（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金的成分－冷卻速率－相組成關(guān)系研究

肖月華

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663000）

（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金的成分－冷卻速率－相組成關(guān)系研究

肖月華

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663000）

以（Cu50Zr50）100-xAlx相組成為考察指標(biāo)，研究冷卻速率和合金成分對(duì)其相組成的影響。通過(guò)XRD衍射實(shí)驗(yàn), 得到了成分-冷卻速率-相組織的選擇圖，總結(jié)得出了能夠得到單一B2-CuZr相+非晶基體結(jié)構(gòu)的合金成分和制備工藝，進(jìn)一步研究了Fe、Ti、Ga、Sn等元素少量摻雜對(duì)（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金相組成的影響。

非晶；相組成；冷卻速率

由于大塊非晶合金［1］的室溫脆性和應(yīng)變軟化的特點(diǎn)，使非晶合金做為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的前景受到質(zhì)疑。因此，如何在保留非晶合金的高強(qiáng)度、高耐蝕性和高抗疲勞性等性能的同時(shí)，提高其塑性成為新的研究熱點(diǎn)。2000年，Johnson等人［2-3］報(bào)道了原位析出韌性晶體相作為強(qiáng)化相的Zr基大塊非晶合金的制備過(guò)程、韌性相的析出機(jī)制以及其強(qiáng)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)原位析出初生B2-CuZr相對(duì)非晶合金壓縮性能產(chǎn)生很大的影響，主要是因?yàn)锽2-CuZr初生相在應(yīng)力作用下會(huì)轉(zhuǎn)變成B19′馬氏體相，使材料具有大的壓縮塑性和加工硬化能力。文章采用內(nèi)生法［4］制備CuZr基非晶合金，并在其中加入其它金屬元素，研究冷卻速率、成分以及相組成之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用純度為99.9%（at%）以上的Cu、Zr、Al、Ti、Fe等金屬元素，各合金的化學(xué)成份為（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy（M=Ti, Fe,Ga,Sn）。先將金屬表面的氧化膜用砂紙打磨除去，再用精度為0.0001克的電子天平稱出所需合金組元的質(zhì)量，倒入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，以除去合金表面的油污及在配料過(guò)程中附在其上的雜質(zhì)。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高真空熔煉電弧爐（沈陽(yáng)金屬研究所）、X射線衍射儀（型號(hào)：Rigaku D/MAX-RB）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）合金在高真空電弧爐中進(jìn)行熔煉。首先將Zr、Cu、Al等金屬材料均勻擺放到電弧爐坩堝中，高熔點(diǎn)的金屬放在上面，低熔點(diǎn)的放在坩堝底部，以免在熔煉過(guò)程中低熔點(diǎn)金屬揮發(fā)，然后蓋好爐蓋，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5 Pa時(shí)，向爐內(nèi)充入純度為99.999 vol % 的高純氬氣（Ar），稀釋殘余的游離氣體，接著再抽真空，到6.0×10-3Pa，然后再向爐內(nèi)充入0.5個(gè)大氣壓的高純氬氣。先熔煉純鈦1 min，吸收真空爐內(nèi)的游離態(tài)氧，隨后熔煉合金，為使合金成分均勻，將合金錠翻面進(jìn)行反復(fù)熔煉4～5次。最后，將合金熔液吸到水冷銅坩堝下方的銅模具中進(jìn)行快冷，得到試樣棒料。

