（材料学专业论文）al63cu25fe12准晶增强alsi合金的组织与性能研究.pdf

r _ m i c r o s t r u r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缝 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛导师签名：弛曰期：j 剑脚 【一 济南人学硕 ：学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 准晶材料的研究与发展1 1 1 1 准晶及其晶体学特征1 1 1 2 准晶的结构3 1 13 准晶合金系与分类3 1 1 4 准晶的性质5 1 1 5a i c u f e 系准晶材料的研究5 1 1 6 准晶材料的应用9 1 2 铝和铝合金1 1 1 2 1 铝和铝合金性质1 l 】2 2 铝合金的强化机制1 2 1 2 3a 1 s i 合金的应用现状l3 1 3a i c u f e 准晶增强铝基复合材料的研究进展1 4 1 4 本课题的研究目的和意义1 7 1 5 主要研究内容1 7 第二章实验方案设计与研究方法19 2 1 合会的选定1 9 2 2 试验方案及技术路线19 2 3 试验的主要原料和实验前的准备2 0 2 3 1 试验主要原料2 0 2 3 2 熔炼试验方法2 1 2 4 实验仪器设备及测试方法2 l 2 4 1 电弧熔炼炉2 1 2 4 2 高真空单辊旋淬系统2 2 2 4 3 高温d s c ( 差示扫描量热分析仪) 2 3 2 4 4 其他试验设备2 3 第三章a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶的制备2 5 3 1a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶成分的确定2 5 a 1 6 3 c u 2 5 f e l2 准品增强a l - s i 含仑的组织勺件能石j f 究 3 2a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金的制备2 6 3 3a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金铸锭的微观组织。2 6 3 4 凝固速度对a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金组织的影响2 8 3 5 热处理对a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金组织的影响3 0 3 6 本章小结3 2 第四章a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶合金对a 1 7 s i 合金的强化处理3 4 4 1 材料的制备3 4 4 1 1a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶颗粒的预处理3 4 4 1 2a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶增强a i 7 s i 合金的制备工艺3 5 4 2a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶对a 1 7 s i 合金组织的影响及分析3 5 4 3 不同保温时间对a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶增强a 1 7 s i 合金微观组织的影响3 7 4 4a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶对a 1 7 s i 合金强化处理后的力学性能3 8 4 5 本章小结4 2 第五章a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶合金对a 1 1 2 6 s i 合金的强化处理4 3 5 1a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶对a 1 1 2 6 s i 合金组织的影响4 3 5 2 保温时间对准晶增强a 1 1 2 6 s i 合金微观组织的影响4 4 5 3a 1 6 3 c u 2 5 f e i 2 准晶对a 1 1 2 6 s i 合金强化处理后的力学性能4 6 5 4 固溶时效处理对准晶增强a 1 1 2 6 s i 合金组织与性能的影响4 9 5 5 本章小结5 0 第六章结论及创新点5 2 6 1 结论5 2 6 2 创新点5 3 参考文献一5 4 致谢6 l 附蜀乏6 2 在校期间发表的学术论文一6 2 l l 济南大学硕i 学位论文 摘要 采用常规铸造方法和快速冷却的方法制备了a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金。对 a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金铸锭和快凝态的a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金薄带分别进行s e m e d s 、x - 射线衍射和d s c 分析，通过热处理成功的制备了由基本单一相组成的 a 1 6 3 c u e 5 f e l 2 准晶合金。将热处理后的a 1 6 3 c u 2 5 f e1 2 准晶破碎成一定尺寸的粉末， 以不同的添加量加入到a 1 7 s i 和a 1 1 2 6 s i 合金中进行强化处理。通过不同 的保温时间研究准晶在基体合金中相的变化并分析了准晶合金对基体合金的组 织与性能的影响。 试验表明，通过s e m e d s 、x 射线衍射分析在电弧炉中熔炼并凝固的 a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金铸锭组织主要由4 种相组成，分别为入相、1 3 相、准晶i 相以 及t 相，并在凝固的过程中依次析出。通过d s c 确定了t 相、准晶i 相、1 3 相 以及入相的相转变温度分别为6 9 2 、8 8 0 c 、9 9 6 。c 和1 1 1 7 。通过铜辊旋淬系 统制备了快凝态的a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 合金薄带，发现快凝态的合金薄带中主要由大量 的准晶i 相和少量的t 相组成。凝固速度对a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶合会中相的组成有 重要的影响。在氩气的保护条件下，经过7 5 0 ，3 小时热处理并淬火后， a 1 6 3 c u e 5 f e l 2 合金铸锭几乎由单一的准晶相组成。 将a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶颗粒以机械搅拌铸造的方法加入到a 1 7 s i 合金中。随 着准晶颗粒添加量的增多，基体合金晶界周围的准晶颗粒明显增多，并沿晶界均 匀分布，无明显的团聚现象，颗粒的尺寸有了明显的减小。随着保温时间的延长， 基体中弥散分布的准晶颗粒发生热裂，并有低温t 相的生成。随着保温时间的进 一步延长，准晶颗粒完全溶解，准晶相中的各元素与基体合金形成了许多新相， 并散落分布在基体合金中。力学性能测试结果表明，随着a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶颗粒 的增多，准晶增强a 1 7 s i 合金的硬度和抗拉强度逐渐增加，而伸长率丌始基本 保持不变，当准晶的添加量大于6 时，伸长率出现逐渐下降的趋势，因此，当 添加量为6 时，准晶增强合金的力学性能最佳。 以相同的方法将a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准晶颗粒添加到a 1 1 2 6 s i 合金中。与 a 1 1 2 6 s i 合金相比，共晶s i 得到了明显的细化，准晶颗粒以长条状和块状存 在。当准晶的添加量较少时，准晶颗粒和细化的共晶s i 弥散分布在基体合金中。 i i i a 1 6 3 c u 2 5 f e l2 准品增强a 1 一s i 含金的组l 织j 件能研究 随着准晶含量的增加，准晶颗粒出现团聚现象。随着保温时间的延长，准晶颗粒 逐渐溶解，准晶相中的各元素扩散到基体合金中并与之形成了许多新相。力学性 能结果表明，准晶增强a 1 1 2 6 s i 合金的硬度随着准晶添加量的增加而增加。 而伸长率在准晶添加量较少时保持不变，当准晶添加量大于3 时，伸长率出现 下降的趋势。准晶增强a 1 1 2 6 s i 合金的抗拉强度随准晶添加量的增加先增大 后减小。当准晶添加量为6 时，抗拉强度达到最大值。并对准晶添加量为3 的增强a 1 1 2 6 s i 合金和未增强的a 1 1 2 6 s i 进行5 0 0 + 5 固溶并淬火处理， 在1 8 5 5 c 人工时效2 4 小时，准晶增强a 1 1 2 6 s i 合金和未增强的a 1 1 2 6 s i 合金的硬度都是随时效时间的增加先增大后缓慢减小，都出现一个较为明显的时 效峰。准晶增强a 1 1 2 6 s i 合金比未增强的a 1 1 2 6 s i 合金有较高的硬度，而 且出现时效峰的时间有一段时间的前移。 关键词：常规铸造；a 1 6 3 c u 2 5 f e i 2 准晶；a 1 一s i 合金；增强；力学性能 i v 济南人学硕 ：学位论文 a b s t r a c t t h ea 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u i s i c r y s t a la l l o yw a sm a n u f a c t u r e du n d e rc o n v e n t i o n a lc a s t i n g c o n d i t i o na n df a s tc o o l i n gm e t h o d t h ea 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u i s i c r y s t a la l l o yo fc a s ta n df a s t c o o l i n g s t a t ew e r es t u d i e d u s i n gs c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，x r a y d i f f r a c t i o na n dd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) t h es i n g l ep h a s ec o m p o s i n g a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u i s i c r y s t a lc a s tw a sp r e p a r e db yh e a tt r e a t m e n t t h ea 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 q u a s i c r y