第二章非晶态合金

第二章非晶态合金第一节非晶态合金及其主要性能第二节非晶态合金的制备第三节非晶态合金的应用第一节非晶态合金及其主要性能非晶合金：由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金。非晶合金被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能以及储氢性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。第二节非晶态合金的制备我们先从非晶材料说起，在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料,一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300℃的钢水降到200℃以下，形成非晶带材。大块非晶合金的制备，通常采用以下几种制备方法：1、快速凝固快速凝固是当前材料科学与工程中研究最活跃的领域之一，熔体急冷和深过冷是实现快速凝固的两条途径，前者以快速冷却为特征，而后者可以是慢速冷却过程，深过冷液态金属与急冷快速凝固过程相似，也存在两种不同的凝固机制：一是晶体在过冷熔体中大量形核并快速长大；二是在足够大的过冷下常规晶体形核与长大被抑制，液态金属凝固为准晶或非晶态合金。与急冷快速凝固不同的是，深过冷熔体的结晶过程一般包括快速凝固和慢速凝固两个阶段。2.铜模铸造法该法是目前制备大块非晶合金最常用的方法。由于铜的导热性好,故很早就用铜模来制备大块非晶了。传统的铜模铸造是将金属液直接浇注到金属型(铜模)中使其快速冷却获得BMG，金属型冷却方式分为水冷和无水冷两种。浇注方式有压差铸造、真空吸铸和挤压铸造等。试块的形状则可以是楔形、阶梯形、圆柱形或片状等。楔形铜模具有在单个铸锭中得到不同的冷速,组织分析对比性强，通过非晶合金的临界厚度可以度量合金的玻璃形成能力。3.熔体水淬法熔体水淬法和铜模铸造一样，属于直接凝固的一种。水淬法通常与熔融玻璃包覆合金法结合使用。常用包覆剂，它既是吸附剂，吸附熔体内的杂质颗粒，又是包覆剂，隔离合金熔体，避免其与冷却器壁直接接触而诱发非均匀形核。通过对金属熔体进行水淬就可以得到非晶态合金棒材或丝材。4.抑制形核法避免非均质形核的措施有以下几种:(1)减少污染,提高合金元素纯度。(2)选用与晶核的晶体结构和点阵常数差别大的冷却模材料。(3)为获得尽可能快的冷却速率,优先选择高热导率的冷却模。(4)在惰性气体中熔炼和冷却。常用的抑制形核技术有落管技术、熔融玻璃净化技术、磁悬浮和静电悬浮及超声悬浮技术等。这种方法由于熔体在凝固过程中不与容器接触或软接触，从而消除了异质形核，有利于玻璃态结构的形成。5.粉末冶金技术粉末冶金技术就是把非晶态粉末装入模具进行一定的工艺成型，如温挤压、动力压实、粉末轧制、压制烧结等技术。用粉末冶金制备出的大块非晶合金，不仅要满足密实，而且要避免晶化。其基本原理是利用非晶态固体在过冷液相区内有效粘度大幅度下降的特性,施加一定的压力使材料发生均匀流变从而复合为块体。但所制设备的块体材料在纯度、致密度、尺寸和成形等方面受到很大限制。6.自蔓延反应合成法有人选取锆、铝、镍、铜元素粉末作为合成材料，按一定的配比混制成粉末混合体。将混合粉末压制成规格为φ80mm×7mm，相对密度为55％的粉末压坯。将压坯置于充氩气的反应容器内，采用连续C02激光器在压坯一端点火，引发自蔓延反应。该合成产物主要由非晶Zr3Al2及Zr2Cu两种类型的金属间化合物所组成，该法是制备非晶态复合材料的可行的方法，该法的另一优点是产品近净成型，容易进入实用化和工业化生产。7.固态反应固态反应制备大块非晶的方法是利用扩散反应动力学对固态晶体进行各种无序化操作，使之演变为非晶相,从而实现由固态晶体直接转化为固态非晶体。8.定向凝固铸造法采用这种方法要控制定向凝固速率和固／液界面前沿液相温度梯度，而定向凝固所能达到的理论冷却速度可通过这两个参数乘积估算，这种方法适于制作截面积不大但比较长的样品。第三节非晶态合金的应用非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性,非晶态合金材料在电子、航空、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。非晶合金可以用来制作结构材料、精密光学材料、工具材料及磁性材料等。例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷。用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力。微型铁芯可大量应用于综合业务数字网ISDN中的变压器。非晶条带用来制造超级市场和图书馆防盗系统的传感器标签。非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。非晶变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料——非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗(指变压器次级开路时，在初级测得的功率损耗)下降80%左右，空载电流(变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流)下降约85%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。由于其反应温度低，可在200℃左右的温度下制造，因此可以在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上淀积薄膜，易于大面积化生产，成本较低；能量返回期短；适于大批量生产；高温性能好；弱光响应好，充电效率高。上述独特的技术优势，令薄膜硅电池在民用领域具有广阔的应用前景，如光伏建筑一体化、大规模低成本发电站、太阳能照明光源。非晶合金之所以能够发挥其优良的特性、是由于它具有构造上的均匀性和组织上的均质性。非晶合金显示出良好的高磁导率，是因为它没有晶界及析出物质，磁畴壁容易移动，用不太的磁场就能立即磁化。运用真空技术制作的非晶磁性薄膜杂质少，适于制作均质的磁性薄膜。非晶视频磁头将载波频率提高，使水平清晰度提高，以获得细腻的画面质量。磁带技术的新发展促使人们不断提高对音频磁头的要求人们要求。它有尽可能高的初始导磁率,足够高的饱和磁感应强度.高_唾争一电阻,低磁滞损耗,高机械强度,并且要耐腐蚀,耐磨损。非晶态磁头的优点由非晶态材料制成的带叠状铁芯的磁头在磁性方面和机械方面都具有某些优点.由于这些叠状铁芯是以整体为单位进行切衡的,因此可避免加工常规磁头时因分别捆扎铁芯而造成的尺寸不精确磁头的磨损度很小,尺寸精度很高.所以能把隙缝深度做得较小,这有利于改善音频磁头效果。非晶态合金的硬度高,加之该材料的其它特性,故磁头寿命特别长.非晶态合金钎焊材料是一种新型的焊接材料，与晶态钎焊材料相比，它具有材质纯净、组织均匀、钎焊质量高、除能有效替代晶态钎焊材料外、还能在许多领域中解决一些用晶态钎焊材料难以解决的问题。广泛用于航空、航天、机电、能源、医疗器械、精密仪器等领域。非晶态高温钎料对硬质母材的润湿性能优于粉状晶态钎料.非晶态高温钎料对硬质母材的熔蚀程度较晶态要轻，非晶态高温合金钎料真空钎焊硬质母材的室温拉伸强度,高温拉伸强度比同成分的晶态高温钎料钎焊接头高,出现这种现象的原因主要是由于非晶态高温合金钎料的均匀性,杂质含量少及窄的熔化区间.