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具有“深共晶”特征的合金体系有利于形成金属玻璃。对于三元合金系,虽然已经发现了众多可形成块体金属玻璃(BMG)的体系,但由于缺乏完整可靠的相图,BMG形成成分与共晶反应之间的联系还未被揭示。澄清两者间的关系对于理解BMG的形成和发展具有高玻璃形成能力(GFA)的合金具有重要意义。
本工作选取了相图研究较详细的Cu-Ti-Zr三元合金系,对Cu-Ti二元系侧附近成分区域内GFA对成分变化的依赖关系进行了系统的研究。并采用Ni元素部分替代Cu元素进一步提高三元合金的GFA,并尝试揭示三元和四元BMG形成合金熔体凝固所经历的共晶反应。主要结论如下:
1.在Cu-Ti-Zr三元系中Cu-Ti二元系侧发现了具有块体玻璃形成能力的成分区域(55-57 at.% Cu,30-31 at.% Ti,13-14 at.% Zr),区域内的合金铜模浇铸条件下的临界直径为2 mm。
2.通过对电弧熔炼母合金凝固组织的研究,确定在Cu-Ti-Zr三元系中具有块体玻璃形成能力的成分区域内,与玻璃形成相竞争的相为γ-CuTi、Cu51Zr14和Cu2TiZr三相,与玻璃形成相关的共晶反应为(L→γ-CuTi+Cu51Zr14+Cu2TiZr)三元共晶反应。
3.以Cu56Ti31Zr13三元合金成分为基础,用Ni元素部分替代Cu元素,采用“3D法”将Cu-Ni-Ti-Zr四元系处理成(Cu,Ni)-Ti-Zr伪三元系,在三维成分空间内定位出GFA最强的合金为Cu50.4Ni5.6Ti31Zr13,其铜模浇铸条件下形成完全非晶态样品的直径可达6 mm。
4.Ni元素在提高玻璃形成能力方面的作用主要体现在两个方面:一方面Ni元素加入后使Cu50.4Ni5.6Ti31Zr13合金的液相线温度较起始三元合金降低了26 K,起到了稳定液体的作用;另一方面,Ni元素的加入抑制了Cu51Zr14的析出和γ-CuTi相的长大,使与玻璃形成相关的共晶反应变为(L→γ-CuTi+Cu2TiZr)伪二元共晶反应。