非晶態(tài)合金的制備及應(yīng)用現(xiàn)狀

楊延廷

【摘 要】本文介紹了一種新型材料——非晶態(tài)合金材料的發(fā)展過程，結(jié)構(gòu)特征，制備方法及其在工業(yè)上的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】非晶態(tài)合金；制備；應(yīng)用

0 前言

非晶態(tài)合金是一種新型的功能材料，非晶態(tài)合金的出現(xiàn)最早可追溯到1960年，當(dāng)年美國(guó)Duwez[1]教授在研究固溶體的快速淬火時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種不同于之前的常規(guī)組織---非晶態(tài)合金。由于非晶態(tài)合金具有獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)、高效的制備工藝、優(yōu)異的材料性能和廣闊的應(yīng)用前景，一直受到材料科學(xué)工作者和產(chǎn)業(yè)界的特別關(guān)注。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，非晶態(tài)合金已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，開始了工業(yè)上的應(yīng)用[2-3]，本文就非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)特征，制備方法及其在工業(yè)上應(yīng)用的最新發(fā)展綜述如下。

1 非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特征

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

圖1 快速冷卻過程示意圖

圖2 非晶態(tài)與晶態(tài)合金形成過程示意圖

2 非晶態(tài)合金的制備方法

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

2.1 液態(tài)金屬急冷法

根據(jù)幾何形態(tài)來分，非晶態(tài)合金主要包括非晶帶材、非晶絲材和大塊非晶。目前非晶態(tài)合金研究和應(yīng)用最廣的是非晶帶材。非晶帶材的制備方法目前已經(jīng)比較成熟，根據(jù)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(gè)高速旋轉(zhuǎn)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(dǎo)急冷凝固成薄帶。根據(jù)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(yuǎn)，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(shí)驗(yàn)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(gè)熔池。該熔池對(duì)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(jīng)被工業(yè)化生產(chǎn)廣泛采用。雙輥法是將熔融合金噴射到兩個(gè)反向高速旋轉(zhuǎn)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(zhì)量相同、均勻，但由于工程技術(shù)方面的問題，難以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。目前工業(yè)生產(chǎn)上很少采用這種制帶方法。

2.2 非晶鍍法

非晶鍍是繼液態(tài)金屬急冷法制備非晶態(tài)合金的又一種方法。該法與表面改性技術(shù)結(jié)合起來更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。表面改性技術(shù)是在金屬基體材料表面涂覆或熔覆一層具有優(yōu)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(chǎn)成本。非晶鍍就是在基體材料表面沉積一層非晶態(tài)合金，可以大大改善材料的耐磨耐腐蝕性能，從而可以應(yīng)用到含硫化氫和二氧化碳等特殊環(huán)境中，發(fā)揮非晶態(tài)合金的優(yōu)異性能。西南石油大學(xué)的陳孝文[5-6]等人對(duì)非晶態(tài)合金在石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行深入和持續(xù)的研究，在油氣田領(lǐng)域常用的管桿材料表面制備出非晶態(tài)合金鍍層，并對(duì)鍍層的厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)合金鍍層具有基體所不具備的優(yōu)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(huán)境里耐H2S/CO2腐蝕方面的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為今后開發(fā)出新型耐H2S/CO2腐蝕材料提供技術(shù)支撐，為油氣田用管桿材料的制備提供新的思路，從而進(jìn)一步保障油氣開采的安全性，降低油氣開采的成本，促進(jìn)我國(guó)石油天然氣行業(yè)的快速發(fā)展。

2.3 氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition，簡(jiǎn)稱CVD）是指在一個(gè)加熱的基片或物體表面上，通過一種或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)而形成不揮發(fā)的固態(tài)膜層或材料的過程。該技術(shù)的研究始于十九世紀(jì)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(shù)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外己采用該技術(shù)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(dǎo)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(zhì)結(jié)材料的生長(zhǎng)；還可用于制備高溫超導(dǎo)薄膜和氧化物薄膜。可見，化學(xué)氣相沉積已成為無機(jī)合成化學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域。化學(xué)氣相沉積法和物理氣相沉積法也可以用來制備非晶態(tài)合金，該方法相對(duì)于電沉積法而言，設(shè)備較復(fù)雜，制備成本較高。

