大块非晶金属玻璃形成能力的表征与优化

作     者：HABIMANA Jean Willy（威利） 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘仲武

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：玻璃形成能力 大块非晶金属 临界冷却速率 临界尺寸 优化 铁基合金 

摘      要：金属玻璃是一种具有特殊性质的新材料，它是通过控制合金冷却过程从而避免结晶形核来获得的。然而，到目前为止，精确控制合金熔体的冷却过程非常困难，金属玻璃形成理论也不完善。人们根据一些经验准则来提高获得块体金属玻璃（BMG）的机会，但是经验准则并不能保证BMG的形成。特别是，这些经验准则对于不同的合金体系起着不同的作用。所以目前很难精确预测同时具有高玻璃形成能力（GFA）和良好材料性能的合金成分。研究GFA表征的科学工作者通过考虑金属玻璃形成的动力学行为和热力学行为，提出了不同的GFA判据。研究发现，其中一些判据与实验观察到的结果存在明显偏差。因此，认识和了解GFA判据并运用这些判据来预测不同合金系的GFA十分重要，特别是对于那些具有高的或低的GFA的合金体系。本论文的目的是通过评价几种典型的GFA参数，获得最简单、可靠的GFA判据，研究Fe基合金中产生不寻常GFA的原因，同时利用理论计算和试验研究相结合，针对一类具体的硬磁Nd-Y-Fe-B-M合金，在保证高性能的同时优化其玻璃形成能力。本文首先通过基于合金特征温度的GFA判据与GFA之间的相互关系来详细分析它们的准确性。这些判据包括β, θ, γ, γm, γc和ω，而描述GFA的主要目标参数包括临界冷却速率（Rc）和临界尺寸（Zmax），其中Rc是最准确的GFA测量方法，而Zmax是应用最多的参数。本文分析研究了九种不同的合金体系的Rc-GFA判据和Zmax-GFA判据相互关系，获得了不同判据用于预测GFA的可靠性。其次，本文通过热分析法和组成元素的物理性质计算来获得定义结晶过程动力学和热力学行为的参数，研究了铁基合金的GFA及玻璃形成机制。最后，针对特定的Nd-Y-Fe-B-M硬磁合金，本文采用Rc目标函数进行GFA非线性优化，获得了既具有高性能又具有高GFA的合金成分。 研究发现，在几种主要的判据中，β判据存在缺点，而θ, γ, γm, γc和ω判据展现与Rc或Zmax几乎相同的相关度，并且当数据发生变化时仍然展现相同的相关稳定性。不过当选用Zmax作为GFA测量方法则得到较小的R2值。此外，GFA判据-Zmax之间的相关度分布主要依赖于所研究的合金系。对于某些合金系，这种相关度完全是随机分布的，意味着用实验获得的非晶棒材的最大临界尺寸所定义的特征温度基判据来预测包括铁、锆基在内的某些合金系的GFA仍然存在问题。 对于铁基合金，通过动力学和热力学参数估算所得的Rc与文献中提及的实验测量值Rc非常吻合。同时也发现，在铁基合金中，具有高熔化焓ΔHm的合金成分可以在没有高过冷度的条件下获得金属玻璃。高玻璃形成能力合金系中观察到的大的β参数（Turnbul理论的参数）和高的ΔHm值表明，这类合金系的玻璃形成过程主要由抑制形核长大所控制。 通过对硬磁合金FeMoYBNd和FeNbYBNd的GFA非线性优化，获得了具有高GFA的合金成分。优化结果与现有的实验结果一致。研究发现，具有提高合金GFA能力的元素（如Y）在替代Fe时对合金系的影响结果由合金的其他组成元素决定。添加元素也有可能会对合金GFA产生负面作用。对于给定B、Nd含量的Fe-Mo-Y-B-Nd和Fe-Nb-Y-B-Nd合金系，Y元素有一个优化合金GFA的最佳值。为了在2-6%范围内寻找Y元素的最佳值，Fe-Mo-Y-B-Nd和Fe-Nb-Y-B-Nd合金系中B/Nd的比率分别假定在21.5%/6.5%和22.2%/5.8%（Fe+Mo或者Fe+Nb的含量固定在68%）。同时发现，在高稀土Nd含量的成分中，相对于Fe-Mo-Y-B-Nd合金系，Fe-Nb-Y-B-Nd合金系更有可能获得具有良好GFA的成分。 最后，论文通过实验研究部分证实了理论分析结果。选取理论模型预测的既具有高的磁性能又具有高的GFA的4种合金成分，通过快速凝固技术（包括熔体快淬和喷铸）制备了Fe-Mo-Y-B-Nd合金。XRD分析表明，实验成功地获得了直径2.3mm的大块金属玻璃非晶棒材。结果显示，理论模型可以很好地预测合金系的玻璃形成能力。通过后续热处理工艺优化，有望在这些高稀土含量的块体材料中获得高的硬磁性能。论文工作为纳米复合稀土永磁的成分设计和直接铸造制备提供了新的思路。