Zr56Al16Co28和Zr70Al12.5Fe17.5合金的熔体与超冷液体晶化微结构研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuji19840718
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Zr基块体金属玻璃(BMGs)合金有望作为高性能的结构和生物医用功能材料获得实际应用,这些应用要求BMGs合金具有大玻璃形成能力(GFA)和高热稳定性。具有大GFA的Zr基BMGs通常是多元体系,可被认为是基于Zr-Al-TM(TM=Fe、Co、Ni、Cu…)三元基础体系发展而成。其中,Zr-Al-Fe和Zr-Al-Co体系在组元性质、相图特征和电子结构因素等方面都接近,但金属玻璃形成的最佳成分和临界尺寸(直径)分别为Zr70Al12.5Fe17.5(f1.5 mm)和Zr56Al16Co28((?)18 mm),存在显著差异。这两个BMGs的超冷液体稳定,显示大的超冷液体区间。本论文研究了合金熔体凝固和金属玻璃升温晶化的微结构和相组成特征,利用X-射线衍射(XRD),透射电子显微术(TEM)和电子探针等技术分析了Zr70Al12.5Fe17.5和Zr56Al16Co28合金的熔体与过冷液体的晶化微结构演变特征,为理解二者GFA的显著差异和高的超冷液体稳定性提供实验证据。论文主要研究结果如下:(1)合金熔体的凝固微结构Zr56Al16Co28合金的5 g和10 g铸锭中均形成三层不同的凝固组织。5 g铸锭远离铜模区域是完全非晶结构;靠近铜模区域完全晶化,形成共晶组织,晶化产物为hP2-Al2CoZr6(a=0.71 nm,c=0.71 nm)和cP-ZrCo相(a=0.33 nm),两晶化相完全共格,共格关系为:(300)Al2CoZr6//(110)ZrCo,[(?)]Al2CoZr6//[001]ZrCo。两相的片层厚度接近,约为50-100 nm。10 g铸锭的远离铜模区域发生部分晶化,非晶基体上形成少量的纳米晶,晶化相也为hP2-Al2CoZr6和cP-ZrCo相,铸锭底部也完全晶化。Zr70Al12.5Fe17.5合金5 g铸锭的底部和中部的显微组织形貌接近,均有明显的晶界,大晶粒内有黑色絮状组织,相组成为hP-Al2FeZr6(a=0.71 nm,c=0.35 nm)和tI-Zr2Fe(a=0.64 nm,c=0.56 nm)。(2)金属玻璃晶化微结构Zr56Al16Co28金属玻璃在升温过程中显示两个放热峰,第一个放热峰不发生晶化,样品保持非晶结构,该放热过程不可逆,对应的表观激活能为292±10 kJ/mol。以40 K/min升温时,样品在第二个放热峰初始温度(873 K)发生晶化,同步辐射XRD谱和TEM证据表明先析出相为hP2-Al2CoZr6,晶化的形核率高,长大率低;样品升温到973 K时完全晶化,微结构特征为杂草状的hP2-Al2CoZr6相和不规则块状的cP-ZrCo相在纳米尺度共存,两相无共格关系;样品在818 K分别等温40 s、4 min和60 min得到的DSC曲线仅显示一个放热峰,样品不发生晶化。873 K等温曲线显示有两个放热峰,第一峰不对应晶化,30 min后样品完全晶化,产物依旧为hP2-Al2CoZr6和cP-ZrCo相,与变温过程结果相符合。Zr70Al12.5Fe17.5金属玻璃在升温过程发生单峰晶化,形成50-100 nm尺寸的纳米晶,对应于高的形核率和低的生长率。晶化产物为hP-Al2FeZr6和tI-Zr2Fe,晶化表观激活能为261±12 kJ/mol。综上实验结果表明:Zr56Al16Co28合金的超冷液体晶化前发生相分离,是该合金熔体具有超大GFA重要原因,但需要进一步实验证据来证明,并用于讨论超冷液体纳米尺度的亚稳调幅分解机制。
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