物理
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种类的非晶合金 (又称金属玻璃) ,积累了非晶 合金材料在科学和工程方面的大量数据 ,非晶 合金在不少领域得到应用. 但由于非晶合金的 形成需要大于 106 K/ s 的冷却速率 ,使得形成的 合金呈很薄的条带或细丝状 ,因而限制了这类 材料的应用范围. 80 年代发展起来的机械合金 化 、固相反应等制备非晶合金的新方法虽有利 于人们对非晶合金形成机制的理解 ,但也没有 根本解决这一难题[3 ] . 几十年来寻求具有很强 非晶形成能力 、制出大块状非晶合金一直是非 晶物 理 领 域 内 科 学 家 们 追 求 的 目 标. Turn2 bull[4 ]根据经典形核理论提出了评估非晶形成 能力的方法 ,他采用玻璃转变温度 Tg 与合金 熔化温度 Tm 的比值 T rg = Tg/ Tm ,即约化的 玻璃转变温度来描述合金系的非晶形成能力. 如果 Trg > 2/ 3 ,合金在过冷液区的均匀形核速 率变得很低 ,非晶相形成所需的临界冷却速率 就会变得很低 ,从而可获得大块状非晶合金. 实 践证明 ,这个参数较好地表征了合金的非晶形 成能力 ,对寻找新的非晶合金系起到了指导作 用. 90 年代以来 , Inoue[5 ]等人开始系统研究一 系列 多 组 元 合 金 族 的 玻 璃 形 成 能 力 ( 简 称 GFA) . 他们采用金属模浇铸 ( metal mold cast2 ing) 方法系统评估合金转变成非晶合金的临界 冷却速率 ,从而获得了 La - Al - Ni - Cu ,Mg Y - Ni - Cu ,Zr - Al - Ni - Cu 等具有很强 GFA 的大块非晶合金体系 ,它们呈直径为 1 —10mm 的棒 、条状. 1993 年 ,Johnson 等人[6 ] 发现了迄 今为止非晶形成能力最好的 Zr - Ti - Cu Ni - Be 合金系. 它由常用金属元素组成 ,其形 成能力接近传统氧化物玻璃 ,非晶合金直径最 大达十多厘米 , 重达 20 多公斤 , 冷却速率在 1 K/ s 左右 ,大大低于非晶急冷法 106 K/ s 的冷 却速率. 其制备工艺简单 ,合金性能优异 (如高 强度 、抗腐 、延展性好等) ,具有很大应用潜力. 多组元大块非晶合金还具有热稳定性高 、过冷 液区很宽的特点 ,在基础研究方面也具有重要 意义. 因此在国际上引起了广泛的重视 ,被认为 是具有广泛应用前景的新型材料. 这类非晶合 金的发现也是对非晶物理研究的复兴. 下面介
关键词 大块非晶合金 ,非晶形成能力 ,物性 ,应用前景.
THE D ISCOVERY AND DEVELOPMENT OF NEW MUL TICOMPONENT BUL K AMORPHOUS ALLOY MATERIALS
Wang Weihua Wang Wenkui
( Instit ute of Physics , The Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 100080)
Key words bulk amorphous alloys ,glass forming ability ,physical properties ,application po2 t e ntialit y
人类很早就利用非晶态材料 ,如玻璃. 很多 生物体也是非晶材料或由非晶相组成. 但非晶 合金是 60 年代才发展起来的. 1958 年 , Turn2 bull 等人讨论确定了液态过冷到玻璃态的影 响 ,揭开了非晶合金研究 的 序 幕[1 ] . 1960 年 , Duwez 等人[2 ]采用熔体快速冷却的方法 (急冷 法) 首先制得 Au - Si 非晶合金. 非晶合金由于
获得不同成分均匀的柱状大块非晶合金 (直径 为 Φ = 10 —60mm ,长 100 —500mm) . 113 掺杂 、替换法
利用掺杂 、替换非晶合金中的某些组元的 方法 ,可在原非晶合金基础上获得热稳定性更 佳的 、强度更高的多组元非晶合金及大块纳米 晶合金[8 ] .
从以上制备大块非晶合金的 3 种方法来 看 ,其工艺很简单 ,与一般合金的制备方法相 近 ,而且所选用的金属元素为常悬浮熔炼得到铸锭. 这些铸锭
被粉碎装入石英玻璃管中 ,充入高纯 Ar 后封 装 ,在炉中使铸锭再熔化 ,混合均匀 ,然后水淬.
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27 卷 (1998 年) 7 期
绍新一代多组元新型大块非晶合金材料的制备 方法 、优异的物理性能 、热稳定性 、应用前景及 在基础研究方面的意义 ,并对这类大块非晶合 金的极强的非晶形成能力和形成机制进行探 讨 ,对这一研究领域的最新进展作较详细的介绍.
