重稀土添加对Cu-Zr-Al合金非晶形成及性能的调控

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本论文通过水冷铜模吸铸法制备了Cu50-xZr46Al4REx(RE=Dy,Tb,Gd;x=0,1,2,3,4)系列合金。探究了重稀土元素Dy、Tb、Gd微量添加对Cu50Zr46Al4非晶形成能力、热稳定性、力学性能以及耐腐蚀性的调控。具体研究内容如下:首先,研究了Dy、Tb、Gd元素添加对Cu50Zr46Al4合金非晶形成能力的调控。用重稀土元素Dy、Tb、Gd置换Cu50Zr46Al4合金中的Cu元素,通过铜模吸铸法制备了1.5mm和3mm直径的Cu50-xZr46Al4REx(RE=Dy,Tb,Gd;x=0,1,2,3,4)棒状非晶合金,利用X射线衍射仪对样品的结构进行分析,计算出非晶合金的临界尺寸(d)。并对样品进行低热分析,得到一系列的热力学参数,经计算得到过冷液相区宽度△Tx(△Tx=Tx-Tg)以及γ=Tx/(Tg+Tl)。结果显示,加入重稀土元素Dy、Tb、Gd后,合金体系的玻璃转变温度有明显降低,过冷液相区△Tx宽度随之增大,1at.%的Dy、Tb和3at.%的Gd添加使合金获得了最大的γ参数值和临界尺寸,表明适量的稀土元素添加有利于合金非晶形成能力的提高。其次,研究了Cu50-xZr46Al4REx(RE=Dy,Tb,Gd;x=0,1,2,3,4)合金的室温压缩力学性能。由实验结果分析得到合金的屈服强度、弹性应变、断裂强度以及塑性应变。对样品的断口断裂特征进行了形貌观察。结果显示适量的Dy、Tb、Gd引入可以有效提高Cu-Zr-Al合金的强度和塑性。其中Cu48Zr46Al4Gd2的塑性应变达到了9.75%、而Cu49Zr46Al4Dy1的断裂强度达到了2.062GPa,与Cu50Zr46Al4相比塑性变形能力明显提高、断裂强度提高了30%以上。在此基础上,又对所有合金试样进行了硬度测试,发现硬度与γ参数两者随着稀土元素含量的变化呈现出相似的趋势,即该系列合金的非晶形成能力与硬度之间存在着一定的关联性。从合金硬度的径向分布来看,加入稀土元素后非晶态合金呈现出更大的径向不均匀性,有利于合金塑性变形能力的提高。最后,探究了Cu-Zr-Al非晶合金的腐蚀性能,发现Cu50Zr46Al4非晶合金在3.5%的Na Cl溶液中,不会生成钝化膜,腐蚀速率很快。而添加Gd元素后,可以产生一定量的钝化膜,有利于该系列非晶合金抗腐蚀性能的提高。
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