锆基金属玻璃复合材料中氧元素杂质偏聚行为及其固溶强化机制研究

The negative effect of oxygen impurities on the glass-forming ability is the critical problem for preparing bulk metallic glasses (BMG) under low vacuum condition critical using industrial raw materials. Based on the oxygen segregation in Zr-BMG alloys, we has developed the low-cost and high-tough BMG composites. In this proposal, we will systematic study the status and distribution of oxygen in the BMG composites, and the effect of oxygen content and alloy compositions on the structure of primary phase. The thermodynamic and kinetics of the oxygen segregation will also be analysed. The effects of oxygen content on the elastic modulus and work hardening factor of the primary phase will be investigated to reveal the nature relations between the microscopic mechanical properties and macroscopic mechanical properties of BMG composites. The the formation, expansion and interaction of the slip bands and shear bands will be observed, micromechanical model of BMG composites will be found based on the finite element method analysis. We will further develop the solid solution strengthening and toughening mechanisms of the BMG composites, and then propsoe a new theory to guide the preparation of low-cost and high-toughness BMG composites.

氧元素杂质对玻璃形成能力的不利影响是制约低真空条件下采用工业纯原料制备块体金属玻璃(BMG)的关键问题。基于申请人前期研究“Zr-BMG合金中氧元素的偏聚效应并开发出低成本、高强韧的BMG复合材料”的工作基础。本项目将进一步研究氧在BMG复合材料中的存在状态及分布规律，探讨氧含量、合金成分对先析出相结构的影响，分析氧偏聚的热力学条件及动力学过程；揭示氧含量对先析出相的弹性模量、加工硬化因子等微观力学特性的影响及机理，阐明先析出相微观力学特性与BMG复合材料宏观力学性能的内在联系及本质关系；探索拉伸应力下BMG复合材料中滑移带、剪切带的形、扩展、交互作用及失效机理，利用有限元方法对BMG复合材料的固溶强韧化机制进行理论计算分析，构建复合材料韧化的细观力学模型，为制备低成本、高强韧的BMG合金提供理论依据。

基于氧元素降低玻璃形成能力的认识，块体金属玻璃(BMG)一直是采用高纯原材料、高真空条件制备的，成本极高，严重制约了规模化生产应用。本项目系统研究了氧含量对Zr-BMG合金玻璃形成能力的影响规律及其在BMG合金中的存在形式和分布规律。研究发现氧在Zr-BMGs中既不生成氧化物，也不固溶于玻璃基体中，而是促进与氧具有较强结合力及固溶度的晶体相析出，并偏聚于这些析出的晶体相中：如在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5合金中，氧促进了Zr3NiO析出，并偏聚于Zr3NiO中；在Zr48.7Ti16.3Cu9.7Ni7.8Be17.5合金中，氧促进了Zr固溶体相析出，并偏聚于Zr固溶体相中。而且这些析出的富氧晶体相并不诱发大规模的异质形核，剩余合金熔体仍保持强的玻璃形成能力而形成非晶基体。基于此，本项目提出了“氧偏聚固溶强韧化”BMG复合材料新思路，即利用氧与β-Zr具有较大亲和力及固溶度的特点，使氧偏聚于先析出的β-Zr中产生固溶强化，从而开辟了低纯原料、低真空条件制备高强高韧Zr-BMG复合材料的新途径。采用工业纯原料和工业真空系统制备的β-Zr/BMG复合材料的拉伸屈服强度和塑性分别为1220MPa和6.7%，在大幅度降低成本的同时，比采用高纯原料高真空条件制备的β-Zr/BMG复合材料分别提高13%和8%。项目成果有望推动Zr-BMG复合材料工业化生产和工程化应用。