超多元锆基块体非晶合金氧诱导增韧机制研究

Generally, oxygen existed in low-purity Zr is regarded as a harmful factor, which would lead to the embrittlement of Zr-based bulk metallic glasses (BMGs) and severely inhibit broad industrial application of this series of materials. However, our recent study demonstrates that, a super-multicomponent Zr-Ti-Y-Al-Cu-Ni-Co-Fe BMG could precipitate nano-crystals in the glassy matrix induced by oxygen, and it is worth expected that, the investigation of mechanisms for this unique phenomenon of toughness enhancement by oxygen in this alloy system is of great scientific significance, and is also beneficial for the development of Zr-based BMGs with high-performance and low-cost, which shows outstanding application value. In this project, we plan to select oxygen for micro-alloying in Zr-Ti-Y-Al-Cu-Ni-Co-Fe BMGs, and utilize TEM, 3DAP, DSC, etc. to study the effects of oxygen on the formation of nano-crystals in this super-multicomponent Zr-based BMG system. Further, through the tests for mechanical properties and correlating studies, we expect to acquire the quantitative relations among composition, oxygen concentration, nano-crystallization and mechanical properties, and understand the mechanism for oxygen-induced toughness enhancement based on the correlating theories in Zr-based BMGs.

低纯锆原料中的氧通常被认为是导致锆基块体非晶合金严重脆化的有害因素，是该材料实现广泛工业应用的巨大阻碍。然而申请人最近的工作表明，一种超多元Zr-Ti-Y-Al-Cu-Ni-Co-Fe块体非晶合金可以在低纯锆原料中氧元素的诱导作用下析出纳米晶来实现材料的增韧。对这种超多元锆基块体非晶合金独特的氧诱导增韧效应的机制研究，不仅具有重要的科学价值，而且有助于低成本高性能锆基块体非晶合金的开发，具有很高的应用价值。因此本申请拟使用氧对超多元Zr-Ti-Y-Al-Cu-Ni-Co-Fe块体非晶合金体系进行微合金化，采用透射电子显微镜、三维原子探针、差示扫描量热仪等手段研究氧元素对该体系超多元锆基块体非晶合金中纳米晶形成的影响，并通过力学性能测试及相关研究，获得合金成分-氧含量-纳米晶化-力学性能之间的定量关系，并结合锆基块体非晶合金的相关理论,深入理解该体系块体非晶合金的氧诱导增韧效应的物理机制。

锆基块体非晶合金具有优异而独特的力学性能，在诸多方面有良好的应用潜力，但一般而言，工业原料及制备环境中的氧元素将导致此类材料发生严重脆化，致使其服役可靠性下降并阻碍其广泛应用，而超多元锆基块体非晶合金独特的氧诱导增韧现象有望解决这一问题。然而，氧元素对超多元锆基块体非晶合金微观结构及性能的影响机制尚不清楚，需要进行深入探索，同时对于这种含有高混合熵和复杂元素间相互作用的合金体系，如何实现在工业条件下高效的成分及性能优化，并且保证低成本，是本课题研究的关键。在本项目开展期间，我们对上述方面进行了全面系统的研究，较好地完成了预期的研究目标，为此类材料的开发与性能调控提供了规律和理论方面的依据。研究发现，氧元素会在超多元锆基块体非晶合金基体中诱导纳米级晶体相的形成，随着氧含量增加，纳米晶有发生晶体尺寸增加以及相结构转变的趋势；初始处于均匀分布状态的氧元素（如原料中固溶的氧或者腔体气氛中的氧）相较于金属氧化物更容易获得弥散的小尺寸纳米析出相；氧元素诱导生成的纳米晶与基体间的相互作用有助于锯齿流变过程由混沌状态转变为自组织临界状态，极大提升塑性变形能力；可以通过“相似元素调整性能，骨架元素（即超多元合金成分对应的低组元合金中的元素）调整非晶形成能力”的方式，在选定的原料纯度和工业制备条件下进行高效成分优化；过多的纳米晶形成对非晶合金力学性能的影响是不利的，需要控制纳米晶在非晶基体中生成的种类、含量、形态及分布，其效果可以通过热学行为的变化来进行判断，而这能够极大程度提高材料开发及优化的效率，降低研发成本。本项目所获得的成果不仅有利于锆基块体非晶合金的进一步发展与未来的广泛应用，更有助于加深对含高混合熵及复杂元素间相互作用的非晶/晶态材料的相形成机制及调控原则的理解，具有重要的科学意义与应用价值。