Zr基非晶基复合材料的制备及性能研究

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块体非晶合金具有优良的力学、磁学性能,但是单相块体非晶合金在超过极限载荷后表现为无宏观塑性变形的灾难性脆断,极大限制了非晶合金的应用范围。非晶基复合材料是改善非晶合金室温脆性的有效手段之一。本论文通过在ZrAlNiCu非晶合金中添加Nb或Ti制备了非晶基复合材料,并研究了Nb和Ti对合金结构、热稳定性、压缩力学性能和耐腐蚀性的影响。使用真空电弧熔炼-铜模吸铸的方法制备了直径为5mm的Zr51Cu24.7Ni14.34Al9.96、Zr55Al10Ni5Cu30、Zr65Al75Ni10Cu17.5合金棒。研究表明,在现有实验条件下,只有Zr55Al10Ni5Cu30合金可以形成单一非晶合金,因此选择Zr55Al10Ni5Cu30作为非晶基复合材料的基体材料。并以同样的方法制备出直径为5mm的(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)100-xTix(x=1、2、3、4、5at.%)和(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)100-xNbx(x=1、2.5、3、4、5at.%)等非晶基复合材料。XRD分析表明,当加入1%的Ti原子时合金体系中出现NiZr晶化相,当Ti原子的含量超过3%后,晶化相愈加复杂;DSC分析表明,(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)100-xTix中,起始晶化温度Tx随着x的增加表现出下降趋势,过冷液相区宽度△Tx随着x的增大直线下降;小于3%的Ti原子的加入能提高材料的抗压强度,相应的复合材料表现出一定的塑性,通过SEM可观察到剪切带发生打折、弯曲。超过3%后强度下降,并表现为脆断。复合材料的断口形貌中观察到比非晶合金更密的脉状纹络和熔滴状物质;Ti元素的加入对非晶合金的维氏硬度影响不大。在(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)100-xNbx合金中,x=1时合金中就有少量Cu8Zr3晶化相的析出,当x≥2.5时Nb元素也以单质或化合物的形式析出。DSC分析表明,x=1时较x=0时的Tx略有上升,x继续增大时其Tx则缓慢下降。△Tx在x=1时出现了最大值111.88K,x继续增大时,△Tx显著减小。x=1和x=2.5时抗压强度显著提高,并表现出一定塑性,x继续增大时强度下降,并且变现为脆断。(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cuo.3)97.5Nb2.5中出现的多重脊状形貌的脉络;该体系复合材料与非晶合金相比维氏硬度变化不大。非晶合金及其复合材料在碱性溶液中表现出很好的耐腐蚀性。在酸性溶液中,Ti或Nb的加入都能显著增强非晶合金的耐腐蚀性,Nb元素的增强效果更为明显。在1NHCl中,Zr55Al10Ni5Cu30的腐蚀速率为4.57μg/(cm2·h),而(Zr0.55Al0.1Ni0.05Cu0.3)95Nb5则只有0.071μg/(cm2·h)。
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