高压变形条件下块体非晶合金与晶态合金的连接及表面改性

Metallic glasses are a new family of metallic alloys with long-range disorder structure,with no cryatal defects such as grain boundaries or dislocations. Therefore,metallic glass bear better mechanical and magnetic properties compared to their crystalline counterparts. with a moederate density,bulk metallic glass can be used as candidate material for aerospace applications. Due to their high hardness and wear resistance, once used as a driving component material which work under frequently wearing condition,the superior work performance and the long working life will be of benefical for the whole atcive space mechanism. in order to break through the critical size limit that hindering the applications of bulk metallic glass,bonding metallic glass to crystalline alloys are adopted.The bonding was mostly conducted in the temperature range of the supercooled liquid zone,which was not convienient to operate. it is found in our study that under certain pressure and deforming strains, atomic bonding between metallic glass and crystalline alloy can be achieved at room temperature. Moreover, due to the diffusion of the atoms into the glassy matrix,the hardness of the metallic glass was futher increased.In this proprosal, high pressure torsion, friction welding and high pressure annealing experiment will be used to study the interface,mechanical properties, and atom diffusion problems involed in the bonding between metallic glass and crystalline alloys,which will facilitate the application of metallic glass in aerospace.

非晶合金具有长程无序的微观结构，合金中不存在晶界、位错等缺陷。因而具有比同类晶态材料优异的力学、磁性等性能。块状非晶合金的密度适中，可以作为航天器备选材料。非晶合金具有高硬度和高耐磨性，如果用作轴承、齿轮等频繁摩擦磨损的传动件，将显著提高传动件的服役性能和使用寿命从而显著提高航天器机构的可靠性和寿命。为了克服非晶合金临界的尺寸对应用的限制，一般将非晶合金与晶态材料进行连接，由非晶合金零件承担工作载荷。以往非晶合金与晶态材料的连接的研究多限于过冷液相温度区间，操控困难。最近我们发现，在一定的压力和变形条件下，非晶合金与晶态材料可在室温下实现原子尺度的连接。另外，由于外来原子向非晶基体内的扩散，导致非晶合金表面的硬度进一步提高。本研究拟利用高压扭转、摩擦焊、高压热处理等手段，研究块状非晶合金与晶态材料连接过程连接界面、力学性能、原子扩散等方面的科学问题，拓宽块状非晶合金在航天领域的应用

本项目以改善非晶合金与晶态合金的连接，促进非晶合金的应用为主要目标，选取Vit1（Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5）及Fe-Si-B基非晶合金与7075铝合金、TC4钛合金等晶态合金为主要材料，以压力、变形量为主要因素，利用摩擦焊、高压扭转、热处理等方法研究了合金间的连接。研究了不同条件下合金的连接界面、合金组织、力学性能等内容。.非晶合金与晶态合金的连接主要通过两种不同状态。第一，适当温度下过冷液相与软化晶态材料。通过参数的优化，本项目利用摩擦焊首次实现了Vit1与7075铝合金的连接。第二，一定条件下晶态合金与非晶合金在室温及非晶合金玻璃转变温区之间的连接。利用高压结合变形，高塑性的铝合金与FeSiB非晶合金的连接界面可观测到冶金结合，其界面处力学性能优于非晶合金及晶态材料的母材。.航空航天领域应用的大部分合金如7075铝合金、TC4钛合金等，强度与Vit1合金有明显的差距，不利于发挥Vit1力学性能方面的优势。高压扭转连接研究中，由于强度上的差距，进行高压扭转连接的压力也受到限制。因此本项目进行了针对性的合金研发工作。合金体系的选择一方面要考虑其成分与Vit1合金的相容性，另一方面要获得较高的强度。本项目选择钛作为合金主要组元，铁为主要合金化元素，在Ti-Fe-C、Ti-Fe-Nb-C、Ti-Fe-Cu-C、Ti-Ni-Fe-C、Ti-Fe-Al-C-Si、Ti-V-Fe-Al、Ti-Al-V-Fe等合金中进行了组织及性能的研究。在上述合金体系中开发出具有超高压缩屈服强度的合金如Ti-Ni-Fe和Ti-Ni-Fe-C,压缩屈服强度分别为1844和1800MPa，压缩应变分别为10.5和12.8%；兼具高压缩屈服强度及高压缩应变的合金TiNbFeC，压缩屈服强度为1900MPa，压缩应变为17.6%；以及拉伸应变大于40%的Ti-Zr-V-Fe-Al合金。.高压扭转条件下非晶合金与晶态合金间未能获得牢固的连接。现有条件下两种材料之间相互扩散达不到连接所需的程度,攻关研究正在继续开展。