鋁基塊體非晶材料研究取得新進展

　　鋁基非晶合金以其高的比強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能而備受關(guān)注，在航空、航天等領(lǐng)域中輕質(zhì)構(gòu)件材料應(yīng)用極具發(fā)展前景。然而，鋁基非晶合金體系低的玻璃形成能力是制約其工程化應(yīng)用的瓶頸。

　　近年來，金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室非平衡金屬材料研究部王建強研究員課題組與美國約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授合作，在Al基金屬玻璃的結(jié)構(gòu)及玻璃形成能力等方面進行了多年的研究探索。在Al- TM（過渡金屬）-RE（稀土）為基礎(chǔ)的三元合金系中, 分別以TM和RE作為溶質(zhì)中心的原子團簇結(jié)構(gòu)，通過團簇致密堆垛結(jié)構(gòu)的耦合進行了合金的成分設(shè)計，在Al-Ni-Co-Y-La五元合金體系中獲得了1 mm直徑的鋁基金屬玻璃棒材（鋁含量達86 at.%）（見Scripta Materialia, 61 (2009) 423-426）。這是國際上首次報道通過熔體直接澆鑄制備出單一非晶相的鋁基塊體材料，引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注（迄今引用超過150次）。在此基礎(chǔ)上，近來從成分設(shè)計與制備工藝兩個方面著手,進一步提升其玻璃形成能力。

　　理解微合金元素對形成能力的影響機理，有助于設(shè)計并優(yōu)化合金成分。Al-TM-RE非晶合金玻璃形成能力對微組元添加非常敏感，然而其作用機理不清。他們從電子結(jié)構(gòu)層次研究其影響，一方面，通過Al 原子和TM 原子之間電子軌道雜化效應(yīng), 微量添加TM（例如Co）可以改變費米面的直徑；另一方面，調(diào)節(jié)Al 原子和RE原子之間靜態(tài)結(jié)構(gòu), 添加微量RE（例如La）原子能夠改變偽布里淵區(qū)的大小。當二者相互作用即金屬玻璃結(jié)構(gòu)中的費米面和偽布里淵區(qū)相切時（2K_F=K_P），費米面處的電子態(tài)密度最低，整體金屬玻璃結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，此時的非晶形成能力最強。由此設(shè)計出迄今最優(yōu)的玻璃形成能力合金成分，即Al₈₆Ni_6.75Co_2.25Y_3.25La_1.75，模鑄可獲得直徑為1.5 mm的完全非晶結(jié)構(gòu)棒材（見Acta Mater, 108 (2016) 143-151）。

　　同時, 熔體的純凈度顯著影響非晶合金的形成能力。對于高活性的鋁基非晶合金，其熔體中存在的氧化夾雜可作為異質(zhì)形核核心，誘發(fā)晶化相的析出，從而顯著降低形成能力。他們設(shè)計了新的兼具物理吸附和化學(xué)反應(yīng)雙重功能的氯化物熔鹽，以達到去除熔體內(nèi)部雜質(zhì)以抑制異質(zhì)形核的目的。一方面，針對不同類型的氧化夾雜，結(jié)合氧化物與熔鹽間的表面張力，計算系統(tǒng)的表面自由能，選取MgCl2實現(xiàn)物理吸附除雜；另一方面，結(jié)合體積自由能與體系中不同組元間的活度，確定系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)能力，最終選取CaCl₂實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)除雜。生成的反應(yīng)產(chǎn)物可與熔體中殘留的氧化物發(fā)生絡(luò)合，也有助于實現(xiàn)凈化熔體的作用?；诖?，設(shè)計出針對 Al基非晶合金的最優(yōu)配比的MgCl₂-CaCl₂復(fù)合熔鹽凈化溶劑。采用該熔體凈化制備新工藝在不同的鋁基非晶合金體系中均取得了明顯效果，樣品的氧含量降低了3倍以上，臨界玻璃形成能力大幅度提升。前述最優(yōu)玻璃形成能力的五元成分，經(jīng)熔體凈化處理后，非晶合金臨界直徑可達2.5 mm，實現(xiàn)了模鑄 Al 基完全非晶樣品尺寸的新突破，這為鋁基非晶合金的工程化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)（見Scientific Reports, 7 (2017) 11053. DOI:10.1038/s41598-017-11504-6）。

　　以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目與科技部重點研發(fā)項目的資助與支持。

圖 1 費米面和偽布里淵區(qū)相互作用機制在 Al 基金屬玻璃中的應(yīng)用

圖2 鋁基非晶合金凈化過程示意圖

圖3 (a)氧含量隨凈化循環(huán)次數(shù)的變化曲線 (b)臨界尺寸直徑2.5mm的Al基非晶合金棒材