Cu基大塊非晶合金的研究現(xiàn)狀

1、cu基大塊非晶合金的研究現(xiàn)狀李兵兵，姚祥， 張亞楠摘要cu基大塊非晶合金具有極高的強(qiáng)度，有較大的玻璃形成能力和相對(duì)低的成本，可作為未來(lái)的超強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。本文概述了國(guó)內(nèi)外最近兒年cu基大塊 非晶合金的研究進(jìn)展，介紹了 cu基大塊非品合金在玻璃形成能力、機(jī)械性能、 耐腐蝕性能、cu基非晶一納米金合金的研究成杲以及對(duì)研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)說(shuō)明, 最后討論了 cu基大塊非晶合金未來(lái)的研究重點(diǎn)。關(guān)鍵詞 cu基大塊非晶合金；玻璃形成能力；機(jī)械性能；cu基大塊非晶一納 米金合金；耐腐蝕性能0引言大塊非晶合金材料是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新型材料它貝有良好的力學(xué)、物理、化 學(xué)性能，在航空航天、精密制造、儀器儀表、電子通訊與計(jì)算機(jī)

2、、生物醫(yī)學(xué)等 領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，大塊非晶合金的研究得到了長(zhǎng)足發(fā)展，隨 研究的深入，非晶合金的優(yōu)越性能也逐漸被發(fā)現(xiàn)，將其用做結(jié)構(gòu)材料而要解決 的問(wèn)題也引起了材料領(lǐng)域研究人員的重視，大塊金屈玻璃的研究已經(jīng)成為了材 料領(lǐng)域熱門(mén)的前沿課題。cu基大塊非晶合金是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的新的非晶體系，這種非晶合金冇較大 的玻璃形成能力和相對(duì)低的成木，它的拉伸斷裂強(qiáng)度比晶體的高得多，可達(dá)2000 2400mpa，同時(shí)具有一定的塑性，與zr基、pd基大塊非晶合金相比，其強(qiáng)度 也處于領(lǐng)先地位，可以作為超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料。高的玻璃形成能力和優(yōu)異的力學(xué) 性能，進(jìn)一步拓展了大塊非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用而景。因此，

3、研究cu基 人塊非晶合金的形成機(jī)理和形成規(guī)律以及性能，對(duì)作為未來(lái)的超強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料冇重 要意義，為推動(dòng)cu基大塊給晶合金的研究，木文將對(duì)cu基大塊非晶合金的研究 現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。1 cu基大塊非晶合金的形成能力以及組織性能研究2000年，日木東北大學(xué)a inoue研究小組利用銅模鑄造方法研究了 cu基大 塊非晶合金cu-zr-ti和cu-hf-ti系。結(jié)果表明，cu6ozr3otilo和cusohti合金 臨界直徑可達(dá)4mm,拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)20002160mpa,壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)20612150 mpa,并有明顯的塑性變形，而且用ti元素代替zr和hf元素可以提高非晶形成 能力。2001年張濤教授

4、等人又研究了新的體系在cu-zr-ti系的基礎(chǔ)上添加y的 作用，結(jié)果表明,(cuo.6zro.3tio.i)9sy2非晶合金直徑達(dá)5mm, y元素的添加增加了 非晶形成能力,atx從36k增加到50k, tg/tl從0. 62增加到0. 63, atx. tg/tl 的增加表明了非晶形成能力的增加。日本t yamamoto等人研究了 ni和nb元素 對(duì)cu6ozr3otiio大塊非品的形成能力、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能的影響。結(jié)杲表明加入 5%的 ni, atx 從 38k 增加到 60k, ni 和 nb 同時(shí)加入(cuowzgtio.j gdiynbx 非晶塊體表現(xiàn)出高的強(qiáng)度和好的耐腐蝕性能。2

5、003年，atnoue等人研究了 cu-zr-ti-(pb, agpt,ag)合金系,結(jié)果表明,cu55zr3otilopd5和 cu55zr3otiloag5形 成了直徑2nnn的非晶棒，而cu55zr3otii()au5形成了非晶和晶體的混合體，壓縮強(qiáng) 度和屈服強(qiáng)度比cu6ozr3otilo冇所增加，cusszrtiwpts沒(méi)有非晶相。2004年，cu基塊體非晶合金取得了突破性進(jìn)展，一是tang、wang和xu分 別報(bào)到了在cu-zr二元合金獲得了直徑為2mm的塊體非晶合金，是塊體非晶合 金首次從多元系擴(kuò)展到二元系。他們發(fā)現(xiàn)，cuioo-xzrx (x=34%, 36%, 38. 2%,

6、40%) 可以形成塊體非晶合金態(tài)，其中cu61zr36合金的約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度為0.64,過(guò)冷 液相區(qū)寬度達(dá)到46k,楊氏模量和壓縮斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到了 92. 3gpa和2000mpao cu基合金另一個(gè)重耍的發(fā)展是，xu等研制出了具有玻璃形成能力的 cu46zr47_xal7yx(0<xl0%)合金，他們利用銅模鑄造法制備出了直徑達(dá)14mm的棒 狀樣甜，該合金過(guò)冷液相區(qū)的寬度達(dá)到了 100k,這在以前的合金是沒(méi)有的。臺(tái) 灣的c l chiang教授等人研究了 cu6ozr2ohflotilo大塊非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)的均 勻塑性變形問(wèn)題,在740k和應(yīng)變速率3x 10_3s_1的條件下,獲

