块体金属玻璃复合、晶化与性能研究

论文摘要

块体金属玻璃（BMG）具有优异的力学性能和物理性能,为新型结构材料和功能合金的发展开辟了新的领域。然而,BMG在室温下发生灾难性脆性断裂,已经成为制约该材料规模化工程应用的瓶颈。因此,BMG室温脆性已经成为亟需解决的关键问题。已有研究表明,铸态内生微米尺度的塑性固溶体／BMG复合材料是改善BMG室温脆性的有效手段,并认为内生微米尺度第二相本身为塑性相是BMG复合材料增塑的必要条件。本文基于BMG室温脆性的本质,认为只要第二相能够阻碍单一剪切带的扩展,使剪切带增殖就能提高室温塑性,无论第二相本身是否是塑性相。据此设计并成功制备出铸态内生金属间化合物／BMG复合材料,其不但具有高的断裂强度,也具有显著的室温塑性（塑性变形达到4.4%）。进一步的分析研究发现,第二相尺寸不同,对BMG塑性影响不同：纳米尺度的第二相诱发剪切带大量形核而增塑；尺寸大于剪切带间距的第二相可以有效阻碍剪切带的扩展、诱发多剪切带的形成而提高塑性；而尺寸小于剪切带间距又大于纳米尺度的第二相对BMG塑性没有显著影响。BMG的热稳定性与晶化行为是BMG研究领域普遍关注的基础问题。本文的研究发现,高密度电脉冲能够促进BMG的晶化,并改变晶体析出相的类型。以V1合金为例,常规等温退火时晶化发生于过冷液相区内（400-450℃）,而以电流密度为1410A／mm2的电脉冲退火时,在玻璃转变温度以下（338℃）就可以发生显著的晶化。与常规等温晶化析出BeNi、Be2Zr、Zr2Cu等相不同,电脉冲作用下,在析出Be2Zr、Zr2Cu相的同时,还发现有NiTi2相和未知亚稳晶体相析出。电脉冲后等温晶化过程中,延长等温时间,非晶馒头峰的半高宽（FWHM）变窄,表明BMG内短程有序程度增加。连续加热过程中施加5Gpa的高压可以抑制V1合金晶化,发生晶化的温度为410-430℃,远高于相同加热速率下的起始晶化温度（393℃）。等温晶化过程中施加12T的强磁场,能够显著提高Fe基BMG中晶化相的体积分数,而磁场施加方向对析出相体积分数没有明显影响。迄今为止,块体NdFeB永磁材料由于缺乏有效的磁性取向控制方法,在工业生产中不得不采用破碎与制粉——磁场取向与成型——烧结或粘结——充磁与检测的工艺来制备,不仅工序繁杂、生产成本高,而且还无法获得完全致密的永磁体,造成不耐蚀等缺点。本文采用Fe基BMG进行磁场晶化,试图诱导磁性晶体相在形核长大过程中实现磁性取向,以期为摒弃制粉过程、直接由非晶固体或液体制备完全致密的各向异性永磁体探索可能途径。实验采用去除形状各向异性的（Fe71B21Nd8）96Nb4样品,在12T的强磁场下进行700℃晶化退火,发现施加平行磁场的内禀矫顽力和最大磁能积（BH）max均显著高于施加垂直磁场的样品,而不加磁场的介于两者之间,证明强磁场可以在晶化过程中诱发磁性各向异性,为短流程直接制备块体NdFeB永磁体探明了可能性,具有重大的科学价值和应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 金属玻璃的发展现状
• 1.1.1 金属玻璃的历史
• 1.1.2 块体金属玻璃的发展
• 1.1.3 块体金属玻璃的制备原理与方法
• 1.1.4 合金体系金属玻璃形成能力的评价方法
• 1.2 块体金属玻璃的室温脆性及其改善
• 1.2.1 块体金属玻璃的室温脆性
• 1.2.2 塑性块体金属玻璃
• 1.2.3 块体金属玻璃基复合材料
• 1.3 金属玻璃的热稳定性
• 1.3.1 金属玻璃晶化过程中的形核与扩散
• 1.3.2 金属玻璃的晶化类型
• 1.3.3 块体金属玻璃晶化的影响因素
• 1.3.4 晶化对块体金属玻璃性能的影响
• 1.4 块体金属玻璃的性能与应用
• 1.5 本工作的主要研究内容
• 2 实验条件和方法
• 2.1 合金原料及试验设备
• 2.1.1 合金原料
• 2.1.2 块体金属玻璃制备设备
• 2.1.3 电阻炉真空热处理
• 2.1.4 电脉冲处理设备
• 2.1.5 高压退火实验设备
• 2.1.6 磁场热处理设备
• 2.2 样品制备方法
• 2.3 样品检测方法
• 2.3.1 结构表征
• 2.3.2 热分析方法
• 2.3.3 力学性能表征
• 2.3.4 物理性能表征
• 2.4 数据处理方法
• 3 块体金属玻璃的制备及其玻璃形成能力
• 3.1 四元Fe基块体金属玻璃的制备与玻璃形成能力
• 3.1.1 四元Fe基块体金属玻璃的成分设计
• 3.1.2 四元Fe基块体金属玻璃的制备
• 3.1.3 母合金熔炼环境对Fe基BMG玻璃形成能力的影响
• 3.1.4 Fe基BMG的玻璃形成能力与临界冷却速率
• 3.1.5 Fe基BMG的晶化激活能计算
• 3.2 Nb元素掺杂在Zr基BMG中的应用
• 3.2.1 Zr基BMG合金的特征
• 3.2.2 Nb元素掺杂制备Zr基块体金属玻璃
• 3.2.3 Nb元素掺杂对Zr基BMG热稳定性与玻璃形成能力的影响
• 3.2.4 Nb元素掺杂对Zr基BMG晶化激活能的影响
• 3.2.5 Nb元素掺杂对zr基BMG显微硬度的影响
• 3.3 本章结论
• 4 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料的制备与性能