1 制备方法
111 金属模浇铸方法 图 1 是金属模浇铸法的示意图. 高纯度的
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其独特的无序结构 ,兼有一般金属和玻璃的特 性 ,因而具有独特优异的物理性能. 70 年代到 80 年代 ,非晶合金的研究在学术及应用上都是 非常活跃的领域 ,人们得到了很多不同体系和
3 1997 - 09 - 27 收到初稿 ,1997 - 10 - 27 修回 1) 燕山大学材料工程学院兼职教授
Abstract The formation ,physical properties ,application potential and scientific significance of new multicomponent amorphous alloy materials are described. The origin of t he excellent metallic glass forming ability of t hese amorphous alloys are explained. Latest research developments in t he field are introduced.
100 Hz 10 - 3 g0 ,不超过该标准时将允许存在. 日本以新的大推力 H - 2 火箭 ,于 1995 年
3 月 18 日 发 射 了 实 验 平 台 SFU ( space flyer unit) ,1996 年 1 月 13 日由美国航天飞机捕捉 , 1 月 20 日在肯尼迪空间中心回收 ,在 1997 年 3 月公布的“实验报告”[4 ]上 ,刊出了平台的微重 力测量数据. 日本认为 SFU 较美国航天飞机舱 内环境质量要好些. 实际上无人飞机平台一般 较载人的要好.
组元元素 (纯度为 99199at . %到 9919999at . % 的块状或粉末) 按所需要的原子成分配比 ,在高 真空下熔融 ,混合均匀. 再浇铸到用水冷却的铜 模内 ,即得到所需的形状的大块非晶合金. 在制 备的每一环节 ,精确测定样品的重量 ,样品的损 失少于 011 % ,因而实际合金的成分与配比成 分的差别可忽略不计. 这种方法可制备直径最 大达十多厘米 ,重达几十公斤的非晶合金[7 ] .
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Zr41 Ti14Cu1215Ni10 - x Be2215 C x ( x = 0 , 1) 合金的 DBC 曲线. 如图 3 所示 ,它们的 DSC 曲线在晶 化前都有一个很宽的吸热峰. Zr41 Ti14Cu1215Ni10 Be2215非晶合金的过冷度为 60 K ,掺碳的合金的 热稳定提高 ,过冷液区拓宽至 90 K. 有的合金系 如 Zr65Al715Ni10Cu1715的过冷液区高达 127 K. 在 过冷液区域内 ,其合金的液态结构性能基本不 变 ,但粘滞性已接近固态 ;
参考文献
[ 1 ] 胡文瑞 ,物理 ,25 (1996) ,453. [ 2 ] 林兰英 、柯俊 、马俊如主编 ,中国微重力科学与空间实
验 ———首届学术讨论会论文集 ,中国科学技术出版社 , (1988) . [ 3 ] 王景 涛 , 微 重 力 应 用 导 引 , 中 国 科 学 技 术 出 版 社 , (1988) . [ 4 ] 日本宇宙科学研究所 , SFU 实验报告 ,日本宇宙科学 研究所报告 ,特集第 35 号 , (1997) ,73.
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图 2 非晶合金的临界冷却速率与其约化 温度 T g/ T m 的比较图
新型大块非晶合金有如下特性 : (1) 至少有 3 个组元 (一般为 5 个) ,这些组 元都为普通金属元素. 但所有这些非晶合金都 可 表 示 为 伪 三 元 的 合 金 , 即 ETM1- x - y L T M xS M y ,其中 E T M 是前过渡族元素 ,如 Zr , Ti ,Nb , Y ,La , L TM 为后过渡族元素 , 如 Fe , Co ,Ni ,Cu , S M 是简单元素 ,如 Be ,Al ,Mg 等. 成分选择在其相图的深共晶点附近 ; (2) 这些组元之间具有较大的原子结构尺 寸差 ,其中 3 种主要组元的尺寸差大于 12 % ; (3) 组元之间具有负的混合热 ,其主要组元 之间具有较大的负混合热 ; (4) 具有很宽的过冷液区. 即 Δ T = Tx Tg 值很大. 图 3 是未掺碳的和掺有 1at . %碳的
新型多组元大块非晶合金材料的发现与研究进展 3
汪卫华 王文魁1)
(中国科学院物理研究所 ,北京 100080)
摘 要 叙述了新一代多组元新型大块非晶合金材料的制备方法 、优异的物理性能 、应用前景及 在基础研究方面的意义. 对这类大块非晶合金的极强的非晶形成能力的原因和形成机制进行了探讨. 对 这一研究领域的最新进展作了较详细的介绍.