Аморфный сплав

Аморфный сплав — это металлический материал, находящийся в метастабильном твёрдом состоянии, характеризующийся отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, в отличие от кристаллических сплавов. В аморфных сплавах атомная структура напоминает структуру затвердевшей жидкости (стекла), что придаёт им уникальный комплекс физико-химических свойств. Такие материалы также называют металлическими стёклами или стеклометаллами.

История открытия и развития

Первые теоретические предпосылки о возможности получения металлов в аморфном состоянии появились в 1930-х годах. Однако практическая реализация стала возможна лишь в 1960 году, когда американский физик Пол Дюве (Pol Duwez) и его коллеги из Калифорнийского технологического института впервые получили аморфный сплав системы Au-Si методом сверхбыстрого охлаждения (закалки из жидкого состояния) со скоростью порядка 10⁶ К/с. Этот эксперимент показал, что при достаточно высокой скорости охлаждения атомы не успевают выстроиться в кристаллическую решётку и фиксируются в неупорядоченном состоянии.

В 1970-х годах были разработаны промышленные методы получения аморфных сплавов, в частности метод спиннингования (плавления и быстрого затвердевания на вращающемся барабане), что позволило производить тонкие ленты шириной до нескольких десятков сантиметров. В 1974 году японская компания Hitachi Metals начала коммерческое производство аморфных сплавов на основе железа для трансформаторных сердечников.

В 1980-х годах были открыты объёмные (массивные) аморфные сплавы, которые можно получать при скоростях охлаждения всего 1–100 К/с, что позволило изготавливать детали толщиной до нескольких сантиметров. Ключевую роль в этом сыграли работы японского учёного Акихисы Иноуэ (Akihisa Inoue) и американского исследователя Уильяма Джонсона (William Johnson). В России значительный вклад в изучение аморфных сплавов внесли учёные Института металлургии имени А. А. Байкова РАН и Института физики твёрдого тела РАН.

Способы получения

Основным методом получения аморфных сплавов является сверхбыстрое охлаждение расплава, при котором скорость охлаждения превышает критическую скорость кристаллизации для данного состава. Различают несколько технологических подходов:

• Спиннингование (melt spinning) — расплав выдавливается через сопло на быстро вращающийся медный барабан, охлаждаемый водой. В результате образуется тонкая лента толщиной 20–50 мкм. Метод наиболее распространён для промышленного производства ленточных аморфных сплавов.

• Планарное литьё (planar flow casting) — модификация спиннингования, при которой сопло находится в непосредственной близости от барабана, что позволяет получать более широкие и однородные ленты (до 200 мм).

• Лазерная и электронно-лучевая обработка — локальное расплавление поверхности массивного кристаллического образца с последующим быстрым охлаждением за счёт теплоотвода в холодную подложку.

• Ионная имплантация — внедрение ионов в поверхностный слой металла, приводящее к разрушению кристаллической структуры.

• Механическое легирование — длительная обработка порошков в шаровой мельнице, приводящая к аморфизации за счёт интенсивной пластической деформации.

Для объёмных аморфных сплавов используются методы литья в медные формы, центробежного литья и порошковой металлургии с последующим горячим прессованием.

Классификация

Аморфные сплавы классифицируют по нескольким признакам:

По составу:

• На основе переходных металлов (Fe, Co, Ni) с добавлением металлоидов (B, C, Si, P) — наиболее распространённая группа, используемая в электротехнике.
• На основе благородных металлов (Au, Pd, Pt) — часто обладают высокой коррозионной стойкостью.
• На основе редкоземельных металлов (Nd, Dy) — применяются в магнитострикционных устройствах.
• Многокомпонентные системы (например, Zr-Cu-Al-Ni, Mg-Cu-Y) — способны образовывать объёмные аморфные сплавы.

По типу магнитных свойств:

• Ферромагнитные (Fe-, Co-, Ni-содержащие) — обладают высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями на перемагничивание.
• Парамагнитные и диамагнитные — используются в немагнитных приложениях.

По форме:

• Ленточные (толщина до 100 мкм).
• Проволочные (диаметр до 1 мм).
• Объёмные (массивные) — детали толщиной от 1 мм до нескольких сантиметров.
• Порошковые.

