【摘 要】
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非晶合金具有各项优异性能,但由于其成型条件过于苛刻,对合金成分的选择和熔体的冷却速率均提出了极高的要求。块体非晶合金传统的成型技术如铜模铸造法、喷铸法、吸铸法及压力铸造法往往存在生产效率低、原料成本高以及工艺复杂等问题,难以达到制备大尺寸非晶合金的工业化生产要求。水平连续铸造技术作为工业生产的一种常见手段,具有生产效率高、铸坯尺寸可调节、易于自动化控制等优点,在水冷铜模铸型的高冷却强度下,可以满足
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非晶合金具有各项优异性能,但由于其成型条件过于苛刻,对合金成分的选择和熔体的冷却速率均提出了极高的要求。块体非晶合金传统的成型技术如铜模铸造法、喷铸法、吸铸法及压力铸造法往往存在生产效率低、原料成本高以及工艺复杂等问题,难以达到制备大尺寸非晶合金的工业化生产要求。水平连续铸造技术作为工业生产的一种常见手段,具有生产效率高、铸坯尺寸可调节、易于自动化控制等优点,在水冷铜模铸型的高冷却强度下,可以满足大尺寸非晶合金板材的连续制造。因此,探索具有优异力学性能且原材料成本低廉的非晶合金水平连铸工艺就具有重要意义。目前国内外对于非晶合金的数值模拟工作研究较少,在非晶合金制备技术研发初期,其数值模拟工作主要通过对单辊甩带法、双辊轧制法以及铜模铸造法制备过程中熔体冷却速率的计算来判断其是否满足非晶的临界冷却速率。目前,对于连续铸造法制备非晶合金的研究仍处于起步阶段,因此开展非晶合金水平连铸的数值模拟工作对探索最优连铸工艺起到了积极的指导作用。非晶合金的塑性变形依赖于高度局域化的剪切带,这就导致了塑性应变只发生在较小的剪切变形区,宏观上多呈现脆性断裂特征。因此,非晶合金的强韧化方法研究也是材料领域的热点问题。通过优化退火工艺方法及参数,可以控制非晶基体中纳米晶的组成、尺寸和分布。非晶合金在等温退火过程中的结构弛豫和纳米晶化现象对合金力学性能的提升有积极的作用。针对以上问题,本文选取Cu基非晶合金为研究对象,以石墨/水冷铜模复合模具为铸型,研究了 Cu基非晶合金的水平连续铸造工艺并进行数值模拟分析及实验验证,同时探讨不同热处理方式对块体非晶合金的强韧化作用机理。本文的主要研究工作如下:（1）实测了（Cu47Zr45Al8）98.5Y1.5非晶合金的导热系数、比热容、粘度、玻璃化转变温度、液固相线温度等热物性参数,采用ProCAST对非晶合金连铸的充型及拉坯过程进行数值模拟分析。温度场和凝固百分数计算结果表明,非晶熔体在中间包内的充型时间为22 s,保温时间超过55 s时,拉坯头处形成较厚的坯壳,易发生卡死现象。（2）当模型嵌入深度为30 mm,拉坯速度为lmm/s,过热度为80 K时,熔体在温度下降到Tl之前的冷却速率小于Cu基非晶合金的临界值（20 Ks-l）,难以形成非晶结构。当拉坯速度由1 mm/s增加至2～4 mm/s时,熔体在温度下降到Tl之前的冷却速率大幅提高。与此同时,提高拉坯过热度对熔体的冷却速率也有小幅度提升。改善水冷复合模具结构,缩短石墨嵌入铜模端深度至10mm～20mm,有利于减少铸坯在石墨中的冷却时间,从而提高熔体在铸型中的冷却速率。（3）采用双腔室压差水平连铸设备制备Cu47Zr45A18非晶合金,拉坯工艺为拉4 s-停4 s,拉坯速度2～4mm/s。在过热度80 K与200 K时,铸坯基体均发生明显的晶化现象,未形成完全非晶组织。向Cu-Zr-Al三元非晶合金系中添加少量Y元素,提高了合金的非晶形成能力。当连铸过热度为80 K时,所得铸坯心部组织为完全非晶。其室温压缩强度为1803 MPa,断裂形式为脆性断裂;当连铸过热度为50 K时,铸坯中有少量微米级Y203析出,同时非晶基体中弥散分布着纳米级Cu1 0Zr7与AlCu2Zr相,室温压缩强度与完全非晶铸坯相比略有降低,而塑性应变有所提升,断裂形式为韧-脆混合断裂。铸件维氏硬度及冲击韧性分别为（495.3±3.4）Hv与5.73 J/cm2。（4）对非晶连铸过程中施加f=21 KHz、E=200 V、I=20 A,f=18 KHz、E=180 V、I=20 A,f=15 KHz、E=180 V、I=15 A三种不同功率磁场,采用小线圈法进行磁感应强度测量。通过对比发现频率为18 KHz时线圈内部磁感应强度波动较小,磁场分布较为均匀。三种电磁场作用下,铸坯心部组织的XRD图谱中均在35～45°之间观察到漫散射峰存在,表明其心部组织为完全非晶。观察不同频率下得到的板材样品腐蚀后的宏观形貌,在f=18 KHz的电磁场作用下得到的样品中非晶含量最高,断裂强度达到1890 MPa。（5）对（Cu47Zr45Al8）98.5Y1.5采用阶梯退火工艺,并用液氮激冷代替常规水淬的淬火方式,得到非晶基体中均匀分布70 nm左右Cu10Zr7相的非晶/纳米晶组织,其断裂强度由铸态的1855 MPa提高了约17%,达到2170 MPa,塑性应变也由铸态的0%提高至1.2%。阶梯退火工艺样品的TEM分析发现,非晶合金在玻璃化转变温度以下退火时,产生了结构弛豫现象,在退火时间延长至4h后,原子排列方式由高吉布斯自由能的无序化排列向低能量的有序化晶格转变。非晶合金在阶梯退火后,原子沿着结构弛豫现象产生的有序化晶格生长,析出相与结构弛豫产生的有序化晶格之间存在共格生长现象,最终形成的析出相中晶面间距减小,原子排布更加致密。
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