熔体快淬法制备非晶、纳米晶
什么是纳米晶？非晶是如何制备的？
什么是纳米晶？非晶是如何制备的？
一、什幺是纳米晶？
首先要知道什幺是非晶。
金属在制备的过程中，从液态到固态是个自然冷却慢慢凝固的过程。
这个过程中原子会自行重新有规则的排列，这时形成的结构就是晶体，实际上是多晶的结构。
如果在它的凝固过程中，用一个超快的冷却速度冷却，这个时候原子在杂乱无序的状态，还来不及重新排列就会瞬间被冻结，这时候形成的结构就是非晶态。
纳米晶是在非晶态的基础上，通过特殊的热处理，让它形成晶核并长大，但要控制晶粒大小在纳米级别，不要形成完全的晶体，这时形成的结构就是纳米晶。
二、非晶是如何制备的？
非晶的制备过程原理非常简单，就是将母合金融化后，通过喷嘴包喷射在一个高速旋转的冷却辊上，瞬间冷却形成像纸一样薄薄的带子，但是整个工艺实现起来难度非常大，它有几个特点：
高温，液态合金的温度基本在1400℃~1500℃，瞬间凝固到接近室温，需要极高的冷却速度，冷却速度达到了每秒百万度的级别。
铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制
*电子科技大学青年科技基金重点项目铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制*李 强,梁迪飞,鄢 波,邓龙江(电子科技大学微电子与固体电子学院,成都610054) 摘要 通过自主开发的熔融快淬炉制备出了铁基非晶合金纤维,研究了制备工艺参数对纤维几何尺寸、微观形貌的影响,结果表明:转轮线速度、线圈功率(熔体温度)及气氛等对其微观形貌和几何尺寸的影响较大,通过调整优化工艺参数可稳定地制备直径为10～40μm 可调的非晶磁性纤维。
通过适当热处理可得到双相纳米晶磁性合金纤维。
关键词 铁基非晶合金 非晶合金纤维 熔融快淬The Fabrication of Fe -base Amorphous and Nanocrystalline Alloy MicrowiresLI Qiang ,LIANG Difei ,YAN Bo ,DENG Long jiang(Scho ol of M ic roelect ronic and Solid -state Electro nics ,U ES T C ,Chengdu 610054)A bstract T he microw ires o f Fe -base amo rphous alloy hav e been fabrica ted with the equipment deve loped byus.T he rela tionships between the fabrica tion pr ocess and micr owire dimensions ,mor pho log y have also been inv estiga -ted.A s a re sult ,the main facto r s im pact the micro wire dimensions ,mor pho log y are the w heel velocity ,pow er of the lo op (temperature o f the melting )and ambience.T he diameter s o f the micro wires could be within 10～40μm.By sub -sequent annealing ,nanocry stralline micr owire s can be obtained.Key words F e -ba se amo rpho us alloy ,amo rphous a llo y microw ir es ,melt quench0 前言自1988年Yoshizawa 等[1,2]首次报道具有优异软磁性能的Finemet 型F e 基合金以来,对非晶及纳米晶合金材料的研究和应用越来越广,但多为对粉体和薄带的研究,而对于非晶及纳米晶合金纤维的制备和特性的研究,特别是国内在这方面的研究则相对更少。
非晶合金材料的制备方法及应用现状
非晶合金材料的制备方法及应用现状非晶合金材料是一种新型材料，其在物理、化学、力学性能方面都具有很高的优势，得到了众多领域的广泛使用。
非晶合金材料制备方法在非晶合金材料的制备方法中，有两种常见的方法：快速冷却法和球磨法。
其中，快速冷却法又称为“淬火制备法”，还可以分为单轴淬火和多轴淬火。
单轴淬火主要是指将母合金液体经过一定的方法，使其在几秒钟到几分钟内直接冷却到玻璃态，从而制成非晶合金。
而多轴淬火是指在母合金液体中注入惰性气体，然后通过高压喷射使液体产生类似渦流的剧烈运动，带来极高的淬火冷却速度。
快速冷却法的主要优点是制备出非晶化程度高、硬度大、耐腐蚀性能好的非晶合金材料。
而球磨法是指将母合金粉末置于球磨机中，不断地对其进行磨削、摩擦，从而使得母合金粉末在高能状态下产生类似于溶解的小区域，然后再使其迅速冷却，形成非晶合金。
球磨法制备非晶合金的优点是可以制备出成分复杂、具有大量均匀的局部成分非均匀性和微观结构非均匀性的材料。
非晶合金材料的应用现状非晶合金材料具有很高的声学和热学性能，因此在制造声音、传热和发电设备的过程中应用十分广泛。
例如，在印刷机、粘胶机、轧钢机等机械加工设备中，可以利用微米级的非晶合金带传感器探测轴承的温度和振动情况，避免机械故障，提高机械加工的质量和效率。
此外，非晶合金材料还广泛应用于制造电容器、电感器、电动机和电子器件等领域。
在电力传输领域中，使用非晶合金带替代传统的铜线，可使电力损耗减少40%以上；而在信息技术领域中，使用非晶合金带制造的磁性存储器比传统硬盘具有更大的存储容量和更高的读写速度。
