铝基非晶块体材料的制备科学

高比强Al基非晶块体材料是目前非平衡材料领域的重要研究方向之一，开展非晶块体材料形成、纳米Al复合非晶结构控制及强韧化机理研究，对于推动非晶态结构高强度合金作为新一代承载结构材料的应用具有重要意义。. 以铝-过渡族金属-稀土这一非晶合金形成体系为基础，通过原子团簇耦合模型的优化以及化学相互作用的约束，模铸出临界尺度3 mm以上的初晶晶化型Al基非晶块体材料。利用电极感应熔化气体雾化新技术获得洁净低氧含量的非晶粉体材料，通过热致密化成形技术制备出大尺寸、具有明显拉伸塑性的高强Al基纳米/非晶复合块体材料。研究Al基非晶的拓扑结构特性及与非晶形成能力的关联性。分析合金初生纳米Al相形成与演化特征、非晶基体溶质组元分布及纳米复相界面特性。评价热致密化过程中纳米Al复合非晶结构的稳定性及其影响因素，使块体材料的制备在热致密化温区实现纳米复相结构的控制。揭示微结构与材料力性间关系及强韧化机理。

非晶态铝合金以高比强度、高韧性以及耐腐蚀和耐磨损等优异性能与低廉的成本引起材料科学家的广泛关注。但限制铝基非晶态合金应用的关键因素是其玻璃形成能力较差，而铝基金属玻璃的结构特性决定玻璃形成能力。因此，开展非晶块体材料形成、纳米Al非晶复合结构控制及强韧化机理研究，对于推动非晶态结构高强度合金作为新一代承载结构材料的应用具有重要意义。.本项目以铝-过渡族金属-稀土金属元素这一非晶合金形成体系为基础，系统研究了铝基金属玻璃合金设计、块体制备及性能评价中的关键科学问题，主要研究结果如下。（1）在金属玻璃结构特性与成分设计方面，基于原子密堆模型及电化学势均衡原理建立了Al基金属玻璃有效原子化学耦合模型和二十面体超团簇中程有序模型，通过电子结构微合金化设计出最强玻璃形成能力的铝基五元合金成分。（2）在铝基块体非晶材料制备方面，通过对Al基非晶合金的雾化粉末结构形成特性及热致密化过程变形规律的理解，制备出大尺寸、高致密度的铝基非晶复合棒材；通过非晶合金临界冷却速率的计算、模铸过程的实时监控以及熔体处理新技术的运用，实现了模铸Al基完全非晶结构样品尺寸的新突破。（3）在铝基非晶性能研究方面，通过对其剪切塑性变形的认识，通过控制非晶晶化相析出的类型与尺度，获得了兼具良好塑性与超高强度的铝基复合材料；提出了压痕法评价金属玻璃的断裂韧性，在多个块体金属玻璃体系中得到了验证。