大块非晶材料的性能及其应用

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大块非晶材料的性能及其应用

陶平均, 杨元政

(广东工业大学材料与能源学院, 广东广州510075)

摘要:介绍大块非晶合金的性能及其应用, 简单介绍了熔体水淬法、。关键词:大块非晶合金; 性能; 应用; 制备

中图分类号:TG139. 8　　文献标识码:A　　文章编号-03

of bulk amorphous alloy

T AO Ping 2jun ,Y ANG Y uan 2zheng

(Material and E nergy College , G u angdong U niversity of T echnology , G u angzhou 510075, China)

Abstract :Properties and application of bulk am orphous alloys have been discussed in detail. S ome preparation methods are briefly introduced at the same time.

K ey w ords :bulk am orphous alloy ;properties ;application ;preparation

　　随着人类认识的发展和技术的进步, 从20世纪50年代涌现了若干新型非晶态材料, 包括非晶合金、

良的软磁和硬磁性能, 低场下较高的磁致伸缩特性以及优异的催化性能等。许多非晶态合金还可以用来作电阻材料, 恒弹性材料, 恒热膨胀材料, 超导材料, 储氢材料及光学系统中的电源材料等。大块非晶材料的出现显示了亚稳材料的潜在应用价值。1. 1　优异的力学性能及其应用

非晶半导体、非晶超导体、非晶离子导体和有机高分子玻璃等。其中非晶合金中原子的混乱排列情况类似于玻璃, 故又称为金属玻璃。金属玻璃可由多种工艺制备, 所有工艺都涉及将合金从液态或气态快速凝固, 凝固过程非常快以致将原子的液体组态冻结下来

[123]

由于非晶态合金中原子间的键合比一般的晶态合金中的强得多, 而且合金中不会因为位错的运动而产生滑移, 因此某些材料具有极高的强度。铁基和锆基块金属玻璃具有比较高的硬度和强度, 特别是金属玻璃复合后, 强度又有新的提高。如:锆基金属玻璃用钨丝束复合后, 压缩断裂强度高达3500N Πmm ～4000N Πmm 。而未复合的锆基金属玻璃为1800N Πmm ～2000N Πmm 。随着应变速率的增加,

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。它们在热力学上处于亚稳状态, 在晶化

温度以上即可克服一定大小的能垒而转变成晶态。

非晶合金具有独特的无序结构, 兼有一般金属和玻璃的特性, 因而具有独特的物理、化学和力学性能。大块非晶材料因其尺寸较大, 使得非晶合金许多优异的特性充分发挥出来, 因此成为十分诱人的研究领域。本文介绍大块非晶合金的研究及其应用, 以期为进一步的深入研究提供依据。

金属玻璃的动态断裂韧性大幅度提高, 常规的晶态材料则几乎随应变速率增加而断裂韧性降低, 块状非晶合金这种特殊的力学性能使其更适用做弹道飞行爆炸材料

[4]

1　大块非晶材料的性能及其应用

非晶合金具有优良的光电和磁性能, 极好的加工性能, 超强的抗腐蚀性, 良好的耐磨性, 特别是优

。由于其有很高的强度和优良的韧

[4]

性, 故亦是制作高尔夫球杆击球部的理想材料。

　　收稿日期:2005-07-06　　第一作者简介:陶平均(1978-) , 男, 贵州天柱人, 硕士研究生。研究方向为新型纳米及非晶功能材料。

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块状金属玻璃在受拉力或应力作用时将发生剪切断裂, 这种断裂是由切应力引起的, 其断裂面在最大应力作用面内与最大主应力方向成45°。这种特殊的断裂行为, 有益于特殊的使用环境。如果把金属玻璃作为冲击贯穿材料, 其前端撞击阻挡面时不会发生钝化, 即使部分断裂, 也会形成锐利的端部继续贯穿, 即所谓的“自锐性”。金属玻璃及其复合材料的这种特性可用于制作穿甲弹芯。在未来战争中超强金属玻璃穿甲弹将代替贫铀弹, 成为打击敌人地面坦克, 击毁地下堡垒的重要武器。

块状金属玻璃有特异的变形行为。例如:La2Ni 、Z r 2Al 2Ni 2Cu 、Pd 2Ni 2Cu 2P [5]

2　大块非晶材料的制备工艺

用快速凝固(冷却速度在105K Πs 以上) 可以很

[6,9]

方便地制备非晶粉末或小尺寸的非晶材料, 而对大块非晶材料的制备, 冷却速度将受到限制。目前绝大多数大块非晶材料的制备都是在熔体冷却速度小于103K Πs 的快速凝固的条件下进行的。下面介法2. , 形成具有一定形状和尺寸的块体材料。母合金熔化可以采用感应加热法或电弧熔炼方法。应用此方法的难题是合金熔体在铜模中快速凝固后出现的样品表面收缩现象, 造成与模具内腔形成间隙, 导致样品冷却速率下降或者样品表面不够光滑。2. 2　粉末冶金技术