此外，在汽车和工程机械等领域，非晶合金材料还可以用于增加机械零件表面的硬度和耐磨性，提高耐腐蚀性，从而提高整个机械的使用寿命。
总体来说，非晶合金材料的制备方法和应用领域十分广泛，一定程度上解决了传统合金材料在力学、耐腐蚀等方面的局限性。
然而，非晶合金材料目前仍面临着高成本、生产效率低等问题，需要进一步发展和探寻制备方法及应用领域，以推进其在多领域的更广泛应用。
【doc】用非晶晶化法制备纳米晶材料
用非晶晶化法制备纳米晶材料3一钢铁研究钢铁研究Jo口lN^L幛嗍胂如髓l嚣啪V01.6,No.4Dec.1994用非晶晶化法制备纳米晶材料张传历李海'韩伟王海鹏徐世珍NANOCRYST^LUNEMATERIALSMANUFACTUREBYAMoRPH0USALLoYCRYSTALLIZA TIoNMETHoDSZhangChuanil,LiI-laibin.PLanWei,WangHeipeng.XuShhen■蔓纳米晶材料具有一般固体材料所没有的优异的力学和电磁特性.通常的纳.米晶材料为粉末,薄膜或细墼.固其尺度比较小,产业化比较困难.利用非晶晶化的方法可以1目I备纳米晶带材,丝材和粉末.倒如纳米晶磁性材料Fe—Nb—Cu—Si —B,纳米晶强度材料A1.N卜B—Fe等已用此法生产.其中纳米晶磁性材料已大量生产,达到实用规模.实验表明,非晶的成分,制备工艺以及随后晶化的方式都髟响纳米晶的形成和以后的使用性脆.关t调韭曼曼些矍堡兰丝盥]F,,^B哺L^CTN~nocrystallinematerialshaveoutstandingme~hani~alandelectro—ually? nanocrystallidematerialsare_山theformofpowders.filmsorFdamentswhicharetoingamorphousalloycrystallizationmethods, nanocrystallideribhon5.Fdamentsorpowderscanhaeasilyproduced-e.g.nonocrys- tallidemagneticmaterialsFe.bib.Cu.Si.Bandnanocrystallinestructuremsteri- alsAl—Ni—B—Feetc.havebeenproducedinthisway-inWhichthena~crystallide magneticanoyshabeenwidelyused.Thestudyresultsshowthatamorphousalloy composhidns,technologyandcrystaUizationmethodsalleffecttheformationof nanocrystallineandtheperformanceofapplication. KEYWORDSamorphousalloycrystallizationmethod.nanocrystalline,magnetic properties,mechanicalproperties引言纳米晶材料也叫超微晶材料,或叫纳米结构,纳米尺寸的晶态材料.它可由单相,多相晶体,准晶或者非晶相的纯金属,多元合金,金属间化合物,陶瓷或者复合材料组成,其晶体尺寸在一维尺度上为lnm到lOOnm数量级.由于晶体尺寸如此之小,因而材料特性发生质的变化,与一般的晶态材料相比,具有更好的延性,超塑性,强度,磁性和光电性[1].例如将原来脆性的陶瓷,金属间化合物变成纳米晶材料后就具有优良的塑性,可加工成实用的器件{原来具有.金属光泽的粉末,制成纳米微粉后成为黑体粉末,对电磁波具有明显的吸收能力.目前冶金部门已髓提供实用的纳米晶材料,例如纳米晶的隐身材料,超微晶软磁材料等.辗莩蕞譬靠鬻鲁蔫露鑫}5呈‰S.冶tee金l~部锕妖rc研h究Im总ti院tu~非,^M 中M心I)2纳米晶材料的特征纳米晶材料的形状有等轴晶体(三维),丝状,晶须(--维),层状或片状(一维).其相应的典型制造方法有气相凝聚,非晶加热,机械合金化(三维);化学气相沉积(--维){气相沉积,电沉积(一维).其他的翻造方法还有分子柬外延,液态快速凝固,离子柬,激光,反应溅射,可溶胶体等.由于纳米晶材料的晶粒非常小,非结构驰豫亚稳态的边界原子非常之多,稳定性常成为问题.有些纳米晶材料的平衡熔点低于600℃时,可以观察到室温或低于室温时晶粒在24h内成倍长大.还发现原子化学键的性质也影响晶体长大过程.对于多相纳米晶,第二相和杂质以及元素的互溶度都影响它们的稳定性.互溶度越小,晶体越不易长大.纳米晶材料的显微结构经透射电镜,场离子显微镜,示差热分析仪,俄歌谱仪等观察研究发现:④纳米晶体内部几乎没有空穴和位错{②有些纳米晶材料本体多孔,密度很低;③晶粒长大的驱动力很小{④材料中往往含有较多的杂质.气相沉积的金属杂质含量约5at～1Oat,含氧量约1at～4at.机械合金化也常带来相当多的杂质,这些都严重影响纳米晶材料的特性和一致性.由于纳米晶材料中含有比饲非常大的边界面积和原子,研究这些边界原子的交互作用,晶粒间交叉联结处(Y)的特性及晶粒长大的动力学过程对纳米晶材料特性的影响都有重要的作用.这些都需进一步深入研究.3用非晶晶化方法制备纳米晶材料1988年日本日立金属公司吉『尺克仁等[首先发明一种名为Finemet的纳米晶软磁材料,其高频磁性损耗远低于晶态冷轧硅钢片和铁基非晶合金,而与价昂的钴基非晶合金类似, 但它的饱和磁感应强度比钴基非晶合金高很多.一般非晶材料在晶化温度附近加热时,由于是亚稳态,晶化的激活能要求很小,故极易晶化和晶粒易长大而得不到细小和均匀分布的纳米晶体.因此需在铁基非晶中加入在铁中固溶度小的一类元素,形成具有高晶化温度的高金属含量的富相区,以阻止体心立方铁相的晶核长大.