3　Ti-Be-Zr三元块体非晶合金的研究

3.1　概述

美国的Tanner［70］，在1979年利用快速冷却甩带的方法分别在Zr-Be和Ti-Be二元合金中制备出厚度为微米级的非晶薄带，最大冷却速度大于106℃/s。二元合金的非晶形成成分区间如图3-1所示，研究发现Ti-Be二元合金在急速冷却的条件下只在37％～41％Be很窄的成分区间形成非晶态合金，而Zr-Be能够形成非晶态合金的成分区间却非常大，在30％～50％Be之间都能够形成非晶态合金，说明Ti-Be二元合金的非晶形成能力远低于Zr-Be二元合金，并且能够得到非晶的成分区间都在共晶点附近。在二元相图端部，即含铍较少的区域，都有过饱和含铍的固溶体亚稳相析出。作者利用Davies-Uhlmann动力学公式估算形成非晶的临界冷却速度，并计算出固液界面的自由能差，发现Zr-Be抑制晶体相均匀形核的自由能壁垒要远高于Ti-Be。

图3-1　Tanner在1979年实验所得Ti-Be和Zr-Be二元合金非晶形成区间［70］

g表示非晶形成区间

1977年Tanner［71］成功制备出厚度为30μm宽1～2mm连续的Ti50Be40Zr10非晶薄带。文章中通过Ti60-xBe40Zrx来寻找最佳形成非晶合金成分。这是当时已知的比强度最高的非晶合金。这种合金的硬度为7400MPa、屈服强度约为3210MPa、杨氏模量为107×103MPa、密度为4.13g/cm3。

2008年，Duan等［72］为了得到更加轻质的钛基非晶态合金对Ti-Zr-Be三元合金进一步探索，通过电弧熔炼吸铸制备出直径为6mm的Ti45Zr20Be35三元非晶合金。添加Cr元素，可以使直径为6mm的Ti45Zr20Be35非晶合金提高到直径为8mm的Ti40Zr25Be30Cr5非晶合金，并定义为轻质合金，如图3-2所示。表3-1为三元合金及典型的Zr基非晶合金的相关物理性能和力学性能。从表中可以看出，去除掉后过渡族重金属元素使得非晶态合金拥有更加低的密度。这些有助于提高合金的比强度以及开拓非晶态合金的应用领域。

图3-2　Ti45Zr20Be35（S1、6mm）、Ti45Zr20Be30Cr5（S2、7mm）和Ti40Zr25Be30Cr5（S3、8mm）非晶合金形貌及X射线衍射图［72］

表3-1　Ti-Zr-Be三元合金及典型“Vitreloy”合金的密度、热学性能和力学性能

2008年，Wiest和Johnson等报道出具有强玻璃形成能力和大的过冷液相区的Zr-Ti-Be一系列大块非晶合金［73］，该合金体系具有相当大的过冷液相区，其中Zr-Ti-Be-Cu系列合金的过冷液相区间达到165K，是目前为止所有非晶态合金中过冷液相区最宽的合金。如图3-3所示。图中显示Ti-Be-Zr三元合金的液相线随温度降低的变化图及Tanner利用甩带所得形成非晶的成分范围。图中深灰色区域为1230K的液相范围，灰色区域为1180K的等温截面的液相区间，浅灰色区域为1130K等温截面的液相范围。由图可以看出Ti-Be-Zr三元合金液相最低区域在30％～40％Be之间，根据Tanner的甩带数据可以确定形成非晶合金的成分区间在30％～60％Be，Ti小于60％之间。根据等温相图和Tanner的甩带数据，可以推测出钛基大块非晶合金可能出现区域为30％～40％Be和Ti在30％～60％之间。研究表明，Ti-Zr-Be三元合金系具有非常优异的非晶形成能力。虽然Johnson等对Ti-Zr-Be三元合金进行了大量的研究，但是其主要还是集中在三元合金的富锆区域，对于富钛区域的研究还很少。为了开发更加轻质的、高比强度的合金，本章将对Ti-Zr-Be三元合金的富Ti区域进行系统深入的研究。

图3-3　Johnson等研究的Zr-Ti基非晶合金（图中字母表示）图中虚线范围为Tanner甩带实验数据