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 alloy

Abstract：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, preparation

1.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]。

美国加州理工学院的Duwez教授是研究非晶合金最早的一个人，于1960年

首次采用快淬方法制得Au

70Si

30

非晶合金薄带[4]。几乎与此同时，David

Turnbull和在1961年1月也在《化学物理学报》上发表了一篇揭示了非晶合金和陶瓷玻璃以及硅酸盐玻璃之间的结构相似性的文章[5]。1969年，Pond等[6]制备出具有一定宽度的连续薄带状非晶合金，为大规模生产非晶合金提供了条件。至此为止，非晶合金材料由于受到冷却速度的限制，为保证热量快速散

出，制得的非晶合金为薄带、薄片、细丝或粉末等。由于形状的限制，非晶合金材料的许多优良特性无法在实际应用中得到发挥，人们希望得到可与晶态合金相比拟的大尺寸非晶合金，因此，随后很多人投入到开发新的制备非晶合金的方法中去，发明了许多固相非晶化技术，如机械合金化、离子束注入、氢吸收等。1974年，贝尔实验室的H. S. Chen[7]发表文章指出原子尺寸和混合热对玻璃合金的玻璃化转变温度的影响，并利用吸铸法在较低冷却速度下得到了直径为毫米级的Pd-Cu-Si非晶合金棒，被认为是“大块非晶合金”研究的开端。1982年David Turnbull，A. L. Drehman，A. L. Green[8]利用深过冷原理，制备出了尺寸达厘米级的大块非晶合金棒：0.53cm的Pd-Ni-P金属玻璃，冷却速度为s。

2.非晶合金的制备方法

现已研究出多种制备非晶的方法,根据材料原始状态的不同,可粗略地将这些方法分为从液相制备非晶态固体和从晶态固体制备非晶态固体两大类.每种方法都有其独特之处及适用范围,下面给予简单的介绍.

直接凝固法

直接凝固法是先将母合金熔配均匀,然后采用提纯和快冷的方式使合金液在短时间内急冷成形,该法的主要优点是制备简便、制备周期短,但是所制备的合金的尺寸在很大程度上受合金非晶形成能力的限制.直接凝固法主要有:水淬法、铜模铸造法、高压模铸法、吸铸法、压铸法等.

2.1.1水淬法[10]

水淬法是将合金置于石英管中,熔化后连同石英管一起淬入流动水中,以实现快速冷却,形成大块非晶合金.实现这个过程有两种途径:一种是将石英管置于封闭的保护气氛系统中进行加热(石英管口敞开),同时水淬过程也是在封闭的保护气氛系统中进行;另一种是将石英管直接在空气中加热(石英管口须封闭),管内须充入保护气体,待合金熔化后再将石英管淬入流动水中.这种方法可以达到较高的冷却速率,有利于大块非晶合金的形成,但也存在许多问题.例如加热和水淬过程都在封闭系统中进行,其设备将是比较复杂和昂贵的;而将合金密封在石英管中时,则因不利于排气,容易造成气孔.另外,在某些场合下石英管与合金可

能发生反应使石英管破裂,而反应后的生成物既影响水淬时液态合金的冷却速率,又容易造成非均匀形核,以至影响大块非晶合金的形成.因此这种方法的应用具有很大的局限性。

2.1.2射流成型法[11]

射流成型法是将母合金置于底部有小孔的石英管中,将母合金熔化后,在石英管上方导入氢气,液态母合金在压力的作用下从小孔中喷出,注入下方的水冷铜模型腔内,使其快速冷却而得到非晶合金.这种方法具有较高的冷却速率,非晶形成能力较强.但是该方法较复杂,技术难度较大,而且有可能得到非晶粉末.

2.1.3铜模吸铸法[11]

该方法是制备非晶合金块材料通常采用的方法, 待母合金熔化后, 将熔体从坩埚中吸铸到水冷铜模中, 形成具有一定形状和尺寸的大块材料。母合金熔化可以采用感应加热法或电弧熔炼方法。为了减少铜模内空腔异质形核, 可对模具内腔表面做特殊处理, 应用此方法的难题是合金熔体在铜模中快速凝固而出现的样品表面收缩现象, 造成与模具内腔形成间隙, 从而导致样品冷却速率下降或者样品表面不够光滑。

2.1.4 感应加热铜模浇铸法[12]

该法是将合金置于底端开孔的石英管中,通过电感线圈在合金中产生的涡流加热使得合金迅速熔化.由于表面张力使液态合金不会自动滴漏,故需要从石英管顶部外加一个正气压将其吹入铜模.与电弧加热吸铸法相比,感应加热浇铸法具有加热温度可控性强,铜模不被直接加热等优点,但是在浇铸时容易混入保护气体,形成气孔.

2.1.5压力模型铸造法[13]

首先将合金在熔化腔中熔化,然后将熔化的合金以一定速度和压力压入金属模型腔中,以实现快速冷却而形成大块非晶合金.由于液态金属对金属模型腔的充填速度很快,并保持较大的压力,与金属模铸造相比,这种方法具有更快的冷却速率,更有利于形成大块非晶合金.液态金属填充好, 可以直接做较复杂形状的大尺寸非晶合金器件。但这种工艺技术较前几种方法难度大些, 技术较为复杂。