• 4.1 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料的制备与结构表征
• 4.1.1 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料的制备
• 4.1.2 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料XRD分析
• 4.1.3 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料DSC分析
• 4.2 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料的压缩性能
• 4.3 铸态内生金属间化合物/BMG复合材料的增塑机制
• 5 块体金属玻璃的热稳定性与晶化
• 5.1 V1合金的常规退火晶化行为
• 5.1.1 V1合金的等温退火晶化分析
• 5.1.2 V1合金的等温退火显微硬度的变化
• 5.2 电脉冲作用下V1合金的热稳定性与晶化
• 5.2.1 电脉冲作用下V1合金的温度变化
• 5.2.2 电脉冲连续加热时V1合金的晶化行为
• 5.2.3 电脉冲等温处理V1合金的晶化行为
• 5.3 高压下V1合金的热稳定性与晶化
• 5.3.1 高压热处理后V1合金的XRD分析
• 5.3.2 高压热处理后V1合金的DSC分析
• 5.4 强磁场下Fe基BMG的晶化行为
• 71B₂₁Nd₈)96Nb4的DSC分析'>5.4.1 强磁场晶化后(Fe₇₁B₂₁Nd₈)96Nb4的DSC分析
• 71B₂₁Nd₈)96Nb4的XRD分析'>5.4.2 强磁场晶化后(Fe₇₁B₂₁Nd₈)96Nb4的XRD分析
• 5.5 本章结论
• 6 Fe基BMG及其复合材料的磁性研究
• 6.1 四元Fe基合金的铸态磁性
• 6.1.1 合金铸态磁性的测量方法
• 6.1.2 四元Fe基合金的铸态磁性
• 71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄ BMG等温晶化及其磁性'>6.2 (Fe_71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄BMG等温晶化及其磁性
• 71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄ BMG等温晶化处理后的XRD分析'>6.2.1 (Fe_71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄BMG等温晶化处理后的XRD分析
• 71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄ BMG等温晶化处理后的DSC分析'>6.2.2 (Fe_71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄BMG等温晶化处理后的DSC分析
• 71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄ BMG等温晶化处理后的磁性能分析'>6.2.3 (Fe_71.2B₂₃Nd_5.8)₉₆Nb₄BMG等温晶化处理后的磁性能分析
• 71B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄ BMG等温晶化及其磁性'>6.3 (Fe₇₁B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄BMG等温晶化及其磁性
• 71B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄ BMG等温晶化处理后的XRD分析'>6.3.1 (Fe₇₁B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄BMG等温晶化处理后的XRD分析
• 71B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄ BMG等温晶化处理后的DSC分析'>6.3.2 (Fe₇₁B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄BMG等温晶化处理后的DSC分析
• 71B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄ BMG等温晶化处理后的磁性能分析'>6.3.3 (Fe₇₁B₂₁Nd₈)₉₆Nb₄BMG等温晶化处理后的磁性能分析
• 6.4 磁场退火诱发Fe基BMG磁性各向异性
• 6.4.1 磁场在Fe基BMG晶化过程的磁性增强效应
• 6.4.2 磁场诱发Fe基BMG磁性各向异性
• 6.4.3 磁场诱发Fe基BMG磁性各向异性的机制
• 7 主要结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录