Zr基块体非晶合金复合材料的制备与性能

Zr基块体非晶合金复合材料的制备与性能

Zr基块体非晶合金具有优异的力学性能,是潜在的新一代高性能结构材料。然而,在室温压缩或拉伸时,宏观上的变形行为常常表现为脆性断裂,这在很大程度上限制了块体非晶合金的应用。

因此,采用外加或原位的工艺在非晶基体合金中引入第二相,形成非晶合金复合材料,以此来提高合金变形能力的研究工作受到了广泛重视。至今,所报道的复合材料的临界尺寸都比较小,用于检验力学性能的试样尺寸多为2 mm或3 mm,远不能满足非晶合金发展的需求。

如何设计和制备具有良好力学性能且有较大尺寸的非晶基复合材料,一直是这一领域的研究热点。本文以

Zr_50.5Al₉Ni_4.05Cu_36.45非晶合金为基体合金,采用铜模喷铸工艺,分别引入外加的SiC颗粒、原位析出的B2 CuZr相和马氏体CuZr相于非晶合金中,制备了具有良好力学性能且有较大尺寸的非晶复合材料。

采用X射线衍射仪、透射电镜和扫描电镜等分析了材料的组织结构,采用力学试验机测试了压缩力学性能,研究了界面反应、合金成分和凝固条件等对组织和力学性能的影响。制备了高强度、低密度且有一定塑性的SiC颗粒

/Zr_50.5Al₉Ni_4.05Cu_36.45非晶合金复合材料,研究了界面反应、SiC颗粒体积分数和颗粒尺寸变化对压缩力学性能的影响。

研究结果表明,有限的界面反应有助于提高合金的塑性。SiC颗粒尺寸为70μm,体积分数为6 %时,界面产物ZrC多为颗粒状,层宽度约为100 nm,ZrC层能够加强界面的结合强度,有效地传递应力,同时阻碍剪切带的快速扩展,促使和萌生多重剪切带,从而提高了合金的强度和塑性。

直径为5 mm时,合金的断裂强度和塑性应变分别为2002 MPa和2 %。而体积分数为10 %时,较高的体积分数增加了混合熔炼的难度,相应的致使界面反应物尺寸较大,ZrC多为块状,层宽度约为600 nm,过量的界面反应致使力学性能下降,表现为脆性断裂。

而增大SiC颗粒尺寸,能够改善与基体合金的润湿能力,易与合金混合熔炼,相应地减少界面反应,明显改善复合材料的力学性能。SiC颗粒尺寸为150μm,体积分数为10 %时,直径为5 mm的合金的断裂强度和塑性应变分别为2045 MPa和4.6 %。

采用合金化的方法,分别引入Nb和Ta替代

Zr_50.5Al₉Ni_4.05Cu_36.45非晶合金中Zr的部分含量,致使非晶的形成能力下降,从而促使基体合金中原位析出微米级球状B2 CuZr相颗粒,获得了B2 CuZr相/ZrAlNiCuNb（Ta）非晶复合材料。压缩力学性能表明,直径为5 mm的

Zr_49.5Al₉Ni_4.05Cu_36.45Nb₁（Ta₁）合金都表现了明显的塑性和加工硬化现象,相应的屈服强度、断裂强度和塑性应变分别约为1500 MPa、2000 MPa、8 %。

力学性能的改善归因于:B2 CuZr相是一个延性相,应力诱发下能够转变为马氏体CuZr相,这有助于提高加工硬化和塑性,而且,它与基体合金具有相似的杨氏模量和很强的界面结合,这确保了两者之间有效地应力传递。由此,变形时球状B2 CuZr相颗粒能够阻碍剪切带

的局域扩展,致使其在界面上偏转,同时促使和萌生大量的多重剪切带。

另外,颗粒状B2 CuZr相在基体合金中分布均匀,变形时能够同时产生大量的剪切带,更易协调变形,抑制或延缓裂纹的扩展。相同的合金成分条件下,直径为3 mm的

Zr_50.5-xAl₉Ni_4.05Cu_36.45Ta_x（x为0.6,1,1.5,3,6）合金所含B2 CuZr相的体积分数低于直径为5 mm的合金,这归因于较高的冷却速度减少了晶态相析出时间,从而降低了B2 CuZr相的析出。

可以通过调节合金成分,促使B2 CuZr相析出,来弥补冷却速度对B2 CuZr相析出的影响。如直径为3 mm时,Ta的含量由1提高至

1.5,Zr₄₉Al₉Ni_4.05Cu_36.45Ta_1.5合金中的B2 CuZr相含量如同直径为5 mm的Zr49.5Al9Ni4.05- Cu36.45Ta1合金一样,而且,也具有相似的力学性能。

用Ni替代了

Zr_50.5Al₉Ni_13.05Cu_27.45非晶合金中Cu的部分含量,制备了新型的原位球状马氏体CuZr相

/Zr_50.5Al₉Ni_13.05Cu_27.45非晶复合材料,直径为3 mm和5 mm时,合金的塑性应变和断裂强度分别提高至约为6 %和2190 MPa,原因是微米级的颗粒状马氏体CuZr相在复合材料中分布均匀,而且,含有大量板条状的（021）型共格孪晶,可提供结构更稳定的共格孪晶界,尤其是宽度为几个纳米的板条状马氏体包含了丰富的能容纳高密度位错的共格孪晶界,这些都有助于力学性能的改善。