3 非晶態(tài)合金在工業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于非晶態(tài)合金具有優(yōu)異的磁性能、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，因此非晶態(tài)合金在工業(yè)的很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

對(duì)于結(jié)構(gòu)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(tài)合金，由于鍍層具有優(yōu)異的力學(xué)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(fù)雜的油氣田環(huán)境中，可以替代昂貴的進(jìn)口材料，從而降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

在電力電子領(lǐng)域，隨著高頻逆變技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)大功率線性電源開始大量被高頻開關(guān)電源所取代，而且為了提高效率，減小體積，開關(guān)電源的工作頻率越來越高，這就對(duì)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(shí)具有高飽和磁感和很低的高頻損耗，且熱穩(wěn)定性好，是大功率開關(guān)電源用軟磁材料的最佳選擇。目前在逆變焊機(jī)電源中納米晶合金已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，在通訊、電動(dòng)交通工具、電解電鍍等領(lǐng)域用開關(guān)電源中的應(yīng)用正在積極開發(fā)之中。

在電子信息領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關(guān)電源和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)、要求越來越高。例如，為了減小體積，計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)從20kHz提高到500kHz；為了實(shí)現(xiàn)CPU的低電壓大電流供電方式，采用磁放大器穩(wěn)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(dǎo)干擾的共模和差模扼流圈。因此，在開關(guān)電源和接口設(shè)備中增加了大量高頻磁性器件。

4 結(jié)論

非晶態(tài)合金是近期發(fā)展起來的一種新型環(huán)保綠色材料，是硅鋼，鐵氧體和坡莫合金等傳統(tǒng)軟磁材料的替代產(chǎn)品，無論在理論研究還是在應(yīng)用研究領(lǐng)域都取得了重大突破。同時(shí)，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域里也具有廣闊的應(yīng)用前景，總之，非晶態(tài)合金的出現(xiàn)和發(fā)展，必將對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和高新技術(shù)快速發(fā)展將發(fā)揮越來越重要的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[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-P-C-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(tài)合金鍍層在模擬氣田水溶液中的耐蝕性能[J].材料保護(hù)，2013，46（9）：4-6.

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

[責(zé)任編輯：丁艷]

在電子信息領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關(guān)電源和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)、要求越來越高。例如，為了減小體積，計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)從20kHz提高到500kHz；為了實(shí)現(xiàn)CPU的低電壓大電流供電方式，采用磁放大器穩(wěn)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(dǎo)干擾的共模和差模扼流圈。因此，在開關(guān)電源和接口設(shè)備中增加了大量高頻磁性器件。

4 結(jié)論

非晶態(tài)合金是近期發(fā)展起來的一種新型環(huán)保綠色材料，是硅鋼，鐵氧體和坡莫合金等傳統(tǒng)軟磁材料的替代產(chǎn)品，無論在理論研究還是在應(yīng)用研究領(lǐng)域都取得了重大突破。同時(shí)，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域里也具有廣闊的應(yīng)用前景，總之，非晶態(tài)合金的出現(xiàn)和發(fā)展，必將對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和高新技術(shù)快速發(fā)展將發(fā)揮越來越重要的作用。

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

[責(zé)任編輯：丁艷]

在電子信息領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關(guān)電源和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)、要求越來越高。例如，為了減小體積，計(jì)算機(jī)開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)從20kHz提高到500kHz；為了實(shí)現(xiàn)CPU的低電壓大電流供電方式，采用磁放大器穩(wěn)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(dǎo)干擾的共模和差模扼流圈。因此，在開關(guān)電源和接口設(shè)備中增加了大量高頻磁性器件。

4 結(jié)論

非晶態(tài)合金是近期發(fā)展起來的一種新型環(huán)保綠色材料，是硅鋼，鐵氧體和坡莫合金等傳統(tǒng)軟磁材料的替代產(chǎn)品，無論在理論研究還是在應(yīng)用研究領(lǐng)域都取得了重大突破。同時(shí)，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域里也具有廣闊的應(yīng)用前景，總之，非晶態(tài)合金的出現(xiàn)和發(fā)展，必將對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和高新技術(shù)快速發(fā)展將發(fā)揮越來越重要的作用。

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

[責(zé)任編輯：丁艷]