铜镍合金化及半固态处理工艺对ZrCoAl系非晶合金组织的影响.pdf

2 0 1 3 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 。4 5 。 d o i 1 0 。3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．1 0 ．0 1 3 铜镍合金化及半固态处理工艺对Z r C o A l 系 非晶合金组织的影响 李超1 ，寇生中1 ’2 ，赵燕春1 ’2 ，袁小鹏1 ，李春燕1 ’2 ，蒋维科1 ，徐冲1 ，邢秋玮1 1 ．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要向以Z r 。。C o 。；A 1 ；为基体的非晶合金中添加微量铜和镍，利用铜模吸铸法和半固态处理工艺制备 棒状 Z r 。。C u 。1 2 。。一，A 1 5 N i C u z 1 ．5 、2 ．5 、3 ．5 非晶合金。利用S E M 、X R D 和光学显微镜 0 M 分析研究了半固态处理工艺对非晶合金的微观组织结构、玻璃形成能力及断口形貌的影响。结果表明， 在半固态处理工艺基础上对Z r 。。C o ，。A 1 ；添加微量铜和镍后有较好的晶体形成能力。 关键词半固态处理；Z r C o A l 非晶合金；力学性能；玻璃形成能力 中图分类号T G l 3 9 ．8 文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 1 0 0 0 4 5 0 3 E f f e c t so fC u - N iA l l o y i n ga n dS e m i s o l i dP r o c e s s i n go n M i c r o s t r u c t u r eo fZ r C o A IA m o r p h o u sA l l o y L IC h a 0 1 ，K O US h e n g z h o n 9 1 ～，Z H A 0Y a n c h u n l ～， Y U A NX i a o p e n 9 1 ，L IC h u n y a n l “，J I A N GW e i k e l ，X UC h o n 9 1 ，X I N GQ i u w e i l 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ， L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．K e yL a b o r a t o r yo fN o n f e r r o u sM e t a lA l l o y sa n dP r o c e s s i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t T r a c en i c k e la n dc o p p e rw e r ea d d e di nZ r 8 0C o l 5A 1 5b a s ea m o r p h o u sa l l o y ．R o d l i k ea m o r p h o u sa l l o yo f Z r o ．8 8 C u o ．1 z 9 5 2 。A 1 5 N i C u 。 z 一1 ．5 ，2 ．5 ，3 ．5 a m o r p h o u sa l l o yw a sp r e p a r e db yc o p p e rm o u l d s u c t i o nc a s t i n ga n ds e m i s o l i dp r o c e s s i n g ．T h ee f f e c t so fs e m i s o l dp r o c e s so nm i c r o s t r u c t u r e ，g l a s sf o r m i n ga b i l i t y ，a n df r a c t u r em o r p h o l o g yo fa m o r p h o u sa l l o yw e r ei n v e s t i g a t e db yS E M ，X R Da n do p t i c a lm i c r o s c o p e O M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tZ r 8 0C o l 5A 1 5a l l o yh a sp r e f e r a b l ec r y s t a l l i z a t i o nf o r m i n ga b i l i t ya f t e r a d d i t i o no ft r a c en i c k e la n dc o p p e rw i t hs e m i s o l i dp r o c e s s i n g ． K e yw o r d s s e m i s o l i dp r o c e s s ；Z r C o A la m o r p h o u sa l l o y ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；g l a s sf o r m i n ga b i l i t y 2 0 世纪9 0 年代开始，大块非晶合金材料这种 新型材料得到迅速发展‘1 ’2 | 。