工業(yè)原料制備Cu基塊體金屬玻璃與雜質(zhì)元素的作用結(jié)題摘要

簡(jiǎn)單的制備技術(shù)與廉價(jià)的使用原料成為了推動(dòng)塊體金屬玻璃廣泛推廣和規(guī)模應(yīng)用的必要條件。本項(xiàng)目基于合金化理論，通過分析工業(yè)原料中常見雜質(zhì)元素對(duì)銅基塊體金屬玻璃形成能力的作用規(guī)律以及與合金性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制，嘗試探明雜質(zhì)元素在銅基塊體金屬玻璃制備過程中扮演的角色。以二元CuTi金屬玻璃薄膜為研究對(duì)象，揭示成分變化與結(jié)構(gòu)弛豫的關(guān)系，探明了Ti含量相對(duì)較高的Cu42Ti58金屬玻璃薄膜具有更為松弛的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，這為富銅鈦兼顧塑韌性的銅基塊體金屬玻璃制備提供了成分的調(diào)控規(guī)律；以“多元”合金元素的思路厘清多種雜質(zhì)元素同時(shí)存在對(duì)玻璃形成能力及其變形機(jī)制的作用機(jī)制，分別研究了Y、Co、Mn元素對(duì)銅基塊體金屬玻璃的玻璃形成能力與過冷液相區(qū)內(nèi)粘度的變化規(guī)律，得到了合理控制合金元素Mn的含量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基體玻璃形成能力的提高。以Al、Ni、Si作為合金元素添加至銅基塊體金屬玻璃中，研究了合金元素對(duì)基體結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響，揭示了Al、Ni和Si合金元素的添加并未較大地影響到金屬玻璃結(jié)晶過程中的形核和長(zhǎng)大過程，但對(duì)該過程涉及的能量勢(shì)壘變化影響較大。借助于難熔金屬元素Nb添加Cu基金屬玻璃中構(gòu)建的具有不同尺寸析出相的復(fù)合材料，提出了基于Kelvin模型對(duì)應(yīng)力-時(shí)間進(jìn)行擬合分析鋸齒流變行為方法，與現(xiàn)有方法具有較高的吻合性。研究Ta元素增強(qiáng)Cu基金屬玻璃中，建立了金屬玻璃的蠕變激活體積-蠕變應(yīng)力-蠕變溫度的關(guān)系圖，揭示了蠕變激活能受控于金屬玻璃的蠕變激活體積。本項(xiàng)目取得的部分成果可以有效地消弱低純粗銅原料中雜質(zhì)元素對(duì)于玻璃形成能力“惡化”的負(fù)面效應(yīng)。本項(xiàng)目的實(shí)施并對(duì)揭示塊體金屬玻璃的形成與關(guān)鍵制備技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)意義以及突出的新穎性和必要性。

簡(jiǎn)單的制備技術(shù)與廉價(jià)的使用原料成為了推動(dòng)塊體金屬玻璃廣泛推廣和規(guī)模應(yīng)用的必要條件。本項(xiàng)目擬用工業(yè)原料制備Cu基塊體金屬玻璃，系統(tǒng)分析工業(yè)原料中雜質(zhì)元素的類別、含量與存在形式對(duì)玻璃形成能力和塑性的影響，充分利用雜質(zhì)元素對(duì)玻璃形成能力與塑性的正面效應(yīng)，有效改善雜質(zhì)元素在其中導(dǎo)致的負(fù)面影響。探明工業(yè)原料制備Cu基塊體金屬玻璃的雜質(zhì)允許范圍，明確高玻璃形成能力兼顧顯著塑性的Cu基塊體金屬玻璃的成分與結(jié)構(gòu)特征，揭示工業(yè)原料制備Cu基塊體金屬玻璃的可行性并獲得關(guān)鍵技術(shù)，為其廣泛推廣和工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的理論支撐及技術(shù)指導(dǎo)。本項(xiàng)目的實(shí)施可獲得低鋯富銅鈦兼顧高玻璃形成能力與顯著塑性的低成本Cu基塊體金屬玻璃，并對(duì)揭示塊體金屬玻璃的形成與關(guān)鍵制備技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)意義以及突出的新穎性和必要性。

