Al对CuZr非晶原子结构影响研究文献综述

 2021-09-27 00:08:32

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文 献 综 述

1. 非晶合金简介

1.1 非晶合金概述及发展历史[1]

非晶态合金即金属玻璃，固态时具有短程有序、长程无序的特征，是一种亚稳态结构，其原子在三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围保持这种状态相对稳定。金属玻璃作为一种新型材料，不仅具有极高的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，而且还表现出优良的软磁性和超导性，在电子、机械以及化工等领域得到了广泛应用。德国物理学家Kramer[2]在1934年首次利用热蒸发法制备出非晶态合金。1959年，Cohen和Turnbu[3]根据自由体积模型作出预言，假如冷到足够程度，即使最简单结构的液体也可以通过玻璃化转变。1960年，Duwez[4]等首先采用喷枪法在Au-Si合金中获得非晶态合金，从而开创了材料研究的新领域。1971-1973年Chen和Gilman[5]等采用快冷连铸轧辊法，以1830 m/min的高速制成多种非晶合金薄带和细丝，并正式命名为金属玻璃以商品出售，在世界上引起很大的反响。1984年Kui和Turnbull等人通过B2O3溶剂包裹方法获得尺寸接近10 mm的大块Pd-Ni-P非晶合金[6]。在90年代初，日本东北大学的Masumoto和Inoue等人发现了具有极低临界冷却速率的多元合金体系，这些合金包括Ln-TM-Ln，Ln-Al-TM，Zr-Al-TM，Hf-Al-TM，Ti-Zr-TM等系列[7]。1993年Johnson等人发现了具有临界冷却速率低达1 K/s的Zr基大块非晶合金[8]。

1.2 铜基合金的概述及发展历史

Cu基大块非晶合金[9]的主要优点是价格更便宜、强度更高、延展性更好、其拉伸断裂强度范围约为2000-2500Mpa，延伸率达到2 %以上，具有高的非晶形成能力及较好的机械性能，有望发展成为一种新型的结构材料。1995年成功研制出Cu47Zr11Ti34Ni8Cu基大块非晶。正是由于Cu基块状非晶合金具有较强的玻璃形成能力、成本较低及优异的力学性能，Cu基块状非晶有可能作为一种新型的结构材料，被越来越多人关注，在一些如工业、军工、体育器材、航天、电子(如集成电路引线框架等)等领域有较广的应用前景。因此，许多科研工作者致力于研究具有高的非晶形成能力的Cu基大块非晶合金。近年来，在全世界形成了一股Cu基非晶合金的研究热潮，并且取得了相当多的成果。

目前，Cu 基非晶合金主要有Cu2Zr2Ti，Cu2Hf2Ti，Cu2Zr2Ti2Y，Cu2Zr2Hf2Ti，Cu2Zr2Ti2Be，Cu2Zr2Ti2(Nb,Ta)和Cu2Zr2Al等几个基本合金系。Cu基非晶的形成能力较强，较易得到块体非晶。人们已研究出多种制备Cu基块体非晶的方法，如水冷铜模法、超音雾化法、流动水法等等。

目前，非晶材料研究的应用范围不是很广。随着对新型Cu基块体非晶合金的不断研究、制备技术的不断改进，以及对与大块非晶合金应用紧密相关的力学、热学、磁学等性能的深入了解，Cu基块体非晶合金这种新型亚稳材料必将得到更为广泛的应用。但目前对大块金属玻璃形成能力的本质认识还不足，成分设计仍处于半经验阶段，其结构、性能和应用方面也有待于进一步研究。Cu基大块非晶具有成本较低、形成较易等特点，但其中仍有很多障碍需要克服，如何找到最优的成分配比及与其相匹配的实验方法使我们研究的重点。因此，今后需要继续研究Cu基大块非晶合金[10]的玻璃形成能力、转变机理、形成规律和相变过程，建立能够预测大块非晶的形成能力和大块非晶成分设计的理论依据，开发新的非晶制备工艺，降低制备成本，研制出高形成能力的大尺寸的Cu基大块非晶合金，对于推动Cu 基大块非晶合金的发展，使之作为未来的高强度结构材料具有重要意义。

1.3 CuZrAl三元合金的发展历史

2004年，Cu基BMG合金的研究取得了重要进展，Tang[11]报道了在Cu-Zr二元合金系中获得了直径为2mm的BMG合金，使BMG合金首次从多元系扩展到二元系。大量实验研究发现，Al的添加可以增大玻璃形成能力，Inoue等[12]开发出了临界尺寸为3mm的Cu50Zr 45Al5合金，2005年，Das等[13]发现了具有加工硬化行为的Cu47.5Zr47.5Al 5BMG合金，他们制备的直径2mm的样品室温压缩屈服强度和断裂强度分别达到1547 MPa和2265MPa，屈服变形和断裂变形分别达到2.0%和18.0%。2006年，Lee等人[14]发现Cu50Zr43Al7非晶合金在压缩变形过程中析出2nm大小的纳米相，这种纳米相促进了合金的塑性。2008年Jiang等人[15]开发出临界尺寸为5mm的Cu46Zr46Al8合金。

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