3　Ti-Be-Zr三元塊體非晶合金的研究

3.1　概述

美國的Tanner［70］，在1979年利用快速冷卻甩帶的方法分別在Zr-Be和Ti-Be二元合金中制備出厚度為微米級的非晶薄帶，最大冷卻速度大于106℃/s。二元合金的非晶形成成分區間如圖3-1所示，研究發現Ti-Be二元合金在急速冷卻的條件下只在37％～41％Be很窄的成分區間形成非晶態合金，而Zr-Be能夠形成非晶態合金的成分區間卻非常大，在30％～50％Be之間都能夠形成非晶態合金，說明Ti-Be二元合金的非晶形成能力遠低于Zr-Be二元合金，并且能夠得到非晶的成分區間都在共晶點附近。在二元相圖端部，即含鈹較少的區域，都有過飽和含鈹的固溶體亞穩相析出。作者利用Davies-Uhlmann動力學公式估算形成非晶的臨界冷卻速度，并計算出固液界面的自由能差，發現Zr-Be抑制晶體相均勻形核的自由能壁壘要遠高于Ti-Be。

圖3-1　Tanner在1979年實驗所得Ti-Be和Zr-Be二元合金非晶形成區間［70］

g表示非晶形成區間

1977年Tanner［71］成功制備出厚度為30μm寬1～2mm連續的Ti50Be40Zr10非晶薄帶。文章中通過Ti60-xBe40Zrx來尋找最佳形成非晶合金成分。這是當時已知的比強度最高的非晶合金。這種合金的硬度為7400MPa、屈服強度約為3210MPa、楊氏模量為107×103MPa、密度為4.13g/cm3。

2008年，Duan等［72］為了得到更加輕質的鈦基非晶態合金對Ti-Zr-Be三元合金進一步探索，通過電弧熔煉吸鑄制備出直徑為6mm的Ti45Zr20Be35三元非晶合金。添加Cr元素，可以使直徑為6mm的Ti45Zr20Be35非晶合金提高到直徑為8mm的Ti40Zr25Be30Cr5非晶合金，并定義為輕質合金，如圖3-2所示。表3-1為三元合金及典型的Zr基非晶合金的相關物理性能和力學性能。從表中可以看出，去除掉后過渡族重金屬元素使得非晶態合金擁有更加低的密度。這些有助于提高合金的比強度以及開拓非晶態合金的應用領域。

圖3-2　Ti45Zr20Be35（S1、6mm）、Ti45Zr20Be30Cr5（S2、7mm）和Ti40Zr25Be30Cr5（S3、8mm）非晶合金形貌及X射線衍射圖［72］

表3-1　Ti-Zr-Be三元合金及典型“Vitreloy”合金的密度、熱學性能和力學性能

2008年，Wiest和Johnson等報道出具有強玻璃形成能力和大的過冷液相區的Zr-Ti-Be一系列大塊非晶合金［73］，該合金體系具有相當大的過冷液相區，其中Zr-Ti-Be-Cu系列合金的過冷液相區間達到165K，是目前為止所有非晶態合金中過冷液相區最寬的合金。如圖3-3所示。圖中顯示Ti-Be-Zr三元合金的液相線隨溫度降低的變化圖及Tanner利用甩帶所得形成非晶的成分范圍。圖中深灰色區域為1230K的液相范圍，灰色區域為1180K的等溫截面的液相區間，淺灰色區域為1130K等溫截面的液相范圍。由圖可以看出Ti-Be-Zr三元合金液相最低區域在30％～40％Be之間，根據Tanner的甩帶數據可以確定形成非晶合金的成分區間在30％～60％Be，Ti小于60％之間。根據等溫相圖和Tanner的甩帶數據，可以推測出鈦基大塊非晶合金可能出現區域為30％～40％Be和Ti在30％～60％之間。研究表明，Ti-Zr-Be三元合金系具有非常優異的非晶形成能力。雖然Johnson等對Ti-Zr-Be三元合金進行了大量的研究，但是其主要還是集中在三元合金的富鋯區域，對于富鈦區域的研究還很少。為了開發更加輕質的、高比強度的合金，本章將對Ti-Zr-Be三元合金的富Ti區域進行系統深入的研究。

圖3-3　Johnson等研究的Zr-Ti基非晶合金（圖中字母表示）圖中虛線范圍為Tanner甩帶實驗數據