快速凝固制备Zr-Co-(Al)合金及其变形行为与强韧化机理

Recently, a family of ductile intermetallics with B2 structure has renewed the research interests for their great potentials in the field of preparing high strength and high toughness structural materials as well as their extensive application prospects. However, more researches have focused on the field of bulk metallic glass (BMG). The research field of ultra-fine grain (UFG) alloy is still not enough. In this project, Zr-Co-(Al) alloys will be prepared by rapid solidification. The microstructure of these alloys will be investigated through the optimization of Al element amount and the process of rapid solidification in order to obtain UFG alloy including B2 phase with excellent performance. Then, these alloys will be deformed to improve their comprehensive mechanical properties by deformation-induced martensitic transformation (DIMT) and transformation-induced plasticity (TRIP). For these UFG alloys, the effects of Al element amount and the process of rapid solidification on the microstructures and mechanical properties, the deformation behaviors, the mechanisms of DIMT, TRIP, strengthening and toughening will also be investigated systematically. Through the implementation of the project, it will not only provide theoretical and experimental basis for the fabrication and application of this kind of alloys, but also improve the understanding of DIMT, TRIP, strengthening and toughening mechanisms of these alloys, which possesses important theoretical and practical value.

具有B2结构的韧性金属间化合物在制备高强高韧新材料领域有良好的潜力和广泛的应用前景，在近几年引起了人们的浓厚兴趣，但研究工作主要集中于大块金属玻璃方向，超细晶合金的研究还远远不够。本项目将采用快速凝固技术制备Zr-Co-(Al)合金，结合Al含量的调整和快速凝固工艺的控制来调控合金的组织结构，以期获得高性能超细晶B2相合金材料。并结合随后的形变诱导马氏体相变（DIMT）和相变诱导塑性（TRIP），全面提升材料的综合力学性能。项目实施过程中，系统开展Al元素含量与制备工艺对合金组织结构和性能的影响、合金变形行为、DIMT及TRIP的行为与机理、合金的强韧化机理等方面的研究工作。通过本项目的实施，一方面为该合金的实际生产和应用提供可靠的理论与实验依据，具有良好的实际应用价值；另一方面为弄清该合金的DIMT、TRIP和强韧化机理做出积极的贡献，具有较重要的科学理论意义。

金属间化合物大多具有高的硬度和强度，在制备高强度新材料领域有巨大的应用潜力，但大多数金属间化合物在室温下的塑韧性都比较差，严重影响这种新材料的规模化应用，亟需深入开展相关研究。. 本项目以生物材料和核反应堆结构材料等领域具有广泛应用前景的Zr-Co基合金为研究对象，以高纯Zr、Co、Al为原料，采用快速凝固技术制备Zr-Co-(Al)合金，系统研究了合金成分对Zr-Co基合金显微组织结构与性能的影响、合金的变形行为与强韧化机理。结果表明：. 成分对Zr-Co基合金的显微组织结构和性能有显著的影响。随着Al元素含量的提高，Zr50-x/2Co50-x/2Alx (x=0 ~10 at.%)合金由B2结构的ZrCo单相组织逐步过渡到Zr5Co7Al3金属间化合物相和非晶相弥散分布在B2相基体上的复相组织，这使得合金的硬度升高，塑韧性下降；其中Zr49Co49Al2合金的室温压缩极限强度和硬度分别达到2.26GPa和406 HV，压缩塑性超过50%，具有优异的综合力学性能。Zr50Co50和Zr49Co49Al2合金在室温压缩过程中具有明显的加工硬化行为，从而获得了优异的室温塑韧性和强度；随着Al元素含量的增加，Zr50-x/2Co50-x/2Alx合金塑性变形阶段的加工硬化行为减弱，室温塑韧性和强度下降。Zr50-x/2Co50-x/2Alx合金在液氮温度下也具有良好的综合力学性能，且强度和塑性对比室温均有所提高，快速凝固态Zr49Co49Al2合金的低温极限压缩强度比室温提高了近1 GPa，Zr45Co45Al10合金的低温塑性提高到接近室温塑性的4倍（20.89%）。. Zr50-x/2Co50-x/2Alx合金的室温强化机理主要包括Al元素固溶强化、Zr5Co7Al3相和非晶相析出强化、加工硬化及形变诱导马氏体强化，且随着Al元素含量的增加，固溶强化和析出强化作用增强，马氏体强化作用减弱；合金室温变形过程没有新增独立滑移系，Zr50Co50和Zr49Co49Al2合金的优异室温塑性主要来源于压缩过程中的应变诱导B2相到B33相的马氏体相变及相变诱导塑性。. 本项目的实施一方面可为该合金的实际生产和应用提供可靠的理论与实验依据，另一方面弄清了该合金的形变诱导马氏体相变和相变诱导塑性及强韧化机理，具有较重要意义。