块体铝基非晶复合材料非晶形成机制的研究

Al-based amorphous alloys and their composites exhibiting a series of excellent mechanical and chemical properties, such as high specific strength, high wear resistance and good corrosion resistance, making them having a vast application prospect in future aerospace field. However, the maximum attainable thickness for glass or composite formation in Al-based amorphous alloy system still no large than 3 mm ever since the frist Al-based metallic glasss was discovered in 1988.Compared to the complete Al-based metallic glass alloys, their metallic glass composties usually have superior comprehensive properties. Accordingly, the applicant have developed a series of Al-based bulk metallic glass composites by a large number of experiments in earlier stages, these metallic glass composites containing a high Al content up to 50 at.% and their maximum attainable thickness is larger than 10 mm. Further studies shown that proper addition of the Fe element with a positive heat of mixing effectively enhance the volume fraction of glass matrix in these Al-based bulk metallic glass composites, neverthesess, the effects and mechenism for addition of the element with a positive heat of mixing on glass formation are not very clear. The main prupose of this project is to study the effects for addition of the elements with a positive heat of mixing such as Fe, Ti, V, Cr and Mn on glass formation based on these Al-based bulk metallic glass composites. As such, the mechanism for additon of the element with a positive heat of mixing on the volume fraction of amorphous matrix, mechanical properties and Al content can be understand. The ultimate goal of this project is to provide the guidance for exploring the other novel BMG matrix composites.

铝基非晶合金及其复合材料由于具有一系列优异的力学和化学性能，如高比强度、高耐磨性和良好的抗腐蚀性能，在未来航空航天领域有着广阔的应用前景。然而，自1988年第一次制备出铝基非晶合金以来，仍然没有研发出直径超过3 mm的块体铝基非晶合金或复合材料。对于完全铝基非晶合金来说，其非晶复合材料往往具有更好的综合性能。据此，申请者前期通过大量实验成功制备出一系列Al含量达50 at%且其形成尺寸在10 mm以上的块体铝基非晶复合材料。并在其基础成分上，通过添加正混合热元素Fe可以有效提高合金中非晶相的体积分数，但对非晶形成过程的影响规律和作用机理仍不清楚。本项目拟以这种块体铝基非晶复合材料为基础，研究添加正混合热元素如Fe、Ti、V、Cr和Mn等对其非晶形成过程的影响规律，揭示正混合热元素及其含量对其非晶相的体积分数、力学性能及Al含量的作用机理。为开发其它新型非晶复合材料提供依据。

铝基非晶合金及其复合材料具有一系列优良的力学性能和化学性能，如高的比强度、良好的韧性以及优异的耐腐蚀性能等。与传统铝合金相比，铝基非晶合金的拉伸强度更高。尤其是当纳米晶弥散分布于铝基非晶基体中形成非晶复合材料时，其强度更高。自从1988年首次在Al-Fe-B中成功制备以来，国内外经过近30年的研究开发，仍未制备出直径超过2mm的铝基块体非晶合金或复合材料。. 本项目拟以自主开发的Al50(La,Ce)45(Co,Cu)5块体非晶复合材料为基础成分，通过添加正混合热元素Fe、Ti、V、Cr和Mn等，研究这些正混合热元素在块体非晶复合材料形成过程中的影响规律及作用机理，以及对合金力学性能的影响机理。建立正混合热元素添加含量和非晶复合材料中非晶基体体积分数之间的关系，揭示它们对非晶形成过程的作用机理。. 在添加合金元素中，Ti元素添加后，非晶相比例的提高最为明显，约达到45%。Fe和Cr元素类似，可以达到35%左右，而Mn和V元素添加后，提高效果不明显，比基础合金成分只提高了约5%左右。对于不同的正混合热元素来说，其最有效的添加含量也不同，Fe元素最合适添加量为5at.%，而Ti元素最合适添加量为0.5at.%，V和Cr元素的最佳添加为3at.%,Mn元素为1at.%。添加的五种元素，其原子半径都比Al元素小，Fe和Cr的原子半径与Al元素的差别最大，提高非晶相的比例较大，而V和Mn的原子半径与Al元素的相差较小，提高非晶相的比例较小。所有的合金都没有表现任何塑性，全部为脆断。抗压强度在800-1200Mpa范围内变化，当Fe含量为3和5at.%时，合金表现为最大的压缩强度，可达约1200Mpa左右，当Mn或Ti含量为1at.%时，合金表现为最小的压缩强度，约为800Mpa,剩余的合金大约在1000Mpa左右，整体上没有发现有明显的规律。本项目从元素间正混合热的角度，以开发新型块体铝基非晶复合材料展开研究，其研究成果为开发其它金属基的块体非晶复合材料提供了指导依据；通过添加正混合热元素，可以不断提高铝基块体非晶复合材料中Al元素的含量及非晶基体的体积分数，这种方法和思路尚属于首次；