（2）利用X射線衍射儀測(cè)量合金的X 射線衍射譜。實(shí)驗(yàn)前先用砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行磨平處理，并用丙酮或無(wú)水乙醇清洗干凈，制備出符合要求的XRD試樣。設(shè)備測(cè)量掃描角度范圍為10°～100°，根據(jù)獲得的衍射峰對(duì)照PDF卡片確定物相。實(shí)驗(yàn)條件為：Cu靶Kα線、設(shè)備工作電壓為40 KV，工作電流為110 mA、掃描速度為4 °/min，測(cè)量角度誤差小于0.01 °。通過(guò)XRD實(shí)驗(yàn)檢測(cè)樣品是否是非晶。一般認(rèn)為，掃描所得的譜圖若呈現(xiàn)寬化的彌散峰且沒(méi)有尖銳的晶化峰，則該合金為非晶態(tài)，若有尖銳的晶化峰則進(jìn)一步確認(rèn)其物相成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 （Cu50Zr50）100-xAlx合金系在不同Al含量和冷卻速度下的相組成

通過(guò)對(duì)試樣吸鑄直徑的變化來(lái)調(diào)節(jié)冷卻速度。對(duì)于快速冷卻制備的合金樣品，其臨界冷卻速率Rc可以表示為：Rc（K/s）= 10/r2，其中r 是非晶樣品的吸鑄直徑，以cm為單位。因而銅模直徑越大，冷卻速度越小。

表1為在 （Cu50Zr50）100-xAlx合金系中加入不同數(shù)量的Al時(shí)在不同吸鑄直徑（即不同冷速）情況下的相組成變化，為了考察對(duì)得到單一B2-CuZr+非晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)在合金中出現(xiàn)的其它相未作統(tǒng)計(jì)分類，其中其它未知相用O（other phase）表示。

表1 不同Al元素質(zhì)量含量不同直徑的（Cu50Zr50）100-xAlx合金系的相組成

圖1 （Cu50Zr50）100-xAlx合金的成分－冷卻速度－相組成選擇圖

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)可以總結(jié)出如圖1所示的相選擇規(guī)律：圖中正方形符號(hào)所示為全非晶結(jié)構(gòu)，菱形符號(hào)所示為能夠得到非晶+單一的B2-CuZr相復(fù)合結(jié)構(gòu)的區(qū)域，五角星符號(hào)為非晶基體上出現(xiàn)B2和其它相的生成區(qū)域?？梢钥闯?，在相同冷速下，隨Al含量的增加，（Cu50Zr50）100-xAlx合金的玻璃形成能力逐步增大，到Al質(zhì)量百分含量為7%，8%，9% 時(shí)玻璃形成能力最大，能夠生成最大直徑為6 mm的全非晶結(jié)構(gòu)。而后在Al含量為10%時(shí)，玻璃形成能力開(kāi)始下降，只能生成最大直徑為5 mm的全非晶試樣。這說(shuō)明在CuZr基非晶中添加適量的Al可以提高其玻璃形成能力。Al含量相同時(shí)，研究合金相組成隨冷速的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨冷速降低（吸鑄直徑變大），相組成的變化趨勢(shì)為：全非晶、非晶+單一B2-CuZr相、非晶+B2-CuZr相+其它相的特點(diǎn)?？梢?jiàn)如果想得到非晶+單一B2-CuZr相，必須控制冷卻速度在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)：冷速過(guò)大會(huì)生成全非晶，而冷速太小則會(huì)析出其它相，因而冷卻速度的控制至關(guān)重要。那么在（Cu50Zr50）100-xAlx非晶合金中為了能夠生成非晶+單一B2-CuZr相，應(yīng)盡量控制Al含量為5～6%，冷卻速度為27.7～62.5 K/s（吸鑄直徑為4～6 mm）。

2.2 其它微量元素對(duì)（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy（M=Fe,Ti，Ga，Sn, y=0.5～2%）玻璃形成能力的影響