图1为本院研究的FeNbCuSiB纳米晶材鲁星50o量30:曼20j10孝Tmp盯^cll",℃圉1FeNbCuSm纳米晶材料磁性和晶化度与退火温度的关系Fig.1Therelationshipofmagneticproperties andcrystallizationde~'eeofFeNbCuSiB nsnocrystallinematerialsvs.annealiagtemperature锕铁研究料的磁性和晶化度与退火温度的关系. 图2为热处理工艺与磁性稳定性的关系.非晶铝合金粉(AI—Lj,AI—Mg, AI—L且等)由于具有高的强度重量比而受到航空工业的重视.我国采用真空旋喷法制得的AlLaYNj.和AILa:Y¨Fe非晶条带口的达到390～760MPa,HV为216～294 DPN.日本井上明久和增本健[研究了AI¨Y:Nit1._I]Fe(x45at).其非晶经热处理后析出fcc铝相徽细粒子.析出的钠米粒子尺寸为2～5nm,相互间隔7nm.它们在非晶基体中的体积百分数明显影响材料的性能.当其体积百分数在2O左右时,力学性能最佳(见图3).显然纳米晶的形成提高了原来非晶的强度和塑性,并比非晶AlB5La25Y25Ni,:Y2.sFe55 和Al昭Y2Ni(1o一)Fel(x≤5at)好.作者用熔体快淬法研究AInNi.B2Fe合金,不同的冷却辊转速可以得到不同的冷却速率,所得到的带材中纳米晶的尺寸和体积百分数也不同,图4为Al"Ni,B.Fe中晶化相尺寸与体积百分数的关系曲线.在非晶基础上存在纳米晶粒的AI基合金的强度,延伸率及硬度的变化见图5.由图可见,随晶粒百分数增加,合金的硬度I-IV增加而强度和延伸率下降.在体积百分数为22时具有最高强度550MP丑和1.15的延伸率.低于微晶AILaYNi(Fe)合金,而高于非晶AlLaYFe合金.{030quenched0_mvleSlowlyCooledsamDItO40801Temperat,,~e,℃图2热处理工艺对纳米晶材料磁性温度稳定性的髟响Fig.2Theeffectofheattreatmentmethod0n temperaturestabilityofnanocrystalllnematerials'magneticpropertiesFCCphM6vo1~me,图3铝基非晶基体上形成的纳米晶体积百分数对力学性能的髟响~--MnI口■一}AA-CoFig.3Theeffectofvolumepercentageofnanocrystaltine formed0nAI—basedamorphousalloys0nnmchonlcalproperties咖400.暑200025*******Crystallizatto~phaseumep~ccntage,%囤4晶化相晶粒尺寸随体积百分效的变化曲线F.4Thecllrveofthegrainsizecrystslli~tlonphase.volumepercentageV olumepero~ntageIV olumepercentageI匿5A1.|NBlFe.台盒拉仲强度,延伸率(a)及维氏硬度(b)随微晶晶粒体积百分效的变化Fig.5TherelationshipoftensilestrengthIpercentageelongation(a)andViclmmhardnessof AlB|NBlFeI~ltoyVS.nanocrystallinegrainvolumepercentage4纳米晶性能优于非晶的原因吉识等认为纳米晶软氆材料FesNbaCuSi.sB'在退火第1阶段中,形成高晶化温度的富铌铜区和低晶化温度的富铁区,前者由于含有较多的铌和铜,因而比原来的非晶相的饱和磁致仲绾系数要低I而在退火的第2阶段,在低晶化温度的富铁区形成体心立方铁一硅固溶体的纳米晶.由于铜(包括IB族元素和铂族贵金属如镓,铝,锌,锡,铷等)在铁中固溶度极小,在形成不同金属元素的富相区时妨碍体心立方铁一硅相晶核的长大.随后Koster 等进一步研究认为低晶化温度的富铜区的低形核激活能产生高的晶化形核率,是晶粒细化的主要原因.而富铁区形成的晶核比富铜区要步.晶核的长大速度由于铌的缓慢扩散和界面的钉扎作用而被控制.不管纳米晶粒子形成过程如何,在低的非晶基体上存在高度分散的均匀,微细晶粒,使氆畴细化,其晶粒尺寸等于或小于畴壁宽度,使局域各向异性减小.众所周知,磁性材料的导磁率∞砖/(K+asa),由于纳米晶的析出f起和置下降而使磁性改善.另外氆畴的细化降低反常损耗,改善动态磁性.纳米粒子是几乎不舍内部缺陷的完整晶体.在非晶相切变时,身暂米粒子有效阻碍位错的运42钢铁研究动,提高强度而纳米粒子本身为高韧性的体心立方铁相(FeNbCuSiB中)和面心立方铝相(AIYNiFe中),并具有相当的体积百分数(在FeNbCuSiB中为7O～8O%,在AIYNiFe中为2O),使整体韧性,塑性提高对于急冷的金属间化合物Ni.Al来说,在有序的y,相基体中分布着弥散的无序y相颗粒,阻碍位错从无序区经界面进入有序区,这样就比y,单相具有更高的高温强度和韧性.此外急冷材料也为复合材料提供了基础.5结论(1)利用加热非晶带材的晶化方法可以工业规模制取纳米晶材料.(2)制取非晶带材时的冷却速度和加热方法可以控制纳米晶形成的体积百分数和晶粒尺寸.(3)纳米晶体积百分数和晶粒尺寸影响纳米晶磁性材料的磁性及纳米晶强度材料的力学性能.(1994年1月收到謦改蔫)参考文献1SuryanatayanaC群.Met.Trans.A..1992,23Al10712Y oshinmYe/.J.App[.phys.,1988,64l60443ChaosanLine/.IstPacificRimInter.Cenf.onA.Mat.Proe.AhJci-~tct$,Jane.1992I234井上明九,增本量.金属,1991.(10)t62技术推广?