Открыть сервис
Главная → Блог → Объёмные аморфные сплавы

Объёмные аморфные сплавы

Объёмные аморфные сплавы (также известные как массивные металлические стёкла, bulk metallic glasses, BMG) — это класс металлических материалов, характеризующихся отсутствием дальнего порядка в расположении атомов (аморфной структурой) при сохранении металлического типа межатомной связи. В отличие от традиционных кристаллических металлов и сплавов, атомная решётка в объёмных аморфных сплавах неупорядочена, что придаёт им уникальный комплекс физико-механических свойств. Ключевым отличием от обычных аморфных металлов (металлических стёкол), получаемых в виде тонких лент или плёнок, является способность сохранять аморфное состояние в образцах значительной толщины (обычно от 1 мм и более), что открывает возможности для их практического применения в качестве конструкционных и функциональных материалов.

История

Первые сообщения о получении аморфных металлов относятся к 1960 году, когда Пол Дюве и его коллеги из Калифорнийского технологического института (США) получили аморфную плёнку сплава Au-Si методом сверхбыстрой закалки из жидкого состояния. Однако полученные образцы имели толщину не более нескольких десятков микрометров, что ограничивало их применение.

Прорыв в области объёмных аморфных сплавов произошёл в конце 1980-х — начале 1990-х годов. В 1988 году японский учёный Акио Иноуэ (Университет Тохоку) и его группа разработали многокомпонентные сплавы на основе циркония, алюминия и никеля, которые демонстрировали критическую скорость охлаждения, достаточную для получения аморфных образцов диаметром до нескольких миллиметров. В 1993 году группа Уильяма Джонсона (Калифорнийский технологический институт) синтезировала сплав Zr-Ti-Cu-Ni-Be (известный как Vitreloy 1), который позволил получать аморфные слитки диаметром до 10 см. Это открытие сделало возможным промышленное производство объёмных аморфных сплавов.

В России исследования в этой области активно ведутся с 1990-х годов в Институте металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН, Институте физики твёрдого тела РАН и других научных центрах. Разработаны отечественные композиции на основе циркония, титана и железа.

Получение и структура

Критическая скорость охлаждения

Для формирования аморфной структуры расплав необходимо охлаждать со скоростью, превышающей критическую, чтобы подавить зарождение и рост кристаллических фаз. Для традиционных аморфных металлов эта скорость составляет 10⁵–10⁶ К/с, что достигается только в тонких образцах. Для объёмных аморфных сплавов критическая скорость охлаждения снижена до 1–100 К/с, что позволяет получать образцы толщиной от 1 мм до нескольких сантиметров.

Методы синтеза

Основные методы получения объёмных аморфных сплавов включают:

  • Литьё в медную изложницу — расплав заливается в водоохлаждаемую медную форму, где происходит быстрое охлаждение.
  • Литьё с инжекцией — расплав под давлением впрыскивается в полость медной формы.
  • Метод центробежного литья — расплав заливается во вращающуюся форму под действием центробежных сил.
  • Метод плавления в электромагнитном поле — бестигельная плавка с последующим охлаждением в медной форме.
  • Метод порошковой металлургии — аморфный порошок, полученный распылением, консолидируется при температурах ниже температуры кристаллизации.

Критерии стеклообразования

Для получения объёмных аморфных сплавов используются многокомпонентные составы, удовлетворяющие трём эмпирическим правилам Иноуэ:

  1. Система должна содержать не менее трёх компонентов.
  2. Разница в атомных радиусах между основными компонентами должна быть не менее 12 %.
  3. Компоненты должны иметь отрицательную теплоту смешения.

Эти условия способствуют образованию плотноупакованной неупорядоченной структуры и затрудняют диффузию атомов, необходимую для кристаллизации.