7、得了 0.78%的大壓 縮應(yīng)變，流變應(yīng)力比pd基大塊非晶合金高；ii.j.kim等人研究了通過(guò)高溫氨氣 霧化等方法獲得了具有53k過(guò)冷液相區(qū)間的cu54ni6zr22ti18非晶粉末，然后在過(guò) 冷液相狀態(tài)下熱軋非晶粉末，成功制備了 cu54ni6zr22ti18大塊非晶合金，它的強(qiáng) 度達(dá)到1. 9gpa,接近鑄造的塊休非晶合金；韓國(guó)的deck kim等人在亞穩(wěn)過(guò)冷液 體狀態(tài)下通過(guò)計(jì)算結(jié)品相驅(qū)動(dòng)力和研究最小的結(jié)品驅(qū)動(dòng)力解釋了 cu-ti-zr合 金系的非晶形成能力的成分依靠問(wèn)題，臨界驅(qū)動(dòng)力可以作為一個(gè)新的熱動(dòng)力計(jì)算 方法來(lái)預(yù)測(cè)非晶合金的成分。大連理工大學(xué)的王清等人利用電子濃度經(jīng)驗(yàn)判據(jù)指導(dǎo)cu基和

8、cu-zr-al體系 塊體非晶合金的成分優(yōu)化設(shè)計(jì),在(cu61.8zr38.2) i-xalx(cu56zr44)變電子濃度 線上得到的塊體非晶合金的電子濃度區(qū)間分別為1. 24-1. 30, 1. 28-1. 36,而且非 品合金的熱穩(wěn)定性和玻璃形成能力隨電了濃度增加而增加；chun-li dai等人利 用銅模鑄造法制備了直徑為10mm的成分為cugagimzmtis的新型大塊非晶合 金他們首先制備了直徑為3mm的cu60zr32ti7大塊金屬玻璃，然后加入ag研究 cu-ag-zr-ti四元合金的非品形成能力，進(jìn)而制備出直徑為10mm的成分 cun. 2sag m. 75z爍丁 i 5的新

9、型大塊金屈玻璃玻璃形成能力的急劇增加是因?yàn)榧尤隺 g兀 索增加了液體的穩(wěn)定性；寇生中等人采用懸浮熔煉-銅模吸鑄法制備了 cu5ozr42al8 大塊非晶合金，臨界直徑達(dá)5mni,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度tg、晶 化溫度tx的值分別為730k與788k,過(guò)冷液相區(qū)寬度atx值為48k,臨界冷卻 速度rc為25. 5k/s,表明該合金具冇較強(qiáng)的玻璃形成能力。2 cu基大塊非晶合金的腐蝕性能的研究cu基大塊非晶合金具冇良好的耐腐蝕性能。檀朝桂研究了晶化對(duì) cu52.5ti30zru.5ni5非晶合金的腐蝕性能的影響,在in hc1和6n naoh溶液中,部 分晶化的合金均具有最好的抗腐蝕能

10、力，完全晶化的合金抗腐蝕能力最差，而非 品合金居兩者z間。同時(shí)，對(duì)品化相的大小與合金腐蝕能力的關(guān)系也進(jìn)行了初步 的研究，得出非晶合金的抗腐蝕能力對(duì)晶化相的大小有著一定的相依性。趙吉鵬 研究了合金元索的添加對(duì)統(tǒng)計(jì)塊狀非晶合金耐腐蝕性能的影響，通過(guò)電化學(xué)法和 浸泡失重法研究 了 cu5ozr42al8、cgzmahgd?、cgzsahgd?、cu49zr42al8nd、 cu.16zrl2al8ndt在3%nacl溶液中的腐蝕行為。腐蝕速度、微觀形貌、極化曲線等 結(jié)果表明添加稀土元素gd和nd z后,非品合金的耐腐蝕性能降低了，且隨著 gd和nd含量的增加，非晶合金的門(mén)腐蝕電位變負(fù)，腐蝕速率增大，

11、耐腐蝕性減 弱；通過(guò)對(duì)cu45zr42al8ag5> cu43zr4ial8ag8>非晶合金和晶態(tài)合金在3%nacl溶液 屮耐腐蝕性能對(duì)比，研究表明，塊狀非晶合金相對(duì)于晶態(tài)合金顯示出較好的耐腐 蝕性能。k. asami等人研究了在cu6ozr3otiio合金基礎(chǔ)上加入少量nb、mo、ta元素而 形成大塊非晶合金的腐蝕性問(wèn)題。非晶合金的在腐蝕性能在濃度in ilck in h2so4> in naoh. 3%nacl的水溶液中通過(guò)失重和極化曲線測(cè)量法來(lái)評(píng)估，他們的 表面通過(guò)x-射線分光光譜(xps)進(jìn)行分析以查明它們的耐腐蝕性原因。結(jié)果表 明，在nb、mo、ta三種元素中，加入

