Zr52Cu32Ni6Al10非晶合金与W之间的润湿性及界面特性

2022-11-03罗欣，李文，李宏

沈阳理工大学学报 2022年5期

罗欣，李文，李宏

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110159； 2.中国科学院金属研究所师昌緖先进材料创新中心，沈阳 110016)

非晶合金的原子排列是短程有序而长程无序的结构，与液态金属结构类似，也称为金属玻璃[1-3]。非晶合金具有高强度、高硬度[4-6]、高电阻率[7]、良好的耐蚀性[8]、耐磨损[9]、磁性优异等独特的性能[10]，但由于不具备典型晶态材料的晶体缺陷，非晶合金在室温下发生塑性变形时极易因剪切带的迅速扩展和高度集中导致材料整体失效，这种室温脆性极大地限制了非晶合金的发展和应用[11]。通过引入第二相制备非晶复合材料是解决非晶合金宏观脆性的重要途径，第二相的加入阻止剪切带的扩展并促使多剪切带的形成，使非晶复合材料整体的机械性能得到提高[12]。

非晶复合材料制备过程中液态基体与固态增强体之间的润湿行为是形成界面结合的重要影响因素，在润湿过程中往往伴随着溶解、扩散以及界面化学反应的进行，因此润湿过程决定了复合材料的界面结合质量，从而显著影响复合材料的最终性能。

W/Zr基非晶复合材料因其优异的力学性能和自锐效应，在穿甲领域具有广泛的应用前景。文献[13]采用体积分数为80%的钨丝增强Vit1非晶复合材料，研究显示穿甲深度明显优于传统钨合金；文献[14]采用密排钨丝增强Zr基非晶复合材料，研究显示其压缩强度大于2500MPa，压缩塑性大于20%，使得该类材料的应用成为可能。

目前非晶复合材料制备的难点在于缺乏合适的工艺参数对结构和性能进行控制，往往因润湿性较差而使界面结合力较低，或因复合时间太长导致界面反应严重，因此急需研究不同工艺条件下的两相润湿性与界面特征，以优化复合参数，为非晶复合材料结构和性能调控提供必要的理论支撑。

本文主要研究Zr52Cu32Ni6Al10非晶合金与W之间的润湿行为及其界面反应特性，为后续通过熔体浸渗工艺制备性能优异的W/Zr52Cu32Ni6Al10非晶复合材料提供依据。

1 实验方法

1.1 材料的制备

取纯度≥99.5%的纯金属Zr、Cu、Ni、Al，去除表面氧化物；采用精度为0.001g的精密天平(赛多利斯BS223S型)配置合金，合金中各元素的原子比为Zr∶Cu∶Ni∶Al=52∶32∶6∶10；以氩气作为保护气氛，在高真空非自耗电弧熔炼设备(沈阳好智多新材料制备技术有限公司)中，经四次电弧搅拌重熔，得到成分均匀的80g合金锭；破碎合金锭并置于Edmund BüehlerAM/0.5电弧炉铜模具中，重熔合金块，采用铜模吸铸法[15]，即利用熔炼室与铸造室的压差，将熔融合金吸入铜模具中，快速凝固得到φ2mm的Zr52Cu32Ni6Al10合金棒，再将其切为φ2mm×1.6mm的圆柱作为润湿实验的金属合金熔体。

取φ10mm的W棒，截取厚度为1mm的圆片作为润湿基片，经磨抛使表面粗糙度一致。

1.2 性能测试

利用Rigaku D/Max-2500PC X射线衍射仪(XRD)分析Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体的结构；利用NETZSCH DSC404C差式扫描量热仪(DSC)测定合金熔体的熔化温度。

采用座滴法研究Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W基片之间的润湿性，润湿性测试示意图如图1所示。

图1 润湿性测试示意图

将Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体置于抛光后的W基片表面正中，每次测试确保样品置于润湿性测试系统(沈阳好智多新材料制备技术有限公司)(图1a)相同位置，调节基板与图像采集系统于同一水平面上，记录测试过程中的图像。润湿角计算公式为[16-17]

(1)