Свойства

Механические свойства

Объёмные аморфные сплавы обладают уникальным сочетанием механических свойств:

  • Высокая прочность — предел прочности при растяжении может достигать 2–3 ГПа (для сравнения, у высокопрочных сталей — 1–2 ГПа).
  • Высокая твёрдость — до 600–800 HV.
  • Высокая упругость — предел упругой деформации составляет 2–3 %, что в 5–10 раз выше, чем у кристаллических металлов (0,2–0,5 %).
  • Низкий модуль упругости — 50–100 ГПа, что ниже, чем у сталей (200 ГПа).
  • Пластичность — при комнатной температуре объёмные аморфные сплавы обычно хрупки (пластическая деформация локализуется в полосах сдвига). Однако некоторые составы (например, на основе циркония) демонстрируют заметную пластичность при сжатии.

Физические свойства

  • Коррозионная стойкость — высокая, благодаря отсутствию границ зёрен и дефектов, характерных для кристаллических материалов.
  • Магнитные свойства — многие объёмные аморфные сплавы (особенно на основе железа) обладают высокой магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и малыми потерями на перемагничивание.
  • Электрическое сопротивление — выше, чем у кристаллических аналогов, и слабо зависит от температуры.
  • Термическая стабильность — температура стеклования (Tg) и температура кристаллизации (Tx) обычно находятся в диапазоне 300–600 °C. Выше Tx сплав необратимо кристаллизуется и теряет аморфные свойства.

Недостатки

  • Хрупкость — особенно при растяжении и ударных нагрузках.
  • Ограниченная пластичность — при комнатной температуре.
  • Склонность к кристаллизации — при нагреве выше температуры кристаллизации.
  • Высокая стоимость — из-за использования дорогих компонентов (цирконий, бериллий, палладий) и сложных технологий получения.

Классификация

Объёмные аморфные сплавы классифицируют по химическому составу на несколько основных групп:

  • На основе циркония (Zr) — наиболее изученные и широко применяемые (например, Zr-Ti-Cu-Ni-Be, Zr-Cu-Al-Ni). Обладают хорошей пластичностью и высокой прочностью.
  • На основе титана (Ti) — Ti-Cu-Ni-Sn, Ti-Zr-Cu-Ni. Отличаются низкой плотностью и высокой удельной прочностью.
  • На основе железа (Fe) — Fe-B-Si, Fe-Co-B-Si. Обладают высокими магнитными свойствами и твёрдостью.
  • На основе палладия (Pd) — Pd-Cu-Ni-P. Имеют самую низкую критическую скорость охлаждения (до 0,1 К/с), что позволяет получать образцы толщиной до 10 см.
  • На основе магния (Mg) — Mg-Cu-Y, Mg-Zn-Ca. Лёгкие, но менее прочные.
  • На основе лантаноидов (La, Ce) — La-Al-Cu, Ce-Al-Cu. Обладают низкой температурой стеклования.

Применение

Объёмные аморфные сплавы находят применение в различных областях, где требуются уникальные свойства:

Перспективы и ограничения

Основными направлениями развития являются:

  • Снижение стоимости за счёт использования более дешёвых компонентов (например, на основе железа или алюминия).
  • Повышение пластичности путём создания композитов с кристаллической фазой.
  • Разработка методов сварки и обработки (лазерная, ультразвуковая).
  • Масштабирование технологий литья для получения крупногабаритных изделий.

Ограничениями остаются хрупкость, высокая стоимость и сложность переработки (аморфные сплавы не поддаются традиционной пластической деформации при комнатной температуре).

Источники

  • Inoue A. Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys // Acta Materialia. — 2000. — Vol. 48, No. 1. — P. 279–306.
  • Johnson W. L. Bulk glass-forming metallic alloys: Science and technology // MRS Bulletin. — 1999. — Vol. 24, No. 10. — P. 42–56.
  • Глезер А. М., Пермякова И. Е. Объёмные аморфные сплавы: получение, структура, свойства // Успехи физических наук. — 2008. — Т. 178, № 5. — С. 497–520.
  • Suryanarayana C., Inoue A. Bulk Metallic Glasses. — CRC Press, 2011. — 544 p.
  • Материаловедение: учебник для вузов / под ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 648 с.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы