镁基非晶合金的研究及发展

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 镁基非晶合金的研究及发展 摘要：镁基非晶合金因其优良的 力学性能、腐蚀抗力和贮氢性能以及低 密度、高强度等性能，同时满足轻量化 的发展要求，具有广阔的应用空间。文 章论述了镁基非晶的特点、制备方法及 影响非晶形成的因素等。 中国论文网 /8/view-12923840.htm 关键词：镁基非晶合金；制备方 法；非晶形成能力判据；影响因素；镁 基非晶材料 文献标识码：A 中图分类号：TG146 文章编号： 1009-2374（2017）06-0065-02 DOI：10.13535/ki.11- 4406/n.2017.06.033 非晶合金作为一种新材料，在世 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 界范围内受到越来越多的关注。非晶合 金具有优异的化学、物理、力学性能， 而这些特性又是金属材料所不具备的， 所以非晶合金的研究一直是一个热点问 题。 1 镁基非晶合金的特点 镁为元素周期表中的A 族碱土 金属元素，是密排六方结构，相对分子 质量为 24.305。在金属结构中，镁具有 众多独特的优势：有丰富的地球资源、 1.74g/cm3 的最小密度、可再生循环利 用等。镁基非晶合金与其他金属结构材 料相比具有很多的优点，如高强度、电 磁屏蔽性能、良好的减震性、抗辐射能 力强等，具有非常重要的应用价值，应 用前景也非常广阔，特别是在汽车、航 天、航空等I 域。被称为 21 世纪的绿 色工程材料。 2 镁基非晶合金的发展史 1977 年，A.Calka 等人发现了用 快淬法制备 Mg-Zn 非晶合金，1980 年， F.Sommer 等人发现了用快淬法制备 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 Mg-Cu 非晶合金，制作的均为非晶薄带， 较脆且合金含镁量较低，弯曲不到 180。 1989 年，S.G.Kim 等人发现了 Mg-Y 非 晶合金，1993 年，T.Shibata 等人发现 了 Mg-Ca 非晶合金。截至目前，已发 现的二元镁基非晶态合金体系共有 5 种， 三元镁基非晶态合金体系共有 17 种， 1991 年，A.Inoue 等人采用铜模吹铸法 制备了 Mg65Cu25Y10 非晶棒，其长为 50mm，直径为 4mm。2000 年， A.Inoue 等人发现了 Mg-Y- （Ni、Cu 、Zn）-Mm 镁基四元非晶合 金体系。其中，Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11 非晶态合金的直径尺寸达到了 25mm。2001 年，A.Inoue 等人发现了 Mg65Y10Cu15Ag5Pd5 镁基五元非晶。 3 镁基非晶合金的制备方法 非晶合金的获得：在大于临界冷 却速率的情况下，液态金属快速冷却， 由于受到阻碍，结晶过程通过快速凝固， 这种状态得以保存，由此而得到。非晶 虽然处于亚稳态，但冷却到玻璃转变温 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 度以下时不会向晶态转变。非晶态合金 的制备过程：首先是母合金的制备。母 合金的制备一般是选择适当的元素，如 两个或两个以上的组元，以相当的比例 成分混合，进行熔炼，并反复进行，保 证获得的母合金的成分和微观结构都均 匀。熔炼方法常用的有以下四种： （1）激光束熔炼；（2）电子束熔炼； （3）电阻熔炼；（4）电弧熔炼。 然后是非晶合金的制备过程。制 备非晶态合金有很多较好的方法，根据 物理和化学原理，从技术的角度来说， 可以分为以下三个类别：（1）气态凝 固；（2）液态凝固；（3）固态反应。 其中液态凝固是应用最广泛的一 种制备方法。液态凝固法主要包括如下 四种方法：（1）定向凝固铸法；（2） 磁悬浮熔炼铜模冷却法，即吹铸法； （3）压铸法；（4）熔体水淬法。 4 镁基非晶形成能力判据 4.1 过冷液相区 事实上，Tx 说明非晶态合金结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 晶发生在加热到高于 Tg。Tx 很大，可 以存在于大面积显示无定形和结晶，具 有极高的电阻上的成核和增长。晶化与 非晶化，即结晶，是两个相互竞争的过 程，如此之大的 Tx 的非晶形成能力也 大。