選擇（Cu50Zr50）96Al4和（Cu50Zr50）94Al6成分，分別加入Fe、Ti、Ga、Sn等元素，初步探討其對(duì)非晶合金玻璃形成能力的影響。

表2為在吸鑄直徑為3 mm的（Cu50Zr50）96-yAl4My和吸鑄直徑為5 mm的（Cu50Zr50）94-yAl6My中添加不同數(shù)量的微量元素時(shí)用XRD實(shí)驗(yàn)得到的相組成?？梢钥闯?，當(dāng)Al含量為4%，吸鑄直徑為3 mm時(shí)，隨著Fe元素含量增加，合金的玻璃形成能力提高，同樣對(duì)于Ti、Ga、Sn元素也是一樣，微量添加后，該合金的非晶形成能力大大提高。當(dāng)Al含量為6%，吸鑄直徑為5 mm時(shí)，與未加入微量元素相比，0.5%的Fe和1%的Ti并沒(méi)有明顯的提升玻璃形成能力，而加入1% Fe和2% Ti時(shí)，吸鑄的5 mm試棒已顯示全非晶結(jié)構(gòu)，說(shuō)明1% Fe和2% Ti可一定程度的提高（Cu50Zr50）94-yAl6My合金的玻璃形成能力。

表2 微量元素對(duì)（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金相組成的影響

3 結(jié)論

（1）Al含量和冷卻速度對(duì)CuZr基非晶合金的玻璃形成能力和相組成有重要影響。在CuZr基非晶合金中添加適量的Al和控制合適的冷卻速度可以得到非晶+單一B2-CuZr相的相組成結(jié)構(gòu)。當(dāng)Al質(zhì)量含量為5～6%，冷卻速度在27.7～62.5 K/s（即吸鑄直徑為4～6 mm）時(shí)最容易生成非晶+單一B2-CuZr的相結(jié)構(gòu)。

（2）加入微量的摻雜元素Fe、Ti、Ga、Sn可以明顯提高（Cu50Zr50）100-x-yAlxMy合金的玻璃形成能力，說(shuō)明該合金系的玻璃形成能力和結(jié)構(gòu)對(duì)成分十分敏感，可以進(jìn)一步通過(guò)微摻雜來(lái)調(diào)整B2-CuZr相的比例，從而為下一步優(yōu)化合金力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。

［1］ Chen H S, Turnbull D. Supercooled Liquid and Bulk Amorphous Alloys［J］. Acta Materialia, 1969, 17: 1021.

［2］ Pekarskara E, Kim C P, Johnson W L. In situ transmission electron microscopy studies of shear bands in a bulk metallic glass based composite［J］. Journal of Materials Research, 2001, 16: 2513.

［3］ Hays C C, Kim C P, Johnson W L. Microstructure Controlled Shear Band Pattern Formation and Enhanced Plasticity of Bulk Metallic Glasses Containing in situ Formed Ductile Phase Dendrite Dispersions［J］. Physical Review Letters, 2000, 84: 2901.

［4］ Pauly S, Das J, Bednarcik J, Mattern N, Kim K M, Kim D H, Eckert J. Deformation-induced martensitic transformation in Cu–Zr–（Al,Ti）bulk metallic glass composites［J］. Scripta Materialia, 2009（2）: 431-434.

A Study on the Influence of (Cu50Zr50)100-x-yAlxMyAlloy Composition and Cooling Rates on Phase Composition

XIAO YUE-HUA
(School of Chemistry and Engineering, Wenshan University, Wenshan 663000, China)

Firstly, the influence of cooling rates and alloy composition on phase composition is studied using the phase composition of (Cu50Zr50)100-xAlxas the index of investigation. The composition-cooling rate-phase selection diagram has been successfully established through XRD diffraction experiment. The alloy composition and making engineering for fabricating bulk amorphous with single B2-CuZr phase embedded in the amorphous matrix are indentified. Then, effect of minor additions of Fe, Ti, Ga and Sn on the primary phase formation.in (Cu50Zr50)100-xAlxis also investigated.

Amorphous; phase composition; cooling rate

TF114.3

A

1674-9200（2014）03-0037-03

（責(zé)任編輯 張 鐵）

2014-03-07

肖月華（1983-），女，河北衡水人，文山學(xué)院化學(xué)與工程學(xué)院助教，碩士，主要從事非晶與冶金研究。