论文部分内容阅读
非晶合金材料因其优异的物理、化学和力学性能，成为国内外材料科学界的研究开发重点，是一种极具潜力和前景的新型功能材料。但由于传统工艺制备的非晶材料临界尺寸受到限制，导致非晶材料的发展遇到瓶颈，无法实现其更为广阔的实际应用。本论文依据非晶合金形成机理，利用激光增材制造技术“点-线-面-体”的成型优势，理论上控制非晶材料的“点”状成型，即可增材制备“线”、“面”、“体”的非晶材料，进而实现大块非晶材料的制备。选用非晶形成能力较强的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5合金粉末，激光增材制造Zr-Al-Ni-Cu非晶材料，探索研究了激光温度场、激光增材制造工艺、非晶材料的组织结构和性能。利用ANSYS有限元分析软件对激光增材制备Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料时的温度场进行了数值模拟，热传导、热对流和热辐射为激光增材制备非晶材料过程中的三种主要能量传递方式；模拟得到了激光热源快热快冷、温度梯度陡峭的温度场分布特点；分析了所制得非晶材料的表面形貌、熔池搅拌作用；明确了单层单道“点”状熔池的形状，从理论角度出发为试验探寻了依据。在使用5kW横流CO2激光器增材制备Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料的试验过程中，讨论分析了激光工艺参数对非晶材料形貌和组织的影响。优化工艺参数后，使用最佳工艺参数激光功率为3300W，扫描速度为180mm/min制备了一层(1mm厚)、两层(1.2mm厚)、三层(1.4mm厚)和五层(1.7mm厚)的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料。激光增材制备的非晶材料内部由非晶和晶体组织共同组成，靠近基材一侧由于受到基材的稀释作用，结晶严重。随着增材厚度的增加，远离基材，非晶化程度增加。对Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料内部的不同区域进行物相和成分的对比分析，XRD衍射图谱在2=38°处均出现了表征非晶存在的宽化漫散峰，漫散峰上叠加了尖锐的晶峰。通过面积拟合估算出五层非晶材料的底部、中部和顶部的非晶体体积分数约为49%、64%和77%。在非晶材料的中上部，化学成分相对分布均匀，接近设计的理想组分，存在少量Zr或Al元素的富集区，在靠近基材的底部，存在宽度为520的稀释区域，稀释作用引入杂质元素制约非晶的形成。对Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶材料进行了热稳定性测试，随着升温速率由10℃/min提高到30℃/min，非晶材料的玻璃转变温度Tg由639℃升高到653℃、初始晶化温度Tx由721℃减小到692℃，过冷液相区T由82℃减小到39℃，非晶材料的热稳定性随升温速率增加而减小。显微硬度测试结果表明，激光制备的不同厚度的非晶材料均呈现相似的硬度分布特征，即从表面到底部，硬度先升高再降低，五层厚度的非晶材料呈现出了最大硬度1033HV。在电化学腐蚀试验中，不同厚度的非晶材料均存在钝化现象，自腐蚀电位相当，均高于基材。腐蚀电流差异明显：基材7.97410-5A/cm2，一层5.94410-5A/cm2，三层2.25210-6A/cm2，五层8.56510-7A/cm2。非晶材料阻抗均大于基材，且随着增材厚度的增加，非晶含量增加，进一步提高了其阻抗。将腐蚀过程分为前期、中期、后期三个阶段，结合等效电路图分析了整个腐蚀过程。前期为钝化发生，产生隔绝层；中期为击穿钝化膜，形成微孔；后期为微孔被蚀成宏观裂孔，腐蚀液接触基材进行腐蚀。