大块非晶合金的性能、制备及应用

大块非晶合金具有高的强度、硬度，高的疲劳 强度、低的弹性模量，高的耐磨性，以及优良的软 磁性能和储氢能力．同时，在过冷温度区间ＡＴ、 （△ｒ，＝，、一Ｔ。，其中ｒ。为玻璃转化温度，ｒ，为 初始晶化温度），合金表现为牛顿流动行为，可以 发生粘性流动，因此在该区间可以产生超塑性变 形．８０年代末，夫块非晶合金的制备技术获得ｎ『 突破，一系列具有极低临界冷速（Ｒ，为０．Ｉ～几 百Ｋ／ｓ）的Ｆｅ㈠、Ｃｏ㈡、ｚｒ川、Ｎｉ。圳、Ｍｇ㈦、Ｐｄ引、 Ｔｉ［７、Ｃｕ【”、Ｎｄ ９、ｓｍ”】及Ｌａ系∽合金等合金 系中多组元成分的大块非晶合金被发现，大块非 晶台金的获得及其所具有的优异性能，引发了材 料领域和凝聚态物理领域的研究热潮，表ｌ列举 了近年来发现的比较典型的具有较高非晶形成能 力的非晶合金系…。”．大块非晶合金的各种优良
Ｔ１５Ｃｕ”ｑＮｉｌ４ ６ＡＩⅢ（ａｔ％）ｔａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｓｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｐａｒａｍｅ·
ｔｅｒｓ Ｔ。、Ｔ，、ＡＴ。ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ；ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓ；Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ ｆｌｕｉｄｉｔｙ；ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
吸铸法制备的西６ ｉＹｌｍ×６０ ｌｎｌｌｌ，成分（原＿ｒ＾分数） 为ｚｒ“２Ｔｉｌ３ ８ｃｕ”５ＮｉｌｏＢｅ２２ ５，ｚｒ‘７ｃＩ】２ｕ Ａ】ｌｎＮｉ８ｒｒｉ ３， Ｚｒ５２；Ｔｉ５Ｃｕ Ｊ７ ９Ｎｉｌ４ ６Ａ１．ｏ的大块非晶合金的ＤＳＣ曲 线，这３种合金的ｒ。、ｒ；，△，、分别为３５２．５、
４１５．２、６２．７℃；３８９ ７、４５１．３、６１．６℃；４００．６、
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，似 是所制备的台金的尺寸在很大程度上受合金Ｊ｝品 形成能力的限制．直接凝固法主要有：水淬法、钢 模铸造法、高压模铸法、吸铸法、挤压铸造法、磁悬 浮熔炼、静电悬浮熔炼等等． ２．２粉末固结成形法
４６４．５、６３．９℃由图３可见，这３种大块非品合 金成分都具有宽度为６０屯以上的过冷漏度区间
过冷液相区的存在使合金在受热发生酷化之 前，在一定的温度范围内可以保持被“冻结”的液 体结构，表现出具有一定粘度的与氧化物玻璃极
万方数据
笫２期
高千米，等：大块非晶台金的性能、制备及应用
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１．２大块非晶合金的其他性能 大块非晶台金具有Ｋ程无序结构，但与液体
的尤序相比，它还有一些短程有序的短程序畴组 成．与普通多晶材料和传统低维非晶材料不Ｉ司，大 块非晶合金在受热发生晶化之前会有一个宽的过 冷液相区△ｒ，过冷液相区是具有大块非品形成 能力的合金所特有的．只要合金的非６＆形成能力 强，那么无论它足大块的．还是低维的非晶薄带、 粉、丝等，都会具有这样的一个区域．图３足采用
ｎｅｓ８（ｔ ｍ，）ｏｆ ｔｙｐｉｅａＩ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ ｓｙｓｔｅｎＫ
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
材料科学与１‘艺
幕１１罄
米晶材料的有效途径之一“，大块非晶合金的优异 性能，决定ｒ其广阔的发展和血用前景，『ｆｌｊ深刻认识 人块｛｝５６合金领域存在的一些问题，将有助于把握 其发展的方向．
１ 大块非晶合金性能特点
ｉ．１大块非晶合金的力学性能 １ １．１高拉伸强度
周Ｉ为小同材料的杨氏模量及拉伸强度关系 罔，镁台金、硬铝、钛合金、４ｉ锈钢、超强钢等常见的 结构材料与新型的夫块非晶材料的强度相比差别 【匕较明显”ｏ比重较轻的ＡＩ基和Ｍｇ基大块非晶 合金由】：其强度是对应的晶体材料所能获得的最 高强度的２～３倍，最近也引起了广泛地关注强度 不离的№合金获得非晶结构后其强度可达 ｌ ０００ ＭＰａ以上．Ａ１基非晶合金的最高强度可达 ｌ ２００ ＭＰａ，如果可以获得在非品基体上弥散着纳 米尺度的ｆｌ－．ｃ—ＡＩ粒ｆ的结构．则强度可以达到约 １ ５５０ ＭＰａ”．这种高强度Ａｌ基合金的获得使得获 得具有高比强度的新型先进材料成为可能
Ｒｅｌａｔｉｏｒｔｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｙｍｌｎｇ ｔ ｍｏｄｕｌｕｓ ｆｏｒ ｖａ ｘｌｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
１．１．２高硬度 同２是不同材料显微硬度和杨氏模量关系
吲，可以看出，Ｆｅ—Ｂ基大块非晶台金的维氏硬度 达到Ｊ ２００以上，其余的大块非晶合金的硬度较 之相，惠的晶体材料也大幅度地提高“．与图１比 较ｎｒ以发现，太块非晶合会的硬度和强度与杨氏 模量的关系变化趋势基本一致，所以大块非晶合 金真正体现丫材料硬而强的特性
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＨａｒｂｈｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｌａｉ—ｇａｏ＠ｓｉｎａ．“’ｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ ａｙｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔ— ｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｔｉ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｗｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｗｉｄｔｈｓ ｏｔ ｓｕｐｅｒｅｏｏｌｅ（１ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ＡＴ：ｏｆ ｓｔｉｃｋ—ｓｈａｐｅ ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ Ｚｒ４ｌ ２ Ｔｉｌ３ ８ ＣｕＩ：５ Ｎｉｌｏ Ｂｅ２２，，Ｚ‘５７ Ｃ“如Ａ１１０ Ｎｉ８Ｔｉ５，Ｚｂ２ ５
性能，其耐腐蚀性能为晶态不锈钢的１００倍…“ 同时，大块非晶合金通常也不存在沉淀相粒子等 障碍对磁畴壁的ＳＴ＿ｊ：Ｌ作用，因而具有优异的软磁 性能．
ｓ，大块非品合会具有较宽的牛顿型流动区间，因 此可以获得较高的应变率；③变形时所需的外力 小，大块怍品发一卜塑性变形时处于粘性流动状态， 需要的变形力小；④变形过程巾不产生字洞，普 通的多晶材料在发生超蝼变形时，晶粒会发生滑 移、转动，甚至垂直于自由表面移动，所以空洞的 产！Ｌ１ｉ Ｈ，避免，ｉ酊且是一种比较严审的缺陷，而大 块非晶合金材料的牛顿流动状态可以从根本卜消 除这种缺陷；⑤微观和宏观上都发生均匀的变 形；⑥变形屙仍保留原来的性能，只要将变形过 程控制在发生牛顿流动的过冷温度区间，冷却后 合金仍保持为非晶态，性能不会发生变化；⑦口Ｊ 以进行形状极为复杂的变形，晶体材料的超塑变 形ｊ｛能进行外形相对简单的工件的成形，而大块 非晶合金的成形则不受限制，对于复杂形状的结 构件，其成形能力将表现的更为突出．
Ｚｒ，，Ｃｕ㈣ＡＩ 摘要：综述了大块非晶台金的性能、制备方法及应用，对比了吸铸法制备的棒状ｚ～∽Ｔｉｔ，８ｃｕ。２ ５ＮｉｍＢｅ：：ｓ， Ｎｉ／ｒｉ，，ｚ如¨Ｔｉ，Ｃｕ㈣Ｎｉ㈨Ａ１．０（原子分数）大块非晶样品的过净温度压间宽度（ＡＴ。），给出了３
种大块非晶台盎系列的热稳定性参数Ｔ。、ｒ，及△ｒ、，提出了大块非晶台垒领域存在的问题及发展方向．
１．１．３低弹性模量 大块非晶合金具有较低的杨氏模量，以Ｔ－合
金为例，１１ｉ基人块非晶合金比普通的Ｔｉ台金的杨 氏模璧低很多，这使非晶合金较之相应的晶怠金 属具有更好的弹性同时，夫块非晶合食较传统的 低维非晶合金有较小的泊松比．因此更容易，变慨 较低的弹性模量和较小的泊松比使大块非晶合会 具有较高的掸性伸长率和较高的掸性能．
Ｉｌ：晶台金·｝－不存在晶界、沉淀相相界、位错等 容易引起局部腐蚀的部位，也不存在晶态合金容 易出现的成分偏析，所以非晶合金在结构和成分 上都比晶态合金更均匀，因而具有更高的抗腐蚀
圈４大块非晶台金在过冷温度区ｌ可发４塑性变肜时Ｊ；ｊ 力一麻变速率关系
Ｆｉｇ ４
Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒｕｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｌｒａｉｎ ｒａｌｅｓ＾）ｒ ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ ｄｕｒｉｎｇ ３ｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｍｌａｔｉｏｎ…
芯．大块非晶材料经过晶化处理也是获得大块纳
表ｌ 典型太块非晶台金系列约化玻璃转化温度（ｒ，／■）、
临界冷却速度《Ｒ。）及最大样品厚度ｆ￡Ｈ，）
ｃｒｉｔｉｃａｌ础Ｉ唱ｒａｔｅ（Ｒ，），ａｎｄ Ｔａｂｌｅ １
Ｒｅｄｕｃｅｄ ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（Ｌ／Ｌ）， ｍａｘｉｍｕｍ ｔｌｄｃｋ－
ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ
２ 大块非晶合金制备方法
人块非晶合金研究热潮的兴起正是基于制备 技术的突破．大块非晶合金的玻璃形成能力在以 Ｆ情况会受到削弱：（Ｄ多组元合金成分偏离ｊ，”ｉ 晶或近共晶成分点；②原材料的纯度不够高；国、 在母合金熔配或者是成形过程中引入了杂质；ｑ、 成形前母合金的过热度选择不合适．为Ｊ’提高合 金的玻璃形成能力，所有制备大块非晶合金的力 法都是根据上述４条优化制备Ｔ岂目前大块非 晶合金的制备方法可分为直接凝同法和粉末嗣结 成形法． ２．１直接凝固法
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２０
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图３直径为６ ｔｏｎｉ的不同材料非晶棒的ＤＳＣ曲线
Ｆｉｇ ３ Ｉ＇Ｓ（：ｃｕｒｖＰｓ ｆｏｒ ｃａｓｌ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｉｃｋｓ ６ ａｍ ｉｎ ｄｉａｍｅ— ｔｃｒ
第１１卷第２期 ２ ０ ０ ３年６月
材料科学与工艺
ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
。‘…１““２
Ｊｕｎ，２００３
大块非晶合金的性能、制备及应用
高玉来，沈军，孙剑飞，王刚，邢大伟，周彼德，李庆春
（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙扛哈尔滨１５０００１，Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｌａｉ＿ｇａｏ＠ｓｉｎａ ｃｏｒｎ）
此外＋大块非晶还具有高的弯曲强度、断裂韧 性等优异的力学性能．
Ｆｉｇ ２
Ｅ７ＣＰａ
幽２ 不同材料硬度与杨氏模量关系
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ＂／ｏｕｎｇ ｉ １１１０ｄｕｌｕｓ ｆｏｒ ＶａＦｉＯＩＩＳ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
Ｆｉｇ １
图Ｉ 小硒材料扎伸强度与杨氏模量关最
为类似的性质，可以发生牛顿流动（见罔４），即应 变率敏感指数，”＝１（Ｅｒ＝Ｋ·自…）……因此人 块非晶台金有时也被称为金属玻璃，即既有金属 的特件，叉表现出某些氧化物玻璃的性能特点大 块非晶合金在过冷温度区间的牯性流动，使得合 金』；有趟塑成形能山．与普通多晶材料的超塑性 相比，人块非晶合金的超塑性能仔在以Ｆ优点：① 变形温度低，人块非晶合金的超塑变形发生在过 冷温度Ⅸ间，－般在０．６ Ｔ。以ｒ；②高的应变率
收稿１３期：２００１一Ｉ】一１６． 作者简介：高玉来【１９７５一）．男，博士生；
沈军（１９６．５一），男，教授，博上乍导师 Ｊ母瘦德（ｔ９３７一）．男．教授，博士生导师
性能使之不仅在运动器材、航空与航天、汽车部
件、化学１二业、信息等领域获得广泛地应用，同样
在国防军事领域也大放异彩，如经过钨丝增强的
大块非晶材料可以片Ｊ来做坦克动能穿甲弹的弹
关键词：大腱非晶；金属玻璃；牛顿流动；超塑性：应用
中圈分类号：Ｔｃｌ４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５—０２９９（２００３·）０２—０２１５—０５
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ ＧＡＯ Ｙｕ．１ａｉ，ＳＨＥＮ Ｊｕｎ，ＳＵＮ Ｊｉａｎ—ｆｅｉ．ＷＡＮＧ Ｇａｎｇ，ＸＩＮＧ Ｄａ—ｗｅｉ，ＺＨＯＵ Ｂｉ—ｄｅ，Ｌ１ Ｑｉｎｇ－ｃｈｕｎ