非晶合金的发展与应用

非晶合金的发展与应用

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目录 2

一、非晶合金简介 2

二、非晶合金的发展历史 2

三、非晶形成的控制因素 3

3.1 非晶形成的热力学因素 3

3.2非晶形成的动力学因素3

3.3非晶形成的结构学因素3

四、大块非晶合金制备方法 3

4.1液相急冷法 3

4.2气相沉积法 4

4.3化学溶液反应法 4

4.4固相反应法 4

五、非晶合金制备工艺技术 4

5.1铜模吸铸法 5

5.2粉末冶金技术5

5.3熔体水淬法 5

5.4压铸法 5

5.5非晶条带直接复合爆炸焊接5

5.6定向凝固铸造法 5

5.7磁悬浮熔炼铜模冷却法5

5.8固态反应5

六、非晶合金性能 6

6.1大块非晶合金的机械性能 6

6.2非晶合金优秀的耐蚀性6

七、非晶合金应用实例 6

八、参考文献7

一、非晶合金简介

非晶态合金又称金属玻璃，具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征。固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。与晶态合金相比，非晶合金具备许多优异性能，如高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等。块体非晶合金材

料的迅速发展，为材料科研工作者和工业界研究开发高性能的功能材料和结构材料提供了十分重要的机会和巨大的开拓空间。

二、非晶合金的发展历史

1959年，美国加州理工大学Duwez在研究晶体结构和化合价完全不同的两个元素能否形成固溶体时，偶然发现了Au70-Si30 非晶合金。1969年陈鹤寿等将含有贵金属元素Pd的具有较高非晶形成能力的合金(Pd-Au-Si,Pd-Ag-Si等)，通过B2O3反复除杂精炼，得到了直径1mm的球状非晶合金样品。1989年日木东北大学的Inoue等通过水淬法和铜模铸造法制备出毫米级的La-AI-Ni大块非晶合金，随后Zr基非晶合金体系也相继问世。20世纪90年代以来，人们在大块非晶合金制备方而取得了突破性进展。Inoue等成功地制备了Mg-Y-(Cu, Ni), La-AI-Ni-Cu, Zr-AI-Ni-Cu等非晶形成能力很高，直径为1一10 mm的棒，条状大块非晶态合金。Johnson等也发现了非晶形成能力比较好的Zr-Ti-Ni-Cu-Be合金体系。目前，合金材料体系有La基、 Zr基、已开发出的块体非晶Mg基、 Al基、Ti基、 Pd基、 Fe基、Cu 基、Ce基等。

1970年在前南斯拉夫的布莱拉召开了第一届国际快淬金属会议(RQI ) ，1975年在关国的坎布里奇召开了第二届国际快淬金属会议(RQII)，此后每隔3年就定期举办一次国际快淬金属会议。1975年关国Allied Corporation开始生产Metglas 2826，其软磁性能比Permalloy 好;1978年示范推广采用Meglas磁芯的节能变压器;1979年利用平断而流铸技术专利生产宽金属玻璃带;1980年在关国帕西潘尼建设投资1千万关元的工厂，生产Metglas合金。此后，国际快淬金属会议虽然从未间断，但是，非晶合金的应用却止步于软磁材料，在其它方而一直没有取得进展，会议的关注度慢慢冷了下来，2005年8月在韩国举办了第十二届会议(RQ 12)。

特别是Johnson教授用他们发现的Vitreloy合金制造了第一件非屏，高尔夫球杆，引起了人们对大块非屏，合金作为结构材料的极大兴趣和期望。2000年9月在新加坡举办了首届大块非屏，合金国际研讨会(International conference on bulk metallic glasses)，此后，每隔1. 5年定期举行，人们的关注度也越来越高。2002年3月在中国台湾，2004年10月在中国北京，2005年5月在美国田纳西州，已经举办了4届会议。2006年10月在日本淡路岛举办第五届大块非屏，合金国际研讨会。

半个世纪以来，非晶合金已经从当初被嘲笑为“愚蠢的合金”，发展成为今天航天、航空等高技术和高档手表、手机、手提电脑等时尚品争相选用的时尚材料。作为兼有玻璃、金属，固体和液体特性的新型金属材料，非晶合金是金属材料很多记录的“保持者”:比如，非晶合金是迄今为止发现的最强的金属材料和最软的金属材料之一(最强的Co基非晶合金的强度高达到创纪录的6.0 GPa最软的Sr基非晶合金的强度低至300 MPa);非晶合金还是迄今为止发现的最强的穿甲材料，最容易加工成型的金属材料，最耐蚀的金属材料，最理想的微、纳米加工材料之一;非晶合金还具有很宽的成分调制范围、具有过冷液相区(软化区)、遗传、记忆、软磁、大磁熵和蓄冷效应等独特性能。