粉末冶金技术就是把非晶态粉末装入模具进行一定的工艺成型, 如温挤压、动力压突、粉末轧制、压制烧结等技术。用粉末冶金制备出的块体非晶合金, 不仅要密实, 而且要避免晶化。其基本原理是利用非晶态固体在过冷液相区△T x 内有效黏度大幅度下降的特性, 施加一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块体。但所制备的块体材料在纯度、致密度、尺寸和成形等方面受到很大限制。2. 3　熔体水淬法

选择合适成分的合金放在石英管中, 在真空(或保护气氛) 中使母合金加热熔化, 然后进行水淬, 所得的非晶合金棒材表面光亮, 有金属光泽。此方法操作简单, 但有一定的局限性, 对于那些与石英管壁有强烈反应的合金熔体不宜采用此方法。如Mg 2Cu 2Y 非晶合金就不能用水淬法制备。另外, 熔体冷却

区ΔT x 分别为70K 、85K 和过冷区ΔT x 是金属玻璃的禀性。过冷液相有一种独特的短程有序原子态, 高密度的无序排列和较低的扩展能力, 对晶化有很强的阻力。在过冷液相区中, 金属玻璃的粘度已大幅度降低, 因此具有很高的应变速率敏感指数(约1. 0) 和理想的Newtonian 流变行为, 可以通过理想的超塑性流来进

行加工变形。因此, 可以制备出锆基金属玻璃齿轮和机芯零件, 外形光滑, 尺寸精确, 还可以用于制造精密光学机械部件。1. 2　金属玻璃的磁性及其应用

[6]

有些大体积金属玻璃由于具有较宽的过冷液区(ΔT x 达45K 以上) , 因此具有很好的稳定性, 例如:Fe 72Al 5G a 2P 11B 4C 6非晶

[7]

, 磁饱和强度为1. 07T , 矫

顽力为12. 7A Πm , 剩余磁化强度为0. 39T , 导磁率3600。由于铁基非晶态合金具有高饱和磁感应强度

和低损耗的特点, 现代工业多用它制造配电变压器, 非晶态铁芯的空载损耗与硅钢铁芯的空载损耗相比降低60%～80%, 具有显著的节能效果。非晶态铁芯还广泛应用于在各种高频功率器件和传感器件上, 用非晶态合金铁芯变压器制造的高频逆受焊机, 大大提高了电源工作效率。

近来的研究还发现

[8]

效率不如铜模的高。现在有人

[10]

用B 2O 3熔渣包覆

,Nd 90-X Fe X Al 10大体积非晶

具有硬磁性能。铁的含量为20%～30%, 则室温最大的磁能级别为8k J Πm ～19k J Πm , 剩磁为0. 09T ～0. 122T , 矫顽力为262kA Πm ～277kA Πm 。Nd 70Fe 20Al 10合金的居里温度为600K, 远高于Nd 100-X Fe X (X =40%～55%) 二元非晶态合金480K 的居里温度。

合金水淬法制备了直径为6mm , 长度为50mm 的

NdFeAl 块体非晶材料, 其临界冷却速率仅为0. 55K Πs 。该方法的特点是融渣包覆在合金的四周, 可以避免在加热时由于真空度的不足而造成的氧化, 加热时即使石英管破裂, 黏稠的融渣也可以将合金熔体与大气隔离, 避免氧化。另外熔渣可以吸附异质形核质点, 起到净化的作用。目前, Pd 2Ca 2P 合金经过熔体净化处理水淬得到的非晶最大尺寸为72mm 。2. 4　压铸法

另外, 由于大体积非晶化获得的纳米晶铁基合金也表现出优良的磁性能。

制备样品的母合金熔化后, 在一定的压力和速

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[10]

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度下将合金熔体压入金属模型内腔, 该方法的特点是液态金属填充好, 可以直接做较复杂形状的大尺寸金属玻璃器件。但这种工艺较前几种方法难度大些, 技术较为复杂。2. 5　非晶条带直接复合爆炸焊接是一种崭新的工艺, 在工程领域得到广泛应用。基本原理:在地面基础上的多层金属板以一定的间隙、距离支持起来, 当均匀放在复板上的炸药被地雷管引爆后, 爆炸波将一部分能量传给复板, 由于基板和复板的高速、高压和瞬时的撞击, 在它们的接触面发生许多物理和化学变化过程, 们焊接在一起, , , 界, 在界面形成105～108K Πs 的降温速率, 同时整体升温也很低, 能保证其非

体。原理上, 固态反应可以制备出任意尺寸、形状的

非晶合金块, 但并不是任何一种合金都可以制成非晶体合金块, 有些是不易制备且生产的效率有待进一步提高, 对二元或三元合金中原子的扩散, 非晶体的形核和生长的机理也有待进一步的研究。2. 9　从液相中直接制取

方法。如:, g ; , , 导致自由体积减小, , 从技术上抑制非均匀形核等。目前已成功制备出10mm ×12mm ×30mm 的Z rAlNiPd 合金棒材。为了从液相中直接制取块体非晶合金, 要求玻璃形成能力很强(较低的临界速率) , 在这种制取方式中, 一个重要的方面就是必须合理选择合金的组元系统, 组元系统的选择相当复杂, 如何高效地选择合金组元尚有待深入研究。

