基于团簇的Cu-Zr基三元块体非晶合金的形成

论文摘要

非晶合金因其优良的性能正在引起人们的广泛关注,而寻找块体非晶合金一直是非晶研究者的一个重要课题。本文依据基于团簇的“变电子浓度线判据”,对Cu-Zr-基三元合金系进行成分设计,找到了一系列新的块体非晶合金,发现了块体非晶合金的微合金化现象,并用原子尺寸和电子浓度因素分析了这些块体非晶合金的形成。 Cu8Zr3相中存在Cu8Zr5团簇结构,它与Cu-Zr系的深共晶点Cu0.618Zr0.382对应。Cu0.64Zr0.36是Cu-Zr系具有最大玻璃形成能力的成分点。以Cu0.618Zr0.382和Cu0.64Zr0.364成分为出发,连接第三组元M,得到两条变电子浓度线,分别为(Cu0.618Zr0.382)1-xMx和(Cu0.64Zr0.36)1-xMx,其中M=Nb、Sn、Mo、si、V或Ag。采用氩弧熔炼,由铜模吸铸法制备直径3mm的合金棒。块体非晶合金的玻璃形成区及玻璃形成能力由XRD、热分析和金相来确定。结果表明,微量的Nb、Sn、Mo、Ag的添加即提高了Cu-Zr系的玻璃形成能力。其中,(Cu0.64Zr0.36)0.99Nb0.01、(Cu0.64Zr0.36)0.99Sn0.01和(Cu0.618Zr0.382)0.92Ag0.08分别具有最大的玻璃形成能力,其3mm完全非晶棒的长度分别为20、12和25mm。 Cu8Zr5团簇在块体非晶形成中起着决定性的作用。Nb、Sn的合金化提高了该团簇的堆积密度,从而提高了Cu-Zr系的玻璃形成能力;而V、Si的合金化则降低了该团簇的堆积密度,从而降低了其玻璃形成能力。Cu0.64Zr0.36成分可近似描述为(Cu8/13Zr5/13)13/14Cu1/14,即一个Cu8Zr5团簇和一个Cu原子连接起来。相应地,最佳非晶成分可表示为[Cu8Zr5型二十面体团簇成分]13/14（连接原子或原子团）1/14。由此,第三组元微合金化的最佳成分可近似描述为(Cu0.643Zr0.357)1-uNu。非晶合金的形成还受电子浓度的控制。除添加Ag的合金系外,各系列块体非晶合金的玻璃形成能力都随着其e/a值的增加而呈增大的趋势。虽然Mo的合金化降低了Cu8Zr5团簇的堆积密度,但综合考虑电子浓度因素的影响,Mo的添加依然提高了合金的玻璃形成能力。 Ag在合金化过程中一方面提高Cu8Zr5团簇的堆积密度,另一方面还作为连接原子,与Cu8Zr5团簇构成连接结构。因此,具有最大玻璃形成能力的合金落在变电子浓度线(Cu0.618Zr0.382)1-xAgx上,且Ag的添加量等于或大于8 at.%。各块体非晶成分的e/a值随Ag含量的增加都呈现单调降低的趋势,但其变化量很小（<0.002）,因此,相对而言,电子浓度是一个次要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.2 块体非晶合金的形成机理
• 1.2.1 块体非晶合金形成的热力学条件
• 1.2.2 块体非晶合金形成的动力学条件
• 1.2.3 形成块体非晶的合金液体中的短程有序
• 1.3 块体非晶合金的成分设计
• 1.4 块体非晶合金的微合金化现象
• 1.4.1 微合金化对块体非晶合金的GFA的影响
• 1.4.2 微合金化对块体非晶合金的热稳定性的影响
• 2 基于团簇的变电子浓度线判据
• 2.1 基于团簇的变电子浓度线判据
• 2.1.1 非晶合金的电子浓度因素
• 2.1.2 基于团簇的变电子浓度线
• 2.2 Cu-Zr二元系的团簇结构
• 2.3 成分设计
• 3 样品制备与研究方法
• 3.1 样品制备
• 3.2 测试与分析方法
• 3.2.1 X射线衍射（XRD）分析
• 3.2.2 差示扫描量热（DSC）分析
• 3.2.3 差热分析（DTA）
• 3.2.4 显微组织分析
• 4 基于团簇的Cu-Zr基三元块体非晶的形成
• 8Zr₅团簇的Cu-Zr基三元块体非晶的形成'>4.1 基于Cu₈Zr₅团簇的Cu-Zr基三元块体非晶的形成
• 4.1.1 Nb、Sn、Mo、Si、V的微合金化
• 4.1.2 Cu-Zr-Ag系Cu基块体非晶合金的形成
• 4.2 讨论
• 4.2.1 非晶合金的GFA和热稳定性分析
• 8Zr₅团簇结构与非晶形成'>4.2.2 Cu₈Zr₅团簇结构与非晶形成
• 6Zr₅团簇的Cu-Zr基三元块体非晶的形成'>4.3 基于Cu₆Zr₅团簇的Cu-Zr基三元块体非晶的形成
• 4.3.1 Nb、Sn的微合金化
• 结论
• 参考文献
• 致谢
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