放电等离子烧结技术制备Al基非晶合金及其复合材料的研究

Al-based amorphous alloys show higher strength, more resistant to corrosion, and more excellent comprehensive properties than Al alloys. However Al-based amorphous alloys can only be formed in small size due to their extremely low glass-forming ability，restricting the engineering applications of the material. Based on the situation, group intends to prepare Al-based amorphous alloys by spark plasma sintering (SPS). Large size of bulk amorphous alloys could be prepared by mean of consolidating the low dimensional size amorphous powders since their superplastic forming ability in supercooled liquid region. The method of preparing Al-based amorphous alloy involves preparing amorphous powders and consolidating powders. On the one hand, the effects of characteristic parameters of the powders and the technological conditions of ball milling on the process of amorphazition will be investigated and reveal out amorphazition mechanism. On the foundation，the preparation of Al-based bulk amorphous alloy and composite by SPS will be developed, pay much attention to the effects of SPS technological parameter and powder intrinsic characteristics on the process of sintering. Clarify sintering mechanism in order to provide the technological guidance and theoretical foundation for producing Al-based amorphous alloy with high properties.

Al基非晶合金与晶态Al合金相比，强度更高，耐腐蚀能力更强，综合性能更加优异，但该合金体系的玻璃形成能力相对较低，只能制备出低维度的非晶合金，这严重制约了Al基非晶合金在实际工程的应用。基于此，本研究拟采用放电等离子烧结（SPS）的方法制备Al基非晶合金，利用非晶合金过冷区间的超塑成形能力，将低维尺寸的非晶合金粉末高温加压固结成型，制备出大尺寸非晶合金。利用该方法制备块体Al基非晶合金主要涉及非晶合金粉末制备和高温固结两个方面的研究内容。一方面，展开利用机械合金化技术制备高纯Al基非晶合金粉末的研究，综合考虑合金粉末特征参数和球磨工艺对非晶化过程的影响规律，揭示非晶化机理；在此基础上，展开利用SPS技术制备大尺寸块体Al基非晶合金及其复合材料的研究，重点考虑SPS工艺参数和非晶合金粉末自身特征对烧结过程的影响规律，阐明烧结机理，为制备出高性能Al基非晶合金提供理论基础和工艺指导。

Al基非晶合金比强度极高，因而在轻质高强材料领域应用前景广阔，但非晶形成能力差（临界尺寸约1mm）、几乎无宏观塑性的特点严重制约了该类材料的应用。利用过粉末冶金的方法可以在一定程度上突破Al基非晶合金的尺寸限制。本项目利用机械合金化（MA）+放电等离子烧结（SPS）的方法来制备Al-Cu-Ti非晶合金，系统研究了制备工艺对材料结构和性能的影响。在此基础上，通过添加第二相颗粒（如高熵合金颗粒、Al颗粒）的方法来进一步改善现有合金的力学性能。主要研究结果如下：.利用MA技术制备出Al65Cu16.5Ti18.5非晶合金粉末，其非晶化过程主要由固溶体的非晶化和金属间化合物的非晶化组成。其中，固溶体的非晶化由固溶扩散控制，在形成过饱和固溶体后发生非晶化；而金属间化合物的非晶化则主要由球磨过程中产生的晶界能、缺陷能和无序能提供非晶化所需的能量，使其发生非晶化反应。.利用SPS技术制备Al基非晶合金，发现在过冷液相区烧结得到的合金尽管呈现出几乎完全的非晶态，但相对密度和强度均太低。在晶化温度以上烧结时，合金的强度显著提升，并且随着烧结温度的提高，其强度呈现出先升后降的趋势。这是由于颗粒中的晶化程度和颗粒之间的冶金结合随烧结温度的升高而逐渐增加，当颗粒内部为非晶/纳米晶、颗粒之间几乎不存在烧结缺陷时，合金达到最高的强度。.结合高熵合金高强度的特点，利用SPS技术制备Al基非晶-高熵合金复合材料。与Al基非晶合金相比，添加高熵合金颗粒体积分数为50%的复合材料，其强度提高近一倍，但塑性并未改善。这是由于高熵合金颗粒与基体之间形成了互扩散层，微裂纹可以在互扩散层中稳定扩展，显著增加了断裂表面能，因此强度显著提高。.结合Al塑性极佳的特点，通过先制备“Al包埋Al基非晶合金”复合结构粉末，然后利用SPS技术制备Al基非晶-Al合金复合材料。复合材料可兼具高强度和良好延展性的特点，这是由于此复合材料具有“纳米晶+微米晶+非晶/纳米晶”结构，在变形过程中大尺寸纳米晶与微米晶可以协同变形，复合材料在保持高强度的同时具有较好的均匀变形能力。