高炉炉前铁沟喷粉脱硫新工艺NEWDESULPHURISINGTECHiNOLOGYOFSPRAYP0WDER TOIRONPOOLDURINGTOPABLASTFURNACE1内窖筒升:高炉炉前铁沟喷粉脱硫是在高炉出铁过程中,利用喷射冶金方法,将脱硫剂连续喷入铁水流中进行脱藏反应的新工艺.它采用表面喷吹,喷吹压力低,飞蘸小,喷枪无损耗.诫工艺具有沆程简单,投资少,见效快,不占用单独处理时间,不影响正常出铁作业,铁水温降低,脱硫反应温度高,脱藏效果好等优点.它适台作为高炉降低碱度操作的炉外铁水处理工艺,也可作为炉前处理号外铁及提高生铁质量等级的有效手段.2主要技术指标,喷吹罐压0.3MPat脱硫率>5O|吨铁消耗NaCOs5kg,石灰系粉剂l0kg.3设鲁:主要设备如喷吹罐,电子仪,喷射装置等均可在市场购置或用户自制.1年内完成设计,设备制造和安装调试.4市场馕测,奉工艺由于简便易行及脱硫效果好,适用于太,中,小各种高炉,特别是对由于原料波动,生铁质量变化较大的高炉,效果尤为显着.可预测,诫工艺具有广阔的应用前景.5投资夏效益配合1000m高炉的铁沟喷粉脱藏装置,投资约15万元.取得效益增产生铁5,节约焦炭5.处理号外铁,吨铁增收100元.有意者请与本刊绷辑部联系.。
非晶态物质的本质和特性
非晶态物质的本质和特性非晶态物质，又称无定形或非晶态，是物质存在的一种特殊状态。
与晶体物质相比，非晶态物质的内部结构无序且缺乏周期性，因此具有一系列独特的性质和特性。
本文将深入探讨非晶态物质的定义、特征、本质及应用，并展望其未来发展前景。
非晶态物质是指物质内部原子或分子排列不具备长程有序特点的状态。
这种状态下的物质具有以下特征：无序结构：非晶态物质的原子或分子排列呈无序状态，缺乏晶体物质的周期性和对称性。
物理性质各向同性：非晶态物质的物理性质在各个方向上基本相同，没有明显的方向性。
玻璃态转变：非晶态物质在受到高温或其他能量刺激时，会转化为晶态物质，即玻璃态转变。
非晶态物质的本质主要表现在以下几个方面：组成成分：非晶态物质可以是元素、化合物或混合物，但它们在原子尺度上缺乏长程有序的结构。
结构特点：非晶态物质的结构特点是原子或分子排列的无序性，这种无序结构使得非晶态物质不具备晶体物质的对称性和周期性。
物理性质：由于非晶态物质内部结构的无序性，其物理性质主要表现为各向同性，如密度、硬度、光学性质等。
非晶态物质因其独特的性质和特性，在许多领域都有广泛的应用。
以下是几个主要应用领域：科技领域：非晶态物质在科技领域的应用主要表现在材料科学、电子学和光学等方面。
例如，非晶态物质可以用来制造具有高度透光性和耐腐蚀性的玻璃，还可以作为电子设备的封装材料。
医学领域：非晶态物质在医学领域的应用主要涉及药物传递和组织工程。
利用非晶态物质制备的药物载体可以实现对药物的缓释和控释，从而达到更好的治疗效果。
同时，非晶态物质还可以作为组织工程的支架材料，帮助修复人体损伤的组织和器官。
材料领域：非晶态物质在材料领域的应用主要涉及催化剂、电池和传感器等。
例如，非晶态物质可以作为催化剂的有效成分，提高催化剂的活性和选择性。
还可以作为电池的电极材料，提高电池的能量密度和寿命。
随着科学技术的不断进步，非晶态物质的未来发展前景广阔。
以下是几个可能的方面：新材料的研发：随着人类对材料性能的要求不断提高，新型非晶态材料的需求也在不断增长。
非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用
非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用第一篇：非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用非晶纳米晶合金材料的工艺技术、产业化和应用自从1960年Duwez教授等人发明液态金属快淬技术制取Au-Si 非晶合金和1966年发明Fe-P-C 非晶软磁合金以来，美国、日本、德国、前苏联和中国等相继开展了非晶合金的研究工作，并在20世纪70~80年代形成非晶合金研究开发的第一次热潮。
由于非晶合金制备工艺简单独特、材料性能优异等显著优点，应用范围不断扩大，四十多年来一直是冶金和材料领域的研究热点之一。
尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基础上发明了纳米晶合金，从而开创了软磁材料的新纪元，大大促进了非晶材料制备设备、工艺技术的发展和材料开发应用，推动了非晶纳米晶产业的发展[1~3, 8]。
目前，利用快淬金属工艺技术制备的非晶材料已被广泛地应用于工业领域，除我们熟悉的磁性材料外，还有非晶钎焊材料、非晶催化材料、磁敏及传感器材料等；应用的材料形态有带材、丝材、粉末及薄膜等。
现代科学技术的发展，也大大促进了非晶纳米晶产业的发展，不仅提高了非晶合金制带设备和工艺技术水平，使其生产设备和技术更加自动化、现代化，保证了产品的质量，提高了产品的技术含量，从而满足现代电子技术发展的需要，而且也促进了新技术新材料研究、开发、应用[1~9]。
国外非晶纳米晶产业概况美国曾是世界上最大的非晶材料制造商，Honeywell公司Metglas业务部（前身为Allied Signal公司），是非晶材料制造技术的平板流技术专利所有者，年生产能力3万吨以上，实际年产1~2万吨，带材生产实现自动控制和自动卷取。
2003年被日本日立金属公司收购。
Honeywell公司Metglas业务部拥要两个独资工厂：美国Conway非晶金属制带厂和印度Gurgaon电子铁芯元件厂，两个合资公司：日本非晶质金属公司（NAMCO）和上海汉威非晶金属公司（SHZAM）。
熔体快淬法制备纳米晶材料
熔体快淬法制备纳米晶材料哎哟，我这老头子今天得说说咱们这熔体快淬法制备纳米晶材料。