块体非晶合金不仅具 有极高的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性，而且还有优 良的软磁性能、储氢能力、超导特性和低磁损耗等特 点嘲。但是由于块体非晶材料原子排列的长程无序 性，造成形变只在极少数高度局域化的剪切带内发 生，宏观塑性变形能力较差，在拉应力作用下通常发 生脆性断裂，从而制约了其应用‘4 。7 】。本文依据共晶 点附近容易形成非晶的理论，选取Z r C o A 1 共晶点 原子分数约为Z r 。。C o ，。A 1 。 为基础，研究了添加微 收稿日期2 0 1 3 0 3 1 3 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 9 6 1 0 0 8 ，5 1 0 6 1 0 0 8 ；9 7 3 计划前期研究专项 2 0 1 I C B 6 1 2 2 0 3 作者简介李超 1 9 8 6 一 ，男，山东菏泽人，硕士研究生；通信作者寇生中 1 9 6 2 一 ，男，甘肃天水人，教授，博士生导师． 万方数据 4 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 0 期 量元素 C u 、N i 多元合金化以及冷却速率对Z r C o A l 共晶点附近非晶复合材料组织的影响。随着微 量合金元素的加入，合金内部的微观组织必然会发 生改变[ 8 ] ，因此，必须研究合金元素的微量多元化以 及半固态处理对Z r 。。C o 。；A 1 ；非晶复合材料组织的 影响[ 9 _ l ⋯。 1 试验原料及方法 选用纯度大于9 9 ．9 ％的原料，按原子百分数 Z r 0 8 8 C u o1 2 9 5 - 2 x A l 5 N i C u ， z 一1 ．5 、2 ．5 、3 ．5 将 配好的原料在磁悬浮熔炼炉内反复熔炼3 次，再经 由半固态处理后用铜模吸铸法吸铸出直径3i n m 的 金属棒[ 1 “，利用D ／M A X 一2 4 0 0 型大功率转靶衍射 仪、光学显微镜 O M 和扫描电子显微镜等对所制 备合金的组织进行表征。 2 试验结果与分析 2 ．1半固态处理对非晶合金物相的影响 图1 为添加不同微量镍和铜的非晶样品的 X R D 谱。由图1 可以看出，3 种成分的合金在衍射 角3 0 ～4 0 。 范围内都有一个弥散的非晶峰，并且 有尖锐的晶体峰出现，说明该材料是由非晶及部分 晶体组成的复合材料。 一 q ；◇ 乏二蝴√’镰‘瓴斛懈峨氇秽。。加。确秽埘k 冁赫。蝻帆 j 意赫九蝴汕蝴蝴枞懒， 口 口AJ ．N i ．Z o 0A 1 Z r 二{ 1；『1J “I“．I Ji ㈩ 2 0 ／I 图l半固态处理后不同成分 非晶合金的X R D 谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r no fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n a m o r p h o u sa l l o yt r e a t e dw i t h s e m i s o l i dp r o c e s s i n g 2 ．2半固态处理对非晶合金组织的影响 图2 为 Z r 。8 8 C u o l 2 9 52 。A 1 5 N i C u ， z 一1 ．5 、 2 ．5 、3 ．5 半固态处理后的光学显微照片。 【a l Ijc h 】、 j { L 、 { j 图2 不同成分非晶合金半固态处理后的显微组织 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o na m o r p h o u sa l l o yt r e a t e dw i t hs e m i s o l i dp r o c e s s i n g 由图2 可看出，母合金的凝固组织经半固态处 理后由均匀分布的花瓣状组成 图2 a ，工一2 ．5 合金 的花瓣状形态更加明显 图2 b ，z 一3 ．5 合金的显 微组织变得更加细小 图2 c 。液态合金的结构是 微观不均匀的，而花瓣晶体的析出更利于材料脆性 的提高。这是因为，在合金微观结构上，母合金固态 组织的原子排列组合得到继承，但经过反复熔炼及 半固态处理，合金的这种微观组织结构就从根本上 得到了改变，从而细化了固态合金的晶粒。在相同 温度下，因为半固态处理，使得合金熔体中作为快淬 晶核的短程有序结构的尺寸变小了，合金的结构以 及成分的均匀性都得到了不同程度的改善。 2 ．3 半固态处理对非晶合金断口形貌的影响 图3 是不同成分非晶合金的断口形貌。 由图3 a 可以清楚地看到，在断口上都有很清晰 的脉络纹存在，并且在脉络纹壁上能够观察到清晰 的软化或熔化的痕迹，呈现出比较清晰的纹理，呈现 出典型非晶断口形貌。从图3 b 的断口形貌中可看 出有一条裂缝导致脆性的增加。