块体Ti-Al基非晶_纳米晶合金的SPS制备技术及其性能分析

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1、分类号：TB34密级：UDC：620编号：201431804036河北工业大学硕士学位论文块体Ti-Al基非晶/纳米晶合金的SPS制备技术及其性能分析论文作者：许超群学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：材料工程指导教师：李强职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringTHEPREPARATIONANDRESEARCHOFBULKTi-AlBASEDA

2、MORPHOUS/NANOCRYSTALLINEALLOYBYSPSTECHNOLOGYbyXuChaoqunSupervisor:Prof.LiQiangMay2017摘要块体Ti-Al基非晶合金具有强度高、质量轻、优异的耐蚀性和良好的抗高温蠕变性能，在航空航天、新能源汽车、电子器件及生物医学领域展现出广阔的应用前景。由于传统技术制备的非晶合金玻璃形成能力较低，室温塑性较差，严重阻碍了其在工业生产中的应用。因此，如何制备性能优异的大块Ti-Al基非晶/纳米晶复合材料是解决问题的关键。本文将机械合金化(M

3、A)与放电等离子烧结技术(SPS)相结合，研究制备新型的大块非晶/纳米晶复合材料。首先，以Ti50Al45B5为研究对象，制备Ti-Al基三元非晶合金，以确定最佳的工艺参数。采用机械合金化法制备Ti-Al基非晶粉末，研究球磨工艺对非晶形成能力的影响。分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、EDAX能谱分析、差示扫描量热法(DSC)、透射电子显微镜(TEM)等表征技术，分析球磨粉末的相组成、微观形貌、热稳定性等。将球磨后的非晶粉末进行放电等离子烧结，烧结块体尺寸为Φ20×5mm的圆柱形试样

4、。随后测试烧结块体的力学性能，根据阿基米德排水法测量块体密度，并计算致密度。测试块体的维氏硬度、压缩强度、三点弯曲强度等，并采用XRD、SEM和TEM测试技术研究块体的物相结构、断口形貌及微观组织等，给出制备三元非晶/纳米晶合金的最佳工艺规律。然后，采用元素替代法在三元非晶合金基础上添加W、Si、V元素制备四元非晶合金，研究不同元素对非晶粉末热稳定性及非晶形成能力的影响，分析合金元素对烧结块体强度、硬度及致密度的影响，确定最佳的设计成分。将性能最优异的合金成分进行退火处理，消除烧结块体的残余应力，提高纳米

5、相含量，改善非晶合金的力学性能。结果表明，球磨时长为45h，转速为350r/min时非晶粉末效果最理想，在等离子烧结时，烧结温度在玻璃转变点以上10K，保温5min，非晶块体力学性能最好。W、Si、V元素的添加均能提高粉末合金的玻璃转变温度，增大过冷液相区，改善合金的非晶形成能力。Si元素的添加更有利于改善合金的力学性能，Ti50Al45B4Si合金粉末在SPS烧结后能够得到非晶/纳米晶的复合材料，由于纳米晶相的存在，对合金产生强化作用并阻碍变形时剪切带的扩展，从而使其强度、硬度得到显著提高。实验测得的T

6、i50Al45B4Si最大维氏硬度和断裂强度分别为1175和1347MPa。在500K退火后的Ti50Al45B4Si非晶合金，室温强度、硬度和塑性较退火前有明显改善，但I失效方式仍然是脆性断裂。关键字：机械合金化SPS烧结Ti-Al基非晶/纳米晶合金元素替代法退火处理IIABSTRACTTi-Albasedbulkamorphousalloyshowsabroadapplicationprospectinaerospace,newenergyvehicles,electronicsandbiomedic

7、alfieldswithitshighstrength,lightweight,excellentwearandcorrosionresistanceandgoodresistancetohightemperaturecreepproperties.Theglassformingabilityofamorphousalloypreparedbyconventionaltechnologyislow,andtheplasticityispoor,andreducesitsapplicationinindus

8、trialproduction.Therefore,ItisthekeytosolvetheproblemhowtoprepareaTi-Albasedbulkamorphous/nanocrystallinecompositematerialwithexcellentperformance.Inthispaper,anovelbulkamorphous/nanocrystallinecompositewaspreparedb