【摘 要】
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非晶合金又被称为金属玻璃,相对于晶态材料而言,非晶合金具有独特的结构,均匀且各向同性,这种独特的结构避免了各种晶体缺陷,使得金属玻璃相比于晶态合金具有更优良的特性。当前,研究者们已经开发出很多具有较大玻璃形成能力的合金体系,临界尺寸最高可达72 mm。但是近几年来,未见突破进展,研究者们对非晶合金的玻璃形成能力研究相对较少,仍需开发高玻璃形成能力的合金体系,针对这个不足,本文选择Zr-Cu-Al-
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非晶合金又被称为金属玻璃,相对于晶态材料而言,非晶合金具有独特的结构,均匀且各向同性,这种独特的结构避免了各种晶体缺陷,使得金属玻璃相比于晶态合金具有更优良的特性。当前,研究者们已经开发出很多具有较大玻璃形成能力的合金体系,临界尺寸最高可达72 mm。但是近几年来,未见突破进展,研究者们对非晶合金的玻璃形成能力研究相对较少,仍需开发高玻璃形成能力的合金体系,针对这个不足,本文选择Zr-Cu-Al-Ni合金系作为研究目标,在前人的基础上改进团簇加连接原子模型,利用团簇加连接原子模型对对经典成分Zr55Cu30Al10Ni5合金进行成分优化。本文利用团簇加连接原子模型对Zr55Cu30Al10Ni5合金成分进行解析,希望在此基础上进一步提升合金的玻璃形成能力。典型的二元和三元块体金属玻璃成分以前是通过单团簇式来解释的,也就是说,一个好的玻璃成分是由一个最近邻团簇加上一个或三个连接原子得到的,每个单团簇式的自由电子数接近24。在这项研究中,由于Zr55Cu30Al10Ni5大块金属玻璃代表了双相结构,使用双团簇式方法,即代表两个单团簇式的化学公式来解释和优化。首先,双团簇式中的原子数是从主要晶化相Cu Zr2中所有可能的单团簇式组合后估计出来的,其范围在28到34之间。第二,每个元素的自由电子数用以Zr为中心原子的单团簇式进行计算。第三,参考合金成分Zr55Cu30Al10Ni5被近似为27到36个原子的整数形式,双团簇式电子数用分配的元素自由电子数计算。之后通过铜模电弧熔炼对设计的成分以及参比合金进行了玻璃形成能力的检验。对合金铸锭进行了原子密度、热分析、HV硬度、铸锭中玻璃相的体积分数进行测试,结果表明32原子的化学式Zr17Cu10Al3Ni2(Zr53.13Cu31.25Al9.38Ni6.25)是最佳的合金成分,该团簇式的电子数略低于48,这证实了复杂的金属玻璃体系可以通过多个单团簇式来解析。随后,对Zr53.13Cu31.25Al9.38Ni6.25和参比合金Zr55Cu30Al10Ni5合金的晶化相进行研究,发现Zr53.13Cu31.25Al9.38Ni6.25合金和参比合金完全晶化后均出现两个晶化相,分别为Cu Zr2和Cu Zr相,这与理论解析相呼应。分别对两个合金的晶化行为进行研究,发现Zr53.13Cu31.25Al9.38Ni6.25合金变温晶化的激活能为312 k J/mol,等温晶化的晶化激活能为291 k J/mol,均高于参比合金（292 k J/mol,215 k J/mol）,进一步证实32原子的化学式Zr17Cu10Al3Ni2非晶稳定性更好。
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