Zr基納米合金材料的制備及性能研究

【摘要】本文在Zr基合金系基礎上，設計了三組不同成分的合金，通過真空電弧爐熔煉及銅模吸鑄法得到準晶體合金，采用電流能量拌入、等溫退火等非晶晶化方式獲得三維納米材料。對材料進行差熱分析、XRD分析、金相分析、顯微硬度分析和掃描電鏡分析。實驗結(jié)果表明：三種不同的晶化方式都對合金的性能及組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的影響；合金的成分變化對晶化轉(zhuǎn)變溫度的影響很??；1號試樣具有較強的非晶成型能力。

【關(guān)鍵詞】塊狀非晶；Zr合金；晶化；納米材料

1、前言

非晶合金材料具有良好的物理化學性能，在航天航空、汽車、精密制造、電子通訊與計算機、生物醫(yī)學等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景[1-2]。近年來，具有良好非晶形成能力的鋯基多組元合金體系引起了研究者的極大興趣。鋯基塊體非經(jīng)合金具有高拉伸強度、良好的延展性、高彈性以及很強的抗腐蝕性 [3-5]。

本文以Zr-Cu基為基礎，通過添加Al、Ni等元素，在得到準晶體的基礎上采用不同非晶晶化方式對合金進行晶化，通過XRD和DSC分析研究不同合金系的非晶形成能力；通過組織觀察和硬度分析試驗，研究合金性能和影響因素。為進一步開展Zr基大塊非晶合金材料的研究提供理論基礎。

2、試驗過程

試驗合金原料為工業(yè)純Zr、Al、Ni及Cu，成分純度均在99.9%以上。采用WK型非自耗真空電弧爐進行合金熔煉，熔煉過程中采用高純度氬氣進行保護。銅模吸鑄成型制備得到1、2和3三組試樣，吸鑄試樣的尺寸為80mm×10.2mm×2.6mm。

電致晶化：對試樣施加短時的強電流脈沖實現(xiàn)快速加熱使其發(fā)生納米晶化。實驗參數(shù)：電流密度為107A/m2～108A/m2，加熱速率約為104K/s～106K/s，通電流5分鐘。

熱致晶化：溫度480℃、保溫2h后冷卻至室溫。該方法對于進一步理解納米晶體的內(nèi)界面結(jié)構(gòu)特征、納米晶的形成機理以及材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系提供了一種有效的手段[6]。

3、試驗結(jié)果與討論

DTA實驗起始溫度為100℃，結(jié)束溫度為600℃，加熱速率為20℃/min。三組試樣的曲線在480℃左右出現(xiàn)了明顯的放熱峰，試樣質(zhì)量發(fā)生變化，材料在這個臨界點位置發(fā)生了相變，試樣內(nèi)部發(fā)生晶格重組或產(chǎn)生新相使得質(zhì)量上升，確定三個試樣的晶化轉(zhuǎn)變溫度為480℃，表明試樣成分不同對該準晶體的晶化溫度影響很小。

1號試樣在35°～40°之間有明顯的峰值出現(xiàn)，析出相為CuZr及Al2Zr3。電致晶化后，45°的峰對應的析出相增多，熱致晶化后析出峰逐漸右移，說明電流對試樣內(nèi)部的組織轉(zhuǎn)變起到了作用。2號試樣在30°～45°之間有明顯的衍射峰，45°以后曲線趨于平緩，說明晶體內(nèi)部析出相較少。3號試樣鑄態(tài)下和經(jīng)過電致晶化后材料內(nèi)部相結(jié)構(gòu)變化很小，曲線的平穩(wěn)度較高。結(jié)合上述分析，本文制備的試樣可以定義為介于非晶和晶體之間的過渡態(tài)準晶體材料。

經(jīng)過電致晶化及熱致晶化后，試樣的硬度均小于鑄態(tài)下組織硬度，且熱致態(tài)組織硬度最小，1號試樣硬度顯著高于2號及3號試樣。電致晶化后，基體中析出的化合物大大地降低了材料的硬度，從1026HV降低到901HV，說明電致晶化后降低了1號試樣中的非晶化程度。

3號試樣顯微組織中看不出明顯的晶界，經(jīng)過電流能量拌入后，提高了其非晶化的程度，硬度從644HV升高到689HV。1號樣和2號樣鑄態(tài)下的硬度最高，經(jīng)過晶化作用后，硬度下降。3號試樣經(jīng)過電流能量拌入后，硬度有了明顯的增加，該材料的非晶化程度有明顯的提高，因此硬度上升。

3號試樣經(jīng)過電致晶化后，從基體中析出了第二相，析出的第二相呈雪花狀，該點成分其中L能級上Zr的峰值最大，說明析出相中Zr含量占的比例最大，從原子比可以看出，析出相接近Al2Zr3化合物原子比[7]。析出的相雖然沒有達到納米級的水平，但也達到了微米級別。

熱致晶化后，3號試樣從基體中析出了第二相，能譜顯示Zr含量達到70%（如表4所示），超過了一開始設計的成分比例，Al、Cu及Zr元素的原子比接近1：1：2。這些點在氫氟酸的腐蝕下表現(xiàn)出良好的耐蝕性，因此該點可能是含Zr的陶瓷相。1號試樣的鑄態(tài)基體很細小，有很多短棒狀的組織構(gòu)成，尺寸在2μm～10μm之間。其間還含有少量的更細小的納米級顆粒。

4、結(jié)論

本文在Zr基合金系基礎上，采用電流能量拌入、等溫退火等非晶晶化方式獲得三維納米材料。對材料進行差熱分析、XRD分析、金相分析、顯微硬度分析和掃描電鏡分析。實驗結(jié)果表明：

1）銅模吸鑄法成功制備出準晶體材料；

2）三組試樣的結(jié)晶化溫度都在480℃左右，試樣成分對結(jié)晶化溫度影響很?。?/p>

3）不同熱處理和能量拌入方法對試樣產(chǎn)生了晶化效應，1號試樣具有較強的非晶成型能力。

參考文獻

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