低碱度CaO-SiO?–10wt.% FeO–x-10wt.% P?O?渣系的粘度与结构

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Viscosity and structure of low basicity CaO-SiO 2–10wt.% FeO x-10wt.% P 2O 5 slag system

本研究系统考察了Zr50.7Cu28Ni9Al12.3非晶合金在吹塑成型中不同变形温度下的变形行为与结构演变，揭示了温度升高促进结晶但导致应变不均的现象，为优化工艺及推动工业应用提供理论依据。

　　

张希顺|吕阳|赵天旭|梁宇峰|阿曼·伊克巴利|宁志良|孙建飞|黄永江

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，中国哈尔滨150001

摘要

本研究探讨了Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅（at. %）大块金属玻璃（BMGs）在不同变形温度下的变形行为和结构演变，实验采用吹塑工艺进行。随着变形温度的升高，所研究的BMG表现出更好的可成形性，同时伴随着明显的应变不均匀性。较高的变形温度促进了BMG的结晶。变形样品不同区域的结晶程度存在差异，其中顶部区域的结晶分数最高，这可以归因于应变诱导的结晶。热软化与结晶诱导的应变硬化共同作用，导致了样品的椭圆形变形。这些发现可能为优化BMGs的吹塑工艺提供理论指导，从而推动其工业应用。

引言

大块金属玻璃（BMGs）由于其独特的原子结构（具有短程有序和长程无序特性），通常表现出优异的性能，如高强度、高硬度和良好的耐腐蚀性[1,2]，因此吸引了广泛的研究兴趣[3, [4], [5], [6], [7]]。然而，它们在室温下的内在脆性严重限制了其可成形性。幸运的是，在过冷液体区域（SLR）内，BMGs可以在结晶前通过低施加压力进入粘性状态并发生变形[8, [9], [10], [11]，从而实现超塑性成形（SPF）。

BMGs的超塑性成形（SPF）受其在SLR内的粘性流动行为控制，这种流动行为可以分为牛顿流、非牛顿流和非均匀流三种类型[12, [13], [14]]。李等人[15]和陶等人[16]证明了牛顿流能够增强基于Zr的BMGs的SPF能力。卢等人[17]报告称，BMGs在较低应变率下发生均匀变形，但在较高应变率下会出现脆性剪切断裂。变形温度的升高促进了从非均匀剪切断裂向均匀变形的转变。张等人[18]指出，随着应变率的增加或变形温度的降低，流动行为会从牛顿流转变为非牛顿流。这些结果表明，变形温度和应变率对于确定BMGs的SPF行为至关重要。此外，流动应力可能在高温成形过程中加速BMGs的结晶。

在各种成形技术中，吹塑被广泛用于制造复杂且接近净形的BMG部件。Schroers等人[19,20]成功利用SLR内的吹塑工艺从Zr₄₄Ti₁₁Cu₁₀Ni₁₀Be₂₅（at. %）材料中制造出半球形部件，实现了较大的变形量且气体压力很小，这归功于自由成形过程中没有外部摩擦。虽然之前的研究已经探讨了温度和应变率对BMG变形的单独影响，但这些参数在吹塑过程中对变形行为和结构演变的耦合效应仍不甚清楚。

本研究选择了Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3（at. %）BMG进行吹塑，因为该材料具有优异的玻璃形成能力[21]。系统研究了在不同温度下变形样品的高度变化和应变分布，以表征其变形行为。此外，还对变形样品的结晶分数进行了结构分析和定量评估，以阐明吹塑过程中的结构演变。

章节片段

基于Zr的BMGs的制备

使用纯度≥99.9 wt. %的Zr、Ni、Cu和Al元素，通过水冷铜炉的弧熔炉制备了尺寸为40 mm × 50 mm × 3.0 mm的Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3合金锭。为确保成分均匀性，每个锭子在氩气气氛下至少重新熔化五次，并进行电磁搅拌。随后通过线切割加工从铸锭中制备了尺寸为30 mm × 35 mm × 0.7 mm的样品。

样品的吹塑

BMG

结果

图2展示了从铸态Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3 BMG样品获得的典型XRD图谱和HRTEM图像。XRD图谱在2θ = 37°处显示出一个宽的漫射峰，没有明显的布拉格峰（图2(a)）。HRTEM观察到的无序原子排列以及SAED图谱中的特征“晕圈”现象证实了铸态样品的非晶态（图2(b)）。

使用DSC评估了所研究BMGs的热性能，以确定合适的变形温度

讨论

本研究探讨了Zr_50.7Cu₂₈Ni₉Al_12.3 BMG在SLR内吹塑过程中的变形行为和结构演变。样品不同区域之间的结晶倾向和应变存在差异。接下来，我们将讨论这些现象。

许多研究已经证实，BMGs在SLR内表现出优异的超塑性成形能力[14]。在本研究中，分别在463 °C、470 °C、478 °C和485 °C下吹塑的BMG样品的高度进行了测量

结论

系统研究了Zr基BMG在不同变形温度下的变形行为和结构演变。主要结论如下：

• 1.
  通过吹塑成功制备了Zr基BMG部件。随着变形温度的升高，整体可成形性得到改善，这体现在样品高度和应变的显著增加上。较高的温度也导致了更不均匀的应变分布。
• 2.

数据声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

作者贡献声明

张希顺：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，实验研究，数据管理，概念构思。 吕阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，实验研究，数据管理，概念构思。 赵天旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，资源获取，实验研究，数据管理，概念构思。 梁宇峰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，实验研究，数据管理，概念构思。 阿曼·伊克巴利：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金在Grant Nos. 52171154和52371106项目下的财政支持。