制备工艺对Cu-Zr-Al-Y非晶复合材料组织结构和性能的影响

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块体金属玻璃因其高强度等优良性能倍受关注,但其低室温塑性限制了其作为先进工程材料的应用。目前改善非晶合金塑性的思路是形成非晶复合材料,而铜模铸造、退火晶化处理、预塑性变形是当前制备非晶复合材料的主要方法。内生B2-Cu Zr/铜锆基非晶复合材料因承载时B2-CuZr(奥氏体)相发生马氏体相变而明显强韧非晶基体,成为非晶材料领域的研究热点。为此,本文以非晶形成能力强、成本低的Cu-Zr-Al-Y系合金为研究对象,制备名义成分为(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4的非晶合金,通过XRD、DSC、SEM、EDS显微组织结构分析和显微维氏硬度、室温压缩性能检测,探究冷却速率、退火、冷轧三种工艺对(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4非晶合金显微组织和性能的影响,以期为高性能铜锆非晶复合材料的制备提供实验依据。采用真空铜模喷铸制备了直径2mm、4mm、5mm的(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4合金棒,利用铸棒直径大小反映凝固冷却速率,研究结果表明:冷却速率对合金的非晶形成能力影响较小;冷却速率的降低(铸棒直径增大)会促进B2-Cu Zr的共析分解。在形态上,随着冷却速率的降低,晶相分布逐渐变得不均匀,粒状B2-CuZr相聚集粗化并向枝晶发展,且还会逐渐转化为不规则多边形的共析分解相。在冷却速率最小的直径5mm试样中,甚至发生B2-Cu Zr(奥氏体)→B19’-CuZr(马氏体)转变,并析出Al2Zr相。析出晶相对非晶剪切的―阻挡效应‖和B2-CuZr―相变强韧‖效果也随着冷却速率降低而下降,非晶复合材料的强度、塑性均随之降低。EDS分析发现Y在析出晶相的中心偏集,有利于促进与CuY相有共格关系的Cu Zr相析出。本实验中2mm合金铸棒获得单一B2-Cu Zr相,并且具约1.5%压缩塑性变形等良好力学性能。对直径2mm试棒进行Tg温度以下593k和643k的不同时间退火处理,结果表明:退火时间的增加或退火温度的升高,会使得玻璃转变温度升高,热稳定性逐渐降低,促进B2-Cu Zr分解为Cu10Zr7+Cu Zr2共析相,削弱B2-Cu Zr相变对非晶基体的强化作用,合金塑性降低;而理论上退火引起的合金结构弛豫导致玻璃基质自由体积过度湮灭,引起合金脆性增加。最终,传统退火处理使铸态(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4非晶复合材料强度和塑性明显下降。真空喷铸10.1mm×1.6mm的(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4板条试样,对其进行1%内的微变形量室温冷轧,研究证实:微量预冷轧变形诱发合金中B2-Cu Zr、Cu10Zr7相析出,并发生B2-Cu Zr(奥氏体)→B19’-CuZr(马氏体)的转变;预冷轧变形量的增加会增加合金的内应力梯度有助于剪切带繁殖;此外,B2-CuZr析出也会增多,相变强化作用增强,从而改善非晶复合材料的塑性变形能力、提高其强韧性。经0.992%预冷轧变形,(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4非晶复合材料的压缩塑性较铸态提高1.3%,且抗压强度有所增加。综上所述,严格控制凝固冷却速率,能获得单一B2-Cu Zr增强、综合性能良好的铜锆基非晶复合材料;退火晶化处理使(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4非晶复合材料的力学性能明显下降。对铸态(Cu47.5Zr47.5Al5)96Y4非晶复合材料进行微量预塑性变形,能有效改善其塑性、提高其强韧性。
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