Zr基塊體非晶合金的玻璃形成能力及晶化行為.pdf

1、對傳統(tǒng)及塊體非晶合金的成分分析表明，各個組元之間共晶成分對適當(dāng)?shù)匕幢壤钆淠軌蛴脕碓O(shè)計塊體非晶合金成分?；诖耍疚睦迷摲椒ㄔ赯r-Cu-Ni-Al四元體系中設(shè)計了一種新型的Zr基塊體非晶合金Zr51Cu20.7Ni12Al16.3。研究表明，該合金具有極高的玻璃形成能力參數(shù)，其約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg為0.638，γ判據(jù)值為0.431，在眾多的Zr基塊體非晶合金中處于領(lǐng)先地位。與此同時，該合金優(yōu)異的力學(xué)性能(σf=2.14GPa)以及

2、極高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg=722K)使得該合金具有十分誘人的應(yīng)用前景。
　　然而研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有制備設(shè)備及原材料的實驗條件下，Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金僅能在Φ3mm棒狀試樣中取得完全的非晶態(tài)組織，這與該合金所具有的高玻璃形成能力參數(shù)相悖。為了闡明這一現(xiàn)象進而挖掘該合金的玻璃形成能力，利用透射電鏡、掃描電鏡等技術(shù)對Φ3mm、Φ5mm及Φ10mm Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金的凝固微觀組織進行了系統(tǒng)

3、的研究。對Φ5mm Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金的微觀組織分析表明，由不純物氧所誘發(fā)的面心立方晶態(tài)相NiZr2(a=1.02nm)作為唯一的原位晶化產(chǎn)物在該合金中少量生成。對Φ10mm Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金的微觀組織分析既而表明，該類晶態(tài)相同樣存在于此緩冷狀態(tài)下的Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金中。作為原位晶化產(chǎn)物同時存在的還有：面心立方結(jié)構(gòu)的Al1.7Ni0.3Zr類晶態(tài)相(a=0.

4、74nm)，四方結(jié)構(gòu)的Zr3Al2類晶態(tài)相(a=0.74nm，c=0.66nm)，以及兩種由透射電鏡電子衍射技術(shù)確定的新的晶態(tài)相：一種為菱形結(jié)構(gòu)晶態(tài)相(a=0.54nm，c=2.91nm)，該晶態(tài)相可能的點群類型為R3m, R3 m, R32, R3或是R3；另一種為單斜結(jié)構(gòu)晶態(tài)相(a=0.95nm，b=0.55nm，c=1.02nm，β=72o)，其可能的點群類型為C2、Cm、Cc、C2/m或是C2/c。由于氧促進/穩(wěn)定的NiZr2晶

5、態(tài)相在較高的冷速條件下(Φ5mm合金中)作為唯一的晶態(tài)相在凝固過程中析出，故不純物氧誘導(dǎo)原位晶化是造成Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金的實際玻璃形成能力下降的根本原因。
　　基于對Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金凝固組織及玻璃形成能力的上述研究結(jié)果，一種除氧劑—釔(Y)—被引入到Zr51Cu20.7Ni12Al16.3合金中來，從而構(gòu)成(Zr0.51Cu0.207Ni0.12Al0.163)99.5Y0.5

6、合金。對(Zr0.51Cu0.207Ni0.12Al0.163)99.5Y0.5合金微觀組織分析結(jié)果表明，體心立方結(jié)構(gòu)的α-Y2O3在體系中的形成消除了不純物氧對母合金Zr51Cu20.7Ni12Al16.3玻璃形成能力的負(fù)面影響，從而極大地提高了合金的實際玻璃形成能力，使得該合金可以獲得不小于Φ10mm的非晶態(tài)組織。與此同時，如若繼續(xù)提高體系中的Y含量，過量的Y將改變體系的起始成分，并使得原位晶化相又在體系中出現(xiàn)，其中包括一種新確定的

7、單胞參數(shù)為a=0.69nm，b=0.75nm，c=0.74nm的正交結(jié)構(gòu)晶態(tài)相，因此其對提高合金的實際玻璃形成能力方面的作用有所下降。與此同時，研究發(fā)現(xiàn)，體系的力學(xué)性能也將隨著Y含量的增加發(fā)生一定程度的降低。
　　由于(Zr0.51Cu0.207Ni0.12Al0.163)99.5Y0.5合金呈現(xiàn)出優(yōu)異的玻璃形成能力以及良好的力學(xué)性能，有必要對其熱穩(wěn)定性及晶化行為進行研究。對該合金在亞玻璃轉(zhuǎn)變溫度、（近）玻璃轉(zhuǎn)變溫度、過冷液相區(qū)間

8、溫度、超晶化點溫度以及超固態(tài)相變點溫度上的連續(xù)升溫退火及等溫退火的微觀組織分析表明，該合金在退火溫度773K以下呈現(xiàn)出納米級初始晶化現(xiàn)象，其初晶相為一四方結(jié)構(gòu)晶態(tài)相(a=0.96nm，c=2.82nm)。該階段晶化生核激活能與生長激活能分別為～357.6kJ/mol及～265.4kJ/mol。隨著退火溫度的提高，正交結(jié)構(gòu)的晶態(tài)相(a=0.69nm，b=0.75nm，c=0.74nm)以及兩種四方結(jié)構(gòu)晶態(tài)相(a=1.59nm，c=1.13

9、nm; a=0.322nm，c=1.118nm)相繼在合金中析出。與此同時，研究表明，上述兩種穩(wěn)定的四方結(jié)構(gòu)晶態(tài)相由亞穩(wěn)的正交結(jié)構(gòu)晶態(tài)相轉(zhuǎn)變而來，即合金(Zr0.51Cu0.207Ni0.12Al0.163)99.5Y0.5在退火過程中存在著一個固態(tài)相變過程。最終，合金(Zr0.51Cu0.207Ni0.12Al0.163)99.5Y0.5的退火晶化過程可以總結(jié)為：非晶態(tài)相→非晶態(tài)相+初晶相→初晶相+（亞穩(wěn)正交結(jié)構(gòu)晶態(tài)相+初晶相）→初晶