式中：θ为润湿角；d为熔滴直径；h为熔滴高度(图1b)。

实验中先以10℃/min的升温速率加热到960℃，观察连续升温过程中润湿角随温度的变化；再以10℃/min的升温速率分别加热到890℃、930℃和970℃，并保温30min，观察不同保温温度下，Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W基片之间的润湿角随保温时间的变化。

将润湿样品沿垂直界面方向切开，冷镶磨抛后利用TESCAN MIRA3扫描电镜(SEM)观察润湿样品的界面形貌，采用Oxford ULTIM MAX能谱仪(EDS)对样品中界面处的析出相进行定量分析。

2 结果与分析

2.1 XRD分析

测试得到Zr52Cu32Ni6Al10合金的XRD谱线如图2所示。

图2中仅见漫散射峰或“馒头峰”，无尖锐的晶态衍射峰存在，说明铜模吸铸法制备得到的φ2mm的Zr52Cu32Ni6Al10合金棒为完全的非晶态结构。

图2 Zr52Cu32Ni6Al10合金XRD谱图

2.2 DSC分析

测试得到Zr52Cu32Ni6Al10合金的DSC分析曲线如图3所示。

图3 Zr52Cu32Ni6Al10合金DSC分析

由图3可见，合金初始熔化温度(Tm)为742℃，完全熔化温度(Tl)，即液相线温度为889℃。DSC分析[18]结果表明，Zr52Cu32Ni6Al10合金的熔化温度范围为742～889℃。故润湿性测试选择在890℃及以上温度进行。

2.3 润湿性分析

测试得到由890℃连续升温至960℃过程中Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W基片之间润湿角随温度变化的曲线，如图4所示。

图4 Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W基片间润湿角随温度变化曲线

由图4可见，润湿热力学曲线主要包括润湿角迅速减小的一次铺展和趋于平衡的二次铺展两个阶段；在890～910℃温度范围内，润湿角快速减小，从20°降至14°左右，一次铺展过程比较迅速；温度升至910℃以后，润湿角随温度的升高缓慢减小，特别是在940℃以后，润湿角基本保持在12.5°左右，二次铺展过程缓慢。这是由于随着加热温度的升高，Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体的黏度降低，熔滴铺展的黏滞阻力减小，润湿驱动力足以抵抗润湿阻力，合金在基片上快速铺展，润湿角减小，润湿性变好；随着润湿过程的进行，润湿驱动力和润湿阻力逐渐趋于平衡，润湿角减小变得缓慢，并逐渐趋于稳定。

测试得到在不同温度下保温至30min时，Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W基片之间的润湿角随保温时间变化的曲线，如图5所示。

图5 Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W基片间润湿角随保温时间变化曲线

由图5可见，随着保温时间的延长，不同温度下的润湿角均呈现缓慢减小并趋于稳定的趋势，且保温25min以上基本可以达到稳定，此时的润湿角称为平衡润湿角。890℃、930℃和970℃保温30min后对应的平衡润湿角分别为10°、7°和5°，可见温度越高，平衡润湿角越小。以上数据表明，Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体与W之间具有良好的润湿性，尤其在温度较高时，Zr52Cu32Ni6Al10合金熔体几乎可以在W基片上完全铺展开来。

2.4 SEM/EDS分析

测试得到890℃、930℃和970℃下保温30min后润湿样品在不同放大倍数下的SEM界面形貌，如图6、图7和图8所示。

图6～图8中低倍形貌图最上方为熔体的自由表面，其余部分中颜色较深的为Zr52Cu32Ni6Al10非晶合金熔体，熔体下方颜色较浅的部分为W基片。由图6可见，在890℃时，W/Zr52Cu32Ni6Al10非晶合金的界面基本保持平直(图6a)，高倍下能够在界面处观察到少量白色细小颗粒状析出相(图6b)；由图7可见，在930℃时，界面开始出现缺失，变得凹凸不平(图7b)，大量白色颗粒状析出相从界面向熔体合金中扩散，达到整个熔体高度的一半左右(图7a)；由图8可见，在970℃时，白色颗粒状析出相几乎扩散至整个熔体(图8a)，且在W基片缺陷处出现较大块的白色团聚相(图8b)。