说起来，这可是个高大上的玩意儿，但听我给你们讲讲，保证你们一听就明白，还带着那么点乐子。
咱们先得弄明白什么是熔体快淬。
简单点说，就是把熔融状态的金属迅速冷却，这样就能得到颗粒很小的纳米晶材料。
这就像你们做冰棍儿，放得快，冰棍儿就小，冻得快，冰棍儿就硬。
那时候我在实验室，我们那帮小伙子小姑娘们，一提到这熔体快淬，那眼睛都亮了。
那设备，一个比一个大，一个大比一个大，可别小看这些大家伙，它们可是我们制取纳米晶的宝贝。
有一次，我们实验室的一个小伙子，叫小王，他负责操作这台大设备。
小王长得人高马大，一脸的认真样，就像个认真做学问的科学家。
他告诉我，操作这台机器可讲究了，得小心翼翼，一点差错都不能出。
“刘老师，你看，这是熔融的金属，得慢慢倒进去。
”小王一边操作，一边对我说。
我仔细看着，只见他手法熟练，就像一个大厨在炒菜。
熔融的金属一倒进去，机器就开始快速冷却。
那金属在冷却过程中，就像一条小蛇，在机器里来回游动。
“这小蛇”游了一会儿，突然间，一道闪光划过，纳米晶就制成了。
小王一看，高兴地直拍手：“刘老师，成功了！”我心里也乐开了花，这是咱们团队辛勤劳动的成果啊。
咱们再说说这纳米晶材料。
这玩意儿小得不能再小了，只有几十纳米，相当于头发丝的万分之一。
但别看它小，它的性能可了不得。
比如，纳米晶的强度比普通金属要高，导电性好，还抗腐蚀。
这不，咱们国家的航空航天、军事、电子等领域，都需要这种纳米晶材料。
咱们实验室的成果，可都是为这些高科技领域服务的。
说回那小王，这小伙子不仅手艺好，还特别会与人沟通。
他告诉我，他们实验室的年轻人们，都特别喜欢这种充满挑战的工作。
“刘老师，你看，这纳米晶材料，就像我们的孩子一样。
”小王笑着说。
是啊，这纳米晶材料，凝聚了我们科研人员的心血和汗水，是我们智慧的结晶。
在这个充满挑战和机遇的时代，我们这些科研人员，就像那熔体快淬设备，努力将熔融的金属冷却，制备出高品质的纳米晶材料，为国家的发展贡献力量。
非晶合金的制备方法
非晶合金的制备方法集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]纳米非晶合金制备简介摘要:本文主要介绍了国内外几种非晶合金制备技术，其中包括水淬法、射流成型法、金属模铸造、复合爆炸焊接法及机械合金化法、粉末固结成形法等，并对各种制备技术的进行了比较分析。
关键词：块体金属玻璃块体金属玻璃的连接制备Introduction of the Preparation amorphous alloyAbstract：In this paper, Several fabricating methods of bulk metallic glass matrix composites from both home and abroad were presented，such as water quenching method, jet molding, metal mold casting, composite explosive welding and mechanical alloying, powder consolidation and forming method，than Analysis and comparing these preparation techniques bulk metallic glass.Key words: bulk metallic glass, joining of bulk metallic glass, preparation1.引言非晶态合金也称金属玻璃,与晶态合金相比，其三维空间的原子排列呈拓扑无序状，结构上没有晶界与堆垛层错等缺陷存在，但原子的排列也不像理想气体那样的完全无序。
非晶合金是以金属键作为其结构特征，虽然不存在长程有序，但在几个晶格常数范围内保持短程有序[1]。
与非晶聚合物及无机非晶材料一样,非晶合金在物理性能、化学性能及力学性能方面是各向同性的,并随着温度的变化呈现连续性[2]。
纳米晶软磁材料
纳米晶软磁材料这是一类新型的软磁材料。
通过熔体快淬法（轧辊法）制得的非晶态条带，如被加热到它们的晶化温度以上保持一段时间（这种热处理称为退火），非晶态条带就会开始晶化，内部组织从非晶态向晶态转变。
如果控制这种退火处理的温度和时间得当，就能控制条带内部的微观结构，使得已经晶化的晶粒尺寸控制在10～15nm的范围内，而且，这些晶粒在形态上是弥散地分布在残余的非晶相之中，这样就可以得到纳米晶材料。
例如，成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶态合金在550℃退火1小时后在最佳磁性能的状态下，内部包含三个相，一是体心立方结构的FeSi相，其成分为20%Si和80%Fe（原子百分比）；第二相是尚未晶化的残余非晶相，包含大约10%～15%的Nb和B，约占总体积的20%～30%；第三相是大大富集的Cu团簇。
少量铜和铌的加入是使这类纳米微晶成为优异软磁材料的关键。
它们都不溶解于体心立方结构的FeSi相。
但是，Cu原子团簇在退火早期的形成，使其成为FeSi晶粒的成核中心，促进了FeSi晶粒的成核。
Nb进入残余非晶相可以阻止FeSi晶粒的长大，同时可以在晶化过程中，抑制Fe2B 相的形成。
如果退火温度高于600℃Fe2B相就会首先形成，从而导致性能的全面恶化。
对于纳米晶合金，存在一交换耦合长度为L0=[A/K1]1/2。
这里，A是交换常数，K1是合金铁磁相的磁晶各向异性常数。
对于Fe-Cu-Nb-Si-B合金，L0=35nm。
当晶粒尺寸小于L0时，相邻晶粒中的磁矩将通过交换作用而趋于平行排列。
因此，局部各向异性应对交换耦合长度范围内所包含的晶粒数求平均，于是，材料的有效各向异性常数为〈K〉=K1(D/L0)6=K14D6/A3。
