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铝基金属玻璃及其研究进展

已有 9371 次阅读 2012-6-15 13:52 |个人分类:金属玻璃|系统分类:科研笔记| 铝基金属玻璃

虽然与金属玻璃相关的很多基础物理问题仍然困扰着我们，但是金属玻璃从被发现的那一天开始就吸引了众多工程材料领域的大牛加入这个生机蓬勃的研究队伍。

由于金属玻璃中原子的亚稳态无序结构可以容纳溶质原子更高的过饱和溶解度，使得我们有更大的发挥空间通过调制成分来改善合金的性能，尤其是工程应用需要的各种性能，比如高强度、高硬度、抗腐蚀性等等。所以，晶态体系的常规金属材料，比如铁、铝、镁、钛等基体的合金很直接的被大家纳入到非晶的研究范畴。虽然力学脆性是金属玻璃大家族普遍存在的Achilles's heel，然而由于其高强度、高硬度等优异性能，哪怕只是具有一点点压缩塑性，他们作为压缩受力承载材料或者涂层还是吸引了很多人的关注，有广泛的应用前景。然而，金属玻璃，尤其是铝基金属玻璃，它有限的玻璃形成能力对其应用有极大的限制。所以，为了加快推动金属玻璃作为结构材料的工程性应用，提高它们的玻璃形成能力就变得非常重要。

经过了半个世纪的发展，人们对金属玻璃的玻璃形成能力有了越来越多的认识，发展了一系列的玻璃形成能力判据或经验规律，比如共晶相、多组分、大原子尺度差、负混合焓、相异/相似原子替代、热力学参数（如过冷液相区宽度、约化玻璃转变温度、gama）、弹性模量组合规律、微量/少量掺杂等等。这些判据或经验规律对寻找新的金属玻璃体系，促进其发展有非常好的推动作用。然而，铝基金属玻璃就像是凌驾于这些规律之上的精灵，很难被驯化。一般的铝基金属玻璃含铝量在80~90 at%之间，屈服强度在900MPa以上，而且密度也只有3 g/cm^3左右，具有非常高的比强度。然而，由于铝原子含量太高、容易扩散，在制备时很容易形核析出面心立方结构的晶态铝，极大的限制了玻璃形成能力。而传统的判据比如多组分、负混合焓已经发挥到极致，仍然不能有效提高玻璃形成能力。如何才能在保持铝基金属玻璃较高的铝含量，维持其低密度、高强度情况下，提高玻璃形成能力呢？这一直是困扰金属玻璃研究领域的一个重要问题。

最近，我从热力学角度考虑，如果能够有效地抑制铝的扩散能力，就能够降低晶态结构铝的析出，从而提高其玻璃形成能力。那怎样才能给铝原子加上一个羁绊，降低其扩散形核能力呢？我想，如果有某个原子Z能够与铝原子结合得更强，而与其它原子作用较弱，形成一个Al-Z集团，那么这个集团就能够很好的拖拽铝原子，抑制其扩散形核能力。而且原子Z的掺入量并不需要很多，百分之几就够了。我以Al-Y-Ni(Co)合金为基础，通过查找元素混合焓表，发现Ca与Al是负混合焓，而Ca与Y、Ni（Co）是正混合焓，刚好满足我的设想。于是，我通过实验研究了少量掺杂Ca元素（0.5~5 at.%）的作用，发现Ca的少量掺杂能够非常有效抑制铝原子的扩散能力，提高合金的稳定性和玻璃形成能力。当Ca含量掺到2~3%时，效果达到最好。非常完美地验证的当初的设想。这个结果对设计具有更高玻璃形成能力的块体金属玻璃合金提供了新思路。

(a) The mixing heat between the elements for the traditional Al-TM-RE metallic glasses. All the elements share big negative mixing heat with each other. (b) The additional element Ca has big negative mixing heat with Al while positive mixing heat with other composition elements. (c) Comparison of crystallization activation energy (E_a,p1) of various Al-rich metallic glasses. The yellow shade zone corresponds to the Al self-diffusion activation energy. (d) The reduced glass transition temperature T_rg=T_g/T_l versus Ca concentration.