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Co基和Y基非晶合金成分设计及其性能研究

2020-11-29阅读(840)

Co基和Y基非晶合金成分设计及其性能研究

论文摘要

非晶合金以其优异性能而引起了广泛的关注和极大的兴趣。寻找非晶形成能力强的合金成分系列,一直是许多科研者的努力方向。由于缺乏一个完善的预测合金GFA理论,本文利用元素替代法以某一元素或多个元素替代AxByC100-x-y型合金的部分元素,而不改变其它元素的原子百分含量,以Co45Fe25Nb10B20和Y56Al24Co20两个合金体系为研究对象,采用单辊快淬法和铜模吸铸法制备了多种非晶合金,并研究了其晶化动力学和力学行为,得到以下主要结论:（1）研究了Zr元素对Co45Fe25-xZrxNb10B20（x=0,2,4,6 at.%）合金的母合金铸态组织、非晶形成能力和热稳定性的影响。其中Zr元素含量为4 at.%时,合金具有最均匀细小的铸态组织、最强的非晶形成能力和最高的热稳定性。采用Kissinger法对Co45Fe21Zr4Nb10B20合金的表观激活能进行了计算,得到其玻璃转变激活能Eg和初始晶化激活能Ex1分别为720.3kJ/mol和424.5kJ/mol。（2）研究表明适量添加Y元素可以提高Co45Fe21Zr4Nb10B20合金的非晶形成能力和热稳定性。其主要原因是Y原子对氧有很强的亲和力,大大减少了氧对合金非晶形成能力的不利影响。由Kissinger法计算得到(Co45Fe21Zr4Nb10B20)96Y4合金的初始晶化激活能Ex1和晶化峰激活能Ep1分别高达940.7 kJ/mol和825.0 kJ/mol,是目前所有非晶合金中的最高值。本工作研究的Co基合金体系不仅具有较高的非晶形成能力,而且具有较好的软磁性能,有望作为实用型软磁非晶材料。（3）基于相似元素替代法,利用单辊快淬法制备了Y56-x（Ce,Nd,Pr）xAl24Co20（x=0,5,10,15,20at.%）、Y36Ce10Nd10Al24Co20、Y36Ce10Pr10Al24Co20和Y36Nd10Pr10Al24Co20非晶薄带,热分析表明这些合金均具有高的GFA和热稳定性,并且随着添加元素含量的增加,合金的GFA和热稳定性得到提高。该Y基非晶合金体系的过冷液相区ΔTx与反映合金混合热变化的3个键参数之间存在如下关系:ΔTx=-273.5+639.6Δx2+1074.5δ2+363.1Δn2/3,相关系数为95.6%。（4）研究了元素Zr和Sc对Y56Al24Co20合金的非晶形成能力和热稳定性的影响,发现元素Sc较Zr更能提高Y56Al24Co20合金的GFA,其主要原因是Sc原子与合金其它元素相比,对氧具有更强的亲和力,大大减少了氧对合金非晶形成能力的不利影响。同时提出了一个修正理论计算参数ε*(ε*=-ΔASmix/ΔHform),可以用来预测合金的GFA。（5）用铜模吸铸法制备了直径分别为3mm和5mm的Y56Al24Co20和Y41Sc15Al24Co20大块非晶合金。基于不同冷却速率条件下合金液体熔点偏移的计算方法得到Y41Sc15Al24Co20大块非晶合金的临界实际冷却速率为36K/s。在玻璃转变温度Tg和晶化温度Tx之间的等温晶化过程中,该大块非晶合金的主要晶化过程Avrami指数n（x）＞3,为三维形核长大过程。（6）由VFT方程拟合得到Y41Sc15Al24Co20大块非晶合金的脆性参数m=24,小于典型非晶形成能力很强Zr基和Pd基合金的m值,表明该合金具有很好的非晶形成能力。该大块非晶合金是目前最脆的金属玻璃,其泊松比为0.254,是研究脆性问题的理想材料。（7）以Y基非晶合金为研究对象,研究表明,随着冷却速率的降低,非晶合金的硬度增大。同时在压痕周围伴有多重剪切带（pile-up）现象,这是由压痕形变区域内自由体积显著增加造成的。基于自由体积模型,高的冷却速率引起更高的缺陷浓度,导致原子的跃迁和扩散的可能性越大,从而增加了原子的通量和降低流变应力,最终导致非晶合金软化。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 非晶态合金的概述和发展史
  • 1.2 非晶态合金的形成机理
  • 1.2.1 非晶形成的热力学条件
  • 1.2.2 非晶合金形成的动力学条件
  • 1.2.3 非晶合金形成的结构条件
  • 1.3 非晶合金的制备
  • 1.3.1 粉末冶金法
  • 1.3.2 熔体直接凝固法
  • 1.4 评价非晶形成能力的经验判据
  • 1.4.1 约化玻璃转变温度
  • 1.4.2 过冷液相区
  • 1.4.3 γ参数
  • 1.4.4 П参数
  • 1.4.5 CPS参数
  • 1.4.6 σ参数
  • 1.4.7 ε参数
  • 1.5 成分设计的准则
  • 1.5.1 Davis共晶线准则
  • 1.5.2 Inoue经验准则
  • 1.5.3 混乱原则
  • 1.5.4 电子浓度
