兩步合金化策略實(shí)現(xiàn)鈦基塊體非晶合金中的超高比強(qiáng)度和非晶形成能力提升

發(fā)布日期:2024-11-20 瀏覽次數(shù):
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鈦基塊體非晶合金因其高比強(qiáng)度而廣受關(guān)注。然而,比強(qiáng)度和非晶形成能力之間的沖突限制了鈦基塊體非晶合金的實(shí)際應(yīng)用。通常,Cu、Ni、Co、Ag等重元素的加入有利于鈦基非晶合金形成能力的提升,但顯著的密度提升會(huì)損害合金的比強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)?;诖?,清華大學(xué)材料學(xué)院的姚可夫教授課題組采用一種兩步合金化策略成功制備了具有超高比強(qiáng)度的厘米級(jí)鈦基非晶合金。通過(guò)在Ti-Zr-Be三元系中依次加入Al和Fe元素進(jìn)行合金化,Al和Fe的兩步強(qiáng)化效果有效抵消了Fe合金化帶來(lái)的密度提升效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)了鈦基非晶合金比強(qiáng)度的突破。相關(guān)研究成果以“Achieving ultrahigh specific strength and enhanced GFA in Ti-based bulk metallic glasses via a two-step alloying strategy”為題在Rare Metals上發(fā)表。
研究人員研究設(shè)計(jì)了一種兩步合金化策略,有效抑制了為提升非晶形成能力而添加的重元素所帶來(lái)的顯著密度提升效應(yīng)?;赥i-Zr-Be三元非晶合金,通過(guò)依次添加Al和Fe元素進(jìn)行兩步合金化,實(shí)現(xiàn)了比強(qiáng)度和非晶形成能力的同時(shí)提升。由此,制備得到了一系列具有超高比強(qiáng)度的厘米級(jí)鈦基非晶合金。Al和Fe元素都能起到強(qiáng)化作用,然而,Al元素基本不引起密度的增加,而Fe的加入使合金密度顯著增大。用Al和Fe合金化產(chǎn)生的兩步強(qiáng)化效果去抵消Fe的加入引起的密度增大,從而使得合金的比強(qiáng)度顯著提升。同時(shí),第二步合金化選擇電負(fù)性較大的Fe元素,有效增大了體系的等效電負(fù)性差,提升了合金的非晶形成能力。其中,新開(kāi)發(fā)的(Ti45Zr20Be31Al4)94Fe6非晶合金創(chuàng)造了鈦基非晶合金比強(qiáng)度的新紀(jì)錄。通過(guò)兩步合金化制備了Ti-Zr-Be-Al-Fe非晶合金體系,該體系具有超高的比強(qiáng)度和較強(qiáng)的非晶形成能力。其中,TY6合金的比強(qiáng)度達(dá)到了4.65×105N·m·kg-1,為鈦基非晶合金之最,將紀(jì)錄值提高了3.1%。同時(shí),TY6合金的臨界尺寸達(dá)到10mm,實(shí)現(xiàn)了鈦基非晶合金比強(qiáng)度和非晶形成能力的最佳平衡。本研究的成果進(jìn)一步拓寬了鈦基非晶合金作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用前景。
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