Cu_Zr_Al大塊非晶合金的制備及性能研究

1、第26卷第2期佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008年03月JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)文章編號(hào):1008-1402(2008)02-0169-03Mar.2008Cu-Zr-Al大塊非晶合金的制備及性能研究山圣峰1,2,孫寶茹,范長增11(1.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北秦皇島066004;2.濟(jì)寧學(xué)院物理系,山東曲阜273155)摘要:采用銅模鑄造的方法制備了Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10,at%),X射線衍射(XRD)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)Cu48Zr44Al8,Cu48Zr43Al分析(D

2、SC)考查三種大塊非晶合金的非晶形成能力,.結(jié)果表明:當(dāng)鋁含量X=9時(shí),關(guān)鍵詞:Cu-Zr-Al;中圖分類號(hào):A大塊非晶合金,由于具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)性能,受到人們的普遍關(guān)注,成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.大量的研究與開發(fā)工作表明,大塊非晶合金材料在許多實(shí)用性能方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì),具有良好的1,2應(yīng)用前景.上世紀(jì)八十年代后期,日本學(xué)者A.Inoue(井上明久)領(lǐng)導(dǎo)的課題組首先在非貴金屬系3大塊非晶合金制備方面取得了突破,并受到同行的關(guān)注.自從1988年以來,發(fā)現(xiàn)可以用更低的臨界冷卻速率制備出新的多組元合金體系,包括Mg4,56,78,910,1112,13基,Zr基,Fe基

3、,Pd基,La基,Ti141617,18基和Ni基合金體系.銅基大塊非晶合金的主要優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度更高、價(jià)格更低,既具有高的非晶形成能力又具有優(yōu)異的機(jī)械性能,有可能發(fā)展成19為一種新型的結(jié)構(gòu)材料.1995年首次報(bào)道了20Cu47Zr11Ti34Ni8銅基大塊非晶的研制成功.1999年,又發(fā)現(xiàn)了Cu-Zr-Ti-Si-B和Cu-Zr-Ti-21Ni-Sn銅基大塊非晶合金.因此,許多科研工作者致力于研究具有高的非晶形成能力的銅基大塊22非晶合金.本文采用銅模鑄造的方法制備了Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10,at%)幾種合金,利用X射線衍射分析和差示掃描量熱分析研究了上述合金的非晶形成

4、能力及熱穩(wěn)定性,并研究了Al元素含量對(duì)非晶形成能力及熱穩(wěn)定性的影響.照一定比例配制成母合金,在充氬氣保護(hù)的電弧爐里反復(fù)熔煉多次以確保合金成分的均勻性,然后在銅模里快速冷卻制備成非晶樣品,結(jié)構(gòu)檢測(cè)使用連續(xù)Dmax-2500PCX射線衍射儀,采用Cu靶K掃描;熱穩(wěn)定性測(cè)試?yán)眯吞?hào)為STA449C的差示掃描量熱分析儀在40Kmin的加熱速度下進(jìn)行DSC分析.2結(jié)果及討論圖1為Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)系列樣品的X射線衍射圖譜.從圖上可以看出,7<x<9時(shí)是全非晶態(tài),而其它則有明顯得晶化峰出現(xiàn).標(biāo)定衍射峰可知,其主要晶化相為ZrCu相,鋁元素的添加很明顯得影響了

5、樣品的凝固過程,使得其Zr2Cu相的析出和長大受到了抑制.但當(dāng)加入的鋁過量(X=10)后,非晶形成能力急劇降低.以上的結(jié)果表明,在很寬的成分范圍添加Al,Zr2CuAl合金都有很強(qiáng)的GFA,其最優(yōu)的成分點(diǎn)為X=9.為了研究不同Al含量對(duì)非晶合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性及其形成能力的影響,更好的解釋其具有超強(qiáng)GFA的原因,我們做了DSC實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)樣品的玻璃轉(zhuǎn)變以及晶化和熔化行為.圖2為Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)系列樣品的DSC曲線.DSC曲線顯示每個(gè)樣品在晶化前都有明顯的吸熱峰,這證明樣品在Tg點(diǎn)有明顯的玻璃轉(zhuǎn)變發(fā)生.緊接著玻璃轉(zhuǎn)變的吸熱峰,出現(xiàn)了一個(gè)很尖銳的放熱晶化峰,這標(biāo)志

6、著樣品從過冷液相區(qū)過渡到了穩(wěn)定的晶化相.明顯的玻璃轉(zhuǎn)變和晶1實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)根據(jù)合金的成分將純度(99.9%)CuZrAl按收稿日期:2008-02-15基金項(xiàng)目:(10702060a020207).作者簡介:山圣峰(1969-),男,山東嘉祥人,講師,碩士,燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生.170佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008年化反應(yīng)進(jìn)一步證明了這些合金樣品的非晶結(jié)構(gòu).從DSC曲線上,還可以看出,隨著鋁含量的增大,其特征溫度值(Tg,Tx,Tp)都向高溫端移動(dòng),到X=9是達(dá)到最大,當(dāng)X=10時(shí)其特征溫度值減小.有單一的熔化放熱峰.從結(jié)果看出Al組元的添加降低了合金的液相線溫度Tl,但對(duì)于所有