s t a la l l o ya f t e rh e a tt r e a t m e n tw a sb r o k e ni n t oc e r t a i ns i z ep a r t i c l e s t h e d i f f e r e n ta m o u n tq u a s i c r y s t a la l l o yp a r t i c l e sw e r ea d d e di n t oa i 一7 s ia n da 1 12 6 s i a l l o ya n ds t r e n g t h e n i n gt r e a tt h es u b s t r a c ta l l o y t i m et os t u d yt h r o u g hd i f f e r e n t i n s u l a t i o ni nt h em a t r i xa l l o yt h ec h a n g e so fq u a s i c r y s t a l l i n ep h a s ei nt h es u b s t r a c t a l l o yw a ss t u d i e dw i t hd i f f e r e n th o l i n gt i m e t h ee f f e c to ft h ea m o u n to ft h e q u a s i c r y s t a lp a r t i c l e so ns t r u c t u r ea n dm e c h a n i s mp r o p e r t i e sw a sa n a l y s e d i t i sn o t i c e dt h a tt h ec o n v e n t i o n a lc a s t i n ga 1 6 3 c u 2 5 f e l 2a l l o yi n e l e c t r i ca r c f u r n a c ei sm u l t i p h a s es t r u c t u r e i ti sc o m p o s e do fi ，kda n dt t h eo r d e ro f g e n e r a t i o ni skp ，iq u a s i c r y s t a l l i n ep h a s ea n d ti nt h ep r o c e s so ft h ec o o l i n g s o l i d i f i c a t i o n p h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h et ，i ，pa n d 九w e r e6 9 2 ，8 8 0 ， 9 9 6 a n d1 117 ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hw a se s t a b l i s h e db yd s c i tw a sf o u n dt h a t t h ef a s t c o o l i n ga 1 6 3 c u 2 5 f e l 2a l l o ym a i n l yw a sc o m p o s e do ft h el a r g en u m b e ro f q u a s i c r y s t a lip h a s ea n d as m a l la m o u n to ft p h a s e f u r t h e r m o r e ，t h ep h a s ec o n s t i t u t e s w a sq u i t ed i f f e r e n tm a t c h i n gt ot h ed i v e r s ec o o l i n gr a t e sa n dt h et w oq u a s i - p h a s e f o r m a t i o nm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e di nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s a l m o s ts i n g l e i - p h a s ec o n s t i t u t ec a n b eo b t a i n e da f t e rh e a tt r e a t m e n ta t7 5 0 f o r3 h a n dq u e n c h i n g i nt h ep r o t e c t i o no fa r g o n c a s ta 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u a s i c r y s t a la l l o ya f t e rt h eh e a tt r e a t m e n tw a sb r o k e ni n t oa c e r t a i ns i z ep a r t i c l e sa n dp r e s s e di n t ob l o c k sw i t ht h es a m eq u a l i t yo f a ip o w d e r , t h e p a r t i c l e sw e r ep u ti n t oa i 一7 s ia l l o y sa t7 0 0 a f t e r3m i n u t e sw i t ht h em e t h o do f m e c h a n i c a lr a b b l ea n dc a