高锆含量锆基块体非晶合金及其复合材料的形成与力学性能

Zr-based bulk metallic glasses (BMGs) are promising to become a new type of structural and functional materials due to their high glass-forming ability (GFA) and excellent properties. Lack of plasticity at room temperature, however, restricts their practical applications. In light of the current studies on the Zr-based BMGs and applicants' previous work, this project focuses on the formation and mechanical properties of Zr-based Zr-Ni-Al-TM BMGs with Zr content over 70 at.%, where TM represents the alloyed transition metals. In this project, the formation rule and mechanical properties of BMGs with high Zr content will be clarified. The correlation between Zr content and plasticity will be established and the mechanism of enhanced plasticity of BMGs with high Zr content will be revealed according to the free volume model. Furthermore, the effect of BMG microstructure (e.g.: short-range-order, free volume) formed in the large size atom (Zr atom) solvent on the GFA and mechanical properties will be discussed. In addition, the formation, morphology, and mechanical properties of bulk metallic-glass matrix composites (BMGCs) with high Zr content containing in-situ formed β-Zr-type phase will be studied. This project is aimed to develop BMGs and BMGCs with high strength and good plasticity, which makes contribute to break the bottleneck of plasticity limit of BMGs and expand their application fields.

锆基块体非晶合金通常具有大的非晶形成能力和优异的性能，有望成为新型的结构材料或功能材料，然而室温下较差的塑性限制了其实际应用。本项目结合锆基非晶合金的研究现状及申请人前期工作，选取Zr-Ni-Al三元系为基础合金系，并以相似组元替代的方式加入其他合金化元素，着眼于高锆含量（Zr≥70at.%）块体非晶合金的形成与力学性能。明确高Zr块体非晶合金的成分规律和力学性能特点；建立Zr含量与块体非晶合金塑性的关联，依据自由体积模型，揭示高Zr含量对提高非晶合金塑性的作用机理；探讨大原子溶剂环境下（即高Zr环境下）非晶内部微结构对非晶形成能力和力学性能的影响。此外，本项目尝试探索高Zr含量的原位析出β-Zr相的非晶基复合材料的形成、组织与力学性能特点。本项目拟发展具有高强度、大塑性的块体非晶合金及其复合材料，为突破块体非晶合金的塑性瓶颈，拓展块体非晶合金的应用领域奠定基础，具有重要科学意义。

锆基块体非晶合金因其具有大的非晶形成能力、高的强度和良好的耐蚀耐磨性，现已作为一种新型的结构材料应用于通讯设备制造等行业，但有效提高其室温塑性仍是人们急需解决的问题。本项目以高锆含量（Zr≥70at.%）的Zr-Ni-Al三元合金为基础，通过相似组元替代的方式加入Nb、Ta、Ti、Cu等合金化元素，系统调查了该系列合金的非晶形成能力、力学性能与合金成分的相关性，明确了高Zr含量非晶合金的形成规律和力学性能特点；建立了Zr含量与非晶合金塑性的关联。成功研制出室温塑性超过70%的Zr-Al-Ni-Cu（-Nb）系块体非晶合金。采用自由体积模型解释了合金塑性随锆含量升高而增加的机制。在此基础之上，调查了含β-Zr相的非晶基复合材料中枝晶尺寸含量与力学性能的关系。研究结果表明，尽管高的Zr含量容易形成含β-Zr枝晶的非晶基复合材料，但因合金非晶形成能力较差，枝晶的含量难以控制，无法获得比单一块体非晶合金更为优异的力学性能。最后，本项目研究了锆基非晶合金的强度、塑性、模量、泊松比及德拜温度随温度（77~293 K）的变化规律，明确了非晶合金在低温下的力学性能特征，并通过原子扩散、自由体积模型阐明了低温下非晶合金的强度和塑性均显著提高的机理。本项目从微结构方面为发展大塑性非晶合金提供了指导，突破了块体非晶合金的塑性瓶颈，拓展了块体非晶合金的应用领域。