非晶態合金的制備及應用現狀

楊延廷

（西南石油大學 材料科學與工程學院，四川 成都610500）

0 前言

非晶態合金是一種新型的功能材料，非晶態合金的出現最早可追溯到1960 年，當年美國Duwez[1]教授在研究固溶體的快速淬火時，發現了一種不同于之前的常規組織---非晶態合金。 由于非晶態合金具有獨特的組織結構、高效的制備工藝、優異的材料性能和廣闊的應用前景，一直受到材料科學工作者和產業界的特別關注。 經過五十多年的發展，非晶態合金已經走出實驗室，開始了工業上的應用[2-3]，本文就非晶態合金結構特征，制備方法及其在工業上應用的最新發展綜述如下。

1 非晶態合金的結構特征

通常情況下，非晶態合金是由熔融的液態金屬經快速冷卻（冷速高達106℃/s）而形成，而晶態合金是由熔融的液態金屬以較慢的速度冷卻，經形核和長大而得到，如圖1 所示。因此，與晶態合金相比，非晶態合金具有兩個最基本的特點，即原子排列不具有周期性和宏觀上處于非熱平衡的亞穩態。非晶態合金與晶態合金的形成過程示意圖如圖2 所示。 從圖1 和圖2 可以看出：晶態金屬的原子按周期排列，呈有序結構，非晶態金屬的原子非周期排列，呈無序結構。非晶態合金的形成是有條件的，既與合金成分有關，也與凝固過程的冷卻速率有關。從相變角度看，非晶態形成的過程就是避免結晶的過程，即避免原子重排的過程。 非晶態合金的形成過程是：過熱液態金屬→過冷液態金屬→非晶態合金。

圖1 快速冷卻過程示意圖

圖2 非晶態與晶態合金形成過程示意圖

2 非晶態合金的制備方法

非晶態合金的制備方法比較多，常用的液態金屬急冷法、非晶鍍法以及氣相沉積法等。

2.1 液態金屬急冷法

根據幾何形態來分，非晶態合金主要包括非晶帶材、非晶絲材和大塊非晶。 目前非晶態合金研究和應用最廣的是非晶帶材。 非晶帶材的制備方法目前已經比較成熟，根據冷卻基體的形式不同，可分為單輥法和雙輥法[4]。 單輥法是采用一個高速旋轉的冷卻輥將合金熔體拉成液膜，然后依靠冷卻輥的快速熱傳導急冷凝固成薄帶。 根據合金熔體引向冷卻輥的方式不同， 又分為自由噴射甩出法和平面流鑄帶法。前者的噴嘴距輥面的距離較遠，冷卻速度更快，可以獲得更薄的帶材，但只適合噴制窄帶。 在非晶材料研究的早期，實驗室里常采用這種制帶方法。后者的噴嘴離輥面很近，在噴嘴和輥面之間形成一個熔池。該熔池對合金液流有緩沖作用，從而可以獲得更均勻的薄帶。 平面流鑄帶法適合制備寬帶，已經被工業化生產廣泛采用。 雙輥法是將熔融合金噴射到兩個反向高速旋轉的軋輥之間，在快速凝固過程中被軋制成薄帶。理論上講，雙輥法的冷卻速率大于單輥法，并且可以使帶材兩面的質量相同、均勻，但由于工程技術方面的問題，難以發揮其優勢。 目前工業生產上很少采用這種制帶方法。

2.2 非晶鍍法

非晶鍍是繼液態金屬急冷法制備非晶態合金的又一種方法。該法與表面改性技術結合起來更有實際應用價值。表面改性技術是在金屬基體材料表面涂覆或熔覆一層具有優異性能的涂層（如高耐磨、高硬度和高耐腐蝕等性能），這樣既改善了材料的使用性能，又降低了材料的生產成本。 非晶鍍就是在基體材料表面沉積一層非晶態合金，可以大大改善材料的耐磨耐腐蝕性能，從而可以應用到含硫化氫和二氧化碳等特殊環境中，發揮非晶態合金的優異性能。 西南石油大學的陳孝文[5-6]等人對非晶態合金在石油天然氣領域的應用進行深入和持續的研究， 在油氣田領域常用的管桿材料表面制備出非晶態合金鍍層，并對鍍層的厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能進行測試，發現非晶態合金鍍層具有基體所不具備的優異性能。 非晶鍍方法的研究，將為這種新材料制備方法在油氣田環境里耐H2S/CO2腐蝕方面的應用打下堅實的理論基礎，為今后開發出新型耐H2S/CO2腐蝕材料提供技術支撐，為油氣田用管桿材料的制備提供新的思路，從而進一步保障油氣開采的安全性，降低油氣開采的成本，促進我國石油天然氣行業的快速發展。

