Аморфные сплавы

Аморфные сплавы — это металлические материалы, в структуре которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов, характерный для кристаллических твёрдых тел. В отличие от обычных металлов и сплавов, атомы в аморфных сплавах расположены хаотично, подобно их расположению в жидкостях, что придаёт этим материалам уникальный комплекс физико-химических и механических свойств. Аморфные сплавы также известны как металлические стёкла.

История открытия и развития

Первые сообщения о получении аморфных металлов относятся к 1930-м годам, когда немецкий физик Й. Крамер методом вакуумного напыления получил тонкие плёнки аморфных металлов. Однако систематические исследования начались значительно позже. В 1960 году американские учёные Пол Дюве и его коллеги из Калифорнийского технологического института впервые получили аморфный сплав Au₇₅Si₂₅ методом сверхбыстрой закалки из жидкого состояния (со скоростью охлаждения порядка 10⁶ К/с). Это открытие положило начало эпохе металлических стёкол.

В 1970-х годах были разработаны методы непрерывного получения аморфных лент и проволок, что открыло путь к их практическому применению. Ключевым достижением стало создание сплавов на основе железа, кобальта и никеля, легированных бором, кремнием, углеродом и фосфором. Эти составы позволили снизить критическую скорость охлаждения до 10³–10⁵ К/с, что сделало возможным промышленное производство.

В 1980-х годах были открыты объёмные (массивные) аморфные сплавы, способные сохранять аморфную структуру при толщине более 1 мм. Первыми такими материалами стали сплавы на основе циркония, титана и палладия. В 1990-х годах японские исследователи под руководством Акихисы Иноуэ разработали многокомпонентные системы, позволяющие получать аморфные слитки диаметром до нескольких десятков миллиметров.

Способы получения

Основным методом получения аморфных сплавов является сверхбыстрая закалка расплава. Для этого используются следующие технологии:

• Прокатка расплава между вращающимися валками — жидкий металл подаётся между двумя быстро вращающимися медными или стальными валками, которые охлаждают его со скоростью до 10⁶ К/с, формируя тонкую ленту толщиной 20–50 мкм.
• Центробежная закалка — расплав выливается на внутреннюю поверхность быстро вращающегося барабана, что позволяет получать ленты шириной до нескольких сантиметров.
• Литьё в медную изложницу — для получения объёмных аморфных сплавов расплав заливается в медную форму, охлаждаемую водой. Этот метод пригоден для сплавов с низкой критической скоростью охлаждения.
• Ионно-плазменное напыление — позволяет наносить аморфные покрытия на различные подложки.
• Механохимический синтез — аморфизация порошков в шаровых мельницах в твёрдой фазе.

Состав и классификация

По элементному составу аморфные сплавы делятся на несколько групп:

• На основе железа (Fe–Si–B, Fe–B, Fe–P–C) — наиболее распространённая группа, обладает высокой магнитной мягкостью и прочностью.
• На основе кобальта (Co–Fe–Si–B) — характеризуются высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой.
• На основе никеля (Ni–Si–B, Ni–P) — отличаются высокой коррозионной стойкостью и прочностью.
• На основе циркония и титана (Zr–Cu–Al, Ti–Cu–Ni) — объёмные аморфные сплавы, обладающие высокой прочностью и пластичностью.
• На основе палладия и платины (Pd–Cu–Si, Pt–Cu–P) — дорогие, но обладают уникальным сочетанием свойств, в том числе высокой стеклообразующей способностью.

По типу аморфизации различают сплавы, получаемые из жидкого состояния (металлические стёкла), и сплавы, аморфизируемые в твёрдой фазе (например, при ионном облучении или механохимической обработке).

Структура и свойства

Микроструктура

В аморфных сплавах отсутствует дальний порядок, однако существует ближний порядок — на расстоянии нескольких атомных диаметров. Структура описывается моделями плотноупакованных случайных сеток или кластерных моделей. Атомы расположены хаотично, но с определёнными корреляциями в расположении соседей.

Механические свойства

• Высокая прочность — предел текучести аморфных сплавов может достигать 2–4 ГПа, что в 2–3 раза выше, чем у лучших кристаллических сталей.
• Высокая твёрдость — до 1000–1200 HV.
• Высокая упругость — модуль упругости составляет 50–120 ГПа.
• Низкая пластичность — при комнатной температуре большинство аморфных сплавов хрупки, хотя некоторые объёмные составы демонстрируют пластическую деформацию до 5–10 %.
• Сверхпластичность — при температурах, близких к температуре стеклования, аморфные сплавы могут деформироваться на сотни процентов.

