大块非晶合金的研究进展制冰机

大块非晶合金的研究进展*

大块非晶合金的研究进展* 2011年12月09日 来源： 　Research Advances in Bulk Amorphous AlloysChu Wei， Chen GuojunShougang Metallurgical Research Institute，Beijing 100085　　ABSTRACT The research advances in the field of bulk amorphous alloy materials are reviewed．The fabrication methods and excellent properties of these alloys are described．The principles and influential factors of glass-forming ability are also discussed in this paper．　　KEY WORDS bulk amorphous alloy， glass-forming ability1　大块非晶合金的历史和现状　　非晶合金具有长程无序、短程有序的结构，与晶态合金相比，具备许多特有的性能，如高硬度、高强度、耐磨性、耐蚀性及高电阻等。对软磁合金来说，非晶合金比晶态合金有更好的综合磁性能，即可以同时得到很高的饱和磁化强度和磁导率。　　1960年，Duwez等人采用熔体急冷法首先制得了Au-Si非晶合金，标志着非晶合金这一新的材料研究领域的启动。在这以后的三十年里，人们采用液相急冷技术获得了很多合金系的非晶合金，在不同领域得到广泛的应用。但是制取这些非晶合金大都需要超过104K／s的极高的冷却速率，厚度通常局限在50μm以下，因而限制了这类材料的应用范围。虽然可以用粉末冶金法压制成大块非晶，但由于成型技术的限制，使其整体性能远低于非晶颗粒本身。寻求具有很强非晶形成能力，直接从液相获得大块非晶一直是非晶物理领域内追求的目标。　　1988年以来，Inoue（井上明久）等人研究了多组元非晶合金系的玻璃形成能力（GFA），采用水淬和模铸等方法，获得了镧系、镁系、铪系、锆系、钛系和钯系等一系列大块非晶合金，它们均具有很宽的过冷液相区、很低的临界冷却速度（Rc）、厚度可达75mm。以上大块非晶合金仅限于非铁系统，而且没有得到铁磁性。直到1995年，Inoue等人才利用铜模铸造法，获得了两类铁磁性大块非晶合金，即具有软磁性的Fe-（Al，Ga）-（P，C，B，Si，Ge）和具有硬磁性的Nd-Fe-Al系。此后又有Fe-（Co，Ni）-（Zr，Hf，Nb）-B等合金系问世。具体以上合金系及发现年代见表1。表1　大块非晶合金的最大厚度tmax、临界冷却速度Rc及发现年代　合金系发现年代文献非铁磁性Mg-Ln-（Cu，Ni）≈10≈2001988［1］Ln-Al-（Cu，Ni）≈10≈2001989［2］Ln-Ga-（Cu，Ni）　　1989［2］Zr-Al-（Cu，Ni）≈301～101990［3］Zr-Ti-（Cu，Ni）-Be≈301～51993［4］Pd-Cu-Ni-P≈750．131996［5］Pd-Cu-Ni-Si　　1997［6］铁磁性Fe-（Al，Ga）-（P，C，B，Si，Ge）≈3≈4001995［7］Fe-（Nb，Mo）-（Al，Ga）-（P，B，Si）　　1995［8］Nd-Fe-Al≈121995［9］Co-（Al，Ga）-（P，B，Si）　1996［10］Fe-（Co，Ni）-（Zr，Hf，Nb）-B≈6≈2001997［11］2　大块非晶合金的形成2．1　玻璃形成能力　　根据过冷液相区球状晶体的均匀形核和长大理论［12］，对于玻璃形成能力GFA来说，有三个因子起支配作用，即粘滞系数η，α因子和β因子，其中α＝（N0V）1／3σ／ΔΗ，β＝ΔS／R。式中N0为阿佛加德罗常数，V为特征体积，σ为固／液相界面能，ΔΗ为焓变，ΔS为熵变，R为气体常数。GFA随η、α和β的增大而增强。而η随Tg／Tm（Tg为玻璃转变温度，Tm为熔点），α和β随ΔTx＝Tx－Tg（其中Tx为晶化温度）的增大而增大。因此，得到强玻璃形成能力的主要因素有两个：（1）高Tg／Tm，（2）大ΔTx。从图1、图2的临界冷却速率Rc和最大厚度tmax与Tg／Tm和ΔTx的关系可以说明这一点。图1　非晶合金的玻璃化临界冷却速度Rc和最大厚度tmax与Tg／Tm的关系［16］图2　非晶合金的玻璃化临界冷却速度Rc和最大厚度tmax与ΔTx的关系［15］2.2　大块非晶合金的成分特征　　上面提到的具有强玻璃形成能力的多元合金系有以下三个共同特征：　　（1）合金系由三个以上组元组成。由热力学可知，增加合金中的组元数可以有效地提高熵变ΔS，进而提高均匀形核和长大的β因子的值，GFA也随之增强。另外，添加合金元素对合金的热稳定性也有影响。V、Ti、Hf、W、Mn等使ΔTx减小，Mo、Nb、Co、Cr等使ΔTx增大。因而适当添加Nb、Mo、Cr（一般小于6at％）等可以提高合金的玻璃形成能力［8］。　　（

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