钼基非晶态合金和含钨钽颗粒的非晶态合金基复合材料

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难熔金属基非晶态合金具有热稳定性好、室温及高温强度高的特点。通过高能球磨实现富含难熔金属的元素粉末混和物的非晶化,解决了这类合金不容易通过熔体冷却形成非晶态结构的难题;镧基合金在过冷液态发生超塑性变形的流变应力低,表现出作为超塑性加工材料的良好应用前景。非晶态合金在过冷液态的粘滞流变行为,为将非晶态粉末固结成为致密的块体材料提供了机遇。获得具有大过冷液态温度区间的非晶态合金及其复合材料粉末是成功实现粉末固结成型获得块体非晶态合金及其复合材料的重要基础。本文采用x-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热计(DSC)以及纳米压痕仪(Nanoindenter)等分析表征手段,研究了高能球磨作用下多组元合金化对钼基合金的非晶化转变以及热稳定性的影响,分析和表征了Mo44Si26Ta5Zr5Fe3Co12Y5非晶态合金的微观组织和力学性能;研究了机械研磨形成含W、Ta颗粒La基非晶合金基复合材料的可能性和添加铁元素及钨、钽颗粒对La55Al25Cu10Ni5Co5非晶态合金热稳定性的影响。主要结论以下: 1)球磨Mo50M50元素粉末混和物,当M为Ni、Fe、Co时,球磨产物为富M非晶相与纳米晶Mo固溶体的复合结构;当M为Si时,球磨产物为MoSi2化合物、Mo(Si)固溶体及非晶相的混和物。当M为Mn、Cr时,几乎无任何非晶化发生,只得到了Mo(M)固溶体。负的混和热是实现Mo50M50二元系球磨非晶化的必要条件。 2)球磨形成的Mo50Si50-xCox合金,当x≤35时,球磨产物中非晶相的体积分数随着x的增大而增加;当x=35时最利于发生非晶化,球磨产物基本为单一的非晶相,但在用DSC表征时观察不到明显的玻璃转变和过冷液态温度区间△Tx。球磨形成的Mox(Si0.7Co0.3)100-x三元合金,45≤x≤55时球磨产物主要为非晶相。当x=60,70时,球磨产物为非晶相与Mo固溶体的混和物。对于45<x<60范围,晶化转变的起始温度Tx随着Mo含量的增加而升高,在x=60时达到最大值1244K。x=70时,Tx下降至1171K。 3)在Mo60Si28Co12合金中进一步添加Y、Ta、Zr和Fe元素,在促进球磨非晶化的同时逐步提高了非晶相的热稳定性,球磨产物中非晶相的体积分数由约82%提高到接近100%,Tx由1244K提高到1324K,相应的△Tx由0K拓宽至122K。 4)球磨名义成分为Mo44Si26Ta5Zr5Fe3Co12Y5的元素粉末混和物几乎可实现完全的“晶态—非晶态”转变。最终球磨产物中残留有少量尺寸为5~20nm的Mo固溶体颗粒。Mo44Si26Ta5Zr5Fe3Co12Y5多组元非晶态合金的Tg、Tx分别为1202和1324K,硬度和弹性模量分别为18.1和235GPa,由硬度估算出的强度约为6GPa,是目前最为耐热和强度最高的非晶态合金。 5)初始结构为金属间化合物混和物的La55Al25Cu10Ni5Co5合金经过机械研磨可完全转变为单一非晶相,其量热特性与熔体急冷法制备的同成分非晶态合金相类似。非晶相在发生晶化转变之前表现出明显的玻璃转变,△Tx为76K。引入Fe元素可进一步拓宽了合金的过冷液态温度区间,Fe含量为8%时,△Tx达到92K,可加工性能大幅度提高。 6)球磨体积分数低于30%W、Ta颗粒与La55Al25Cu10Ni5Co5合金的混和物,W、Ta基本上与La基合金不发生明显的互溶而形成复合材料。含W颗粒复合材料基体非晶态合金的热稳定性随着W含量的增加而提高,表现为Tg和Tx均提高,△Tx拓宽。含30%W的复合材料的△Tx达到92K,这归因于W元素部分固溶于基体合金。含Ta复合材料的的热稳定性呈类似趋势变化,但Tg比Tx更强烈地受到Ta含量的影响,导致△Tx变窄。
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