Al基非晶合金比強度極高,因而在輕質(zhì)高強材料領域應用前景廣闊,但非晶形成能力差(臨界尺寸約1mm)、幾乎無宏觀塑性的特點嚴重制約了該類材料的應用。利用非晶合金在過冷液相區(qū)的超塑性,通過粉末冶金的方法可以在一定程度上突破Al基非晶合金的尺寸限制。本文利用機械合金化(MA)+放電等離子燒結(SPS)的方法來制備Al-Cu-Ti非晶合金,系統(tǒng)研究了制備工藝對材料結構和性能的影響。在此基礎上,通過添加第二相顆粒(如高熵合金顆粒、Al顆粒)的方法來進一步改善現(xiàn)有合金的力學性能。主要研究結果如下:利用MA技術制備出Al_(65)Cu_(16.5)Ti_(18.5)非晶合金粉末,其非晶化過程主要由固溶體的非晶化和金屬間化合物的非晶化組成。其中,固溶體的非晶化由固溶擴散控制,在形成過飽和固溶體后發(fā)生非晶化;而金屬間化合物的非晶化則主要由球磨過程中產(chǎn)生的晶界能、缺陷能和無序能提供非晶化所需的能量,使其發(fā)生非晶化反應。利用SPS技術制備Al基非晶合金,發(fā)現(xiàn)在過冷液相區(qū)燒結得到的合金盡管呈現(xiàn)出幾乎完全的非晶態(tài),但相對密度和強度均太低。在晶化溫度以上燒結時,合金的強度顯著提升,并且隨著燒結溫度的提高,其強度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。這是由于顆粒中的晶化程度和顆粒之間的冶金結合隨燒結溫度的升高而逐漸增加,當顆粒內(nèi)部為非晶/納米晶、顆粒之間幾乎不存在燒結缺陷時,合金達到最高的強度。繼續(xù)升高溫度,顆粒內(nèi)幾乎完全晶化且部分晶粒發(fā)生粗化,因此顆粒內(nèi)部的強度略有降低,合金的強度也隨之降低。結合高熵合金高強度的特點,利用SPS技術制備Al基非晶-高熵合金復合材料。與Al基非晶合金相比,添加高熵合金顆粒體積分數(shù)為50%的復合材料,其強度提高近一倍,但塑性并未改善。這是由于高熵合金顆粒與基體之間形成了互擴散層,微裂紋可以在互擴散層中穩(wěn)定擴展,顯著增加了斷裂表面能,因此強度顯著提高。但承載過程中高熵顆粒與互擴散層不能協(xié)同變形,斷裂只發(fā)生在脆性的基體和互擴散層中,因此塑性較差。結合Al塑性極佳的特點,通過先制備“Al包埋Al基非晶合金”復合結構粉末,然后利用SPS技術制備Al基非晶-Al合金復合材料。復合材料可兼具高強度和良好延展性的特點,這是由于此復合材料具有“納米晶+微米晶+非晶/納米晶”結構,在變形過程中大尺寸納米晶與微米晶可以協(xié)同變形,而且具有高加工硬化能力的大尺寸納米晶區(qū)與非晶/納米晶區(qū)之間的強度差迅速減小,從而促進基體內(nèi)部應力分布更為均勻,抑制了塑性失穩(wěn)的出現(xiàn)和擴展,因此復合材料在保持高強度的同時具有較好的均勻變形能力。
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TG139.8;TB33
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 非晶合金
        1.2.1 非晶合金的發(fā)展
        1.2.2 非晶合金的結構和性能
    1.3 Al基非晶合金
    1.4 粉末冶金制備大塊Al基非晶合金
        1.4.1 Al基非晶合金粉末的制備
        1.4.2 放電等離子燒結
        1.4.3 放電等離子燒結制備Al基非晶合金
    1.5 本論文的研究意義和主要內(nèi)容
    參考文獻
第2章 實驗方法
    2.1 樣品制備
        2.1.1 Al基非晶合金粉末
        2.1.2 Al基非晶合金及其復合材料
    2.2 結構分析和表征
        2.2.1 物相分析
        2.2.2 微觀形貌
        2.2.3 微觀結構
        2.2.4 熱穩(wěn)定性分析
    2.3 性能測試
        2.3.1 體積密度
        2.3.2 顯微硬度
        2.3.3 準靜態(tài)壓縮性能
        2.3.4 納米壓痕
    參考文獻
第3章 機械合金化制備Al基非晶合金粉末
    3.1 引言
    3.2 合金成分設計
        3.2.1 合金成分確定
        3.2.2 合金成分微調(diào)
    3.3 非晶化過程
    3.4 非晶合金粉末的性能表征
        3.4.1 熱穩(wěn)定性
        3.4.2 晶化行為
    3.5 本章小結
    參考文獻
第4章 放電等離子燒結制備Al基非晶合金
    4.1 引言
    4.2 燒結工藝
        4.2.1 燒結工藝參數(shù)對樣品性能的影響
        4.2.2 燒結工藝流程
    4.3 組織結構
        4.3.1 物相和微觀組織結構
        4.3.2 燒結過程
    4.4 力學行為
        4.4.1 彈性模量和硬度
        4.4.2 壓縮性能
        4.4.3 變形特征
    4.5 粉末的熱穩(wěn)定性的對燒結過程的影響
        4.5.1 熱處理-球磨對非晶粉末熱穩(wěn)定性的影響
        4.5.2 高熱穩(wěn)定性粉末的燒結行為
    4.6 本章小結
    參考文獻
第5章 Al基非晶-高熵合金復合材料的研究
    5.1 引言
    5.2 Al基非晶-高熵合金復合材料的制備
        5.2.1 高熵合金顆粒的性能
        5.2.2 燒結工藝參數(shù)
    5.3 組織結構
        5.3.1 物相組成
        5.3.2 微觀組織結構
        5.3.3 燒結過程
    5.4 力學行為
        5.4.1 強度
        5.4.2 變形特征
    5.5 本章小結
    參考文獻
第6章 Al基非晶-Al合金復合材料的研究
    6.1 引言
    6.2 直接添加法制備復合材料
        6.2.1 復合材料的制備
        6.2.2 物相組成
        6.2.3 組織結構
        6.2.4 力學行為
    6.3 球磨法制備復合材料
        6.3.1 復合粉末的制備和燒結
        6.3.2 物相組成
        6.3.4 組織結構
        6.3.5 力學行為
    6.4 本章小結
    參考文獻
主要結論和展望
攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單
    學術論文
    發(fā)明專利
致謝

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本文編號：2859461