Y基非晶态合金的制备及性能研究

论文摘要

自从上个世纪六十年代美国加州理工大学的P.Duwez等人采用熔体快速冷却法首先制得Au-Si非晶合金后，非晶态合金具有的独特的物理性能、化学性能、力学性能和耐腐蚀性能而引起了广泛的关注和极大的兴趣。寻找非晶形成能力更强的合金成分系列，一直是许多科研者努力的方向。稀土基非晶合金自1989年问世以来，就以极强的非晶形成能力及独特的性能而引起研究者的普遍关注。本论文用单辊急冷法制备新型的Y-（Ce，Pr，Nd，Sc，Zr）-Al-Co系非晶合金，对这一体系的非晶形成能力以及热稳定性进行了研究和分析。进而选取其中非晶形成能力最好的Y46Zr10Al24Co20和Y41Sc15Al24Co20合金，进行晶化动力学和力学性能的研究，得到如下结论：（1）稀土元素Ce，Pr和Nd分别替代Y56Al24Co20合金中的部分Y（5～20at.％）时，提高了Y基合金的非晶形成能力。随着添加元素含量的增加，合金的热力学参数亦随着变大，其过冷液相区间△Tx，约化玻璃转变温度Trg和参数γ最大值分别达到62K，0.688和0.417。运用热力学和熔体微观结构竞争的理论解释了出现这种现象的原因。实验结果表明，通过添加电子结构不同于合金的主要组成元素，但原子半径相近的元素，可以有效提高合金的非晶形成能力。（2）Zr和Sc分别替代Y56Al24Co20合金中的部分Y（5～20at.％）时，提高了Y基合金的非晶形成能力。其中Y46Zr10Al24Co20的玻璃转变温度Tg，晶化开始温度Tx和熔点Tm分别为660K，724K和1026K，△Tx为64K，Trg为0.626，γ为0.422。Y41Sc15Al24Co20的Tg，Tx和Tx分别为643K，717K和967K，△Tx为74K，Trg为0.641，γ为0.436。可见在Y56Al24Co20非晶合金中用10（at.％）便宜的Zr替代Y41Sc15Al24Co20中的15（at.％）Sc可以达到基本相同的非晶形成能力，并从组元个数、原子半径、混合热和电负性的角度分析了其具有好的非晶形成能力的原因。（3）研究了Y56Al24Co20，Y46Zr10Al24Co20和Y41Sc15Al24Co20三种非晶合金的晶化行为。在匀速升温晶化方式下，用Kissinger方法计算了Y56Al24Co20的玻璃转变、开始晶化和晶化峰表观激活能△Eg，△Ex和△Ep分别为390.15kJ／mol、257.02kJ／mol和267.28kJ／mol；Y46Zr10Al24Co20的分别为415.64kJ／mol、279.74kJ／mol和319.51kJ／mol；Y41Sc15Al24Co20的分别为474.17kJ／mol、307.12kJ／mol和291.48kJ／mol。用Ozawa法计算Y56Al24Co20的玻璃转变、开始晶化和晶化峰表观激活能分别为381.15kJ／mol、255.54kJ／mol和265.25kJ／mol；Y46Zr10Al24Co20的分别为405.42kJ／mol、277.44kJ／mol和315.28kJ／mol；Y41Sc15Al24Co20的分别为461.08kJ／mol、303.56kJ／mol和288.72kJ／mol。按两种方法计算获得的激活能具有很好的一致性。实验结果表明，分别添加10（at.％）Zr和15（at.％）Sc可以提高非晶合金的热稳定性。因此，在Y56Al24Co20非晶合金中用10（at.％）Zr替代Y41Sc15Al24Co20中的15（at.％）Sc可以达到和Y41Sc15Al24Co20基本相同的热稳定性。（4）实验结果表明：Y56Al24Co20，Y46Zr10Al24Co20和Y41Sc15Al24Co20非晶合金薄带试样，冷却速度越小，HV值越大；三种非晶合金均随着退火温度的增加显微硬度有所增加，并从自由体积角度加以分析。因而在Y56Al24Co20非晶合金中用10（at.％）的zr代替Y41Sc15Al24Co20中的15（at.％）Sc无论在淬态或退火态都可以达到更高的硬度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 非晶态合金的发展
• 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 非晶态合金的制备方法
• 1.4 非晶态合金的性能和应用
• 1.4.1 力学性能
• 1.4.2 物理性能
• 1.4.3 化学性能
• 1.4.4 非晶合金的应用
• 1.5 评价非晶形成能力的经验判据
• 1.6 成分设计的理论依据
• 1.7 稀土基非晶态合金的研究现状
• 1.8 本工作的主要内容和意义
• 第二章 实验过程与方案
• 2.1 实验方案的选择
• 2.2 实验工艺过程
• 2.3 性能检测与表征
• 2.3.1 物相分析
• 2.3.2 热稳定性参数的测量
• 2.3.3 显微硬度的测量
• 第三章 添加稀土元素对 Y-Al-Co 合金非晶形成能力的影响
• 3.1 前言
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 元素 Sc，Zr 对 Y-Al-Co 合金非晶形成能力的影响
• 4.1 前言
• 56Al₂₄Co₂₀ 合金非晶形成能力的影响'>4.2 添加元素 Zr 对 Y₅₆Al₂₄Co₂₀合金非晶形成能力的影响
• 56Al₂₄Co₂₀ 合金非晶形成能力的影响'>4.3 添加元素 Sc 对 Y₅₆Al₂₄Co₂₀合金非晶形成能力的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 Y 基非晶合金的晶化行为
• 5.1 前言
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 Y 基非晶合金的力学性能
• 6.1 前言
• 6.2 实验过程
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 影响因素
• 6.3.2 塑性变形及其机理
• 6.4 本章小结
• 第七章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间公开发表的论文