摘要
铝基非晶合金比传统的铝合金具有更高的比强度、耐蚀性、耐磨性和耐热性等性能，是一种极具应用前景和发展潜力的先进材料。研究铝基非晶合金体系、揭示其非晶形成机制，对于铝基非晶合金的发展是非常重要的。机械合金化方法制备非晶合金粉末，具有设备和工艺简单、成本较低、容易操作等特点，是形成铝基非晶合金粉末最有效的方法之一。机械合金化方法结合粉末冶金工艺，已被证明可制备出大尺寸块体非晶材料或复合材料，这使铝基非晶材料工业化应用成为可能。 针对铝基非晶合金过冷液相区较窄、非晶形成能力较弱的瓶颈问题，本文在前期铝基非晶合金研究的基础上，总结和分析了非晶合金一般设计准则和判据;通过选择性组元掺杂、相似性原子替换等方法设计出了新的铝基非晶合金体系;根据铝基非晶合金形成规律与机制，优化了合金成分，提高了铝基非晶合金的特征转变温度，制备出非晶形成能力强、热稳定性高和过冷液相区较宽的铝基非晶合金粉末，为铝基非晶合金体系设计、优化和块体制备奠定了一定基础。论文取得的主要结论如下: 提出了基于原子半径比的混合熵△Smix参数，通过与现有非晶合金设计依据和非晶形成能力参数对比分析，发现混合熵较大的铝基非晶合金一般具有绝对值较大的负混合焓和熵焓乘积，且其值与非晶形成能力有较好的线性关系，混合熵绝对值越大，越有利于提高铝基非晶合金的非晶形成能力。混合熵值大小可以作为合金体系能否形成非晶的判据，也可在一定程度上评估铝基非晶合金非晶形成能力的强弱。 设计出Al70Fe12.5V12.5Nb5的合金粉末，并对机械合金化过程进行了研究。发现经过球磨60h后的合金粉末，其XRD图谱出现典型非晶特征的漫散射峰，选区电子衍射图样为环状漫散射光晕，表明此时合金已经完全非晶化。能谱和标准差分析表明，Fe元素明显高于设计值，说明长时间球磨会导致Fe元素含量的增加。在该粉末的DSC曲线上，出现两个明显的晶化放热峰。随着升温速率的增加，特征温度有所升高，显示出明显的动力学效应。当升温速率为20K/min时，合金过冷液相区宽度达117.2K。对合金晶化行为的研究发现，晶化过程由形核和长大两次晶化过程组成，其本质为扩散控制的形核速率逐渐减小的晶化过程，第二次晶化过程对应的激活能明显大于第一次晶化过程。在过冷液相区温度范围内进行773K×100分钟的退火，可使非晶合金产生晶化相，该现象与非晶的结构弛豫有关。 通过添加与Al、Fe、v等元素均为负混合焓的Ni来替代Nb，设计出一种Al70Fe12.5V12.5Ni5合金。经球磨50h后实现完全非晶化，其粉末颗粒虽然大小不一，但具有明显的正态分布特征，平均直径为14.13μm。在其DSC曲线有两个明显的晶化放热峰。由于升温对玻璃化转变的影响大于晶化过程，因此，随着升温速率增加，该非晶合金过冷液相区的宽度从90.9K逐渐减小至82.8K。根据连续加热转变曲线，可知该非晶合金在400K下保持非晶态的时间可达到1026ks，说明该非晶合金具有较好的热稳定性。 经过不同球磨时间获得的Al70Fe12.5V12.5X5(X=Zr,Nb，Ni)非晶合金体系，其粉末颗粒尺寸随球磨时间延长逐渐减小。其中Al70Fe12.5V12.5Zr5非晶化程度最低，Al70Fe12.5V12.5Ni5非晶形成能力最强，Al70Fe12.5V12.5Nb5过冷液相区最宽。该结果表明，过冷液相区的宽度并不意味着非晶形成能力的强弱。根据有效原子半径比分析，发现在有效原子尺寸半径比倾向于形成二十面体局域特征的原子团簇且混合焓为负的合金体系中，混合熵的增大有利于提高铝基合金的非晶形成能力。
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