熔体结构状态对Cu_40_Zr_45_Al_省略_7Ag_8大块非晶合金GFA及
熔体结构状态对Cu 40Zr 45Al 7Ag 8大块非晶合金
GFA 及其晶化的影响
李 亮 刘兰俊 崔 晓 王知鸷 杨东东 吕 雪 祖方遒
(合肥工业大学材料科学与工程学院)
摘 要 经930e 和1030e 过热处理后,采用水淬法制备了直径为5mm 的Cu 40Zr 45A l 7A g 8大块非晶合金。利用差示扫描量热仪(DSC)对其晶化行为进行了研究。并通过X 射线衍射分析了Cu 40Zr 45Al 7A g 8大块非晶合金在不同温度退火不同时间后的析出相。结果表明,熔体过热处理提高了熔体的玻璃形成能力,且使合金的抗晶化能力/热稳定性增强。
关键词 大块非晶合金;过热度;玻璃形成能力;晶化
中图分类号 T G139.8 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2011)06-0568-04DOI:10.3870/tzzz.2011.06.023
Effect of liq uid structure on the crystallization and G FA of C u 40Zr 45Al 7Ag 8BMG s
Li Liang,Liu La njun,Cui Xiao,W ang Zhizhi,Ya ng D ongdong,L Xue,Zu Fangqiu
(Schoo l of M ater ials Science and Engineering,H efei U niversity of T echno logy )
Abstract:Cu 40Zr 45Al 7A g 8bulk metallic g lasses w ere prepared by w ater quenching under different over -heating temperatures(930e ,1030e ).The crystallization behavior w as studied by differential scanning calorim etry (DSC).T he precipitated phases in Cu 40Zr 45A l 7Ag 8bulk m etallic g lasses at different annea -ling tem peratures w ith different time w ere analyzed by X -ray diffractio n.The r esults show that m elt o -v erheating treatment can enhance g lass -forming ability and resistance for cry stallizatio n and thermody -namic stability.
Key words:Bulk Metallic Glasses;Superheat;Glass -Forming Ability;C rystallization 收稿日期:2011-01-20;修改稿收到日期:2011-03-21
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50971053)
第一作者简介:李亮,男,1986年出生,硕士研究生,合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥(230009),电话:0551-*******,E-mail:liliang1947@https://www.wendangku.net/doc/4c12162830.html,
通讯作者:祖方遒,男,1956年出生,教授,合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥(230009),电话:0551-*******,E-m ail:fang qiu zu@https://www.wendangku.net/doc/4c12162830.html,
非晶态合金是由液态急冷得到的,处于热力学上的亚稳态,其结构是/被冻结的液态0,长程无序,而存在短程有序。因此,可通过对合金熔体进行处理(如过热处理)及改变工艺条件(如预热模具)等方法来控制其凝固过程,进而得到预期的合金显微结构与性能。近年来,由于液态多型性现象及结构转变的发现
[1]
,为更有效地
探索熔体过热对结晶的作用规律及其本源带来了希望。一些研究者在部分熔体中发现存在着压力/温度诱导的非连续结构变化[2,3],例证了液态熔体中存在非连续结构的真实性。因而,合金熔体在经历不同过热后的凝固组织结构会有所差别。
由于非晶合金处于亚稳态,在其发生全部或部分晶化后,结构会发生改变,从而引起其性能发生变化。如果对大块非晶合金在相应的温度和时间条件下进行退火处理,可以在非晶基体上获得弥散的纳米晶粒结构,使基体的性能得到改善[4]
。因此,大块非晶合金的晶化
行为的研究,对理解非晶合金的固态相变机理、判断合金的非晶形成能力、制备新型材料等方面具有重要的意义[5]
。另外,非晶晶化法制备纳米块体材料也成了一项
新发展起来的制造技术。
Cu 40Zr 45Al 7Ag 8块体非晶合金的过冷液相区$t x
($t x =t x -t g ,其中t x 为晶化开始温度,t g 为玻璃转变温度)为73K [6],这为其晶化行为的研究提供了可能。目前对于块体非晶合金晶化方面的研究主要集中在晶化热力学、晶化动力学、结晶学及晶化前后非晶合金性能变化等方面[7~12]
。本课题采用水淬法制备Cu 40Zr 45Al 7Ag 8块体非晶合金,尝试探索过热度与玻璃形成能力的关系,并考察经不同预退火温度及时间后非晶合金晶化的情况。
1 试验方法
将纯度高于99.9%的纯金属Cu 、Zr 、Al 、Ag 按名
568
特种合金特种铸造及有色合金 2011年第31卷第6期
