激光立体成形Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的晶化行为研究

《激光立体成形Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的晶化行为研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：激光立体成形Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金的晶化行为研究研究作者：张媛媛学科专业：材料加工工程指导教师：林鑫教授2017年9月CrystallizationBehaviorofZr55Cu30Al10Ni5BulkMetallicGlassbyLaserSolidFormingByZhangYuanyuanUndertheSupervisionofProfessorLinXinADissertationSubmittedtoNorthwesternPolyte

2、chnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofMaterialsProcessingEngineeringXi’anP.R.ChinaSeptember2017摘要摘要块体非晶合金因其具有晶态合金所无法比拟的优异的物理、化学及力学性能，已经在电子、化工、机械等行业得到应用，同时在航空、航天、生物材料及汽车工业等领域拥有广阔的应用前景。但是，采用传统铜模铸造法制备块体非晶合金时通常存在临界冷速和尺寸的限制，这严

3、重制约了非晶合金在实际工程领域的应用和发展。激光立体成形技术所具有的逐点离散熔覆沉积增材制造成形特征使得制备出超铸造临界尺寸限制的大块非晶合金成为可能。本文以目前研究应用较为广泛的Zr55Cu30Al10Ni5(Zr55)非晶合金为对象，研究了其在激光重熔及激光立体成形过程中熔池及热影响区的晶化行为，并从组织遗传性出发，分析了Zr55粉末初始状态在激光立体成形过程中的遗传行为及影响机制，最终在此基础上探索了Zr55大尺寸块体非晶合金的力学性能。取得的主要研究结果如下：(1)激光熔凝及激光立体成形Zr55非晶合金

4、的典型组织特征及晶化行为指出了激光重熔和激光立体成形Zr55非晶合金的组织特征及晶化行为。熔池所具有的高冷却速率使得熔池区均为非晶态，但多个热影响区的相互叠加所产生的结构弛豫累积将导致叠加区域易出现晶化。Zr55非晶合金激光重熔5次后，热影响区开始析出类CuZr2/ZrCu枝状共晶相，其晶化程度随重熔次数增加而恶化。激光立体成形Zr55非晶合金时，通过控制单层熔覆的厚度大于热影响区的宽度，使得已沉积层经后续往复熔覆沉积时仅经受最多3次热影响区的叠加，热影响区中复杂晶化相的含量并没有随沉积层数的增加而加剧。揭示了

5、激光立体成形Zr55非晶合金熔覆沉积层的组织演化规律。熔覆层各区域所经历热历史的不同导致其组织由熔池区到热影响区依次分布非晶，非晶+类NiZr2纳米晶，非晶+类NiZr2等轴枝晶，类CuZr2/ZrCu枝状共晶+类NiZr2纳米晶，类CuZr2/ZrCu球粒状共晶+类NiZr2纳米晶。其中，类CuZr2与ZrCu共晶两相呈共生生长，共晶尺寸由热影响区顶部到底部逐渐减小；类NiZr2纳米晶的析出主要是由初始粉末氧含量较高导致熔覆沉积层易发生亚稳相析出所致。确定了Zr55非晶合金在慢速连续升温到激光快速加热下的晶化

6、行为。Zr55非晶合金经慢速加热时(30K/s)主要析出类CuZr2、NiZr2和Al2Zr3等多相纳米晶，而经快速加热时(>50K/s)的非晶合金基体上主要析出球团形类CuZr42/ZrCu共晶，激光快速加热(~10K/s)下熔池热影响区则析出球团形及球粒形类CuZr2/ZrCu共晶。基于所建立的熔覆层热影响区非晶晶化的数值模型，获得了激光快速加热非晶的晶化激活能为159.4kJ/mol，其小于慢速加热非晶的晶化激活能(294.2kJ/mol)。这表明激光快速加热可抑制相分离的发生，其晶化过程主要由已沉积层

7、非晶区类CuZr2/ZrCu共晶快淬团簇/晶核的快速生长I西北工业大学博士学位论文主导。(2)粉末尺寸及晶化状态对激光立体成形Zr55非晶合金晶化行为的影响发现了粉末尺寸对Zr55熔覆层熔池及热影响区晶化行为的影响规律。等离子旋转电极雾化法制备的Zr55粉末组织主要由非晶相及类Zr6NiAl2相组成。激光立体成形后，熔覆沉积层的熔池区主要保持非晶态。当粉末尺寸大于106m时，熔池区出现Zr6NiAl2多面体相残留。随着粉末尺寸的增大，熔池会产生较低的过热度及较短的熔池存在时间，其增强了Zr6NiAl2团簇及其

8、他局域原子团簇的遗传性，降低了已沉积层非晶区的热稳定性，最终导致熔覆沉积层热影响区的晶化加剧。当激光熔覆沉积尺寸为53-75m的粉末时，热影响区仅有微量类NiZr2晶化相析出。当激光熔覆沉积尺寸为106-150m的粉末时，热影响区出现由类Zr6NiAl2相，类CuZr2/ZrCu共晶相以及类NiZr2相组成的较宽的晶化带。明晰了粉末晶化状态对Zr55熔覆层熔池区及热影响区晶化行为的