Al含量对多相增强CuZr基非晶复合材料组织性能的影响

发布日期：2024-04-07 浏览次数：2795

非晶合金又称金属玻璃，其原子排列具有长程无序、短程有序的结构特点。由于不存在传统晶态合金中常见的位错、晶界等缺陷，非晶合金具有高强度、高硬度、高断裂韧性等优异性能，成为研究热点。然而，非晶合金的室温脆性与应变软化严重限制了其应用。通过引入晶化第二相制备非晶复合结构是提高非晶合金室温塑性的有效手段之一。

华中科技大学吴树森教授团队通过调控Al含量探讨了非晶复合材料微观组织及力学性能的变化规律。研究表明，Al含量会对复合体系中基体的非晶形成能力产生影响。随着Al含量的增大，体系中的非晶形成能力先增大后减小。非晶形成能力的变化会对凝固过程中析出的多相增强结构含量及尺寸产生相应影响，进而影响非晶复合材料的屈服强度和塑性变形能力。因此，可根据不同性能需求进行成分选择，实现合金组织与性能的可调可控。相关研究成果于2024年2月在《特种铸造及有色合金》网络首发。

研究人员制备的复合材料成分为［（Zr0.5Cu0.5）99.5-xAlxSn0.5］0.97Ta3（摩尔比，x=5，6，8，分别记为Al5、Al6、Al8），采用的Cu、Zr、Al、Sn、Ta元素纯度（质量分数）均在99.99%以上。将各元素按摩尔比进行配料，在抽高真空后充入高纯Ar保护气氛下，利用电弧熔炼制备Zr-Ta预合金，再与其他元素一起进行电弧熔炼制备母合金。将制得的母合金进行感应铜模喷铸。将母合金敲碎，取小块放入底部开有小孔的石英管中，利用感应电流对合金块进行感应加热，完全熔化后利用石英管上方引入的Ar气流将金属熔体喷入铜制模具，制备直径为ϕ2mm的棒状非晶复合材料试样。使用X射线衍射仪进行晶体特性表征（图1），入射角范围为20°~80°，扫描速度为3（°）/min。使用扫描电镜观测试样的微观和断口形貌（图3）。使用热重/差热综合热分析仪测量试样差热信息（图2），判别热效应所对应的结晶、相变、熔融等物化过程。使用万能材料试验机进行压缩力学试验（图4），压缩试样的尺寸为ϕ2mm×4mm，且两端平整光滑，应变速率为5×10-4s-1。结果表明：随着Al含量增加，复合材料的非晶形成能力先增大后减小，B2+B19′析出相的体积分数则先降低后增加，富Ta相的体积分数及尺寸有所下降。可通过Al含量来调控复合材料的力学性能。Al5及Al8合金中析出相体积分数较高，合金塑性高，但屈服强度较低。Al6中析出相体积分数降低，则合金塑性有所下降，但屈服强度升高。富Ta相与B2/B19′相形成的核壳结构阻碍了基体剪切带的快速扩展，造成剪切带增殖，同时B2相的应力诱发马氏体相变及富Ta相自身形变也会产生协同作用，提高复合体系的塑性变形能力。（文章来源于特种铸造，编辑时有改动）

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