题目：铸造工艺对Zr基非晶合金形成与性能的影响

    非晶合金由于其特殊的原子排列结构而表现出优异的力学性能、耐腐蚀性能和磁性能等。然而，非晶合金的制备过程要求严苛，需要采用快速凝固技术。除此之外，非晶合金的制备要求在惰性保护气氛中进行，且原材料需要有很高的纯度。苛刻的制备条件对非晶合金的应用推广很不利。同时，评价非晶合金形成能力的指标—临界尺寸会由于制备者所采用的方法以及所具备的经验不同而有很大差别。本文从制备非晶合金的铸造速度与浇注温度这两个主要工艺参数出发，研究了铸造工艺对Zr基非晶合金形成与性能的影响；为了降低非晶合金的制备成本，研究了原材料纯度及稀土元素合金化对Zr基非晶合金形成能力的影响。

    首先，分别采用铸造速度较小的喷铸法和铸造速度较大的浇铸法制备Zr65Al7.5Cu12.5Ni10Ag5（at.%）块体非晶合金。采用浇铸法时可以制备出直径为8mm的块体非晶合金，而采用喷铸法时，仅能制备出直径为5mm的块体非晶合金，可见，铸造速度对非晶合金的形成影响显著。热力学、力学与弹性性能测试结果表明，铸造速度对非晶合金的性能影响不大。为了分析铸造速度对非晶合金形成的影响机理，对不同铸造方法制备的非晶合金的凝固过程进行了有限元模拟，得到了非晶合金熔体的充型过程与凝固时的冷却曲线，结合合金试样的金相组织发现，铸造速度对非晶合金的凝固过程具有很大的影响，从而对非晶合金的形成产生影响。同时研究了铸造速度对非晶合金铸造缺陷的影响，分析了铸造缺陷产生的原因，并提出了减少铸造缺陷的方法。

    其次，研究了浇注温度对Zr基非晶合金形成与性能的影响。结果表明，保持熔体的初始状态相同，仅改变非晶合金铸造时的温度就可以对非晶合金的形成与性能产生重要影响。对非晶合金凝固过程进行有限元模拟发现，浇注温度对非晶合金形成的影响可归结为其对熔体冷却曲线的改变。浇注温度的改变影响非晶合金的微观结构，导致非晶合金的力学性能、热学性能、弹性性能和电性能发生变化。大过热度可以使熔体更加均匀，增大熔体的过冷度，有利于非晶态结构的形成。在此基础上结合铸造速度与浇注温度两个影响因素，开发了制备非晶合金及其复合材料的新方法，制备出了非晶合金薄壁零件。

    最后，通过采用高纯锆和工业级海绵锆为合金原料研究了原材料纯度对Zr基非晶合金形成能力的影响。发现低纯度的原材料使非晶合金的形成能力明显降低。通过微量添加稀土元素Er，降低了海绵Zr中杂质对非晶合金形成能力的不利影响，提高了工业级海绵锆制备的非晶合金的形成能力。稀土Er元素的添加也可以提高由高纯原料制备的非晶合金的形成能力。稀土Er元素的添加提高合金的形成能力的原因是因为增加了合金的原子错配度，提高了非晶合金的约化玻璃转变温度Trg、γ参数和液体脆度m值，并且使得熔体结晶过程更加复杂。使用工业级海绵锆替代高纯锆制备块体非晶合金，可以有效降低块体非晶合金的制备成本，推进非晶合金向工业化应用的步伐。