s t i n g w i t l lt h ea d d i t i o no fq u a s i c r y s t a l l i n ep a r t i c l e s i n c r e a s e s ，t h eq u a s i c r y s t a l l i n ep a r t i c l e si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , a n de v e n l yd i s t r i b u t e d v a 1 6 1 c u 2 s f e 】2 准品增强a 1 s i 合会的组织j 忡能研究 a l o n g t h eg r a i nb o u n d a r i e s ，i tw a sn oo b v i o u sa g g l o m e r a t i o na n dt h ep a r t i c l es i z eh a s b e e ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e d w h e nt h eh o l d i n gt i m ew a si n c r e a s e d ，t h eq u a s i c r y s t a l p a r t i c l e sw e r eu n s t a b l ea n dg r a d u a l l ym e l t ，t h e r ew a st h e r m a lc r a c k i n gi ng r a i n s ， l e a d i n gt oi n t e r n a ld e f e c t ，a n dt h eg e n e r a t i o no fl o w t e m p e r a t u r ep h a s et w i t ht h e f u r t h e ri n c r e a s e do ft h e h o l d i n gt i m e ，q u a s i c r y s t a l l i n ep a r t i c l e sw e r ec o m p l e t e l y d i s s o l v e d ，t h ee l e m e n t so fq u a s i c r y s t a l l i n ep h a s ew e r ed i f f u s e di n t ot h em a t r i xa l l o y a n dan u m b e ro fc o m p o u n d sw h i c hw a ss c a t t e r e dd i s t r i b u t i o ni nt h em a t r i xa l l o yw e r e f o r m e d m e c h a n i c a lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h e q u a s i c r y s t a l 4 i n ep a r t i c l e s i n c r e a s i n gi na 1 7 s i ，t h e h a r d n e s sa n dt e n s i l e s t r e n g t hi n c r e a s e d ，w h i l e t h e e l o n g a t i o nw a su n c h a n g e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d w h e nt h ea d d i t i o na m o u n to f a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u a s i c r y s t a li s6 t h ee l o n g a t i o nh a dt h el a r g e s tv a l u e a 1 6 3 c u 2 s f e l 2q u a s i c r y s t a l l i n ep a r t i c l e sw e r ea d d e di n t ot h ea i 一12 6 s ia l l o y w i t ht h es a m em e t h o d a 1 - 12 6 s i a l l o yr e i n f o r c e db yq u a s i c r y s t a lm a i n l yw a s c o m p o s e do ft h ee u t e c t i cs ia n dt h eg r a yq u a s i c r y s t a ll i n ep a r t i c l e s a n dc o m p a r e d w i t ha i 一1 2 6 s ia l l o y , e u t e c t i cs ih a sb e e ns i g n i f i c a n t l yr e f i n e d w h e nt h ea m o u n to f q u a s i c r y s t a l sw a sl e s s ，t h eq u a s i c r y s t a lp a r t i c l e sa n dt h ee u t e c t i cs iw e r ed i s p e r s e di n t h em a t r i xa l l o y w i t ht h ea m o u n to ft h eq u a s i c r y s t a lw a