三、非晶形成的控制因素

3.1 非晶形成的热力学因素

在热力学上，非晶态是一种亚稳态，在相同温度下其对应的自由能既高于平衡条件下的非晶态相，也高于非平衡过程的其他所有亚稳相.因为任何其他亚稳相的形成都比非晶态相更依赖于原子扩散和重排。

3.2非晶形成的动力学因素

从动力学的观点来看，讨论非晶态合金形成的关键问题，不是材料从液态冷却时是否会形成非晶，而是讨论在什么条件下，能使液态金属冷却到非晶态转变温度以下而不发生明显的结晶，或不发生可察觉到的结晶。从液态到固态的快速冷却过程中，如果抑制了结晶过程

的形核与长大，就可以形成非晶。

3.3非晶形成的结构学因素

基于1988年以来所发现的具有大GFA的多组元合金体系，Inoue等人提出了合金获得大的GFA的三条经验原则:(1)多于三种组元的多组元体系;(2)基本组元之间有大于12%的原子尺寸差;(3)基本组元之间有较大的负混合热在三元合金中组成元素的原r尺寸可以分为三组:大，中，小大的原子尺寸差及负的混合热可以增加深过冷熔体的随机堆跺密度，从而得到高的液固界而能，并增加原子重新排列的困难程度在块状非晶合金中形成高度随机密堆结构己经得到了证实。

四、大块非晶合金制备方法

非晶态金属属于非平衡状态，按常规的金属材料制作方法难以得到，必须采取特殊技术，使晶核的形成及长大得到抑制才行。目前制备非晶态金属有许多方法，大体上可以分为四大类:液相急冷法、气相凝聚法、溶液化学反应法和固相反应法。起初以液相急冷法为主流，1975年以后用气相法做非晶态金属薄膜的研究非常活跃。自1983年以来，固相反应法被作为非晶态金属制作的新方法开始受到关注，发展很快.充分利用各种方法的长、短处可使非晶态金属得到多方面应用。

4.1液相急冷法

此方法是将金属加热熔化，然后采取各种方法让液态金属快速冷却凝固，形成非晶态金属。该方法在非晶态金属制作中用得最广泛、最频繁，目前得到应用的非晶态金属几乎都是由此制成的。此方法的种类很多，用不同的急冷法得到的非晶态金属的形态、性质都有很大不同。

4.2气相沉积法

气相沉积法是通过加热、溅射等各种手段使金属先变成原子、分子、离子或原子团状态，然后沉积到基板上，形成非晶态金属。此法是从制作非品态金属磁性薄膜而发展起来的.目前在制造薄膜、超微粉、多层膜以及人造晶格膜时经常运用气相沉积法。此法大体上可以分成两大类:一类是物理气相沉积法，包括真空蒸镀法、溅射法、离子束法、ICB(Iion cluster beam)法等;另一类是化学气相沉积法，包括热CVD法、光CVD法和等离子体CVD法。

气相沉积法中，一个非常重要的因素是飞往基板的粒子运动能量和基板周围的真空度。真空蒸镀法虽有基板温度不升高、堆积速度快、装置结构简单、调节方便等优点，但是粒子运动能量低，仅有0,01-1eV左右，必须将基板温度降到很低才行。另外，形成的膜与基板接合强度低，所以在非晶态金属制作中用得不多。溅射法虽然膜的形成机构复杂，难以控制，基板温度上升显著，但是粒子能量在为数lOeV，很适合做非晶态金属，而且膜与基板接合牢，成分控制也比真空镀膜好，是制取非晶态金属薄膜的主要方法。用溅射法能使一些用液相急冷法不能非晶态化的合金非晶态化，如Fe-Mo, Fe-La, Fe-Cu-Ag等合金系。溅射法的主要缺点:一是粒子能量难以控制，基板温度上升快;二是真空度低,Ar等杂质易混入试料中。用此法获得的非晶态金属的性能与液相急冷法获得的非晶态金属相差很大.最近离子束法的研究很受重视。此真空度高，能避免Ar等气体元素混入，离子束也容易控制，可以在很宽的成份范围内制取很干净、性能很好的非晶态薄膜;不足处是膜形成速度太慢。

4.3化学溶液反应法

化学溶液反应法有两种:一是电解镀膜法，二是无电解镀膜法。前者是早已为人们所知的非晶态金属薄膜制作法，是通过加入电流使金属离子直接还原析出在电极上，其最大特点是能简单、大面积形成非晶态金属薄膜。此法最近又开始重新引人注目，即在材料的防腐等领域得到了应用。因为此法是在溶液中靠电极反应而生成膜，所以控制溶液的种类、温度、电解条件等都很重要.无电解镀膜法是不加电流，而在溶液中加人一些还原剂，靠其化学反应在基板上析出形成薄膜。