12、nb元素的非晶合金在所有溶液中具有最好 的耐腐蝕性，zr在表而富集這說(shuō)明nb元素改善了富zr表而膜的保護(hù)性。3. cu基大塊非晶-納米晶合金的研究納米技術(shù)是二十一世紀(jì)最具活力的高科技研究領(lǐng)域，其在許多領(lǐng)域都冇潛在 的無(wú)與倫比的應(yīng)用前景。近年來(lái)，在cu基大塊非晶合金研究的基礎(chǔ)上，人們又 開(kāi)展了銅基大塊非晶-納米晶合金復(fù)合材料的研究，因?yàn)楫?dāng)有納米晶均勻分布在 cu基大塊非品合金基體上時(shí)，可以進(jìn)一步優(yōu)化cu基大塊非品合金的性能，在保 持高強(qiáng)度的同時(shí)改善cu基大塊非晶合金塑性較低的問(wèn)題，以擴(kuò)大大塊非晶合金 作為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)材料科學(xué)理論，微晶，它的塑性高于非晶, 如果在大塊非晶基體上既

13、分布有納米晶，又分布有微晶，可以緩和應(yīng)力集屮，延 緩剪切帶擴(kuò)展變形，從而提高非晶的塑性和韌性。d. v. louzguine等人研究了 pd元素的加入在cu麗zmtiiopds大塊非晶合金中 形成對(duì)稱(chēng)的3到lonm的二十面體的納米顆粒，同時(shí)擴(kuò)大了atx； li等研究了 cu-ti-ni-zr-sn塊體非晶合金屮的晶化過(guò)程，在連續(xù)加熱的條件下，發(fā)生am- cuti+cuiozr?和 cuti+cuiozrtcuiozry+cuti+cuti2+cu2ti 反應(yīng)。在 735k 下退火 1. 3ks 后，形成了 cuti+cuiozr?ocu40ti3onii5zri0sn5塊體非晶合金經(jīng)過(guò) 735

14、k, 1. 3ks 退火后的衍射花樣中有兩個(gè)衍射斑點(diǎn)組成的衍射環(huán)。其中里面的環(huán)對(duì)應(yīng)著cu10zr7 相,而外面的對(duì)應(yīng)著cuzr相。與衍射環(huán)相對(duì)應(yīng),hrem圖像中可以看見(jiàn)cuti相 和cui0zr7相的平行條紋圖像。edx分析述發(fā)現(xiàn)，sn在cu10zr7相屮富集，而在cuti 相中貧乏。含有納米尺寸晶相的大塊金屬玻璃比單相金屬玻璃具有更高的抗拉強(qiáng) 度。4 結(jié)束語(yǔ)綜上所述，cu基大塊非晶合金的研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，在非晶的 合金體系、成分設(shè)計(jì)、制備方法等方面都取得了重要的研究成果，可制備出的非 晶的臨界直徑也越來(lái)越大，但是cu基大塊非晶合金的研究還處在探索階段，而 cu基大塊非品一納米金合金的研

15、究述處在起步階段，述有許多本質(zhì)的問(wèn)題沒(méi)冇 解決，理論上沒(méi)有重大突破。主要面臨的問(wèn)題有：（dcu基大塊非晶合金作為結(jié) 構(gòu)材料有很犬的應(yīng)用前景，但要作為結(jié)構(gòu)材料它的塑性還達(dá)不到要求，現(xiàn)在制備 的cu基大塊非晶合金材料的塑性遠(yuǎn)比鋼鐵材料要差得多，塑性韌性低制約了 cu 基大塊非晶合金作為超強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，因此，提高非晶材料的塑性韌性是材 料界目前急需解決的問(wèn)題。目前關(guān)丁利用微品-納米品復(fù)合相捉高非品塑性韌 性的研究幾乎還沒(méi)有，而利用非晶退火納米晶化、非晶形變納米晶化的工藝也不 好控制，制備困難，因此，對(duì)銅基大塊非晶-微晶-納米晶合金復(fù)合材料的形成機(jī) 理、形成規(guī)律還需繼續(xù)研究探索?？谇爸苽浞蔷枰?/p>

16、純度金屬，成木太高， 這也限制了它的實(shí)際應(yīng)用，因此，今后還需繼續(xù)研究銅基大塊非晶的玻璃形成能 力、傳變機(jī)理、形成規(guī)律等，開(kāi)發(fā)新的非品合金制備工藝，研制出高形成能力的 大尺寸的銅基大塊非晶合金，對(duì)推動(dòng)銅基大塊非晶合金的發(fā)展和使其作為未來(lái)高 強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料有重大意義。參考文獻(xiàn)1 tang m.b.,zhao d.q.,pan m.x.,wang w.h.chinese physics letters,2004,21:9012 d.wang,y.li.b.b.sun,m.l.sui,k.lu and e.ma.appl.phys.lett.2004,84:40293 d.xu,blohwongwata

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