非晶合金-高强高韧(课程报告)

1、非非晶晶化法制备高强韧钛基合金晶晶化法制备高强韧钛基合金 内容简介内容简介研究背景研究背景实验原理实验原理实验方法实验方法123研究背景研究背景 航天飞行器和航空设备的结构材料中，使用航天飞行器和航空设备的结构材料中，使用最多的是铝合金和钛合金最多的是铝合金和钛合金，而钛合金中使用最多，而钛合金中使用最多的是的是Ti-6Al-4VFig 1 美国F22猛禽战机 Fig 2 俄罗斯和平号轨道空间站研究背景研究背景钛钛合金的优异性能（合金的优异性能（Ti-6Al-4V）低密度低密度（约为（约为4.43g/cm3）高抗拉强度高抗拉强度（1170 MPa）高比强度高比强度（约（约264 MPa cm3

2、/g）高耐蚀性等高耐蚀性等优异的性能优异的性能 研究背景研究背景钛合金的不利性能钛合金的不利性能钛合金钛合金导热性低导热性低，切削加工困难切削加工困难；在力学性能方面，当应力接近断裂应力时，在力学性能方面，当应力接近断裂应力时，才开始屈服变形，而才开始屈服变形，而一旦开始变形，很快即一旦开始变形，很快即发生断裂。发生断裂。寻求具有寻求具有超高强度超高强度和和超高韧性超高韧性（远大于普通（远大于普通钛合金）、能满足空间恶劣服役条件的新型钛合金）、能满足空间恶劣服役条件的新型空间结构材料及其制备技术成为了未来的发空间结构材料及其制备技术成为了未来的发展趋势。展趋势。内容简介内容简介研究背景研究背景

3、实验原理实验原理实验方法实验方法123实验原理实验原理非晶非晶非晶态合金即金属玻璃，具有非晶态合金即金属玻璃，具有短程有序、长程短程有序、长程无序无序的结构特征。非晶态合金中的结构特征。非晶态合金中没有位错，没没有位错，没有相界，没有第二相有相界，没有第二相，因此是无晶体缺陷的固，因此是无晶体缺陷的固体体 Fig 3 晶体 非晶体 气体原子 排列示意图实验原理实验原理非晶的性能非晶的性能由于独特的微观结构，与普通晶态合金相比，由于独特的微观结构，与普通晶态合金相比，大块金属玻璃（大块金属玻璃（Bulk Metallic Glass, BMG）具）具有有高强度高强度、高硬度高硬度、高弹性模量高弹

4、性模量、高耐磨和耐高耐磨和耐蚀性蚀性等优异的性能等优异的性能Fig 4 金属玻璃的强度、硬度和弹性模量实验原理实验原理 由于大块非晶（由于大块非晶（BMG）是）是不含第二相不含第二相的单相的单相固体，因此固体，因此BMG的塑性和韧性很低，在应力作的塑性和韧性很低，在应力作用下易诱发局域绝热剪切形成剪切裂纹而突然用下易诱发局域绝热剪切形成剪切裂纹而突然失效，在断裂失效前几乎不展现塑性变形特征，失效，在断裂失效前几乎不展现塑性变形特征，因而大大限制了其作为结构件材料这一巨大的因而大大限制了其作为结构件材料这一巨大的潜在应用领域潜在应用领域如何制备出如何制备出高强韧性钛基合金？高强韧性钛基合金？实验

5、原理实验原理 鉴于晶体材料中位错受第二相的阻滞而增殖鉴于晶体材料中位错受第二相的阻滞而增殖的原理，在大块非晶中引入第二相，将抑制单的原理，在大块非晶中引入第二相，将抑制单一剪切带的滑移，促使多重剪切带的产生和滑一剪切带的滑移，促使多重剪切带的产生和滑移。这样既保证复合材料具有大块非晶所具有移。这样既保证复合材料具有大块非晶所具有的高强、高弹、耐磨和耐蚀等特性，同时由于的高强、高弹、耐磨和耐蚀等特性，同时由于第二相的引入，增加了大块非晶的塑性第二相的引入，增加了大块非晶的塑性Fig 5 位错受第二相阻滞增殖原理实验原理实验原理根据增强相的引入方式，大块非晶的制备技术根据增强相的引入方式，大块非晶

