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锆基块体非晶合金的制备和应用

溅射靶材 2020-06-03 10:23

  1. 1块体非晶合金的发展历程、形成机理块体非晶合金是一种尺寸大于1mm,内部结构为非晶态,即原子排列具有长程无序、短程有序的新型金属材料。

  由于块体非晶合金内部特殊的原子结构,使其具有高强度、高弹性极限、高耐蚀性和优异的磁性能等一系列不同于传统金属材料的性能。

  非晶主要特征如下: (1)结构上是短程有序、长程无序,衍射图样是弥散的晕环; (2)热力学上处于亚稳态,晶化温度以上将发生晶态结构相变,但晶化温度以下能长期稳定存在; (3)物理、化学和力学性能各向同性; (4)成分均匀无偏析,没有位错、层错、晶界等缺陷,没有确切熔点; (5)具有玻璃转变温度点%。

  1. 1. 1块体非晶合金的国内外发展现状1934年,Kramer首次报道了 用蒸发沉积法制备出了 非晶态薄膜,1950年Brenner等采用电沉积法制备出了 Ni. P非晶态薄膜。

  1951年,美国物理学家Tumbull通过水银的过冷试验提出液态金属可以过冷到原理平衡熔点以下而不产生形核与长大。

  根据他的理论,在一定条件下,液态金属可以冷却到非晶态。

  因此,Tumbull实际上是非晶态合金的理论奠基人。

  1960年,美国加州理工学院的Duwez小组发明了 快速凝固技术。

  冷却速度可以达到105_106K/ s,在该冷却速度下,Au75Si25金属熔体越过结晶相的形核和生长而形成过冷液体,即非晶态合金,这是世界上首次报道的非晶合金。

  假如定义毫米尺度作为“块体’ ’ 的话,具有毫米级直径的非晶棒首先是由贝尔实验室的Chen,1974年在约103K/ s冷却速度条件下用Pd. Cu. Si熔体得到的。

  20世纪80年代前期,Turnbull等采用B203溶剂包覆净化法以10K/ s的速度制备出了 厘米级的Pd. Ni. P非晶13. 9。

  20世纪80年代后期,A. Inoue等在日本东北大学成功发现了 主要由普通元素组成的新多组元合金系‘可以在低冷却速度下形成块体非晶合金。

  Inoue和Johnson等人采用所谓的“混乱原则"相继独立发现了 一系列多组元块体金属玻璃,其三维尺度甚至可以达到厘米级别,临界冷却速率甚至低于O. 067K/ stl 21,最大样品直径可以达到80mm[1 31。

  国内科学家在这方面也取得了 显著的成果。

  例如,中国科学院物理研究所汪卫华研究组制备出在开水中具有超塑性的Ce基金属塑料; 哈尔滨工业大学的沈军课题组制备出直径达16mm的Fe基金属玻璃中国科学院金属研究所徐坚课题组制备出直径达27mm的Mg基金属玻璃浙江大学蒋建中课题组和北京航空航天大学张涛课题组将La基金属玻璃的尺寸提高到30mm: 中国科学院金属所张海峰课题组成功制备出直径为50mm的TiZr基金属玻璃。

  锆基非晶合金的制备方法

  锆基非晶合金的非晶形成能力较大,较易得到块体非晶,采用何种方法制备非晶,主要考虑其后续研究的需要。

  锫基非晶合金制备方法有多种,主要有:

  1)水淬法,将合金铸锭装入抽真空并密封的石英玻璃管中熔融后淬入加NaCl的冰水中;

  2)铜模浇铸法,将熔融的锫基合金涛入铜模(有的通有冷却水以加强冷却)型腔中可得到棒状非晶;

  3)射流成型法,将液态母合金在压力的作用下直接喷射进入强水冷铜模型腔中;

  4)自蔓延合成法,将多元粉末压坯采用连续CO2激光器在一端进行点火,引发自蔓延反应;

  5)吸铸法,将液态合金在真空吸力的作用下吸入到水冷铜模型腔中,依靠水冷铜模的强冷却作用制备块体锆基非晶;

  6)渗流铸造法,将锆基合金与细钨丝一起置于抽真空(1×10-3Pa)的石英管中,在熔点+240K的温度下加热熔化母合金,使金属液充分渗入到钨丝中后,再在饱和盐水中快速淬火,可制得钨丝增强的非晶复合材料;

  7)铜板冷却法,将液态合金直接滴到冷却铜板上制得锆基非晶,该法的冷却速度约为10K/s;

  8)机械合金化法,将元素粉末按比例混合,在高纯氩气的保护下在球磨机中进行机械合金化制备非晶态合金;

  9)熔体单辊急冷法,将液态合金从坩埚的喷嘴中喷到旋转冷却辊上,熔体在接触辊表面凝固成非晶态薄带,该法的冷却速度相当高,达108K/s;

  10)高能中子束辐射法,将锆基合金直接用高能中子束进行辐照而得到非晶态合金;

  11)激光熔覆法,将元素粉末覆盖于铝或钛等基体表面,用激光将基体表面的元素粉末熔化,随基体快速导热冷却得到非晶层;

  12)定向凝固法,是一种可以获得连续凝固大体积非晶的方法,当样品直径在20mm以下时,定向凝固速率保持适中,锆基合金的冷却速率约为100K/s,可得到锆基非晶。

  采用不同的制备方法,锆基合金的冷却速度各异,一般说来,所制备的样品体积越大,其凝固的冷却速度越小,样品的体积与其凝固的冷却速率两者很难兼得。

  锆基非晶合金的实际应用

  锆基非晶合金具有特殊的回弹与振动性能,能够传递99%的能量到球上,锆基非晶高尔夫球头已实用化。美国宇航局在2001发射的“起源号”宇宙飞船上安装了用Zr-Cu-Al-Ni块体非晶合金制成的太阳风搜集器,以研究太阳外层空间中陨星、彗星、月亮等行星气氛的化 学进化。

  锆基非晶合金的潜在应用

  锆基非晶合金具有高的抗拉强度、高的弹性能、高的冲击断裂性能、高的耐腐蚀性能、好的延展性、优异的固有低频振动阻尼性能、高的电催化活性,添加铁后具有良好的磁性能。锆基非晶合金具有良好的动态压缩性能以及正应变率效应,可以提高非晶材料弹丸侵彻装 甲钢板的性能。在动态冲击作用下发生沿45°方向的剪切断裂,使穿甲弹头具有自锐性。用锆钨非晶/晶体复合材料做成的穿甲弹头可以达到很高的密度、很高的强度和模量,弹头有自锐效应,还具有贫铀弹头的高绝热剪切敏感性,环境相容性好,是制造穿甲弹的“绿 色”材料,有望在穿甲弹弹芯上得到应用。锆基非晶合金有望在体育器材上,如:滑雪、棒球、滑冰、网球拍、自行车和潜水装置等许多项目中得到应用。随着对纳米晶增强锆基非晶合金机理的了解,锆基非晶合金在结构材料上得到了广泛应用。在电极材料、电子、仪 器仪表等工业也有应用前景。

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