冷喷涂制备Al基块体非晶合金的研究

Al基非晶合金因其轻质、高强、耐蚀、廉价等特点在航空航天及交通运输领域展现出巨大应用潜力；然而非晶形成能力差、制备块体材料困难成为其实际应用的严重障碍。本申请引入冷喷涂技术以最大程度地减小制备材料尺寸对合金形成能力的依赖，突破Al基非晶合金大尺寸块体的制备瓶颈，为新材料的实际应用奠定基础。 研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金为基础调整和确定元素组成，雾化制备粉体喂料并检测粉体相关特性；同时模拟研究冷喷涂过程中不同预热温度与飞行速度颗粒撞击后绝热升温、塑性变形、有效结合等情况以及冷却过程对组织形成的影响；然后以模拟结果为依据，冷喷涂制备有针对性的非晶合金样品；考察颗粒的沉积、结合行为以及合金的组织结构特点；通过数值模拟并辅以组织性能分析的方法解决相关科学问题，揭示非晶合金块体的形成规律；优化和确定喷涂工艺，冷喷涂制备优质的Al基非晶合金块体并进行相关后续处理及组织性能检测。 首先，完成了Al基非晶合金的成分设计；通过雾化制粉技术制备出满足冷喷涂要求的非晶合金粉体；确定了合金的熔炼工艺和雾化制粉工艺；考察了采用高纯原材料及工业级原材料制粉的可能性；对粉体非晶结构进行了确认，对粉体相关工艺特性进行了分析。其次，在沉积行为模拟方面，对于一种新型合金材料，通过现有资料与数据分析，结合对实际制备材料的相关测试，获得了建立本构方程及物理模型的必要数据，弥补了新材料数据缺乏问题；掌握了ABAQUS软件模拟、Lagrange和Euler法算法以及它们在本项目上的具体应用。第三，通过模拟和实验了解了非晶颗粒沉积行为，确定了相关冷喷涂工艺参数调控范围，制备了分散颗粒、涂层及沉积体样品，确定了制备材料的非晶组织结构，初步实现了项目目标。第四，初步测试了制备材料的硬度、结合强度、表面粗糙度、耐腐蚀性能等指标，考察了涂层形成与致密化机理。相关工作为冷喷涂非晶涂层制备及该技术的实际应用打下基础。

Al基非晶合金因其轻质、高强、耐蚀、廉价等特点在航空航天及交通运输领域展现出巨大应用潜力；然而非晶形成能力差、制备块体材料困难成为其实际应用的严重障碍。本申请引入冷喷涂技术以最大程度地减小制备材料尺寸对合金形成能力的依赖，突破Al基非晶合金大尺寸块体的制备瓶颈，为新材料的实际应用奠定基础。.研究首先以我室自主研制的AlNiY基非晶合金为基础调整和确定元素组成，雾化制备粉体喂料并检测粉体相关特性；同时模拟研究冷喷涂过程中不同状态（预热温度与飞行速度）颗粒撞击后绝热升温、塑性变形、有效结合等情况以及冷却过程对组织形成的影响；然后以模拟结果为依据，冷喷涂制备有针对性的非晶合金样品；考察颗粒的沉积、结合行为以及合金的组织结构特点；通过数值模拟并辅以组织性能分析的方法解决相关科学问题，揭示非晶合金块体的形成规律；优化和确定喷涂工艺，冷喷涂制备优质的Al基非晶合金块体并进行相关后续处理及组织性能检测。

