摘要
非晶合金区别于晶态合金最显著的地方就在于非晶合金原子排列呈现长程无序、短程有序的结构特点。这种独特的结构使得非晶合金具有高硬度、高强度、高弹性极限和高耐腐蚀性等优异性能。但是非晶合金形成尺寸较小，如何提高非晶合金的玻璃形成能力是这种材料能够工程应用必须弄清楚的问题。另外非晶合金在热力学上是不平衡的,在加热过程中不可避免地会发生晶化，一旦发生晶化，其原子排列就会从长程无序变得长程有序，会失去因独特结构所带来的优异性能。但是通过适当控制非晶合金的晶化过程，就可以改善其机械性能或化学性能。通过开展微量元素添加对非晶合金玻璃形成能力及晶化行为的研究，以期找到影响非晶合金玻璃形成能力的因素，同时对微量元素添加对晶化过程中相的析出顺序和热稳定性的影响有所认识。 本文以Zr72.5Al10Fe17.5非晶合金为基础合金，研究分别添加不同含量的Si、Ti和La元素对Zr72.5Al10Fe17.5非晶合金玻璃形成能力及晶化行为的影响。通过真空电弧炉吸铸制备了楔形试样，单辊甩带设备制备了对应成分的非晶条带样品，利用差示扫描量热仪（DSC）获取了非晶合金的相变温度和放热焓等参数，通过光学显微镜（OM）观察得知各个成分对应的玻璃形成能力，利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线分析仪（XRD）等设备对铸态及退火态的非晶合金进行了组织结构表征。 随着Si元素的添加量从0.0到2.0at.％，Zr72.5Al10Fe17.5非晶合金的玻璃形成能力先增大后减小，在Si含量达到0.2at.％时，合金的玻璃形成能力达到最大，临界尺寸1150μm。这归因于Si的含量达到0.2at.％时，合金具有最大的原子堆积密度和最低的自由体积浓度。Si元素的添加没有改变合金的最终晶化产物，最终晶化产物为FeZr2、Zr6Al2Fe和α-Zr,但是Si元素的添加导致晶化行为发生了变化。本文认为是Si元素的添加对Zr6Al2Fe和α-Zr+FeZr2激活能影响不同，才使得合金从一阶段晶化转变为两阶段晶化。 随着Ti元素的添加量从0.0到6.0at.％,Zr72.5Al10Fe17.5非晶合金的玻璃形成能力先增大后减小，在Ti的含量达到4at.％时合金的玻璃形成能力达到最大，临界尺寸为2000μm。因为Zr72.5Al10Fe17.5并非最佳非晶形成成分，存在一定数量的自由Zr原子，计算表明，合金中自由Zr原子数量随着Ti元素的添加先减小后增大，在Ti含量为4at.％时降至最低，意味着此时非晶合金具有最高的原子堆垛效率，Ti含量为4at.％时玻璃形成能力最好是由其最佳的原子堆垛效率决定的。当Ti元素添加量为0.5到4.0at.％时，合金的晶化行为由基础合金的一阶段晶化转变为两阶段晶化，两个晶化峰的温度间隔随着Ti添加量的增加逐渐增大，在Ti添加量为4.0at.％时达到110K。认为是Ti元素的添加对晶化峰激活能的影响不同，两个晶化峰激活能差值较大是导致晶化行为由一阶段晶化转变到两阶段晶化和晶化峰温度间隔随Ti添加量的增加不断扩大的原因。当Ti添加量增加到4.0at.％时，第一晶化峰的晶化产物由Zr6Al2Fe相转变到了α-Zr相，利用Zr-Al-Fe三元相图分析了基础合金随Ti添加量的增加其第一晶化峰的晶化产物的变化情况，发现是因为当Ti添加量为4.0at.％时合金成分转移到过共晶区，第一晶化峰的晶化产物由Zr6Al2Fe相转变为α-Zr相。 随着La元素从0.0添加到4.0at.％，Zr72.5Al10Fe17.5非晶合金的玻璃形成能力不断减小，当La的含量添加为4.0at.％时临界尺寸为480μm。通过对以溶质原子为中心的团簇的原子堆垛效率进行计算发现，玻璃形成能力的不断减小是因为La元素的添加破坏了基础合金中原本的堆垛结构，使原子堆垛效率变差，从而导致了玻璃形成能力的不断恶化。晶化开始温度和晶化峰的晶化激活能也随着La元素添加量的增加而降低，这说明热稳定性随着La元素的添加而降低。通过计算局部Avrami指数n得出了合金晶化过程中形核与生长的详细信息。发现n值在晶化过程中随着La添加量的增加而增加，而较大的n值对应着合金在晶化过程中的扩散速度较快，这说明La元素的添加使得合金的扩散过程更为容易，而较为容易的扩散使得合金具有较低的热稳定性。
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