晶态。目前, 爆炸焊接技术用于制备非晶合金块及涂层已引起世界各国学者的重视。2. 6　定向凝固铸造法

这种方法要控制定向凝固速率和固Π液界面前沿液相温度梯度, 定向凝固所能达到的理论冷却速度R c 可以通过两个参数乘积估算, 即R c =G V , 可见温度梯度G 越大, 定向凝固速率V 越快, 冷却速率R c 则越大, 可以制备的非晶的截面尺寸也越大, 这种方法适于制作截面积不大但比较长的样品。2. 7　磁悬浮熔炼铜模冷却法

熔体与坩埚无接触或软接触。熔体温度可以通过非接触方式测量。熔体在合适温度喷吹到下部铜模中。该方法的优点是熔体不与坩埚壁接触或软接触, 避免了淬态异质形核, 有利于金属玻璃形成。不足之处在于受到悬浮能力的限制, 只能制备出比较小的样品。2. 8　固态反应

固态反应制备块体非晶的方法是利用扩散反应动力对固态晶体进行各种无序化操作, 使之演变为非晶相, 从而实现由固态晶体直接转化为固态非晶

3　结束语

大块非晶具有很宽的过冷液相区和很强的非晶形成能力, 能在较低冷却速度下获得, 制备的工艺较简单。尽管近年来对其成分、成形工艺等进行了一系列研究, 但总的来说对大块非晶形成本质的认识还很有限。与成熟的晶态物理相比, 它仍处在发展初期, 不论是在基础理论, 还是微观结构和宏观性能研究方面, 还有大量的问题有待解决。

以凝聚态物理、量子化学、化学键理论和现有材料科学及工程的进展和数据为基础, 计算机辅助非晶合金成分设计, 用以降低合金临界冷却速率, 寻求具有极大玻璃形成能力的大块非晶合金系, 是今后研究的方向。

大块非晶合金已从试验室走向应用, 在磁性方面的应用是非晶合金的最主要的应用领域, 在机械和化学等方面的应用远未达到预期效果, 还有待进一步拓宽大块非晶的应用领域。

参考文献:

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轻金属分会第五次会员代表大会暨《轻合金加工技术》编委会工作会议

于2005年11月6日在福建省武夷山市召开

中国有色金属加工工业协会轻金属分会第五次会员代表大会暨《轻合金加工技术》编委会工作会议于2005年11月6日在福建省武夷山市召开。中国有色金属加工工业协会常务副理事长兼秘书长萧今声同志应邀出席了会议并讲话。

会议由轻金属分会常务副理事长、。天津有色金属集团有限公司总经理、天津有色金属行业协会会长高禄同志致开幕词四届理事会理事长、促进铝加工业的发展》的工作报告。、东轻公司副总工程师陈兆义同志出席了会议。《轻合, 金加工技术》。大会选举了轻金属分会第五届理事会理事。随后召开理事长、秘书长和副秘书长, 钟利同志连任轻金属分会第五届理事会理事长。

, 一致认为理事长钟利同志所做的工作报告, 对分会第四届理事会的工作总结是认真的、实事求是的。与会代表充分肯定了轻分会的工作和《轻合金加工技术》的进步, 会议一致通过了理事长钟利同志所作的工作报告。会议开得圆满成功, 达到了预期目的。(上接第47页)

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tensile strength produced by a high 2pressure die casting method[J].Mater T rans J I M. 1992, (33) :937.

加拿大铝业公司对欧洲业务重组

　　加拿大铝业公司称, 正在对其在欧洲地区的9个厂进行重组与调整, 缩减4个厂的产量与业务:意大利拉芬轧制帮(Laffon ) , 捷克共和国科宁厂(K olin ) , 法国弗罗格药品包装品厂(Froges Pharmaceutical W orkshop ) , 瑞士加铝黎士物流系统(AMTS ) 。拟出售两个部门:法国麦库(Mercus ) 铝厂与弗罗格铝厂的高纯铝生产线。关闭3个厂:比利时弗莱梅尔厂(Flemalle ) , 法国柯卢塞尔(Cruseilles ) 厂与意大利的加巴纳特(G arbagnate ) 厂。

加铝公司现在欧洲有46000名员工, 拟裁减520名, 并新招40名。已决定对法国伊苏尔(Iss oire ) 轧制厂投资2200万欧元, 使其航空厚板产量提高10%, 这是一类高附加值产品, 同时市场需求增长率高。

(王祝堂)

凯撒铝及化学公司向空中客车飞机公司长期供应板材

　　美国凯撒铝业公司2005年5月份与欧洲空客飞机公司(Airbus ) 签署了一个长期(200522011年) 供货合同。凯撒铝业公司(K aiser Aluminium ) 在此期间向空客公司供应其所需的制造航空航天器用的铝合金薄板及厚板。

(王祝堂)