通常情况下，大的过冷液体区域很 容易导致更大的非晶形成能力，但这种 关系并不是绝对的。 4.2 共晶点准则 共晶点准则是由约化玻璃转变温 度准则发展而来的，共晶点处的合金溶 液能保持在较低的温度下，Tg 变化不 大，因此这些合金具有较高的 Trg 值， 众多实验证明，在深共晶谷处非常容易 找到具有高非晶形成能力的合金成分。 通过查看二元相图，发现具有高非晶形 成能力的体系主要有 Ni-Nb、Cu- Zr、Pd-Si 和 Pd-P 等，这些体系都具有 深共晶谷。在三元合金体系，如 Zr-Ti- Cu 中，也能找到深共晶谷，同时发现 三元合金体系具有更好的非晶形成能力。 合金系组元越多，非晶形成能力越好， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 如四元合金系 Cu-Ti-Ni-Zr 的情况就更 好一些，高组元数的 Zr-Ti-CuNiBe 合金， 在五元相图稍偏离中心的部位呈现更深 的共晶特性。相对于更加稳定的液体相， 结晶相的热力学竞争消失，从而形成 GFA 高的高阶深“共晶” 结构。 4.3 参数 非晶形成能力与 Tx/Tg 成比例， 按照过冷熔体中的结晶理论，Tx/Tg 是 非晶形成能力的一个重要指标，与非晶 形成能力成正比，即高的 Tx/Tg 比值意 味着高的非晶形成能力。 5 影响镁基非晶形成能力的因素 对于合金玻璃形成的影响因素比 较多，主要有三个方面，即：（1）合 金系统元素组件之间适当的化学剂量比。 尽管 Inoue 对非晶态合金的形成提出了 三条经验规律，但仍需要做大量的实验 来完善；（2）固态非晶合金在过冷液 体区域，在加热的过程中Tx=Tx-Tg。 大Tx 表明非晶可以存在于一个大区域 内但不结晶，成核和生长有更高的阻力； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 （3）在液态金属的固化阶段，尽可能 合理控制制备和凝固的工艺条件，提高 冷却速度和控制介质表面尽可能多，尽 可能多地接触熔化条件下的异相成核。 6 镁基非晶晶化过程的研究 6.1 非晶结构弛豫 非晶的结构弛豫是指当非晶态合 金在玻璃转变温度以下退火时，玻璃结 构发生向其相应温度下所应具有的理想 非晶态的转变。非晶合金作为一种热力 学亚稳态结构，在常温常压条件下或加 热到一定温度，若没有出现结晶，继续 保持温度不变并进行退火处理，会看到 随着退火温度和保温时间的变化，非晶 合金的许多性能也发生了变化，最终到 达另一个亚稳结构，即产生结构弛豫现 象。当非晶态合金出现结构弛豫现象时， 发生变化的一般是短程有序程度，发生 长程扩散的可能性也存在，这种由自由 体积湮灭引起的扩散将使非晶合金的居 里温度变为非晶态、物理尺寸、比热等 物理性质的变化，这些物理性质的变化 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 有些是不可逆的，有些是可逆的。 6.2 非晶合金的晶化 非晶合金结构的松弛过程仅发生 于微观结构松弛，并且没有结晶发生， 从一个亚稳态变化到另一个能量更低的 亚稳态。而无定形材料在高于结晶温度 Tx 的温度下退火，由于热活化能量的 增加，会使非晶合金克服了过渡势垒的 稳定性，进入较低的自由能晶体。非晶 合金的结晶过程类似于固化结晶过程的 结晶过程，它也是一个成核和生长的过 程。然而结晶是固态反应过程，它通过 原子在固相中的扩散来控制，因此结晶 速率通常不会如此快速结晶。非晶结晶 是从亚稳态到稳态过渡过程的相变，结 晶相和非晶相间的自由能差为其驱动力。 由于非晶合金比Y 构中的金属熔体更 接近晶体结构，所以当固化结晶时，晶 体的成核电位中的界面能小于固液界 面的界面能，核速率一般较高，这是非 晶合金的结晶一般可以得到纳米尺寸晶 粒的重要原因。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 6.3 晶化动力学 大块金属玻璃的晶化动力学研究 主要是采用 Kissinger 方程和（JMA） 模型对线性加热和等温退火条件下的 DTA 热分析数据进行相应的处理，得 到反映晶化行为的动力学参数，研究非 晶合金的结晶机理。 6.3.1 Kissinger 方程的表达式为： 在以下假设下，该公式成立： （1）等温转化；（2）在均匀分布的第 二相颗粒上的均匀成核或不均匀成核； （3）晶核生长对于线性生长，如生长 速率只与温度有关，与时间没有关系； （4）晶粒近似为球形。 JMA 公式是在等温条件下推导得 到