6、的制备技术可分为外加（可分为外加（Ex-situ）增强相法）增强相法和和内生（内生（In-situ）增强相法）增强相法。外加增强相法外加增强相法是把陶瓷颗粒和金属颗粒等加入是把陶瓷颗粒和金属颗粒等加入具有强玻璃形成能力的合金熔体，通过铸造法具有强玻璃形成能力的合金熔体，通过铸造法获得获得BMGCs另一种制备技术是另一种制备技术是内生增强相法内生增强相法。这种方法是。这种方法是指把某一高熔点组元加入到强玻璃形成能力的指把某一高熔点组元加入到强玻璃形成能力的合金体系中，在随后的凝固过程中晶态增强相合金体系中，在随后的凝固过程中晶态增强相从熔体中析出，得到晶态相增强的从熔体中析出，得到晶态相增强的B

7、MGCs实验原理实验原理非晶晶化法非晶晶化法 K. Lu提出的非晶晶化法（提出的非晶晶化法（crystallization from amorphous solids，也可称为内生增强相，也可称为内生增强相法）法）12，也是近年来发展迅速的一种制备纳，也是近年来发展迅速的一种制备纳米晶和超细晶块体材料的新工艺。其原理是通米晶和超细晶块体材料的新工艺。其原理是通过控制过控制BMG的晶化动力学和晶化热力学过程，的晶化动力学和晶化热力学过程，使其晶化析出纳米晶或者超细晶使其晶化析出纳米晶或者超细晶Fig 6 内生BMGMCs的微观结构示意图：(a) 准晶相，(b) 球形纳米-微米尺度的晶态相，(c)

8、 树枝晶相，(d) 双相非晶。实验原理实验原理小结小结大块金属玻璃（大块金属玻璃（Bulk Metallic Glass, BMG）的）的室温硬度、强度和断裂韧性远远高于同成分的室温硬度、强度和断裂韧性远远高于同成分的晶态金属合金和碳钢、高强度钢与工具钢晶态金属合金和碳钢、高强度钢与工具钢.然而，然而，由于由于BMG是不含第二相的单相固体，因此塑性是不含第二相的单相固体，因此塑性和韧性很低，大大限制了其作为结构件材料这和韧性很低，大大限制了其作为结构件材料这一巨大的潜在应用领域。鉴于晶体材料中位错一巨大的潜在应用领域。鉴于晶体材料中位错受第二相的阻滞而增殖的原理，在受第二相的阻滞而增殖的原理，

9、在BMG中引入中引入第二相，将促使多重剪切带的产生和滑移。这第二相，将促使多重剪切带的产生和滑移。这样既保证制备的大块金属玻璃复合材料（样既保证制备的大块金属玻璃复合材料（Bulk Metallic Glass Composites, BMGCs）具有高强、）具有高强、高弹、耐磨和耐蚀等特性，同时塑性大大提高高弹、耐磨和耐蚀等特性，同时塑性大大提高内容简介内容简介研究背景研究背景实验原理实验原理实验方法实验方法123实验方法实验方法(1) 机械合金化合成钛基非晶合金粉机械合金化合成钛基非晶合金粉末末合金体系选为合金体系选为(TiMCuNiAl)1-x-y(TiC)x(TiB)y (M=V，Nb

10、等等)，通过理论分析和热力学计算获，通过理论分析和热力学计算获得易于形成宽过冷液相区的非晶粉末的合金成得易于形成宽过冷液相区的非晶粉末的合金成分，以获得最佳的增强效果分，以获得最佳的增强效果,然后球磨制粉然后球磨制粉实验方法实验方法(2) 放电等离子烧结放电等离子烧结非晶晶化法合非晶晶化法合成高强韧钛基成高强韧钛基BMGCs将钛基非晶粉末封装入石墨模具，在高纯将钛基非晶粉末封装入石墨模具，在高纯氩气保护下，运用氩气保护下，运用SPS固结成形技术，以设定的固结成形技术，以设定的升温速率升温到高温，先于过冷液相区温度范围升温速率升温到高温，先于过冷液相区温度范围内把非晶粉末固结成形为块状材料，随后在这一内把非晶粉末固结成形为块状材料，随后在这一温度区间保温一定时间合成