式中，D是纳米晶粒的尺寸。
对于20%Si-80%Fe的合金，K1=8×103J/m3，由上式算出，对于纳米微晶，平均各向异性常数〈K〉将比K1小大约三个数量级，只有0.5J/m3左右，因此可降低材料的矫顽力。
材料成型原理-6.4非晶准晶纳米晶微晶
深过冷（过冷度为90K）Al72Ni12Co16合金凝固形成的准晶
a-组织由等轴形态的准晶组成，黑斑是位于边界的孔洞； b-试样断口，显示一个十面体准晶单晶粒，箭头示生长方向（扫描电子显微镜），
显示沿十重轴方向优先生长； c-具有十重对称的斑点分布的电子衍射花样
大连理工大学材料学院本科生课程
材料成形原理
——液态成形原理
主讲教师：姚曼 教授 大连理工大学
材料科学与工程学院
6 凝固组织及其控制
6 凝固组织及其控制
6.1晶粒组织 6.2铸态宏观组织 6.3影响晶粒结构因素 6.4非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶← 6.5凝固组织控制 6.6熔焊金属的凝固
6.4 非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶
Shechtman因为这项研究获得 2011年诺贝尔化学奖
• 分析这种准晶界面的生长速度为10-2m/S 量级， 形成 时间为10-4s。
• 这种准晶是亚稳相。
– 在300°C加热6 h和350°C加热1 h未发现晶体化转变。 – 400°C加热1 h转变为稳定的Al6Mn晶体。
准晶结构有多种形式
6.5.2 准晶（quasicrystal）
• 准晶也称为准晶态（quasicrystalline state）， 是一种新的原子聚集状态的固体。介于晶体和液 体间的新有序相。
• 类似于晶态，它的衍射斑点与晶体一样明锐，呈 长范围取向有序（long-range orientational order）排列，但无平移周期性，不符合晶体的对 称条件。
• 非晶态和液态的结构较为相近，但有质的差别。
– 固体中分子只能在点阵的阵点附近振动。 – 而液体和气体中的分子则可以自由移动。
纳米晶金属软磁合金新材料1软磁材料从纯铁硅钢到坡莫合金等已有
纳米晶金属软磁合金新材料1坡莫合金等已有100多年的发展历史；近二十多年来先后发展起来的非晶态合金和纳米晶合金等新型软磁合金材料，发展为纳米晶态，从而把软磁合金新材料的研发与应用推向了一个新的高潮。
致力于研究同时具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗的软磁材料，谓之“二高一低”的“理想”软磁材料，但、小型、节能方向发展，既对软磁材料提出新的挑战，又给软磁材料提供了一个发展机遇。
正是在这种大背景情况下Fe基纳米晶软磁合金新材料，并命名新合金牌号为Finemet。
结构新颖、不同于晶态和非晶态，而且具有综合的优异软磁特性、即具有较高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等染等特点。
因而可以讲，Finemet合金的出现是软磁材料的一个突破性进展，它解决了人们长期努力研究而未能解决细化到1—20纳米（nm）、而饱和磁致伸缩系数和磁晶各向异性常数又同时趋于零的途径；（2）改变了以往各类软能与成本相矛盾的状况；首次实现了人们长期渴望追求的“二高一低”“理想”软磁材料的愿望。
史，从来没有一种甚至一类软磁材料能全面地或基本上满足软磁材料的全部技术要求。
而纳米晶软磁合金通过不同方求，并具有性能、工艺及成本等全方位的优势，因而它一问世，便获得了迅速发展与应用。
日立金属公司公布Finem 达5000万日元，并计划Finemet材料的年产量达600吨以上，广泛用于电子工业大量需求的磁性元器件。
德国真空熔炼itroperm纳米晶软磁合金牌号，据悉其年产量也在200吨级以上，广泛用作磁芯和磁性元器件。
代研发纳米晶软磁合金以来，发展很快，已在电力工业、电子工业、电力电子技术、计算机、通讯、仪器仪表及国防合金材料的年产量约为300吨；近几年市场需求增长很快，预计目前纳米晶软磁合金材料的年产量可达800吨左右，来，在如此短的时间内获得这样广泛的发展与应用是不多见的。
而纳米晶软磁合金除了具有急冷工艺技术发展的深刻是它具有生命力的标志。
纳米晶金属软磁合金材料作为功能材料，其产量或用量远不能与结构材料相比，但其发挥的产、应用纳米晶金属软磁合金材料，对发展我国高新技术产业、促进和提升传统产业、带动和支持相关产业的发展和纳米晶金属软磁合金新材料2具有优异的软磁特性：克仁等人，在研究降低Fe基非晶态合金磁致伸缩系数以提高其软磁性能时，发现了Finemet这种纳米晶新材料。
高性能非晶／纳米晶软磁材料及其制备技术
均匀，所制备的材料耐热性好、机械强度高、摩擦系 数低、耐磨性好。
【技术特点】制备工艺简单、无污染；所生产的 复合材料尺寸稳定性好、机械强度高、摩擦系数低、 耐磨性好。
【技术水平】已达到国际先进水平，主要技术指 标如下：
（1）弯曲强度：＞120MPa； （2）冲击强度：＞12KJ/m2； （3）摩擦系数：＜0.25； （4）磨损率：＜2.0×10-6mm3/(N•m)。 【可应用领域和范围】可在真空、辐射、高温等 特殊环境下，用作航空航天、化工机械、汽车家电等 领域的自润滑轴承、齿轮、压缩机的滑片等零部件。 【专利状态】已获得1项国家发明专利 【技术状态】已完成实验室小试，正在进行中试 研究。 【合作方式】技术开发 技术转让 【投入需求】投资规模根据实际的生产规模确 定，如设备投资约100万元，铺底流动资金50万元，则 投资利润率约30％。 【预期效益】预期经济效益显著 新型燃油（柴油、重油）消烟节能添加剂 【技术开发单位】海军后勤技术装备研究所 【技术简介】新型燃油（柴油、重油）消烟节能 添加剂是运用国际高新技术材料研发的新一代添加剂 产品，燃油加入千分之一量的该产品后，可有效溶解 胶质、清除燃烧系统积碳、通过催化燃油燃烧大幅提 高燃烧效率，显著提高动力、降低油耗和黑烟及其他 废气污染排放。 【技术特点】可对发动机供油系统和喷油器 表面形成胶质进行有效溶解清洗，清除率达80％以