si n c r e a s e d ，t h eq u a s i c r y s t a l p a r t i c l ew e r ea g g l o m e r a t i o n w h e nt h eh o l d i n gt i m ew a si n c r e a s e d ，t h eq u a s i c r y s t a l p a r t i c l e sw e r eu n s t a b l ea n dg r a d u a l l ym e l t ，t h e r ew a st h e r m a lc r a c k i n gi ng r a i n s ， l e a d i n gt oi n t e r n a ld e f e c t ，b u tt h e r ew a sn o1 7p h a s e w i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s e do ft h e h o l d i n gt i m e ，q u a s i c r y s t a l l i n ep a r t i c l e sw e r ec o m p l e t e l yd i s s o l v e d ，t h ee l e m e n t so f q u a s i c r y s t a l l i n ep h a s ew e r ed i f f u s e di n t ot h em a t r i xa l l o ya n dan u m b e ro fc o m p o u n d s w h i c hw a ss c a t t e r e dd i s t r i b u t i o ni nt h em a t r i xa l l o yw e r ef o r m e d m e c h a n i c a lt e s t r e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ea 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u a s i c r y s t a l l i n e p a r t i c l e si n c r e a s i n g ，t h e h a r d n e s so ft h ea i 一12 6 s ir e i n f o r c e db ya 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u a s i c r y s t a l l i n e i n c r e a s e d ， w h i l et h ee l o n g a t i o nw a su n c h a n g e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d t h et e n s i l es t r e n g t h w a si n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d w h e nt h ea d d i t i o na m o u n to fa 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 q u a s i c r y s t a li s3 a n d6 ，t h ee l o n g a t i o na n dt h et e n s i l es t r e n g t hh a dt h el a r g e s t v a l u e ，r e s p e c t i v e l y t h e3 ( a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 ) p a i 一1 2 6 s ia l l o ya n da i 一1 2 6 s ia l l o y v l 济南人学硕 ：学何论文 皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼! 皇罡舅舅i i i l ! m 曼 w e r es o l u t i o nt r e a t e da n dq u e n c h e d ，a n dt h e na r t i f i c i a la g i n ga t18 5 ( 2f o r2 4h o u r s ， t h e r ew e r ea g i n gp e a k s a n dt h ea g i n gp e a ko ft h e3 ( a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 ) p a i 一1 2 6 s i a l l o yi se a r l ya p p e a r a n c e d k e y w o r d s ：c o n v e n t i o n a lc a s t i n g ；a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2q u i s i c r y s t a l ；r e i n f o r c e ；a i s ia l l o y ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s v l l 【一 济南大学硕 ：学位论丈 第一章绪论 随着航空、航天和汽车工业的迅速发展，具有优良综合性能并兼有高比强、 高比模的轻质结构材料的需求已日趋强烈。