【正文】 ............................................... 10 非晶合金的制備方法 ........................................................................................... 11 非晶合金的導(dǎo)熱性能研究及非晶合金的運用 ................................................... 11 2 研究的主要內(nèi)容及實驗方法 ........................................................ 14 實驗方向 ............................................................................................................... 14 實驗設(shè)備及測試儀器 ........................................................................................... 14 實驗方案 ............................................................................................................... 15 實驗步驟 ..................................................................................................... 15 試樣制備 ..................................................................................................... 16 Xray 衍射試驗 ........................................................................................ 17 差熱分析測定玻璃轉(zhuǎn)化溫度變 ................................................................. 18 非晶合金晶化 ............................................................................................. 19 金相試樣的制備及觀察 ............................................................................. 19 合金導(dǎo)熱性能實驗 ..................................................................................... 21 3 實驗結(jié)果分析 .................................................................................. 23 非晶合金的 XRD 分析 ......................................................................................... 23 非晶合金的 DSC 分析 .......................................................................................... 23 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 非晶合金的導(dǎo)熱性能分析 ................................................................................. 26 合金導(dǎo)熱性能線型圖分析 ....................................................................... 26 合金導(dǎo)熱性能柱狀圖分析 ....................................................................... 28 Fe28Co20Cr15Mo14C15B6Y2 合金金相、 XRD 與導(dǎo)熱性能分析 ............... 32 4 結(jié)論 .................................................................................................. 35 參考文獻 ................................................................................................ 36 致謝 ........................................................................................................ 