Al基非晶合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、廉價(jià)等特點(diǎn)在航空航天及交通運(yùn)輸領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力；然而非晶形成能力差、制備塊體材料困難成為其實(shí)際應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。本申請(qǐng)引入冷噴涂技術(shù)以最大程度地減小制備材料尺寸對(duì)合金形成能力的依賴，突破Al基非晶合金大尺寸塊體的制備瓶頸，為新材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。.研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金為基礎(chǔ)調(diào)整和確定元素組成，霧化制備粉體喂料并檢測(cè)粉體相關(guān)特性；同時(shí)模擬研究冷噴涂過程中不同狀態(tài)（預(yù)熱溫度與飛行速度）顆粒撞擊后絕熱升溫、塑性變形、有效結(jié)合等情況以及冷卻過程對(duì)組織形成的影響；然后以模擬結(jié)果為依據(jù)，冷噴涂制備有針對(duì)性的非晶合金樣品；考察顆粒的沉積、結(jié)合行為以及合金的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；通過數(shù)值模擬并輔以組織性能分析的方法解決相關(guān)科學(xué)問題，揭示非晶合金塊體的形成規(guī)律；優(yōu)化和確定噴涂工藝，冷噴涂制備優(yōu)質(zhì)的Al基非晶合金塊體并進(jìn)行相關(guān)后續(xù)處理及組織性能檢測(cè)。

Al基非晶合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕、廉價(jià)等特點(diǎn)在航空航天及交通運(yùn)輸領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力；然而非晶形成能力差、制備塊體材料困難成為其實(shí)際應(yīng)用的嚴(yán)重障礙。本申請(qǐng)引入冷噴涂技術(shù)以最大程度地減小制備材料尺寸對(duì)合金形成能力的依賴，突破Al基非晶合金大尺寸塊體的制備瓶頸，為新材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金為基礎(chǔ)調(diào)整和確定元素組成，霧化制備粉體喂料并檢測(cè)粉體相關(guān)特性；同時(shí)模擬研究冷噴涂過程中不同預(yù)熱溫度與飛行速度顆粒撞擊后絕熱升溫、塑性變形、有效結(jié)合等情況以及冷卻過程對(duì)組織形成的影響；然后以模擬結(jié)果為依據(jù)，冷噴涂制備有針對(duì)性的非晶合金樣品；考察顆粒的沉積、結(jié)合行為以及合金的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；通過數(shù)值模擬并輔以組織性能分析的方法解決相關(guān)科學(xué)問題，揭示非晶合金塊體的形成規(guī)律；優(yōu)化和確定噴涂工藝，冷噴涂制備優(yōu)質(zhì)的Al基非晶合金塊體并進(jìn)行相關(guān)后續(xù)處理及組織性能檢測(cè)。 首先，完成了Al基非晶合金的成分設(shè)計(jì)；通過霧化制粉技術(shù)制備出滿足冷噴涂要求的非晶合金粉體；確定了合金的熔煉工藝和霧化制粉工藝；考察了采用高純?cè)牧霞肮I(yè)級(jí)原材料制粉的可能性；對(duì)粉體非晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確認(rèn)，對(duì)粉體相關(guān)工藝特性進(jìn)行了分析。其次，在沉積行為模擬方面，對(duì)于一種新型合金材料，通過現(xiàn)有資料與數(shù)據(jù)分析，結(jié)合對(duì)實(shí)際制備材料的相關(guān)測(cè)試，獲得了建立本構(gòu)方程及物理模型的必要數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了新材料數(shù)據(jù)缺乏問題；掌握了ABAQUS軟件模擬、Lagrange和Euler法算法以及它們?cè)诒卷?xiàng)目上的具體應(yīng)用。第三，通過模擬和實(shí)驗(yàn)了解了非晶顆粒沉積行為，確定了相關(guān)冷噴涂工藝參數(shù)調(diào)控范圍，制備了分散顆粒、涂層及沉積體樣品，確定了制備材料的非晶組織結(jié)構(gòu)，初步實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目目標(biāo)。第四，初步測(cè)試了制備材料的硬度、結(jié)合強(qiáng)度、表面粗糙度、耐腐蝕性能等指標(biāo)，考察了涂層形成與致密化機(jī)理。相關(guān)工作為冷噴涂非晶涂層制備及該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。