Свойства

Аморфные сплавы обладают рядом свойств, отличающих их от кристаллических аналогов:

• Высокая прочность и твёрдость. Предел прочности на разрыв у объёмных аморфных сплавов может достигать 2–4 ГПа, что в 2–3 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей. Твёрдость по Виккерсу может превышать 1000 HV.
• Высокая упругая деформация. Аморфные сплавы могут испытывать упругую деформацию до 2–3 %, тогда как для кристаллических металлов этот показатель обычно не превышает 0,5 %.
• Низкая магнитная коэрцитивность. Ферромагнитные аморфные сплавы (например, Fe-Si-B) имеют коэрцитивную силу менее 1 А/м, что делает их идеальными для сердечников трансформаторов.
• Высокое электрическое сопротивление. Удельное сопротивление аморфных сплавов (1–3 мкОм·м) в 2–4 раза выше, чем у кристаллических металлов, что снижает потери на вихревые токи.
• Коррозионная стойкость. Благодаря отсутствию границ зёрен и дефектов кристаллической решётки, аморфные сплавы часто обладают повышенной стойкостью к коррозии в агрессивных средах.
• Низкая пластичность при комнатной температуре. Большинство аморфных сплавов хрупки и разрушаются без заметной пластической деформации. Исключение составляют некоторые объёмные аморфные сплавы на основе Zr и Pd, которые могут проявлять пластичность при сжатии.
• Термическая нестабильность. При нагреве выше температуры стеклования (Tg) аморфные сплавы переходят в вязкотекучее состояние, а при дальнейшем нагреве кристаллизуются, теряя свои уникальные свойства.

Применение

Электротехника и энергетика

Основное коммерческое применение аморфных сплавов — изготовление сердечников трансформаторов и дросселей. Благодаря низким потерям на перемагничивание (в 3–5 раз ниже, чем у кремнистой стали) и малым вихревым токам, аморфные ленточные сплавы (например, сплав 5БДСР, производимый в России) позволяют снизить потери электроэнергии в распределительных трансформаторах на 60–80 %. В России такие трансформаторы производятся на предприятиях «Трансформер» и «Электрощит».

Электроника и магнитотехника

Аморфные сплавы используются в датчиках магнитного поля, магнитных головках, считывающих устройствах, а также в качестве экранов от электромагнитных помех. Высокая магнитострикция некоторых составов (например, Fe-Si-B) применяется в ультразвуковых генераторах и актуаторах.

Медицина

Объёмные аморфные сплавы на основе Zr и Ti изучаются как материалы для имплантатов (например, костных пластин и винтов) благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости. Однако широкое внедрение ограничено хрупкостью и сложностью обработки.

Авиакосмическая и оборонная промышленность

Высокая удельная прочность и упругость аморфных сплавов делают их перспективными для изготовления корпусов микроспутников, пружин, а также бронеэлементов. В России ведутся разработки по применению аморфных сплавов в системах управления ракетной техникой.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Благодаря возможности точного формообразования в вязкотекучем состоянии, аморфные сплавы используются для создания микродеталей: шестерёнок, пружин, актуаторов.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Рекордно низкие магнитные потери.
• Высокая прочность и твёрдость.
• Отличная коррозионная стойкость.
• Возможность получения сложных форм литьём.

Недостатки:

• Ограниченная пластичность и склонность к хрупкому разрушению.
• Термическая нестабильность — кристаллизация при нагреве выше 300–600 °C.
• Сложность и высокая стоимость производства объёмных деталей.
• Ограниченная свариваемость и обрабатываемость резанием.

Интересные факты

• Первый аморфный сплав Au₈₀Si₂₀ был получен случайно: Пол Дюве пытался изучить кристаллизацию расплава, но из-за высокой скорости охлаждения получил стеклообразную структуру.
• В 2011 году учёные из Калифорнийского технологического института создали объёмный аморфный сплав на основе палладия (Pd₄₂.₅Cu₃₀Ni₇.₅P₂₀), который одновременно обладает высокой прочностью (1,5 ГПа) и пластичностью (до 20 % деформации при сжатии).
• В России серийно выпускаются аморфные ленты марок 5БДСР, 9КСР, 71КНСР, используемые в трансформаторах и магнитных экранах.
• Аморфные сплавы не имеют кристаллической решётки, поэтому они не подвержены таким дефектам, как дислокации и границы зёрен, что и объясняет их аномально высокую прочность.

Источники

• Duwez P., Willens R. H., Klement W. Non-crystalline structure in solidified gold-silicon alloys // Nature, 1960.
• Inoue A. Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys // Acta Materialia, 2000.
• Johnson W. L. Bulk glass-forming metallic alloys: science and technology // MRS Bulletin, 1999.
• Глезер А. М., Пермякова И. Е. Аморфные сплавы: структура, свойства, применение. — М.: Металлургия, 1989.
• ГОСТ Р 53698-2009. Ленты аморфные и микрокристаллические. Технические условия.
• Патент РФ № 2451100. Способ получения аморфного сплава на основе железа.