非晶合金-高強(qiáng)高韌(課程報(bào)告)

非晶晶化法制備高強(qiáng)韌鈦基合金姓名：

內(nèi)容簡(jiǎn)介研究背景實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)方法123研究背景

航天飛行器和航空設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料中，使用最多的是鋁合金和鈦合金，而鈦合金中使用最多的是Ti-6Al-4VFig1美國(guó)F22猛禽戰(zhàn)機(jī)Fig2俄羅斯和平號(hào)軌道空間站研究背景鈦合金的優(yōu)異性能（Ti-6Al-4V）低密度（約為4.43g/cm3）高抗拉強(qiáng)度（1170MPa）高比強(qiáng)度（約264MPacm3/g）高耐蝕性等優(yōu)異的性能

研究背景鈦合金的不利性能鈦合金導(dǎo)熱性低，切削加工困難；在力學(xué)性能方面，當(dāng)應(yīng)力接近斷裂應(yīng)力時(shí)，才開始屈服變形，而一旦開始變形，很快即發(fā)生斷裂。尋求具有超高強(qiáng)度和超高韌性（遠(yuǎn)大于普通鈦合金）、能滿足空間惡劣服役條件的新型空間結(jié)構(gòu)材料及其制備技術(shù)成為了未來的發(fā)展趨勢(shì)。內(nèi)容簡(jiǎn)介研究背景實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)方法123實(shí)驗(yàn)原理非晶非晶態(tài)合金即金屬玻璃，具有短程有序、長(zhǎng)程無序的結(jié)構(gòu)特征。非晶態(tài)合金中沒有位錯(cuò)，沒有相界，沒有第二相，因此是無晶體缺陷的固體Fig3晶體非晶體氣體原子排列示意圖實(shí)驗(yàn)原理非晶的性能由于獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，與普通晶態(tài)合金相比，大塊金屬玻璃（BulkMetallicGlass,BMG）具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、高耐磨和耐蝕性等優(yōu)異的性能Fig4金屬玻璃的強(qiáng)度、硬度和彈性模量實(shí)驗(yàn)原理由于大塊非晶（BMG）是不含第二相的單相固體，因此BMG的塑性和韌性很低，在應(yīng)力作用下易誘發(fā)局域絕熱剪切形成剪切裂紋而突然失效，在斷裂失效前幾乎不展現(xiàn)塑性變形特征，因而大大限制了其作為結(jié)構(gòu)件材料這一巨大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域如何制備出高強(qiáng)韌性鈦基合金？實(shí)驗(yàn)原理鑒于晶體材料中位錯(cuò)受第二相的阻滯而增殖的原理，在大塊非晶中引入第二相，將抑制單一剪切帶的滑移，促使多重剪切帶的產(chǎn)生和滑移。這樣既保證復(fù)合材料具有大塊非晶所具有的高強(qiáng)、高彈、耐磨和耐蝕等特性，同時(shí)由于第二相的引入，增加了大塊非晶的塑性Fig5位錯(cuò)受第二相阻滯增殖原理實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)增強(qiáng)相的引入方式，大塊非晶的制備技術(shù)可分為外加（Ex-situ）增強(qiáng)相法和內(nèi)生（In-situ）增強(qiáng)相法。外加增強(qiáng)相法是把陶瓷顆粒和金屬顆粒等加入具有強(qiáng)玻璃形成能力的合金熔體，通過鑄造法獲得BMGCs另一種制備技術(shù)是內(nèi)生增強(qiáng)相法。這種方法是指把某一高熔點(diǎn)組元加入到強(qiáng)玻璃形成能力的合金體系中，在隨后的凝固過程中晶態(tài)增強(qiáng)相從熔體中析出，得到晶態(tài)相增強(qiáng)的BMGCs實(shí)驗(yàn)原理非晶晶化法

K.Lu提出的非晶晶化法（crystallizationfromamorphoussolids，也可稱為內(nèi)生增強(qiáng)相法）[12]，也是近年來發(fā)展迅速的一種制備納米晶和超細(xì)晶塊體材料的新工藝。其原理是通過控制BMG的晶化動(dòng)力學(xué)和晶化熱力學(xué)過程，使其晶化析出納米晶或者超細(xì)晶Fig6內(nèi)生BMGMCs的微觀結(jié)構(gòu)示意圖：(a)準(zhǔn)晶相，(b)球形納米-微米尺度的晶態(tài)相，(c)樹枝晶相，(d)雙相非晶。實(shí)驗(yàn)原理小結(jié)大塊金屬玻璃（BulkMetallicGlass,BMG）的室溫硬度、強(qiáng)度和斷裂韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同成分的晶態(tài)金屬合金和碳鋼、高強(qiáng)度鋼與工具鋼.然而，由于BMG是不含第二相的單相固體，因此塑性和韌性很低，大大限制了其作為結(jié)構(gòu)件材料這一巨大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于晶體材料中位錯(cuò)受第二相的阻滯而增殖的原理，在BMG中引入第二相，將促使多重剪切帶的產(chǎn)生和滑移。這樣既保證制備的大塊金屬玻璃復(fù)合材料（BulkMetallicGlassComposites,BMGCs）具有高強(qiáng)、高彈、耐磨和耐蝕等特性，同時(shí)塑性大大提高內(nèi)容簡(jiǎn)介研究背景實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)方法123實(shí)驗(yàn)方法(1)機(jī)械合金化合成鈦基非晶合金粉末合金體系選為(TiMCuNiAl)1-x-y(TiC)x(TiB)y(M=V，Nb等)，通過理論分析和熱力學(xué)計(jì)算獲得易于形成寬過冷液相區(qū)的非晶粉末的合金成分，以獲得最佳的增強(qiáng)效果,然后球磨制粉實(shí)驗(yàn)方法(2)放電等離子燒結(jié)—非晶晶化法合成高強(qiáng)韌鈦基BMGCs 將鈦基非晶粉末封裝入石墨模具，在高純氬氣保護(hù)下，運(yùn)用SPS固結(jié)成形技術(shù)，以設(shè)定的升溫速率升溫到高溫，先于過冷液相區(qū)溫度范圍內(nèi)把非晶粉末固結(jié)成形為塊狀材料，隨后在這一溫度區(qū)間保溫一定時(shí)間合成具有納米和超細(xì)晶結(jié)構(gòu)晶化相的BMGCs實(shí)驗(yàn)方法(3)高強(qiáng)韌