强磁场能影响合金中的各种中短程有序结构的形成，为调控非晶合金的微观组织和性能提供了一种有效手段。在本项目执行期间，制备了多种锆基、稀土基、铁钴基及铁基非晶合金，研究了部分合金的玻璃形成能力、热稳定性和性能，着重研究了强磁场对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等非晶合金的微观组织和性能的影响，发现强磁场对不同非晶合金的微观组织和性能的影响规律不同。研究发现，强磁场并未改变两种锆基块体非晶合金的最终晶化产物，但通过抑制晶化相的长大而抑制了晶化反应的进行。强磁场促进了稀土基非晶合金Nd55Al25Co20、Gd55Al25Co20和La55Al25Co20中晶化相的形成。在本项目所用实验条件下，强磁场对FeCo基非晶合金的晶化过程和磁性能无显著影响。强磁场明显促进了Fe基非晶合金中α-Fe相的形成，这种促进作用在晶化温度附近最显著。强磁场对不同铁基非晶合金中α-Fe形成的影响机制有所不同。在Fe84B10C6非晶合金中，强磁场促进了α-Fe的形核，而对α-Fe的平均晶粒尺寸无明显影响；在Fe83B10C6Cu1非晶合金中, 强磁场促进了α-Fe相的形核和长大，但未改变Fe83B10C6Cu1合金的晶化机制；在本项目所用实验条件下，FeBC(Cu)合金退火后的软磁性能恶化；强磁场促进了Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7非晶合金中α-Fe相的形核，同时细化了α-Fe晶粒，但并未改变其晶化机制；在合适的条件下，强磁场明显提高了Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7合金的软磁性能。在初始晶化阶段，Fe84B10C6、Fe83B10C6Cu1、Fe76C7Si3.3B5P8.7和Fe75.3C7Si3.3B5P8.7Cu0.7四种铁基非晶合金的JMA指数分别为2.455、3.285、1.69和2.47，其晶化机制不同。这些结果对利用强磁场来调控非晶合金的微观组织和性能提供了支持。

非晶合金的制备方法虽然很多, 但有一个共同点, 即无论从气态或液态冷却到固体,为抑制结晶的发生, 冷却速度要足够快。因此, 在室温下纯金属难以获得稳定的非晶组织。

制备金属玻璃比较容易, 它们的共晶点低于1000℃ , 并且熔化时不易与空气或柑锅起反应。常用的方法是, 将料放入石英喷嘴内, 在感应线圈中熔化, 用气将熔融合金从石英嘴的小孔吹出, 喷射到高速旋转的辊上, 形成金属玻璃薄带。这种方法称为熔融旋转法, 但它不适于以难熔金属为基的合金。

金熔炼成均匀的小球,熔化后迅速打开阀门, 借助气压力差, 使熔体快速地通过石英喷嘴, 喷射到高速转旋的单辊表面, 甩成一宽,加厚的金属玻璃薄带。这个设备的特点是避免了高熔点的活泼金属熔体与柑祸起反应, 缺点是当改变金属元素成分时, 由于密度不同, 母合金球的大小要进行相应调整才能悬浮起来, 这是一个繁琐的过程, 经常要试验多次方能成功 。

铝基非晶合金的非晶形成能力差已成为其应用的主要障碍，利用Ca、Sr、Ba微合金化有可能成为提高其非晶形成能力的重要途径。由于Al基非晶合金的特点，许多预测其它非晶合金的非晶形成能力的经验方法并不适用于Al基非晶合金，Al基非晶合金的非晶形成能力需要结合结晶热力学与动力学进行预测，准确的相图热力学数据库是这一预测方法的基础。本项目拟综合运用平衡合金法、扩散多元结和相图热力学计算方法，系统研究Al-(Ni,Co)-(Y,Gd)-（Ca,Sr,Ba）多元相图，建立相应的相图热力学数据库，计算该体系不同成分合金的结晶驱动力、熔化焓和熔化温度，并结合表面能和粘度计算的经验公式，运用JMAK方程计算出不同合金的等温冷却转变曲线（TTT曲线）和制备非晶所需的临界冷却速度，探讨Ca、Sr、Ba微合金化对铝基非晶合金非晶形成能力的影响，预测微合金化最佳成分范围，为铝基非晶合金制备提供关键基础数据。