38 附錄 ........................................................................................................ 39 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 1 引言 選題的背景和意義 自然界中物質(zhì)從組成物質(zhì)的原子模型考慮，可以分為有序結(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu)兩類。晶體是典型的有序固體結(jié)構(gòu)，而液態(tài)、氣態(tài)和某些固體都屬于無序結(jié)構(gòu)。因此，固體物質(zhì)可以分為晶態(tài)固體和非晶態(tài)固體 ﹝ 1﹞ 。 非晶態(tài)合金是指由超急冷凝固，合金凝固時原子來不 及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在。也稱為玻璃態(tài)合金或非結(jié)晶合金。新型非晶合金則是在開發(fā)玻璃形成能力強的非晶合金的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的一類由等原子比多組元、高混合熵穩(wěn)定的固溶體合金，即由五種或五種以上主要元素以等摩爾比或近等摩爾比組成的高混亂度的合金。熵是熱力學(xué)上代表混亂度的一個參數(shù)，一個系統(tǒng)元素越多，混亂度越大，熵就越大 ﹝ 2﹞ 。波爾茲曼（ Boltzmann）定義： S = klnΩ，Ω為體系可以具有的排列構(gòu)型數(shù)。組態(tài)熵（ Sc）對非晶的形成與穩(wěn)定非晶重要。塊體非晶合金的成分一般 是共晶合金，而新型非晶合金是接近等原子比合金，是典型的高合金化合金，與微合金化合金相比，新型非晶合金組元數(shù)多（ n≥5，每種元素都可看為是溶質(zhì)原子；每個主元含量都不超過 35％，但也不低于 5％，因此沒有一種元素能占 50％）、含量高（每個主元含量都不低于 5％，但也不超過 35％） ﹝ 3﹞ ，研究難度很大，比如其位于五元相圖的中心位置，并且是固溶體相等。但是與傳統(tǒng)合金不同，多主元高熵非晶合金是由多種主元集體領(lǐng)導(dǎo)而表現(xiàn)其特色的合金，在多項使用性能方面具有十分明顯的優(yōu)勢，它的優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的加工性能、優(yōu)良的軟磁、硬磁性能、獨特的膨脹特性等物理特性、良好的生物相容性能、極高的抗多種介質(zhì)腐蝕的能力等等，使其成為工業(yè)應(yīng)用潛力的新型合金、理想的航天飛行器結(jié)構(gòu)材料，具有很高的學(xué)術(shù)研究價值，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注和積極探索。 因為新型非晶合金中的元素比較多，元素的混亂度很大，高熵效應(yīng)促進了元素間的混合，使得多種金屬主元素傾向于混亂排列而形成簡單的結(jié)晶相，即混合成體心立方晶體 BCC）、面心立方晶體（ FCC)或密排六方體（ HCP)等簡單密堆體結(jié)構(gòu)，甚至非晶體化，卻抑制了脆性的金屬間化合物的形成 ﹝ 4﹞ 。而在此之前從來沒有人用過如此多種主 金屬元素做出單純的晶體結(jié)構(gòu)，所以這一發(fā)現(xiàn)意義重大。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 近幾十年來非晶合金領(lǐng)域里有兩大突破：其一，就是用多種金屬元素配制成了大塊非晶、多功能的超彈塑性合金；其二，就是制成了納米結(jié)構(gòu)的新型非晶合金。作為其中之一的新型的高熵鐵基非晶合金就目前而言，還是一片處女地，但同時又是一個蘊含工業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ膶毑?，可以開發(fā)出大量的高技術(shù)材料，而目還可以制作成塊材、涂層或薄膜。新型非晶合金的研究具有前瞻性，具有學(xué)術(shù)研究及應(yīng)用價值。由于新型非晶合金的應(yīng)用潛力多元化，面對的產(chǎn)業(yè)也多元化，因此傳統(tǒng)合金工業(yè)的升級及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將為新 型非晶合金開辟無限發(fā)揮的空間，這無疑對傳統(tǒng)冶金的鋼鐵行業(yè)的提升具有重大意義。新型非晶合金主要通過快速凝固、機械合金化獲得，利用這兩種方法獲得的新型非晶合金，其組織更傾向于形成納米晶體，甚至非晶體。目前高熵合金的研究多事集中在鑄態(tài)下的性能測試，我們知道鑄態(tài)下的合金產(chǎn)品有著天然的性能缺陷（空洞、疏松等），我們要致力于解決這些缺陷的同時加強其他性能的研究。 本課題的目的是為了在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)之下設(shè)計一系列的實驗檢驗各種高熵鐵基非晶合金的導(dǎo)熱性能，并對比在不同合金成分、溫度及晶化條件下的高熵鐵基非晶合金的性能，得到 想要的合金的性能。