义成分Cu40Zr45Al7Ag8(摩尔分数)配制,用电弧炉熔炼,用T i耗氧,在高纯氩气保护下熔化成成分均匀的母合金铸锭。为了防止成分偏析,合金铸锭反复重熔了5次,前3次熔炼时使用电磁搅拌。母合金经分割清洗后装入直径为5mm的石英管内,抽真空至小于10-3Pa 后封装。通过前期对Cu40Zr45A l7Ag8合金进行高温DSC测试所得结果,该成分合金的液相线温度约为885 e,选取了两种过热处理温度(930和1030e)。水淬法所用的合金熔炼在温度可控的箱式电阻炉内进行的,先加热到预设温度后保温15m in,在室温下流动的水中淬火。XRD分析是在D/M AX2500型X射线衍射仪上进行的,晶化行为分析是在DSC上进行的。采用真空管式炉分别对试样进行5、30、60和120min的退火处理,退火温度(425和475e)选取在过冷液相区内。
2结果与分析
2.1过热度对玻璃形成能力影响的探索
图1和图2为930和1030e水淬制备的Cu40Zr45Al7Ag8合金的XRD曲线。可以看出,只有弥散的非晶漫射峰,没有出现明显的布拉格(Bragg)衍射峰,表明所制备Cu40Zr45Al7A g8块体合金为完全非晶态。
图1930e水淬制备的
Cu40Zr45A l7A g8合
金的XR D曲线图21030e水淬制备的Cu40Zr45A l7A g8合金
的XRD曲线(过热到
1030e后,降温至
930e淬火)
通过水淬法制备出了直径为5m m的Cu40Zr45Al7Ag8块体非晶合金试样,其在10e/min加热速率下的DSC曲线见图3,发现过热145e的合金液所得试样,其$t x值略大于过热45e的合金液所得试样的(见表1)。而$t x作为衡量玻璃形成能力(GFA)的重要参数之一[13],其值的大小表明了玻璃形表1Cu40Zr45Al7A g8块体非晶的特征温度参数
(试验测试精度为?0.1e)
过热度/e t g/e t x/e t p/e$t x/e 45418.3494.5506.476.2
145422.2500513.277.8
图3Cu40Zr45A l7A g8块体非晶合金在10e/m in加热速率下的DSC曲线
成能力的强弱,值越大,玻璃形成能力越好。即过热145e的玻璃形成熔体,其GFA强于过热45e的。
非经典形核理论认为,熔体的玻璃形成能力与熔体中存在的短程有序原子团簇和高熔点相有关[14~16]。在温度降低至凝固点时,它们可作为形核基底且对晶体长大的阻力很小。而短程有序原子团簇和高熔点相受到温度的影响[17~19],通过熔体过热处理可减少甚至消除短程有序原子团簇和高熔点相,使合金熔体变得更加均匀化,从而减少了形核基底数量,进而使合金在凝固点结晶时形核的阻力增加,因此增强了熔体的玻璃形成能力。
2.2Cu40Zr45Al7Ag8块体非晶合金的晶化
图4为两种过热度下(试样1为过热145e,试样2为过热45e)制备所得Cu40Zr45A l7Ag8块体非晶在425e经不同时间退火后的XRD图谱。可以看出试样1在425e分别退火5、30、60、120min后,未出现明显的晶化相衍射峰,仍然为非晶态;试样2在425e保温5、30、60min后仍为非晶态(仪器精度范围内),而保温120min后出现了明显的晶相,经分析这些峰为Cu10Zr7与Ag2Al相的衍射峰(见表2)。图5为Cu40Zr45Al7Ag8块体非晶在475e经不同时间退火后的XRD图谱。当退火时间为5min时,试样1无晶相析出,试样2有明显的晶化析出相峰;退火30、60、120 min后,试样1和试样2均有尖锐的析出相峰出现,各温度点退火后的析出相见表2。
(a)试样1过热145e(b)试样2过热45e
图4在425e经不同时间退火后的块体非晶合金的XRD 图谱(a:5min;b:30min;c:60min;d:120min)
569 GFA及其晶化的影响李亮等
(a)试样1过热145e(b)试样2过热45e
图5在475e经不同时间退火后的块体非晶合金的X RD 图谱(a:5min;b:30min;c:60min;d:120min)
从表2中可以看出在425e退火时,相同条件下试样2先于试样1晶化析出Cu10Zr7、Ag2Al,说明其抗晶化能力/热稳定性相对较低。两种试样在475e退火时,试样2在保温60min后最终稳定析出相(AlZr3、Cu10Zr7、Ag2A l、CuZr2、CuZr)全部析出,试样1在经过60min退火后,析出了A lZr3、Cu10Zr7、Ag2Al3种相,同样可说明试样1的抗晶化能力及热稳定性优于试样2,即试样1在热力学上更稳定些。
表2Cu40Zr45Al7A g8块体非晶合金在不同退火温度
和不同保温时间下的主要析出相
退火温度/e t/min主相
Cu40Zr45Al7Ag8 (过热度145e)425
5-
30-
60-
120-
475
5-
30AlZr3、Cu10Zr7、Ag2Al
60AlZr3、Cu10Zr7、Ag2Al
120
AlZr3、Cu10Zr7、
Ag2Al、CuZr2、CuZr
Cu40Zr45Al7Ag8 (过热度45e)425
5-
30-
60-
120Cu10Zr7、Ag2Al
475
5AlZr3、Cu10Zr7、Ag2Al
30AlZr3、Cu10Zr7、Ag2Al
60
AlZr3、Cu10Zr7、Ag2Al、
CuZr2、CuZr
120
AlZr3、Cu10Zr7、Ag2Al、
CuZr2、CuZr
试样1是由过热145e的熔体经快速冷却获得的,试样2的熔体过热45e,相比较而言,试样2中成分起伏或/相起伏0更大些。根据非经典形核理论[14~16],高熔点相可能会作为形核基底,它们的存在减小了非晶晶化过程中的形核驱动力,使形核更加容易,即降低了非晶合金的抗晶化能力/热稳定性。
3结论
(1)在对熔体进行不同过热处理的情况下,过热145e所得BM Gs的GFA强于过热45e的。
(2)退火后的XRD分析结果显示,最终晶化析出相相同,但起始晶化点不同。表明高熔体过热所得BM Gs的抗晶化能力/热稳定性相对要高些。
