塊體金屬玻璃的連續(xù)成形及其超塑性變形行為研究.pdf

1、塊體金屬玻璃(BMG)，也稱為塊體非晶合金，是一種在固態(tài)下具有短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序的原子排列結(jié)構(gòu)方式的特殊合金，通常由現(xiàn)代快速凝固或近快速凝固的冶金工藝制備且具有玻璃態(tài)材料特性的新型合金材料。較之于結(jié)晶態(tài)的金屬材料，塊體金屬玻璃材料具備著更優(yōu)異的力學(xué)性能，物理性能與化學(xué)性能，以及很高的耐磨性，耐蝕性等特點(diǎn)。這些遠(yuǎn)超常規(guī)結(jié)晶態(tài)金屬材料的特點(diǎn)使塊體金屬玻璃在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域及功能材料領(lǐng)域中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力，并引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的諸多關(guān)注。但塊體

2、金屬玻璃成形方法發(fā)展尚未成熟，依然普遍存在著成本過(guò)高，同時(shí)制備條件過(guò)于苛刻，且制備效率低，因此僅能滿足小批量生產(chǎn)，很大程度上對(duì)塊體金屬玻璃的商業(yè)化應(yīng)用與發(fā)展產(chǎn)生了限制。本研究室自主開(kāi)發(fā)的的水平連續(xù)成形技術(shù)是一種將鑄坯沿水平方向向外牽引連續(xù)成形的先進(jìn)材料制備技術(shù)，較之于常規(guī)金屬制備技術(shù)，此制備技術(shù)的制備過(guò)程具有連續(xù)化的典型特點(diǎn)，連續(xù)制備技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高塊體金屬玻璃制備的效率，同時(shí)降低其生產(chǎn)成本。因此，為實(shí)現(xiàn)塊體金屬玻璃的大規(guī)模工業(yè)化

3、生產(chǎn)，塊體金屬玻璃的連續(xù)制備技術(shù)的研究和完善具有著非凡的研究?jī)r(jià)值。
　　本文關(guān)注點(diǎn)為塊體金屬玻璃的水平連續(xù)制備工藝參數(shù)的優(yōu)化，嘗試了塊體金屬玻璃連續(xù)制備更多的工藝參數(shù)。通過(guò)對(duì)塊體金屬玻璃連續(xù)制備過(guò)程中某些工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)塊體金屬玻璃材料連續(xù)制備技術(shù)的改進(jìn)，并對(duì)不同工藝參數(shù)對(duì)塊體金屬玻璃在連續(xù)成形制備樣品進(jìn)行對(duì)比，以分析這些工藝參數(shù)的改變對(duì)樣品所產(chǎn)生的影響。塊狀金屬玻璃有著極高的強(qiáng)度與硬度，以及耐磨損等特性，這些特性也就決定了塊

4、體金屬玻璃在室溫下難于切削和變形，同時(shí)由于其宏觀脆性的存在，室溫加工幾乎不可能進(jìn)行。針對(duì)塊體金屬玻璃的這一特性，作為傳統(tǒng)的金屬加工技術(shù)的替代技術(shù)，以熱塑成型為基礎(chǔ)的加工方法在此可以得到應(yīng)用。其原理是將金屬加熱至一個(gè)過(guò)冷態(tài)的溫度范圍內(nèi)，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，這些塊狀金屬玻璃軟化為粘性流體，可在一定壓力下進(jìn)行變形加工。因此本文中將會(huì)討論在塊狀金屬玻璃連鑄樣品成功制備后如何進(jìn)行進(jìn)一步的進(jìn)行變形加工，并探討其在小型設(shè)備中的應(yīng)用前景。
　　本文

5、選用鋯基塊體金屬玻璃作為研究對(duì)象，鋯基塊體金屬玻璃具有較高的玻璃形成能力及熱穩(wěn)定性，臨界冷卻速率可達(dá)到10 K/s，過(guò)冷液相區(qū)間寬度可達(dá)90 K以上。同時(shí)，鋯基塊體金屬玻璃也具有出色的力學(xué)性能，其斷裂強(qiáng)度可接近2 GPa，其彈性極限可接近2％，若作為結(jié)構(gòu)材料或功能材料具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿?。因此，本文通過(guò)Zr55Cu30Ni5Al10合金成分研究了石墨-水冷銅復(fù)合鑄型結(jié)構(gòu)以及冷卻水量?jī)煞N工藝參數(shù)對(duì)塊體金屬玻璃連續(xù)成形樣品的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

6、的影響。研究表明，改變石墨-水冷銅復(fù)合鑄型結(jié)構(gòu)或冷卻水量等凝固條件則會(huì)獲得不同顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的合金樣品。在保證其余工藝參數(shù)不變的條件下，隨著石墨流道嵌入復(fù)合鑄型的深度由5 mm增加到40mm，Zr55Cu30Ni5Al10合金樣品的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都隨之改變。而在另一組實(shí)驗(yàn)中，同樣表明了在保證其余工藝參數(shù)不變的條件下，隨著冷卻水量由2 L/min增加到8 L/min，Zr55Cu30Ni5Al10合金樣品的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能同樣隨

7、之改變。通過(guò)兩方面的工藝優(yōu)化過(guò)程，得出較為理想的工藝參數(shù)后，應(yīng)用此工藝制備了(Cu47Zr45Al8)96Y4合金樣品，而后經(jīng)過(guò)顯微分析與力學(xué)性能檢測(cè)，樣品除少量Y2O3顆粒外基本屬于玻璃結(jié)構(gòu)，室溫?cái)嗔褟?qiáng)度強(qiáng)度達(dá)1.58GPa，維氏顯微硬度值為532HV。對(duì)Zr55Cu30Ni5Al10與(Cu47Zr45Al8)96Y4塊體金屬玻璃合金樣品分別進(jìn)行了剪切變形測(cè)試和壓縮變形測(cè)試，并對(duì)不同變形條件下得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及變形效果進(jìn)行了對(duì)