【专利状态】已获得专利2项，申请专利1项。 【技术状态】小批量生产阶段 【合作方式】技术转让 股权投资 许可使用 合作 开发 【投入需求】产业化（1000吨）投资规模1000万 左右 【预期效益】预计赢利为1000万元/年
超耐磨自润滑复合材料
【技术开发单位】西北工业大学 【技术简介】首创了一种有机-无机纳米复合材料 的制备技术，操作工艺简单、无污染，纳米粒子分散
熔体快淬法制备非晶、纳米晶
熔体快淬法制备非晶、纳米晶一、实验目的1. 实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；2. 了解不同快淬速度对材料的组织的影响；3. 了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。
二、实验原理熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。
使制备的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。
金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。
熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。
而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。
应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。
目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。
熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼→浇注成锭→铸锭在带喷嘴的试管中再熔化→熔化喷射→高速旋转的冷却辊→固化→薄带和辊分离→收集带子→晶化退火（可省略）→破碎制粉→SPS烧结。
熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法。
本实验室用的是单辊快淬法，其原理如图1 所示。
铸锭在试管内被感应线圈加热熔化，然后通入氩气，使试管内外产生0.3～0.7个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带，再借助离心力抛离辊面。
如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间。
图2为快淬的薄带。
如果淬速更高，得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图3）。
实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的关键因素。
非晶合金的制备方法
纳米非晶合金制备简介摘要:本文主要介绍了国内外几种非晶合金制备技术，其中包括水淬法、射流成型法、金属模铸造、复合爆炸焊接法及机械合金化法、粉末固结成形法等，并对各种制备技术的进行了比较分析。
关键词：块体金属玻璃块体金属玻璃的连接制备Introduction of the Preparation amorphous alloyAbstract：In this paper, Several fabricating methods of bulk metallic glass matrix composites from both home and abroad were presented，such as water quenching method, jet molding, metal mold casting, composite explosive welding and mechanical alloying, powder consolidation and forming method，than Analysis and comparing these preparation techniques bulk metallic glass.Key words:bulk metallic glass, joining of bulk metallic glass, preparation1.引言非晶态合金也称金属玻璃,与晶态合金相比，其三维空间的原子排列呈拓扑无序状，结构上没有晶界与堆垛层错等缺陷存在，但原子的排列也不像理想气体那样的完全无序。
非晶合金是以金属键作为其结构特征，虽然不存在长程有序，但在几个晶格常数范围内保持短程有序[1]。
与非晶聚合物及无机非晶材料一样,非晶合金在物理性能、化学性能及力学性能方面是各向同性的,并随着温度的变化呈现连续性[2]。
通常其具有以下四个基本特征：（1）结构上呈拓扑密堆长程无序，但在长程无序的三维空间又无序的分布着短程有序的“晶态小集团”或“伪晶核”，其大小不超过几个晶格的范围；（2）不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷；（3）具有非晶体的一般特性：物理、化学和机械性能各向同性；（4）热力学上处于亚稳态，当处于晶化温度以上时将发生晶态结构相变，但晶化温度以下能长期稳定存在[3]。
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熔体快淬法制备非晶、纳米晶