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570特种铸造及有色合金2011年第31卷第6期
铝、镁合金中氢含量检测方法研究进展
贾征张志强乐启炽崔建忠
(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室)
摘要由于铝合金及镁合金熔体熔炼过程中的大量吸氢而会严重影响到合金的组织和性能,因此,测定铝合金以及镁合金熔体中的氢就是必须解决的问题。详细总结了铝合金、镁合金中氢含量的检测手段,包括取样法、直接测定法和其他方法,并比较了每种方法的优缺点。提出了铝合金、镁合金中氢检测的发展方向:镁合金的测氢将是未来的热点之一。开发一种炉前能够快速、准确、简单的镁合金测氢仪是镁合金测氢的未来发展趋势,而铝液中直接测氢代替取样法也是未来发展的趋势之一。
关键词铝合金;镁合金;氢含量;测氢
中图分类号T G146.21;T G146.22文献标志码A文章编号1001-2249(2011)06-0571-05
DOI:10.3870/tzzz.2011.06.024
Progress in Measuring Method to Hydrogen Content in Al and Mg Alloy
Jia Zheng,Zha ng Zhiqiang,Le Qizhi,Cui Jia nzhong
(Key Laborato ry of Electrom ag netic Pro cessing,M inistr y o f Educatio n,Northeastern Univ er sity) Abstract:H ydr ogen content m easur em ent in Al and Mg alloy is an im por tant w o rk because hy drog en-ab-sorptio n during melting process can seriously affect the micr ostructure and properties of the alloy.M eas-uring w ays o f hy dro gen co ntent in A l alloy and M g alloy w ere surveyed including sampling method,d-i r ect measuring m ethod and other methods.The difference of various metho ds w as analy zed.Developing tendency of measur ing w ay s o f hydrog en in the aluminum alloy w as presented.T he hydrog en-m easuring in Mg alloy w o uld be a spotlight in the future.It is a developing tendency to develop a kind o f hydrogen-measur ing instrument for M g allo y w ith rapidly,precisely,sim ply,and directly measuring hy drog en in Al allo y is a future directio n.
Key Words:Aluminum Alloy,Magnesium Alloy,Hydrogen Content,Hydrogen-measuring
铝合金导热性好、成形性好,价格较低,已经在航空航天、交通运输、通讯以及电子行业得到了广泛的应用。2009年,全球以及我国铝产量分别达到了3636万t和1296万t;而镁合金具有密度小、高阻尼、比强度、比刚度高、导热性良好以及电磁屏蔽能力强等特点,在交通、通讯、电子和航空航天领域的应用前景十分可观,2009年,全球以及我国原镁产量分别达到75万t和50万t[1~10]。由于铝合金和镁合金具有的优异性能,促使各国越来越重视对铝、镁材料的研究开发以及利用。但是,随着研究的不断深入,发现洁净的熔体是保证合金质量的关键[11,12]。在影响铝、镁熔体纯净度的因素中,熔体中的氢十分关键。在金属凝固过程中,氢的析出会导致气孔、疏松等缺陷,这将会严重影响合金的力学性能及耐蚀性能等。另外,含有气体的熔体流动性也
收稿日期:2011-03-22
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB613701;2007CB613702);国家自然科学基金资助项目(50904018,51004032, 50974037);新世纪人才资助项目(NCET-08-0098);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(NO90409002;NO90209002);东北大学博士研究生科研创新项目资助项目(N100609002);中国博士后科学基金资助项目(20100471468);高等学校博士学科专项科研基金资助项目(200801450010)
第一作者简介:贾征,男,1982年出生,博士研究生,东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳(110004),电话:138********,E-m ail:jz140@ https://www.wendangku.net/doc/4c12162830.html,
[16]OLIVEIRA M F,PERE IRA F S,BOLFARINI C,et al.T opolo-
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轻有色合金特种铸造及有色合金2011年第31卷第6期