合金玻璃形成能力、热稳定性及其性能的研究

摘要

Cu-基块体非晶合金以低成本,高力学性能而倍受关注,进一步提高其非晶形成能力(GFA)和性能是近年来的研究热点之一。本文通过合理添加微量元素,有效提高了Cu60Zr30Ti10合金的GFA和(Cu60Zr30Ti10)98Y2非晶合金的力学性能；以较低纯度的原材料,铜模喷铸法制备了直径为4mm的(Cu60Zr30Ti10)98Y2、(Cu60Zr30Ti10)97Y2Al1和(Cu60Zr30Ti10)96Y2Ni2非晶合金棒。利用X射线衍射仪、差示扫描量热仪、扫描电子显微镜及能谱、显微硬度计、微机控制全自动压力试验机以及Kissinger动力学方程,研究了微量元素对Cu60Zr30Ti10、(Cu60Zr30Ti10)98Y2合金的GFA、热稳定性、晶化过程以及力学性能的影响；同时探讨了(Cu60Zr30Ti10)98Y2块体非晶在连续加热和等温退火时的晶化过程,以及晶化程度对合金力学性能的影响。
　　 实验结果证实:Cu60Zr30Ti10合金中添加Y、Sn、Ag元素均能提高合金的GFA,但Y的效果最明显,同时还增加体系的热稳定性。少量Al、Ni、Si的加入不同程度降低(Cu60Zr30Ti10)98Y2合金的GFA,其中添加1 at.％Al或2 at.％Ni对合金的GFA影响最小,此外,1 at.％Al能较明显提高非晶合金的热稳定性。
　　 合金液结晶及非晶的热致晶化程度强烈影响合金的力学性能。(Cu60Zr30Ti10)98Y2块体非晶合金力学性能远优于铸态已部分晶化的Cu60Zr30Ti10、(Cu60Zr30Ti10)98M2(M=Sn,Ag)合金,其抗压强度达1610MPa,在压应力作用下表现为局部塑性变形,断口微观特征是较均匀分布的脉络状花样。低于Tg的623Kx30min预退火处理时,(Cu60Zr30Ti10)98Y2块体非晶合金已发生微量晶化,微量细小析出相使合金的抗压强度由铸态1610MPa提高至1710MPa。高于Tg的723Kx30min、753Kx30min、773K×30min等温退火处理,(Cu60Zr30Ti10)98Y2块体非晶合金发生明显晶化。随退火温度升高,晶化程度增加,析出相由胞状晶逐步向枝晶演变,合金的力学性能急剧下降,压缩断口的微观特征由具有塑性变形特点的脉络状花样转化为脆断台阶。
　　 块体非晶合金中添加微量元素是提高力学性能的有效措施。本实验条件下,添加1 at.％Al和2 at.％Ni分别使(Cu60Zr30Ti10)98Y2块体非晶合金的抗压强度提高8.7％、9.9％,分别达到1750MPa、1770MPa。1 at.％Al的添加同时还能提高非晶合金塑性。
　　 DSC分析和Kissinger、Ozawa法计算表观激活能的结果表明:(Cu60Zr30Ti10)98Y2、Cu60Zr30Ti10)97Y2Al1和(Cu60Zr30Ti10)96Y2Ni2非晶合金的晶化过程是个依赖升温速率的动力学过程,非晶合金在恒速升温加热时呈现三级晶化现象,三级晶化转变的激活能依次增大(Ep1