東北大學研究出製備具有良好塑性的大型非晶合金板材的有效方法

2020-09-03 特鑄雜誌


非晶態合金具有多種獨特的力學性能，如高彈性極限（2%）、高強度和高硬度，作為結構材料具有重要的應用前景。然而，非晶合金產品尺寸和形狀的限制以及非晶合金缺乏塑性，阻礙了其廣泛應用，同時目前還沒有成熟的工藝來連續生產非晶態合金的板材或板材產品。而雙輥薄帶連鑄技術是製造合金板材產品的有效方法，廣泛應用於鎂基和鋁基合金板材的製造，其具有冷卻速度快、流變速度快、壓力可控等特點，是製備高塑性非晶合金的有效方法。然而在生產非晶合金板材方面，雙輥薄帶連鑄仍然是一項不成熟的技術，目前文獻中尚未出現關於雙輥鑄軋純非晶合金板材力學性能的報導。

在此背景下，東北大學袁國教授課題組對雙輥鑄軋非晶合金板的製備方法進行了改進，並於《Materials Science & Engineering》期刊上發表了一篇題為「Zr55Cu30Al10Ni5 Amorphous Alloy Sheets with Large Plasticity Fabricated by Twin-Roll Strip Casting」的論文，採用立式雙輥薄帶連鑄工藝連續製備，得到了大面積純非晶合金板。在高軋制力下製備的非晶合金板具有高能量狀態和良好的塑性，為製備具有良好機械性能的非晶合金板提供了指導。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139904

文中對比了在40和120 kN軋制力下製備的Zr55Cu30Al10Ni5合金板，分別稱為「S1」和「S2」。由於較低的出口溫度抑制了S2板材的表面氧化，從而賦予其更高的強度，S2板材相較於S1具有更好的表面質量。


圖1 雙輥薄帶連鑄工藝示意圖和用雙輥薄帶連鑄製備的合金板照片


從各種方法得到的數據證實S1和S2是純非晶合金。亮場TEM圖像顯示S1和S2樣品的微觀結構不同，推斷S2中觀察到的組織不均勻性很可能是在高壓和高流變率下的雙輥薄帶連鑄過程中引入的，從而提出一個具有挑戰性的課題——非晶合金非均勻結構的形成機理。

DSC分析結果表明， S2的自由體積含量大於S1，這是由於S1較高的出口溫度下自由體積的部分湮滅。因此，在雙輥鑄軋過程中增加軋制力可以降低非晶合金板的出口溫度，有利於獲得高自由體積含量的非晶合金板。

圖2合金薄板的光學顯微照片（a,b）、帶有插入SAED圖案的TEM顯微照片(c,e)、HRTEM圖像(d,f)、XRD圖案(g)和DSC曲線（h, 400-750K）


拉伸試驗中，隨著拉應力的增加，S1和S2與大多數非晶合金一樣，在破壞前沒有明顯的塑性變形，表現出約2%的彈性應變極限。相比之下，S1和S2在壓縮試驗中表現出明顯的塑性變形。尤其是樣品S2，在壓縮過程中的工程應變超過62%，這大大超過了先前報告的2–5%。與S1相比，S2硬度較低，塑性變形較大，這意味著非晶態結構中的自由體積含量較高，此觀察結果與DSC分析結果吻合。



圖3拉伸(a)、壓縮(b)、三點彎曲(c)應力-應變曲線


SEM結果表明，S2表現出比S1更大的塑性，S2中的不均勻結構阻礙了剪切帶的線性傳播，促進了剪切帶的大量萌發。這一觀察結果表明納米尺度的結構不均勻性有助於剪切帶的多重形核，並促進剪切帶的分支和交叉，從而增強加工硬化和塑性。

三點彎曲應力-應變曲線顯示，S2表現出更好的彎曲變形能力，SEM顯微照片也顯示其側面出現了許多剪切帶。由於S2剪切帶間距與試樣厚度之比遠小於非晶合金板彎曲試樣的剪切帶間距隨板厚線性變化的平均值，說明S2具有良好的彎曲變形能力。


圖4拉伸斷口試樣S1(a-b）、S2(c-e）和壓縮試樣S1(f)、S2(g-h)以及彎曲測試樣S1(i)、S2(j)的SEM圖像


綜上所述，雙輥薄帶連鑄在高軋制力下製備的非晶合金板材具有高能量狀態、高自由體積含量和組織不均勻性。由於組織特徵決定了非晶合金的塑性，同時由於多個剪切帶的均勻形成對提高非晶合金的塑性至關重要，因此可以認為S2良好的塑性來自於雙輥鑄軋獲得的非均勻組織。文末，作者期望該研究結果對非晶合金中非均勻結構形成機理的研究具有一定的參考價值，並為超塑性非晶合金的製備提供新的思路。

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