Zr基非晶合金的形成能力与性能表征

论文摘要

根据快速凝固原理,自行设计了一套单辊急冷快速凝固实验装置,制备出了非晶薄带,研究了Zr基非晶合金的快速凝固特征。通过将金属熔体能量方程及Navier-Stokes方程相耦合,理论计算了液态合金的冷却速率;利用Takeuchi修正模型估算了该合金形成非晶的临界冷却速率。借助XRD、TEM、DSC分析技术,研究了Zr基非晶合金的结构特征,并对合金的电阻率、抗拉强度和伸长率等性能进行了量化表征,进而探索了冷却速率、组织形态与合金性能的相关规律。在快速凝固过程中,液池温度在垂直辊面的高度方向上的变化,比与辊面相切的水平方向上的温度变化显著,且熔体自上而下、自左至右的流动过程中,在高度约25μm处流速的大小和方向均发生变化,水平流速迅速增大,高度方向的流速急剧减小,两者在x＞0.6mm时趋于稳定。合金的冷却速率随辊速的增大而增大。制备出的ZrxAlyNizCU100-x-y-z（x=45,55,65;y=8,10,12;z=3,5,7）合金薄带均为非晶态结构。Zr55Al12Ni3Cu30合金的玻璃形成能力最好,其临界冷却速率较低,只有4.7K/s,而Zr45Al12Ni7Cu36合金的玻璃形成能力最差,其临界冷却速率较高,达610K/s。正交试验结果表明,成分为Zr45Al12Ni7Cu36,辊速控制在约40m/s所获得的非晶合金薄带具有最理想的性能。冷却速率对非晶合金薄带性能具有显著的影响。随冷却速率的增大,Zr45AlxNix-5Cu60-2x（x=8,10,12）合金的抗拉强度升高,伸长率则有所降低,电阻率逐渐增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 研究背景及意义
• 1.1 引言
• 1.2 非晶合金的发展概况
• 1.3 非晶合金的形成机制
• 1.3.1 非晶结构特点
• 1.3.2 非晶结构模型
• 1.3.3 非晶结构的表征
• 1.3.4 非晶形成能力的判定指标
• 1.3.5 非晶态合金的稳定性
• 1.3.6 非晶态合金的形成条件
• 1.4 非晶态合金的性能
• 1.4.1 力学性能
• 1.4.2 磁学性能
• 1.4.3 化学性能
• 1.4.4 光电性能
• 1.5 非晶态合金的应用
• 1.5.1 磁性材料
• 1.5.2 结构材料或高耐磨材料
• 1.5.3 钎焊材料
• 1.6 非晶薄带的制备方法
• 1.6.1 快速凝固原理
• 1.6.2 单辊急冷快速凝固方法
• 1.7 课题研究的主要目的及内容
• 2 单辊快速凝固装置的研制
• 2.1 总体设计方案
• 2.2 加热部分的设计
• 2.2.1 高频电源的选择
• 2.2.2 坩埚的设计
• 2.3 气体保护部分的设计
• 2.4 冷却部分的设计
• 2.4.1 单辊快速凝固原理
• 2.4.2 强制冷却
• 2.4.3 铜辊的工艺要求及高速电机的选择
• 2.5 控制部分
• 2.6 单辊急冷快速凝固装置的技术特点及功能
• 2.6.1 单辊急冷快速凝固装置的技术特点
• 2.6.2 影响成带性的主要因素
• 2.7 本章小结
• 3 研究方案及试验过程
• 3.1 研究对象
• 3.2 非晶合金的制备
• 3.2.1 合金成分的选择
• 3.2.2 纯金属的净化
• 3.2.3 母合金的熔配
• 3.2.4 非晶薄带的制备
• 3.3 非晶合金的结构分析
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 TEM分析
• 3.3.3 DSC分析
• 3.4 非晶合金的性能测试
• 3.4.1 拉伸强度与伸长率的测定
• 3.4.2 电阻率的测定
• 3.5 总体研究方案
• 3.5.1 正交试验设计
• 3.5.2 冷却速率（辊速）对非晶态合金性能的影响
• 3.5.3 研究非晶形成能力的影响因素
• 3.5.4 研究流程图
• 3.6 本章小结
• 4 非晶合金冷却速率的模拟计算
• 4.1 计算模型
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 数学模型
• 4.2 数值计算方法
• 4.3 急冷条件下非晶合金冷却速率的理论计算
• 4.4 快速凝固过程中的液相流动特征
• 4.5 本章小结
• 5 Zr基非晶合金的玻璃形成能力
• 5.1 XRD分析
• 5.2 TEM分析
• 5.3 DSC分析
• 5.4 非晶合金临界冷却速率的理论计算
• 5.5 本章小结
• 6 Zr基非晶合金的性能表征
• 6.1 多指标正交试验结果及分析
• 6.2 冷却速率对非晶合金性能的影响
• 6.2.1 冷却速率对抗拉强度的影响
• 6.2.2 冷却速率对伸长率的影响
• 6.2.3 冷却速率对非晶合金电阻率的影响
• 6.3 本章小结
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表论文及所获奖励