而图3 c 的断口上 出现了相当面积的平滑无特征区域和少量散乱无序 万方数据 2 0 1 3 年第1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n ’4 7 。 的脉络纹，这是典型的晶态金属解理断裂的特征。 形，合金组织是由非晶和部分晶体组织构成的。 说明在合金的断裂过程中基本不存在非均匀塑性变 3结论 c lJ 书j 图3 不同成分非晶合金的断口形貌 F i g ．3 F r a c t u r em o r p h o l o g yo fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o na m o r p h o u sa l l o y 1 经半固态处理得到的 Z r ㈣8C u 叭2 。。。A 1 5 N i C u z 一1 ．5 、2 ．5 、3 ．5 材料是强度较高、塑性 较差的非晶复合材料。 2 在半固态处理工艺基础上对Z r 。。C o ，；A 1 。的 基体上添加合金元素铜和镍，合金有较好的晶体形 成能力。 [ 1 ] 参考文献 A k i h i s aI n o u e ，A k i r aT a k e u c h i ．R e c e n tD e v e l o p m e n t a n dA p p l i c a t i o n so fB u l kG l a s sA l l o y s [ J - ] ．E l s e v i e rS c i e n c e ，2 0 0 0 ，4 8 2 7 9 2 8 4 ． [ 2 3Y A NZ h b i e ，L IJ i n f u ，Z H O UY a o h e ．C o r r e l a t i o nb e t w e e nt h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so fb u l kg l a s s - f o r m i n ga l l o yl i q u i d sa n dt h eg l a s sf o r m i n ga b i l i t y [ J ] ．J o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s ，2 0 0 2 ，3 3 3 3 1 7 - 3 2 0 ． [ 3 ] 高凯雄，寇生中，于朋，等．块体非晶合金研究现状[ J ] ． 铸造工程，2 0 1 2 2 1 5 1 9 ． r 4 ] M o r g a n aM a r t i nT r e x l e r ，N a r e s hNT h a d h a n i ．M e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fB u l kM e t a l l i cG l a s s e s [ J ] ．N a tM a t e r ， 2 0 1 0 ，1 0 4 7 2 4 7 5 ． I s ] P e r e p e z k oJH ，H i l d a lK ．M e t a l l i cg l a s sf o r m a t i o nr e a c t i o n sa n di n t e r f a c e s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，B 1 4 8 1 7 1 1 7 8 ． [ 6 ] W i l l i a mLJ o h n s o n ．P r e c i o u sb u l km e t a l l i cg l a s s e sf o r j e w e l r ya p p l i c a t i o n s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，A 4 4 9 4 51 2 3 5 2 3 8 ． [ 7 ] 陈文智．非晶合金复合材料的研究进展[ J ] ．金属功能 材料，1 9 9 9 ，6 1 2 - 7 ． [ 8 ] 赵燕春，寇生中．C u 基块体金属玻璃的组织、热稳定性 和力学性能研究[ D ] ．兰州兰州理工大学，2 0 1 0 ． [ 9 ] 尚沙沙，寇生中．钛基非晶复合材料组织及力学性能的 研究[ D ] ．兰州兰州理工大学，2 0 1 1 ． [ 1 0 ] 李娜，寇生中．半固态处理对锆基非晶合金的组织和力 学性能的影响[ D ] ．兰州兰州理工大学，2 0 1 0 ． [ 1 1 ] 蒋维科，寇生中，赵燕春，等．镍含量对 Z r 。。 C u 。， 。。一。A 1 。。N i ，非晶形成能力和力学性能的影响 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 9 4 9 5 1 ． 有色金属 冶炼部分 订阅及及开通网上投稿启事 本刊2 0 1 4 年定价每册1 0 元，全年1 2 0 元，邮发代号2 - - 4 6 4 ，欢迎新老读者继 续订阅本刊 本刊网上在线系统已经开通，请广大作者登录网站在线投稿，网址为 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 万方数据