2.3 氣相沉積法

化學氣相沉積(Chemical vapor deposition,簡稱CVD)是指在一個加熱的基片或物體表面上，通過一種或幾種氣態元素或化合物產生的化學反應而形成不揮發的固態膜層或材料的過程。該技術的研究始于十九世紀末期，至今已有百余年歷史，目前作為一種重要的材料合成和制備技術已廣泛應用于各種工業領域。國內外己采用該技術成功地制備出多種金屬、氧化物、碳化物、氮化物膜和金剛石薄膜；也成功地用于半導體超晶格量子阱等低維材料的制備；用于多元固溶體的多層異質結材料的生長；還可用于制備高溫超導薄膜和氧化物薄膜。 可見,化學氣相沉積已成為無機合成化學的一個新領域。化學氣相沉積法和物理氣相沉積法也可以用來制備非晶態合金，該方法相對于電沉積法而言，設備較復雜，制備成本較高。

3 非晶態合金在工業上的應用現狀

由于非晶態合金具有優異的磁性能、 力學性能和耐腐蝕性能，因此非晶態合金在工業的很多領域都有廣闊的應用前景[7]。

對于結構材料而言，需要表面高硬度、高耐磨性或高耐腐蝕性的材料，可以在該基體材料表面沉積一層非晶態合金，由于鍍層具有優異的力學性能和耐腐蝕性能，因此可以將該材料用于工況條件比較復雜的油氣田環境中，可以替代昂貴的進口材料，從而降低生產成本，提高企業的競爭力。

在電力電子領域，隨著高頻逆變技術的成熟，傳統大功率線性電源開始大量被高頻開關電源所取代，而且為了提高效率，減小體積，開關電源的工作頻率越來越高，這就對其中的軟磁材料提出了更高的要求。硅鋼高頻損耗太大，已不能滿足使用要求；鐵氧體雖然高頻損耗較低，但在大功率條件下仍然存在很多問題。 納米晶軟磁合金同時具有高飽和磁感和很低的高頻損耗，且熱穩定性好，是大功率開關電源用軟磁材料的最佳選擇。目前在逆變焊機電源中納米晶合金已經獲得廣泛應用，在通訊、電動交通工具、電解電鍍等領域用開關電源中的應用正在積極開發之中。

在電子信息領域，隨著計算機、網絡和通訊技術的迅速發展，對小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關電源和網絡接口設備的需求日益增長、要求越來越高。 例如，為了減小體積，計算機開關電源的工作頻率已經從20kHz 提高到500kHz；為了實現CPU 的低電壓大電流供電方式，采用磁放大器穩定輸出電壓；為了消除各種噪音，采用抑制線路自生干擾的尖峰抑制器， 以及抑制傳導干擾的共模和差模扼流圈。 因此，在開關電源和接口設備中增加了大量高頻磁性器件。

4 結論

非晶態合金是近期發展起來的一種新型環保綠色材料， 是硅鋼，鐵氧體和坡莫合金等傳統軟磁材料的替代產品，無論在理論研究還是在應用研究領域都取得了重大突破。 同時，非晶態合金由于具有優異的力學性能和耐腐蝕性能， 在結構件領域里也具有廣闊的應用前景，總之，非晶態合金的出現和發展，必將對我國傳統產業改造和高新技術快速發展將發揮越來越重要的作用。

［1］W.Klement, R.H.Willens, P.Duwez,.Non-crystalline structure in solidified gold silicon alloys[J].Nature, 1960，187:869-871.

［2］Takao Mizushima, Kazuaki Ikarashi, Shoji Yoshida, Akihiro Makino and Akihisa Inoue.Soft Magnetic Properties of Ring Shape Bulk Glassy Fe-Al-Ga-PC-B-Si Alloy Prepared by Copper Mold Casting [J].Materials Transactions.JIM,1999，40(9):1019-1022.

［3］T.D.Shen, U.Harms and R.B.Schwarz.Bulk Fe-Based Metallic Glass with Extremely Soft Ferromagnetic Properties [J].Materials Science Forum, 2002，386:441-446.

［4］N.SEN, R.SAU, S.MAZUMDAR, M.GHOSH, S.K.SAHAY and A.K.RAY.Physical modeling of liquid feeding for an unequal diameter two roll thin strip caster[J].Canadian Metallurgical Quarterly, 1998，37(2)：161-166.7.

［5］陳孝文，張德芬，白江虎，龍飛，龍丹，李森林.28CrMo 鋼的 Ni-P 合金鍍工藝[J].金屬熱處理，2012，37（8）：59-61.

［6］陳孝文，朱毅科，李森林，邵登全，石霜霜，吳俊杰.28CrMo 鋼 Ni-P 非晶態合金鍍層在模擬氣田水溶液中的耐蝕性能[J].材料保護，2013，46（9）：4-6.

［7］徐澤瑋.新軟磁材料和新磁芯結構在電子變壓器中的應用[J].金屬功能材料，2005，12（1）：30－33.