非晶复合材料设计和调控制备的科学基础

TiZr-based metallic glass composites contain in-situ formed dendrites with a widespread prospect of application in the fields of aerospace, defense industry and communication electronic equipment will be selected as subjects in this project. The precipitation behaviors of the dendrite as well as its relationship with the amorphous phase will be carefully studied during the solidification process. The underlying thermodynamic and kinetic mechanism will be illustrated. The formation mechanism of amorphous alloy composites containing dendrites will be understood deeply. Furthermore, the relationship among the microstructure, mechanical properties and solidification controls will be studied to disclose fundamentals of design and solidification control during the preparation of amorphous alloy composite. A technology of preparing the composite with the shape and the well combination of microstructure and mechanical properties will be setup accordingly. On this basis, the parts of excellent performance will be made. The results will enrich the basic theories of design and preparation of amorphous material with solidification control, and promote the development of the discipline itself. On the other hand, it will promote the progress of the preparation of advanced materials and shaping techniques, and lay a solid foundation for the development of China's national defense and economic construction and other fields.

本项目选择在航空航天、通讯电子仪器等领域具有重要应用前景的TiZr基内生枝晶相非晶复合材料为研究对象，系统研究非晶复合材料制备凝固过程中析出相与非晶相相互依存关系和热力学动力学微观机制，凝固过程控制与微观组织结构调控规律，微观组织结构—力学性能之间的关系，深入理解非晶复合材料的形成机理，发展非晶复合材料设计和调控制备理论，建立非晶材料控形（形状、非晶形成）—控构—控性一体化制备技术，制备出性能优异的相关构件。将不仅丰富非晶材料设计和制备凝固控制基础理论知识、促进学科本身的发展，而且推动我国先进材料制备与成形技术的进步，为我国国民经济等领域的发展奠定坚实的基础。

非晶复合材料具有优异的综合性能和广阔的应用前景。外加增强相非晶复合材料结构可控，但在增强相与非晶基体界面处会发生合金元素的扩散和界面反应，使基体非晶形成能力降低、增强相性能恶化，导致非晶复合材料的性能提升有限。内生增强相非晶复合材料界面结合良好，综合性能优异，但难以实现微观组织结构设计和可控制备。本项目拟综合内生与外加增强相非晶复合材料的优点，开展非晶复合材料的设计和调控制备的科学基础研究，深入理解内生枝晶相非晶复合材料的形成机理，建立非晶材料控形—控构—控性一体化制备技术，制备出性能优异的相关构件。本项目已经完成了计划书中的研究内容，实现了预期目标。完成了熔化浇铸温度、冷却速率和半固态处理对TiZr基非晶复合材料中析出相和基体非晶形成影响的研究，发现具有特定合金成分的非晶复合材料，在一定的冷却速率范围内在凝固过程中析出相与非晶相两者之间能够稳定存在，且体积分数与成分保持不变；阐明了非晶复合材料制备凝固过程中析出相与非晶相两者之间的相互依存关系和成分稳定性内在机制以及微观组织演化热力学和动力学机制；完成了非晶复合材料设计和制备凝固过程中微观组织结构调控规律的研究，通过研究非晶合金熔体与析出相之间的液固交互作用，合金组分和第二相溶解平衡关系，给出了溶解动力学方程，获得了熔体中枝晶相的饱和溶解度，阐明了非晶合金熔体与析出相合金之间液固交互作用规律和成分稳定性之间的关系；实现了非晶复合材料的微观结构设计和可控制备，设计并成功制备出结构亚稳定性可控的β型非晶复合材料、枝晶相成分可控的非晶复合材料、增强相体积分数可控的非晶复合材料、层状非晶复合材料和具有外加/内生双增强相的非晶复合材料，阐明了制备凝固过程控制—微观组织结构—力学性能之间的关系，获得了综合性能优异的非晶复合材料；完成了非晶复合材料控形—控构—控性一体化制备技术的研究，根据TiZr基非晶复合材料中两相相互依存关系和成分稳定性的规律，建立了非晶复合材料控形—控构—控性一体化制备技术，采用高温熔体浇铸、高温熔体压力浸渗和精密铸造成形等方法成功制备出复杂形状的非晶复合材料构件。已取得的研究结果丰富了非晶材料和复合材料的基础知识，对于非晶复合材料的设计、制备过程控制和性能提高，进而促进其应用具有重要意义。