非晶态稀土铝合金制备与性能研究

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非晶铝合金因为比强高,韧性好,且耐蚀性能优异成为极具研究开发的新型非晶合金材料。本研究选择以Al-RE-TM(RE表示稀土元素,TM表示过渡族金属元素)体系合金为研究对象,采用单辊甩带技术成功制备了连续薄带状Al88Ce8TM4(TM=Ti,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu)铝基非晶态合金,采用X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热分析(DSC)和显微硬度仪等研究手段,分别深入研究了添加不同过渡金属Ti,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu等元素的非晶态稀土铝合金的非晶形成能力(GFA)、热力学性能、力学性能以及讨论了非晶合金XRD衍射峰的形成等问题。利用XRD、SEM和TEM对Al-Ce-TM合金的晶体结构进行了表征,XRD衍射图谱仅有很宽的弥散峰,未发现有尖锐的布拉格衍射峰;SEM、TEM照片均未发现有晶粒的出现;再结合选区电子衍射(SAED)呈现晕环状,确定制备的Al-Ce-TM铝合金为完全均一的非晶态结构。利用DSC分析了Al-Ce-TM非晶合金的热力学行为,并对其非晶晶化活化能、熔体的理论粘度和脆性等热力学相关参数做出计算。在合金熔体冷却过程中,加入前过渡金属(ETM=Ti,Cr,Mn)形成Al-Ce-ETM体系的合金非晶形成能力和热稳定性较差,而加入后过渡金属(LTM=Ti,Cr,Mn)形成Al-Ce-ETM体系的合金非晶形成能力和热稳定性有较显著的提高。这些性能的差异可以用合金元素TM相对Al原子的电负性差解释:对于Al和ETM的电负性大小接近,Al-ETM簇结合力弱,ETM对Al原子束缚小使得Al原子仍处于活泼状态,故扩散速度快而容易结晶,表现出合金的非晶形成能力小,热稳定性差;反之,添加LTM时,由于Al和LTM的原子电负性差大,形成的Al-LTM簇结合力强,急冷条件下,无法达到有效扩散而形成短程有序而长程无序的非晶态结构,其宏观表现为非晶形成能力强,热稳定性好。非晶试样进行硬度测试结果表明,所有薄带试样硬度的截面显微硬度值均大于HV186,其中Al88Ce8Mn4的硬度最高为HV247.7。对非晶铝合金在空气中老化处理后进行XRD测试,结果表明,仍没有出现明锐的晶化峰,说明制备的非晶合金的稳定性良好。但老化处理后合金的XRD图谱出现毛刺状的弱峰。而毛刺状峰的形成是由于非晶中存在Al-Al簇、Al-RE簇和Al-TM簇生长出微晶所导致的。因此推断,从Al-RE-TM非晶试样的XRD图谱上看,随衍射角度从小到大依次出现Al-Ce簇、Al-TM簇和Al-Al簇的衍射峰。
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