冷噴涂制備Al基塊體非晶合金的研究

Al基非晶合金因其輕質(zhì)、高強、耐蝕、廉價等特點在航空航天及交通運輸領(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際應(yīng)用的嚴重障礙。本申請引入冷噴涂技術(shù)以最大程度地減小制備材料尺寸對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粉體相關(guān)特性；同時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；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行相關(guān)后續(xù)處理及組織性能檢測。 首先，完成了Al基非晶合金的成分設(shè)計；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；考察了采用高純原材料及工業(yè)級原材料制粉的可能性；對粉體非晶結(jié)構(gòu)進行了確認，對粉體相關(guān)工藝特性進行了分析。其次，在沉積行為模擬方面，對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)合對實際制備材料的相關(guān)測試，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法算法以及它們在本項目上的具體應(yīng)用。第三，通過模擬和實驗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)，初步實現(xiàn)了項目目標。第四，初步測試了制備材料的硬度、結(jié)合強度、表面粗糙度、耐腐蝕性能等指標，考察了涂層形成與致密化機理。相關(guān)工作為冷噴涂非晶涂層制備及該技術(shù)的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

Al基非晶合金因其輕質(zhì)、高強、耐蝕、廉價等特點在航空航天及交通運輸領(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際應(yīng)用的嚴重障礙。本申請引入冷噴涂技術(shù)以最大程度地減小制備材料尺寸對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粉體相關(guān)特性；同時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；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行相關(guān)后續(xù)處理及組織性能檢測。

強磁場能影響合金中的各種中短程有序結(jié)構(gòu)的形成，為調(diào)控非晶合金的微觀組織和性能提供了一種有效手段。在本項目執(zhí)行期間，制備了多種鋯基、稀土基、鐵鈷基及鐵基非晶合金，研究了部分合金的玻璃形成能力、熱穩(wěn)定性和性能，著重研究了強磁場對Zr60Cu20Ni10Al10、Zr46.75Ti8.25Cu7.5Ni10Be27.5、RE55Al25Co20、(Fe0.36Co0.36B0.192Si0.048Nb0.04)100-xCux、Fe84B10C6、Fe83B10C6Cu1、Fe76C7Si3.3B5P8.7和Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7等非晶合金的微觀組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)強磁場對不同非晶合金的微觀組織和性能的影響規(guī)律不同。研究發(fā)現(xiàn)，強磁場并未改變兩種鋯基塊體非晶合金的最終晶化產(chǎn)物，但通過抑制晶化相的長大而抑制了晶化反應(yīng)的進行。強磁場促進了稀土基非晶合金Nd55Al25Co20、Gd55Al25Co20和La55Al25Co20中晶化相的形成。在本項目所用實驗條件下，強磁場對FeCo基非晶合金的晶化過程和磁性能無顯著影響。強磁場明顯促進了Fe基非晶合金中α-Fe相的形成，這種促進作用在晶化溫度附近最顯著。強磁場對不同鐵基非晶合金中α-Fe形成的影響機制有所不同。在Fe84B10C6非晶合金中，強磁場促進了α-Fe的形核，而對α-Fe的平均晶粒尺寸無明顯影響；在Fe83B10C6Cu1非晶合金中, 強磁場促進了α-Fe相的形核和長大，但未改變Fe83B10C6Cu1合金的晶化機制；在本項目所用實驗條件下，F(xiàn)eBC(Cu)合金退火后的軟磁性能惡化；強磁場促進了Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7非晶合金中α-Fe相的形核，同時細化了α-Fe晶粒，但并未改變其晶化機制；在合適的條件下，強磁場明顯提高了Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7合金的軟磁性能。在初始晶化階段，F(xiàn)e84B10C6、Fe83B10C6Cu1、Fe76C7Si3.3B5P8.7和Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7四種鐵基非晶合金的JMA指數(shù)分別為2.455、3.285、1.69和2.47，其晶化機制不同。這些結(jié)果對利用強磁場來調(diào)控非晶合金的微觀組織和性能提供了支持。

非晶合金的制備方法雖然很多, 但有一個共同點, 即無論從氣態(tài)或液態(tài)冷卻到固體,為抑制結(jié)晶的發(fā)生, 冷卻速度要足夠快。因此, 在室溫下純金屬難以獲得穩(wěn)定的非晶組織。

制備金屬玻璃比較容易, 它們的共晶點低于1000℃ , 并且熔化時不易與空氣或柑鍋起反應(yīng)。常用的方法是, 將料放入石英噴嘴內(nèi), 在感應(yīng)線圈中熔化, 用氣將熔融合金從石英嘴的小孔吹出, 噴射到高速旋轉(zhuǎn)的輥上, 形成金屬玻璃薄帶。這種方法稱為熔融旋轉(zhuǎn)法, 但它不適于以難熔金屬為基的合金。

金熔煉成均勻的小球,熔化后迅速打開閥門, 借助氣壓力差, 使熔體快速地通過石英噴嘴, 噴射到高速轉(zhuǎn)旋的單輥表面, 甩成一寬,加厚的金屬玻璃薄帶。這個設(shè)備的特點是避免了高熔點的活潑金屬熔體與柑禍起反應(yīng), 缺點是當改變金屬元素成分時, 由于密度不同, 母合金球的大小要進行相應(yīng)調(diào)整才能懸浮起來, 這是一個繁瑣的過程, 經(jīng)常要試驗多次方能成功 。

鋁基非晶合金的非晶形成能力差已成為其應(yīng)用的主要障礙，利用Ca、Sr、Ba微合金化有可能成為提高其非晶形成能力的重要途徑。由于Al基非晶合金的特點，許多預(yù)測其它非晶合金的非晶形成能力的經(jīng)驗方法并不適用于Al基非晶合金，Al基非晶合金的非晶形成能力需要結(jié)合結(jié)晶熱力學與動力學進行預(yù)測，準確的相圖熱力學數(shù)據(jù)庫是這一預(yù)測方法的基礎(chǔ)。本項目擬綜合運用平衡合金法、擴散多元結(jié)和相圖熱力學計算方法，系統(tǒng)研究Al-(Ni,Co)-(Y,Gd)-（Ca,Sr,Ba）多元相圖，建立相應(yīng)的相圖熱力學數(shù)據(jù)庫，計算該體系不同成分合金的結(jié)晶驅(qū)動力、熔化焓和熔化溫度，并結(jié)合表面能和粘度計算的經(jīng)驗公式，運用JMAK方程計算出不同合金的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）和制備非晶所需的臨界冷卻速度，探討Ca、Sr、Ba微合金化對鋁基非晶合金非晶形成能力的影響，預(yù)測微合金化最佳成分范圍，為鋁基非晶合金制備提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。