Магнитные свойства

• Магнитная мягкость — аморфные сплавы на основе железа и кобальта обладают очень низкой коэрцитивной силой (0,01–0,1 А/м) и высокой магнитной проницаемостью (до 10⁵).
• Низкие потери на перемагничивание — благодаря отсутствию кристаллических границ и анизотропии.
• Высокое электросопротивление — в 2–3 раза выше, чем у кристаллических аналогов, что снижает вихревые токи.

Коррозионная стойкость

Благодаря отсутствию границ зёрен и дефектов, аморфные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Особенно устойчивы сплавы, содержащие хром, фосфор и кремний.

Термическая стабильность

Аморфное состояние является метастабильным. При нагреве до определённой температуры (температуры кристаллизации, Tₓ) происходит переход в кристаллическое состояние с выделением тепла. Температура кристаллизации зависит от состава и составляет от 300 до 700 °C для большинства промышленных сплавов.

Применение

Электротехника и электроника

• Сердечники силовых трансформаторов — аморфные ленты из сплавов Fe–Si–B используются для изготовления магнитопроводов. Благодаря низким потерям на перемагничивание, такие трансформаторы имеют КПД до 99 % и значительно меньшие потери холостого хода по сравнению с традиционными кремнистыми сталями.
• Дроссели и магнитные усилители — применяются в импульсных блоках питания, инверторах, фильтрах.
• Магнитные головки — аморфные сплавы на основе кобальта используются в высокочастотных магнитных головках благодаря высокой магнитной проницаемости и износостойкости.
• Датчики магнитного поля — на основе эффекта гигантского магнитоимпеданса.

Силовая техника

• Трансформаторы тока — аморфные сердечники обеспечивают высокую точность и стабильность.
• Электродвигатели — использование аморфных статоров позволяет снизить потери в стали на 70–80 %.

Механика и машиностроение

• Режущий инструмент — аморфные покрытия на основе железа и бора повышают износостойкость инструмента.
• Микродетали — благодаря сверхпластичности при нагреве из аморфных сплавов изготавливают микрошестерни, пружины, корпуса микромоторов.
• Армирующие волокна — аморфные ленты и проволока используются для упрочнения композитных материалов.

Медицина

• Хирургические инструменты — аморфные сплавы на основе циркония и титана обладают биосовместимостью и высокой коррозионной стойкостью.
• Имплантаты — исследуется возможность использования объёмных аморфных сплавов для изготовления костных фиксаторов и эндопротезов.

Химическая промышленность

• Катализаторы — аморфные сплавы на основе никеля и палладия проявляют высокую каталитическую активность в реакциях гидрирования, окисления и крекинга.
• Фильтры и мембраны — аморфные пористые материалы используются для разделения газов и жидкостей.

Оборонная и космическая техника

• Броня — аморфные сплавы на основе вольфрама и циркония обладают высокой плотностью и ударной вязкостью.
• Корпуса датчиков и приборов — благодаря устойчивости к радиации и вибрациям.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая прочность и твёрдость при относительно низкой плотности.
• Превосходные магнитные мягкие свойства.
• Низкие потери на перемагничивание и вихревые токи.
• Высокая коррозионная стойкость.
• Возможность получения тонких лент и проволоки с уникальными свойствами.

Недостатки

• Хрупкость при комнатной температуре (для большинства составов).
• Ограниченная термическая стабильность (кристаллизация при нагреве).
• Сложность и высокая стоимость производства объёмных образцов.
• Ограниченный размер получаемых изделий (толщина лент обычно не превышает 50–100 мкм).

Перспективы развития

Современные исследования направлены на создание объёмных аморфных сплавов с улучшенной пластичностью и термической стабильностью. Разрабатываются композиты на основе аморфных матриц с кристаллическими включениями, что позволяет сочетать прочность и пластичность. Ведутся работы по созданию аморфных покрытий методами напыления и лазерной обработки. В России исследованиями аморфных сплавов занимаются в Институте металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН, Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» и других научных центрах.

Источники

• Глезер А. М., Молотилов Б. В. Структура и механические свойства аморфных сплавов. — М.: Металлургия, 1988.
• Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: КомКнига, 2006.
• Иноуэ А. Аморфные и нанокристаллические материалы: получение, свойства, применение. — М.: Физматлит, 2002.
• Лякишев Н. П., Алымов М. И. Аморфные и нанокристаллические сплавы. — М.: Элиз, 2005.
• Материалы Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2018).