近临界铸造尺寸Zr基块体非晶合金铸造过程的凝固行为研究

This project takes Zr-based bulk amorphous alloy which has strong glass-forming ability as study objects and the solidification behavior in the casting and preparation process of amorphous alloy of near critical casting dimension will be studied. Since there is no latent heat of crystallization released in the solidification process of amorphous alloy, its filling ability and solidification behavior in cast molding process should have significant difference with the crystalline alloy, but for now, we still do not know it clearly. Therefore, this project intend to reveal the mechanism of the glass forming ability and solidification behavior of Zr-based bulk amorphous alloy by studying the diffusion of liquid-solid interface, mold wall nucleation effect, nucleation kinetics control, interfacial resistance of heat transfer and cooling rate regulation in the alloy melt and other factors. This project aims to develop a preparation technique of large size near critical casting dimension Zr-based bulk amorphous alloy that the cooling rate and solidification is controllable, which provides technical supports and lays the foundation of industry applications of bulk amorphous alloys.

本申请项目以玻璃形成能力强的Zr基块体非晶合金为研究对象，开展近临界铸造尺寸非晶合金铸造成形过程的凝固行为研究。由于非晶合金在凝固过程无结晶潜热释放，因此其在铸造成型过程中的充型能力和凝固行为都将与晶态合金有很大的区别，但目前对于这类合金熔体凝固行为的认识还不十分清楚。因此，本申请项目拟通过开展合金熔体液固界面的扩散、铸型的器壁形核效应、熔体的形核动力学控制、熔体热传输的界面阻力和溶体冷却速率调控等因素对Zr基块体非晶合金的玻璃形成能力和凝固行为的作用机理研究。揭示无结晶潜热释放Zr基块体非晶合金熔体铸造过程的凝固行为、发展冷却速率和凝固行为可控制的近临界铸造尺寸的大尺寸Zr基块体非晶合金铸造制备技术，为大块非晶合金在工业中的应用奠定基础和技术支持。

Zr基块体非晶合金具有高强度、高硬度、高断裂韧性、耐摩擦、抗辐射、无磁性等优良特性。特别是其室温强度大于1800 MPa、＋100℃的强度超过1200MPa、－100℃的强度为835MPa，硬度在RHC55-60范围内，与9G18和GCr15轴承钢相接近、其密度要比钢低20%左右，具有明显的减重与轻量化量化效果。这些指标均满足我国某遥感卫星反射镜支架中的29320调心滚子轴承这类空间机构件在空间苛刻环境下服役对材料性能的要求。使其在航空航天以及国防装备和军事武器等领域显示了重要的潜在应用价值。.本课题开展了以下内容的研究工作：① 系统开展了铸造过程铸型器壁形核效应对近临界铸造尺寸Zr 基块体非晶合金玻璃形成能力的作用机理研究；② 完成了近临界铸造尺寸Zr基非晶合金铸件的熔体冷却速率调控与凝固行为的理论分析与实验研究。③ 完成了近临界铸造尺寸的Zr基块体非晶合金铸造成型技术的理论分析与铸造成型的工艺技术研究，获得了Zr基块体非晶合金近临界尺寸零件的铸造工艺技术。.通过对近临界铸造尺寸Zr基块体非晶合金铸造过程的熔体凝固行为这一科学问题开展理论分析和实验研究，解决了因Zr基块体非晶合金熔体粘滞性大，铸造充型困难的难题，突破了制约Zr基块体非晶合金近临界尺寸工件铸造成型技术的瓶颈。在理论分析与实验研究的基础上，用容量为5kg的高纯石墨坩埚通过中频感应真空熔炼炉与铜模铸造相结合的技术，成功铸造出了重量分别为1.6 kg和1.3kg的29320调心滚子轴承内圈和外圈的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5块体非晶合金铸件，经XRD衍射分析均为非晶态结构。.本课题开发的近临界尺寸Zr基块体非晶合金的铸造成型技术，对推动块体非晶合金由理论研究向工程应用转化，具有重要理论价值和实际意义。