铝合金由于密度小，导电，导热性能 好，比强度，耐蚀性能高以及良好的加工工艺特性，在航空、航天、家电及所有 的机械制造业中得到了日益广泛的应用，同时也对铝合金的使用性能提出了更高 的要求。高强度铸造铝合金就是在这一需求背景下得到快速发展的1 1 j 。几十年来， 人们围绕这一课题进行了大量的科学研究工作，也得到了不少的研究成果。然而， 基于大批量工程应用背景需求，以往的研究大多集中在传统强化方法的研究上， 合金化、组织细化、热处理为三大主要强化方法。 非常规凝固条件下的凝固技术，尤其是快速凝固技术，虽然可使铝合金的性 能指标达到非常诱人的水平，但由于受热传导过程的限制，所制备材料的尺度有 限，只能制备出一些低维材料，如：薄膜、细丝、粉末，不可能制造出大中型承 力构件。其它如粉末冶金等方法，工艺要求严，生产成本高，难以大规模生产1 2 。】。 多年来的研究实践使人们越来越清醒的认识到，传统的铝合金强化方法其潜力似 乎已到尽头，在大批量工业化生产条件下，要想进一步大幅度提高铝合金的力学 性能，已经变得十分困难了。但是我国航空、航天及汽车工业的快速发展，要求 铝合金具有更好的高、低温力学性制4 1 ，特别是一些大型高强度超薄壁复杂部件 的材料和制备技术已经成为制约我国新型军事装备发展的主要“瓶颈”。因此， 高强度铸造铝合金的强化思路不得不另辟蹊径，寻找新的理论和方法。 本试验提出一种新的提高铸造铝合金力学性能的强化方法，即通过对基础铝 合金和准晶增强合金状态的控制，在恰当的温度范围内，采用两种不同性状合金 的混合技术，保留大量添加的准晶微粒，并防止其熔化，实现准晶颗粒对基础铝 合金的高效强化作用。 1 1 准晶材料的研究与发展 1 1 1 准晶及其晶体学特征 准晶( q u a s i c r y s t a l ) 简称为准周期晶体，它不但具有非晶体学旋转对称性而 a 1 6 3 c u 2 5 f e l 2 准品增强a i s i 合令的约l 钐 与性能石j f 宄 且具有长程准周期平移序的固态有序相。准晶的两个最重要的特征是非晶体学对 称性和准周期性。常见的准晶包括具有十次旋转对称的十面体二维准晶 ( d e c a g o n a l ，d 相) 和五次旋转对称的二十面体三维准晶( i c o s a h e d r a l ，i 相) 。准 晶的衍射花样特征表现出不同于晶体的五次对称和高于六次的八次、十次、十二 次对称，这些差异表明准晶代表了一种新的固态结构【5 j 。 上个世纪8 0 年代初，以色列科学家s h e c h t m a n 在通过急冷方法提高铝合金 强度时，意外地发现一种奇特的类似于金属性质的相存在于急冷a i m n 合金中。 该相具有五次旋转对称的电子衍射花样。1 9 8 4 年s h e c h t m a n 、c a h n 和g r a t i a s 等 人首次报道了在快速凝固的a i 1 4 a t m n 合金中存在一种具有二十面体点群对 称的合金相，并把该相命名为二十面体准晶相，简称为准晶i 相1 6 1 。上个世纪8 0 年代凝聚态物理领域最重要的两个发现为准晶和超导体，s h e c h t m a n 作为发现 人获得了1 9 9 9 年的w o l f 物理大奖f 7 1 。图1 1 为s h e c h t m a n 首次发现的二十面体 准晶相具有五次旋转对称性的衍射斑点1 6 l 。 图1 1 五次旋转对称的二十面体准晶相的衍射斑点1 6 1 f i g1 1e l e c t r o nd i f f r a c t i o np a t t e r n so fq u a s i c r y s t a l l i n e l 6 1 在三维方向上具有准周期分布对称的五次旋转对称结构被发现后，在短短3 年内，相继发现了二维准晶和一维准晶。二维准晶是在主轴方向呈现周期性平移 对称而在与此主轴垂直的二维平面上呈现准周期分布对称，一维准晶是二维方向 呈周期性平移对称而在与此二维平面垂直的法线上呈现准周期堆跺。一维、二维 和三维准晶的发现充分地证明了准晶存在的普遍性。 2 济南人学硕l j 学位论文 1 1 2 准晶的结构 准晶的结构最早是由英国数学家p e n r o s e 在1 9 7 4 年设计出来的，后来将此 拼图以一定的拼接规则组成了准周期的图形【引。p e n r o s e 拼图将晶体学推上了一 个新的高度。8 0 年代，晶体学家利用p e n r o s e 拼图掌握了五次对称的傅里叶变换 图谱。 在传统晶体学中出现五次对称轴是不可能的。准晶可以长到厘米尺寸，并可 以得到和晶体同样的衍射斑点。准晶具有五次对称( 或八次、十次、十二次等) 和准周期性的特点。 鲍林首先指出了三种配位数是1 2 的堆积密度最高的二十面体。后来他将这 种二十面体堆积和( a l ，z n ) 4 9 m 9 3 2 相的结构结合起来1 9 1 。二十面体具有对称性高， 势能低，堆积密度高的特点，它相当于按照五次对称的方式将五个立方体穿插起 来，总共可以得到1 2 0 个对称素，具有十个三次轴和6 个五次轴。因此，二十面 体的原子团簇在三维空间中由非常多的堆积方式，因此可以得到不同的结构。 一 。八一厂心。