一、实验目的
1. 实践粗晶材料如何制备成非晶、纳米晶材料；
2. 了解不同快淬速度对材料的组织的影响；
3. 了解材料从粗晶变成非晶或纳米晶对其性能的影响。
二、实验原理
熔体快淬就是在真空状态下，将熔融的金属或合金在一定的压力下，注射到高速旋转的水冷铜辊上，使其在极大的过泠度下凝固，获得具有超细结构的非平衡组织，由于这种方法具有极高的冷速，可使金属及合金的晶粒尺寸达到纳米级或得到非晶组织。
使制备的金属或合金具有与一般非平衡冷却完全不同的力学和物理性能。
金属或合金的晶粒尺寸随过冷度的增加而减小。
熔体快淬的冷速极高，可以使多种金属及合金形成纳米晶或非晶态。
而且，由于冷却铜辊的转速及液态金属及合金的喷射压力是可调的，所以冷却速度可以严格控制，从而达到控制金属或合金的晶粒度的目的。
应用熔体快淬制备纳米晶、非晶态金属及合金的工艺易于控制，而且可以实现批量生产，易于产业化。
目前，熔体快淬已经在稀土永磁材料、贮氢合金、Ni2MnGa磁性形状记忆合金、耐高温非晶钛基及钛锆基钎焊料、高强度非晶态结构材料等领域得到广泛的应用。
熔体快淬方法的典型工艺如下所示，母合金冶炼→浇注成锭→铸锭在带喷嘴的试管中再熔化→熔化喷射→高速旋转的冷却辊→固化→薄带和辊分离→收集带子→晶化退火（可省略）→破碎制粉→SPS烧结。
熔体快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法。
本实验室用的是单辊快淬法，其原理如图1 所示。
铸锭在试管内被感应线圈加热熔化，然后通入氩气，使试管内外产生0.3～0.7个大气压的压力差，使熔化合金从漏嘴喷出，到达快速旋转的辊面，迅速凝固，形成连续薄带，再借助离心力抛离辊面。
如此完成一次喷铸过程需要数秒到数十秒的时间。
图2为快淬的薄带。
如果淬速更高，得到的薄带将更碎且细小，其晶粒为纳米级（如图3）。
实验中，水冷铜辊的转速、液态金属的压力、液态金属的温度、石英管喷口的尺寸、形状以及喷口与铜辊的距离都是快淬工艺的关键因素。
图1 单辊快淬法制备NdFeB薄带图2 NdFeB薄带
图3 26m/s辊速快淬NdFeB薄带的TEM
快淬工艺的制定包括：
1 熔液温度
熔液温度升高，要得到同样厚度的快冷条带，冷却辊就必须吸收更多的热量，但是当冷却辊的结构一定时它的吸热能力也就是一定的，熔液温度是受到工艺操作的限制的，实际操作中要求熔融合金具有较好的流动性，也就是要求有一定的过热度，一般要求高于熔点100℃左右，熔液温度过低会因为流动性降低而改变熔潭形状使带变薄。
总的看，首先要考虑的是熔液的温度要能够保证喷制工艺的顺利进行，不至于因为温度的稍微下降而破坏正常的喷制过程。
2 冷却速度及冷却辊
作为冷却体的旋转辊是获得高冷却速度的主要条件。
其冷却速度表如表1：
要求制造冷却辊的材料具有高的热传导系数、有尽可能高的硬度、与合金熔液有好的润湿性、容易加工和保持辊面较高的表面光洁度等性能。
常用材料有纯铜、铜合金和钢。
随着喷制次数的增加或一次喷制量的加大，冷却辊的温度不断升高，为了保证工艺参数的稳定，必须控制冷却辊的温度，这就需要采取对冷却辊强迫冷却的措施，实际应用中大多采用水内冷的冷却方式。
冷却辊表面在喷制带的过程中会不断被站污、损伤，造成成品条带上无规则的或周期性的孔洞等缺陷，影响带的质量，甚至成为废品。
因此经常清理、修整使冷却辊表面光滑是非常必要的。
3 坩埚和喷嘴
试验研究和小量制备样品时采用坩埚和喷嘴—体的结构，常用熔融石英管制成。
石英透明因而便于直接观察合金熔化情况，它有良好的耐急冷急热性能，与大多数合金无作用或无明显作用，尺寸小的加工制作较为灵活方便。
4 试管的管嘴形状
要得到一定几何尺寸的快冷条带，一个基本条件是喷嘴有合理的形状、精确的尺寸和至少要保证在一次喷制过程中不变形。
合金细丝和小于3mm的窄带应采用圆孔形喷嘴喷制，
3mm以上的带一般使用矩形狭缝喷嘴。
本实验采用圆孔形。
喷嘴应该表面平整光滑，尺寸精确。
喷嘴直径不能过小，否则会因为不易控制熔液流的连续稳定，造成熔潭的不稳定，从而使得到的快冷条带在几何形状和尺寸出现缺陷。
如果直径过大，则往往由于熔液的重力而发生“自流”现象，导致喷制失败。
本次实验对铜锌合金进行快淬工艺制定，并进行实际操作，通过两组快淬速度的对比（6 m/s和40 m/s）系统地观察不同淬速下其晶粒的大小（纳米晶或非晶）。
三、实验设备
1、熔体快淬炉
2、石英管
3、铜锌合金
4、真空泵（机械泵、罗茨泵、扩散泵）
四、实验描述
1、将铜锌合金放入底部开口的石英管中，孔的大小要与所熔化的合金相匹配，若孔隙太小，则熔融金属在喷出的过程中容易堵住；若空隙过大，由于重力的作用会形成液滴，自动下落，导致成品的组织结构发生变化。
2、密闭熔体快淬炉，依次开启机械泵、罗茨泵、扩散泵，进行抽真空处理。
注意在此过程中各个阀门的开启顺序。
3、向炉中冲入高纯氩气，并保持喷嘴部分与炉腔内有一定的压强差。
本次实验中，喷嘴部分的压强要比炉中高约0.7个大气压，其目的是利用压强差使熔融金属从空隙中喷出。
4、利用电磁感应原理加热石英管中的金属，属于二次熔化的过程，要注意对加热温度的控制，温度低使液态金属的流动性差；温度过高会导致挥发，并容易产生偏析。
5、当加热到适当温度时，选定好喷铸速度后，开始喷铸。
6、喷铸完成后，打开炉盖，取出薄带。
7、选定另一个转速，重复上述操作。
四、实验体会
本次实验通过快淬处理制备非晶、纳米晶材料，通过对快淬速度的控制，制备出不同的铜锌合金薄带。
纳米晶或非晶态具有与普通合金不同的微观组织，也具有普通合金不同的物理、化学性质。
下图为本次实验所制得的两种薄带的样品形貌，在低转速下，薄带比高转速下要宽大，其微观组织也有所不同。
图1 6m/s（低转速）样品形貌图2 40m/s（高转速）样品形貌。