其中包括：合金元素的選擇、合金的熔煉及制備﹑合金的組織分析﹑合金的性能分析及一系列的具體試驗等等。本實驗從第四、五、六和第四、五副族中選擇了多種元素，使其在具有高強度、高硬度、良好的耐蝕性等好的性能的情況下同時具有良好的導(dǎo)熱性。通過電弧熔煉將各種元素制備成圓柱狀非晶合金， X 射線衍射法 (XRD)、非晶合金導(dǎo)熱性能測定等試驗對合金進行各種性能測定。完成這一系列試驗后對試驗結(jié)果作必要的分析，其中最主要的是對非晶合金及其晶化條件下進行導(dǎo)熱性能的分析。 一系列實驗的完成對今后的非晶態(tài)合金的研究有很大 的助益，高熵鐵基非晶合金的研究還處于一個比較新的階段，而導(dǎo)熱性能的研究更是很少被涉及。但是某些零件在使用中需要大量吸熱或散熱時，則要用導(dǎo)熱性好的材料。導(dǎo)熱性能好的物體，往往吸熱快，散熱也快。金屬具有整齊的點陣，它的原子是嚴(yán)格地按周期排列的，因而具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱性能。玻璃的原子則是紊亂而長程無序的，其導(dǎo)熱性能不是很好。而好的導(dǎo)熱性能材料多用于空間技術(shù)和尖端工業(yè)，所有發(fā)展非晶態(tài)合金的導(dǎo)熱性對科技的發(fā)展與進步是很有幫助的。同樣導(dǎo)熱性能不好的情況下對金屬材料鍍非晶合金后，涂層與基體的結(jié)合強度低，熱障涂層的主要作用是 降低熱端部件的工作溫度，防止部件發(fā)生高溫腐蝕，提高航空發(fā)動機操作溫度和熱效率，降低排氣量，節(jié)約燃料，延長零件的使用壽命等。有文獻報道，目前先進的熱障涂層可使高溫燃氣與金屬基體表面之間產(chǎn)生高達 170℃ 的隔熱溫降。而航空航天工業(yè)對所用隔熱材料的重量和體積要求南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 較為苛刻，往往還要求它兼有隔音、減振、防腐蝕等性能。導(dǎo)彈儀器艙隔熱的同時需要具有防腐蝕能力的材料，而非晶涂層正好滿足這一條件。研究發(fā)現(xiàn)，在成本相同的條件下，非晶材料具有比傳統(tǒng)晶態(tài)隔熱材料更大的潛在應(yīng)用價值和商業(yè)效益。 非晶態(tài)合金已經(jīng)深入到現(xiàn)代化社會的材料及航 空航天等多種領(lǐng)域，很多專業(yè)的公司都在做相關(guān)方面的產(chǎn)品，也有很多人在研究相關(guān)方面的東西。商業(yè)化的產(chǎn)品，為的是給社會上其他有需要的機構(gòu)與特定行業(yè)而設(shè)計的，而理論知識不是實際，我們自己動手設(shè)計的實驗對我們是一種很好的磨煉，細節(jié)的完善需要我們?nèi)矫娴乃伎?，各個實驗過程的完成也為我們以后的工作奠定了良好的理論與實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)。相信實驗的完成也將會為非晶態(tài)合金的研究添上很有利的一筆！同時也將引發(fā)高熵非晶合金得到廣泛的工業(yè)運用！ 高熵鐵基非晶合金的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進展 自幾千年來，合金的發(fā)展都是以一種金屬元素為 主的 (一般都超過 50%)﹝ 3﹞ 隨著添加各種不同的合金元素而產(chǎn)生不同的合金，以滿足所需的性能要求。自從 1970 年以來，金屬基復(fù)合材料及金屬間化合物得到了廣泛的關(guān)注的，新的制造加工工藝也隨之出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。于是，研究員們利用這些新的制造加工工藝又開發(fā)出新的高性能合金。而金屬合金由于其內(nèi)部金屬鍵的無方向性和飽和性，極容易結(jié)晶，而且晶體結(jié)構(gòu)很簡單，所以研究人員認為金屬是不能制成非晶態(tài)的。直到 1960 年，美國加州理工學(xué)院的 Duwez 等用槍淬法得到了十幾微米厚度的金硅非晶薄帶，研究人員才開始在這片新領(lǐng)域開創(chuàng)出一片新 天地。在最近的二十年里，很多學(xué)者致力于開發(fā)大量大塊非晶合金，例如 Pd 基、 Zr 基、 Fe 基、 Ni基和 Mg 基大塊非晶合金系等。但是，這些大塊非晶合金也都是以一種元素為主的合金。因此，傳統(tǒng)的合金配方仍不脫離以一種金屬元素為主的觀念，人類依此觀念配制不同合金，采用不同的制造加工工藝，進而應(yīng)用到不同的地方，都是在這個框架下發(fā)展及改善的。而且，根據(jù)傳統(tǒng)合金的發(fā)展經(jīng)驗可知，雖然可以通過添加特定的少量合金元素來改善合金的性能，但合金元素種類過多會導(dǎo)致很多化合物尤其是金屬間化合物的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致合金性能的惡化，如變脆。此外，也 給材料的組織和成分分析帶來很大的困難，因此，合金元素的種類應(yīng)該越少越好。正因為如此，我們所開發(fā)的合金系種類很有限，傳統(tǒng)合金的發(fā)展空間變得越來越小了。 新型非晶合金的概念最早中國臺灣清華大學(xué)的科學(xué)家葉均蔚于 1996