八r 州 国 镪醛多 7 茸一 图1 2 鲍林9 1 等的( a l ，z n ) 4 9 m 9 3 2 结构模型：( a ) 二十面体；( b ) 五角十二面体；( c ) 3 0 个菱形或 6 0 个三角形：( d ) 截角二十面体；( e ) 火的菱形三十面体 f i g1 2s t r u c t u r em o d e lo f ( a i ，z n ) 4 9 m 9 3 2a c c o r d i n gt op a u l i n g ：( a ) l c o s a h e d r a l ；( b ) f i v e - a n g l e d o d e c a h e d r o n ；( c ) 3 0r h o m b u s e s o r6 0t r i a n g l e s ；( d ) c u t - a n g l ei c o s a h e d r a l ；( e ) b i gr h o m b u s e s 1 1 3 准晶合金系与分类 至今已经在1 0 0 多种合金系中发现了准晶，包括：镁【1 0 1 1 1 、镓【1 、铜【1 3 j 、 锌【1 3 16 1 、钛1 1 2 , 1 7 - 1 9 】、镍1 1 9 1 、铝【1 2 】、钽1 2 0 - 2 2 1 、锆 1 2 , 2 3 - 2 4 1 等。 从热力学的角度分析，准晶可以分为稳定准晶和亚稳态准晶两类【2 5 1 。早期的 准晶多为通过快速凝固法获得的亚稳准晶，当在某个温度区间长时间退火后，亚 稳准晶会变为晶体的类似相。在三元的合金系中，稳定准晶可以通过传统缓冷的 方法获得，并在热力学上是稳定的，稳定准晶的发现为块状单相准晶的制备提供 a 1 6 1 c u 2 ，f e l2 准品增强a i s i 含会的纽织j 忭能研究 了依据，对准晶性能的研究起到了至关重要的作用。 表1 1 准晶合金系( 原子百分比) 【2 6 i t a b l e1 1q u a s i c r y s t a l l i n ea l l o ys y s t e m ( a t o mp e r c e n t ) 1 2 8 1 从结构上可以将准晶分为一维准晶、二维准晶以及三维准晶【2 5 1 。一维准晶可 以通过制成超晶格准周期多层膜而人为的制备出来。它是将二维十面体准晶中的 一个二次准周期( 与十次轴正交) 变成二次周期轴。一维准晶不但具有两个正交 4 济南人学硕 ：学位论文 的周期方向( 其中的一个为十面体准晶的十次轴的方向) 而且具有一个与它们正 交的准周期方向。 二维准晶包括八次、十次和十二次准晶，其中最为常见的是十面体准晶。它 不但在一个平面的两个方向上具有准周期性，而且在其法线方向上表现出周期 性。二维准周期特征可以通过具有周期性的旋转轴来表示，并将其分为不同的形 态。 三维准晶中最为常见的是二十面体准晶，它是指三维空间中在任何三个正交方向 上都表现为准周期性，并没有任何周期性方向阳。按照准晶中存在的原子团来分， 可将二十面体准晶分为三种结构类型【2 8 j ：第一种是a 类二十面体准晶，其原子 团为由5 4 个原子构成的m a c k a y 二十面体；第二种为b 类二十面体准晶，其原 子团为含有1 0 4 个原子( 多面体中心处无原子) 或1 0 5 个原子( 包含有一个原子 中心) 的s a m s o n p a u l i n g b e r m a n n 菱形三十面体；第三类是面心立方二十体准晶， 这种准晶是稳定的而且具有完整的结构。 1 1 4 准晶的性质 准晶具有许多独特的性能，如：高的硬度、低热膨胀系数、高弹性模量、低 电导率、低热导率1 2 7 j 。 ( 1 ) 导电性：准晶的电阻率非常高，高的电阻率是其性能的显著特点之一， 此外准晶的电阻率随着温度的升高而不断下降。 ( 2 ) 导热性：准晶材料的导热性比普通金属材料较差。在常温下准晶的导 热率比铝和铜低两个数量级、比不锈钢低一个数量级，类似于常见的高隔热z r 0 2 材料。，准晶的导热性与准晶的电阻率相似具有负的温度系数。 ( 3 ) 力学性能：在室温下准晶的性能特点与一般金属间化合物相仿，表现 为硬而脆。准晶的硬度与陶瓷材料相仿达到8 0 0 ( h v ) ，远高于高强铝合金，而 韧性较低，仅为陶瓷的l 4 l 5 ，更不能与高强铝合金相比。 此外，准晶还具有隔热、储氢和吸收太阳能等功能。 1 1 5a i - c u - f e 系准晶材料的研究 b r a d l e ya n dg o l d s c h m i d t 率先研究了a l c u f e 中存在具有二十面体结构的准 a i 。，c u 2 5 f e l2 准品增强a l s i 含合的组织 j 件能研究 晶相的成分，并将此相命名为1 l ，相，当1 l ，相的理想成分为a 1 6 5 c u 2 2 5 f e l 2 5 时，可 以形成单一准晶相1 2 8 】。随后对a 1 c u f e 准晶合金研究发现，铸态a 1 c u f e 中不 仅存在二十面体的准晶相，同时还存在其他的晶体相和类似相。表1 2 列出了其 他主要的相和成分，即使各相的成分存在微小的偏差，但学者对各相是认可的 【2 9 3 2 】 o 表1 2 a i c u f e 系中二元和三元平衡相 t a b l e1 2m o s ti m p o r t a n tb i n a r ya n dt e r n a r yp h a s e sa n dt h e i rs t r u c t u r e si nt h ea l c u - f es y s t e m 准晶的实际凝固过程比较复杂，温度在准晶的形成过程中起着至关重要的作 用。因此只要控制好凝固速度才能获得单相的准晶，否则还要进行合适的热处理 工艺。后来人们通过快速凝固的方法制备了a i c u - f e 系准晶，例如雾化法、机 械合金化、高速旋转甩带法、气相沉积、气体或电子束表面快速熔化法、电沉积 和蒸发凝聚等方法1 3 7 1 。旅日中国台湾学者t s a i 通过急冷甩带的方法制备了亚 稳准晶，这种方法同样用于非晶条带的制备，在石英玻璃管内装入合金并在氩气 6 济南人学硕l j 学位论文 保护下利用高频交变磁场将其熔化，利用气压将熔体从下部的小孔喷到高速旋转 的铜辊的表面，形成急冷的薄带，凝固速度为1 0 5 1 0 9 ( k s ) ，用铜辊的转速来调 节冷速；通过这种方法可以得到薄至几