Al基非晶合金多孔材料制备方法及力学性能

Al-BMGs are a material with special microstructures and peculiar properties. It is one of the most challenging subjects in the amorphous alloy area to study relevant processing theories and technologies for developing large-dimentional Al-BMGs with strong glass-forming abilities and prospective applications. The proposal suggests two powder metallurgy routes for fabricating Al-BMGs including powder consolidation and powder foaming to overcome the difficulties in traditional rapid quenching process. The following studies are proposed: obtaining fundamentals and methods to increase the glass-forming ability of Al based amorphous alloy powders through analyzing the localized microstructures and glass-forming mechanisms; disclosing the consolidation behaviors of the powders and the formation mechanisms of amorphous structure in the supercooling liquid phase zone under high pressure and in vacuum through high pressure/vacuum sintering experiments to get the processing fundamental; obtaining Al based amorphous alloy foams with controllable and stable structures through analyzing the evolution of bubbles and mechanisms of amorphous structure formation in the supercooling liquid; understanding the physical mechanisms of mechanical behaviors of Al-BMGs and Al based amorphous alloy foams through investigating the mechanical properties as well as the related microstructures.

Al-BMGs是一种结构特殊、性能优异的材料。发展具有强玻璃形成能力和实际应用价值的大尺寸Al-BMGs材料，研究相关的制备科学与技术，是本领域最具挑战性的课题之一。本申请针对传统快凝技术存在的困难，提出特殊粉末冶金固结和粉末发泡这两种新方法。通过对Al基非晶合金局域结构和非晶形成机制的深入研究，掌握高玻璃形成能力合金的设计原理和方法；通过真空高压烧结试验，揭示在高压及真空环境下Al基非晶合金粉末在过冷液相区内的固结行为及非晶形成机制，获得制备Al-BMGs的工艺基础；通过对Al基非晶合金过冷液体中气泡演化、非晶形成规律及机制的系统分析，获得孔结构可控、非晶组织稳定的Al基非晶泡沫材料；通过对Al-BMGs及Al基非晶泡沫材料力学性能的研究以及对微、细观组织的观察，认识材料力学行为的物理机制。

Al基金属玻璃及其多孔结构是具有特殊结构和优异性能的新材料。但是，由于Al基合金非晶形成能力很弱，采用传统的快凝技术或发泡法很难获得大尺寸块体或多孔材料。针对这一问题，本项目拟首先通过机械合金化的方法，获得玻璃转变温度高、非晶组织稳定性好的Al基非晶合金粉末，然后通过特殊的粉末冶金固结和发泡工艺，制备出结构可控、力学性能突出的Al基非晶合金多孔材料。围绕这一目标，本项目对Al-Ni-La、Al-Ni-Ti-Zr-X（X=Nb, Y）和Al-Fe-V-X（X=Zr, Nb, Ni）等三种体系共7种合金的非晶形成过程、非晶特性、稳定性及其机制等进行了对比研究。结果表明，通过一定时间的球磨，这些合金体系均可形成全非晶组织，且形成非晶的机制基本相同，即首先形成金属间化合物及/或形成Al基固溶体，然后逐渐非晶化。在所研究的合金体系中，Al72Ni8Ti8Zr6Nb3Y3合金组成元素最多，元素间原子半径差最大，形成完全非晶所需的时间最长。但是，该合金的玻璃转变温度最高，在升温速率为15K/min时，其玻璃转变温度达660K，初始晶化温度达767K，晶化峰温度达807K，过冷液相区宽度达107K，热稳定性明显优于其它合金系。以该非晶合金粉末为原料，采用高压真空烧结法对块体材料的制备工艺进行了研究。结果表明，当压力为2GPa、烧结温度为673K、保温时间为5min时，可制备出尺寸达102mm的全非晶块体材料，其显微硬度达到HV900-1200，高于其它所有已报道的研究结果。此外，当施加载荷200g时，压痕四周未出现脆性材料特有的辐射状裂纹，表明该块体材料的塑性也比较高。.本项目有关Al基非晶合金粉末及其块体材料制备、结构与性能表征等工作已基本完成，但多孔材料制备、结构与性能表征的研究尚未完成，这是因Al基非晶合金多孔材料制备工艺上未能取得突破所致。目前，我们正在与有关Al基复合材料及特殊多孔金属的生产厂家及高校进行合作，探索制备大尺寸Al基非晶合金块体及多孔材料的新方法，力争尽快实现本项目的全部研究目标。