7、添加Al的合金樣品其熔化行為并沒有明顯改變.從曲線看,在合金的熔化過程中出現(xiàn)了多個(gè)形狀不規(guī)則的吸熱峰,這說明在熔化過程中可能出現(xiàn)了多種不同熔點(diǎn)的物相.圖3Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)樣品的熔化過程對(duì)加熱速率為40Kmin的Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)大塊非晶合金的DSC曲線進(jìn)行分析,得到了玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg,晶化開始的溫度Tx,熔點(diǎn)溫度Tm和液相線溫度Tl.利用以上幾個(gè)參數(shù),通過計(jì)算得到了過冷液相區(qū)的范圍Tx(Tx=Tx-Tg),約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg+Tl),Trg(Trg=TgTl)以及參數(shù)(=Tx并將上述參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,以分析Cu48Zr

8、46Ti6,Cu48Zr45Al7,Cu48Zr44Al8,Cu48Zr43Al9和Cu48Zr42Al10五種以圖2中Cu48Zr46Ti6大塊非晶合金為例,在溫度為415K附近形成了一個(gè)吸熱峰,表明在該溫度附近發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變.隨著溫度的升高,在505K附近出現(xiàn)了一個(gè)明顯的晶化放熱峰,表明在該溫度附近發(fā)生了晶化反應(yīng),處于亞穩(wěn)態(tài)的玻璃相開始向穩(wěn)定的晶化相轉(zhuǎn)變,在707K和780K附近都出現(xiàn)了一個(gè)較小的吸熱峰,表明合金中熔點(diǎn)較低的相開始熔化,在1102K附近,合金開始全部熔化.大塊非晶合金的非晶形成能力的相對(duì)強(qiáng)弱.表1總結(jié)了隨著Al成分的變化,合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg、晶化溫度Tx、晶化峰值溫度

9、Tp、過冷液相區(qū)Tx、液相線溫度Tl和約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg及的數(shù)據(jù).從表1可以看出,隨著鋁含量的增第2期山圣峰,等:Cu-Zr-Al大塊非晶合金的制備及性能研究171冷液相區(qū)的大小不能很好的反映非晶形成能力的附近波動(dòng),當(dāng)X=10時(shí),其值減小.說明其對(duì)應(yīng)成強(qiáng)弱,但它可以標(biāo)示出非晶合金從非晶態(tài)到達(dá)晶化分的非晶合金的熱穩(wěn)定性降低.態(tài)的難易程度,即可以表征非晶合金在過冷液相區(qū)抵抗結(jié)晶的能力.當(dāng)鋁含量X>7時(shí),Tx都在60K表1Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)大塊非晶合金的熱力學(xué)參數(shù)合金Cu48Zr52-xAlxX=6X=7X=8X=9X=10TgTxTmTlTxTrg3結(jié)

10、論Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10),利用X射線衍射分析和DSC差示掃描量熱分析研究了CuZrAl大塊非晶合金的非晶形成能力.結(jié)論如下:1)X射線衍射分析的結(jié)果表明可以用銅模鑄造的方法制成Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)大塊非晶合金,在很寬的成分范圍添加Al,ZrCuAl合金都有很強(qiáng)的GFA,其最優(yōu)的成分點(diǎn)為X=9.2)采用DSC分析得到了Cu48Zr52-xAlx(x=6,7,8,9,10)系列大塊非晶合金的熱力學(xué)參數(shù),并用這幾個(gè)參數(shù)比較了五種大塊非晶合金非晶形成能力的相對(duì)強(qiáng)弱.X=9時(shí)非晶合金的熱穩(wěn)定性最高.參考文獻(xiàn):1WKlement,RHWil

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19、0頁)190佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)WUBin,QULi-jie,WANGYing-hui1212008年(1.ZunyiBoyuTitaniumCo.,Ltd.,Guizhou563004,China;2CollegeofMaterialsScienceandEngineering,JiamusiUniversity,Jiamusi154007,China)ingspreparedbyconstantcurrentatthesamedepositionconditions.analysisthephaseofcalciumphosphateisslightlydependentonthepowersourcepattern.Keywords:titaniumalloy;electrochemicalphosphate;coating(上接171頁)ofCu-Zr-AlBulkMetallicGlassesSHANSheng-fengics,JiningUniversity,Qufu273155,China)1,2,SUNBao-ru,FA