  • 1.5.5 相似元素替换法
  • 1.6 非晶合金的性能
  • 1.6.1 力学性能
  • 1.6.2 磁性能
  • 1.6.3 化学性能
  • 1.7 非晶合金的应用
  • 1.8 本文的立题依据及主要内容
  • 第二章 实验设备、方法和原理
  • 2.1 实验流程
  • 2.2 性能检测与表征
  • 2.3 非晶合金样品的制备
  • 2.3.1 母合金熔炼
  • 2.3.2 非晶薄带的制备
  • 2.3.3 铜模吸铸法制备块体非晶合金
  • 2.4 非晶合金的主要测试手段及其原理
  • 2.4.1 物相分析
  • 2.4.2 热分析参数的测量
  • 2.4.3 显微硬度的测量
  • 2.4.4 磁性能
  • 2.4.5 纳米压痕
  • 第三章 Co基非晶合金的制备、性能和晶化行为的研究
  • 3.1 前言
  • 3.2 实验
  • 3.3 Co-Fe-Zr-Nb-B非晶合金的制备
  • 3.3.1 Zr对合金非晶形成能力的影响
  • 3.3.2 母合金显微结构对合金非晶形成能力的影响
  • 3.3.3 Zr对非晶合金的热稳定性影响
  • 45Fe21Zr4Nb10B20非晶合金的非等温晶化行为研究'>3.3.4 Co45Fe21Zr4Nb10B20非晶合金的非等温晶化行为研究
  • 45Fe21Zr4Nb10B20)100-xYx非晶合金的制备'>3.4(Co45Fe21Zr4Nb10B20)100-xYx非晶合金的制备
  • 3.4.1 Y对Co基合金非晶形成能力的影响
  • 3.4.2 Y对Co基合金热稳定性的影响
  • 45Fe21Zr4Nb10B20)96Y4非晶合金的晶化动力学研究'>3.4.3(Co45Fe21Zr4Nb10B20)96Y4非晶合金的晶化动力学研究
  • 3.5 Co基非晶合金的软磁性能
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 等原子替代法制备Y基非晶合金
  • 4.1 前言
  • 4.2 实验过程
  • 4.3 实验结果与分析
  • 4.3.1 结构表征
  • 4.3.2 热分析
  • 56Al24Co20合金热力学参数的机理'>4.3.3 Ce、Pr和Nd影响Y56Al24Co20合金热力学参数的机理
  • 4.3.4 Y基非晶合金过冷液相区与键参数的关系
  • 4.4 本章小结
  • 56Al24Co20非晶合金的制备'>第五章（Y-Sc,Zr）56Al24Co20非晶合金的制备
  • 5.1 前言
  • 56-xZrxAl24Co20和Y56-xScxAl24Co20非晶合金的制备'>5.2 Y56-xZrxAl24Co20和Y56-xScxAl24Co20非晶合金的制备
  • 56Al24Co20合金热力学参数的影响'>5.2.1 Zr对Y56Al24Co20合金热力学参数的影响
  • 56Al24Co20合金热力学参数的影响'>5.2.2 Sc对Y56Al24Co20合金热力学参数的影响
  • 56Al24Co20合金热力学参数的机理'>5.2.3 Zr、Sc影响Y56Al24Co20合金热力学参数的机理
  • 56Al24Co20合金非晶形成能力的影响'>5.2.4 吉布斯自由能对Y56Al24Co20合金非晶形成能力的影响
  • 5.2.5 成分设计的理论计算
  • 5.3 Y基大块非晶合金的制备
  • 5.3.1 Y基大块非晶合金的结构分析
  • 5.3.2 Y基大块非晶合金的热分析
  • 41Sc15Al24Co20大块非晶合金的临界冷却速率实际测定'>5.3.2 Y41Sc15Al24Co20大块非晶合金的临界冷却速率实际测定
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 Y基大块非晶合金的晶化动力学及其脆性研究
  • 6.1 前言
  • 6.2 实验过程
  • 6.3 实验结果与分析
  • 6.3.1 连续加热
  • 6.3.2 等温晶化
  • 6.3.3 热稳定性和相析出过程
  • 6.3.4 脆性系数m与非晶形成能力的关系
  • 6.3.5 泊松比σ
  • 6.3.6 压缩断裂行为
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 冷却速率诱导非晶合金软化机理的研究
  • 7.1 前言
  • 7.2 实验过程
  • 7.2.1 显微硬度
  • 7.2.2 纳米压痕
  • 7.3 实验结果与讨论
  • 7.3.1 显微硬度及压痕行为
  • 7.3.2 纳米压痕行为
  • 7.3.3 冷却速率影响非晶合金硬度的机理探讨
  • 7.4 本章小结
  • 第八章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间主要的研究成果

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