两步合金化策略实现钛基块体非晶合金中的超高比强度和非晶形成能力提升

发布日期：2024-11-20 浏览次数：2451

钛基块体非晶合金因其高比强度而广受关注。然而，比强度和非晶形成能力之间的冲突限制了钛基块体非晶合金的实际应用。通常，Cu、Ni、Co、Ag等重元素的加入有利于钛基非晶合金形成能力的提升，但显著的密度提升会损害合金的比强度优势。基于此，清华大学材料学院的姚可夫教授课题组采用一种两步合金化策略成功制备了具有超高比强度的厘米级钛基非晶合金。通过在Ti-Zr-Be三元系中依次加入Al和Fe元素进行合金化，Al和Fe的两步强化效果有效抵消了Fe合金化带来的密度提升效应，从而实现了钛基非晶合金比强度的突破。相关研究成果以“Achieving ultrahigh specific strength and enhanced GFA in Ti-based bulk metallic glasses via a two-step alloying strategy”为题在Rare Metals上发表。

研究人员研究设计了一种两步合金化策略，有效抑制了为提升非晶形成能力而添加的重元素所带来的显著密度提升效应。基于Ti-Zr-Be三元非晶合金，通过依次添加Al和Fe元素进行两步合金化，实现了比强度和非晶形成能力的同时提升。由此，制备得到了一系列具有超高比强度的厘米级钛基非晶合金。Al和Fe元素都能起到强化作用，然而，Al元素基本不引起密度的增加，而Fe的加入使合金密度显著增大。用Al和Fe合金化产生的两步强化效果去抵消Fe的加入引起的密度增大，从而使得合金的比强度显著提升。同时，第二步合金化选择电负性较大的Fe元素，有效增大了体系的等效电负性差，提升了合金的非晶形成能力。其中，新开发的(Ti45Zr20Be31Al4)94Fe6非晶合金创造了钛基非晶合金比强度的新纪录。通过两步合金化制备了Ti-Zr-Be-Al-Fe非晶合金体系，该体系具有超高的比强度和较强的非晶形成能力。其中，TY6合金的比强度达到了4.65×105N·m·kg-1，为钛基非晶合金之最，将纪录值提高了3.1%。同时，TY6合金的临界尺寸达到10mm，实现了钛基非晶合金比强度和非晶形成能力的最佳平衡。本研究的成果进一步拓宽了钛基非晶合金作为轻质结构材料的应用前景。

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