低碳經(jīng)濟下的非晶合金發(fā)展與應用

房衛(wèi)萍，楊凱珍，張宇鵬，劉鳳美，劉正林，劉師田，易江龍，許 磊

（廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院）焊接材料研究所，廣東 廣州 510650）

低碳經(jīng)濟下的非晶合金發(fā)展與應用

房衛(wèi)萍，楊凱珍，張宇鵬，劉鳳美，劉正林，劉師田，易江龍，許 磊

（廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院）焊接材料研究所，廣東 廣州 510650）

非晶合金成分均勻、結構特殊，具有高強度、良好的軟磁性和高耐腐蝕性等優(yōu)點，在低碳經(jīng)濟中得到廣泛的開發(fā)與應用．文章介紹了非晶合金在低碳經(jīng)濟中的意義，綜述了非晶合金的特點及其在釬焊、變壓器制造、儲氫材料等領域的應用現(xiàn)狀．

非晶合金；低碳經(jīng)濟；性質(zhì)；應用

非晶合金是在極快的冷速下（106℃／s），由液態(tài)合金直接凝固形成的，原子結構具有“短程有序，長程無序”的特點，呈單一相．它具有獨特的物理和化學性能，例如高強度、優(yōu)良的磁性和超塑性以及高耐腐蝕性能等，在很多領域具有潛在的應用前景．如今，全社會大力推進以高能效、低排放為核心的“低碳革命”，著力發(fā)展“低碳技術”，非晶態(tài)合金材料必將在這一良好的大背景下得到廣泛的應用．

1 低碳經(jīng)濟與非晶合金的意義

隨著工業(yè)規(guī)模不斷擴大，人類面臨著生態(tài)環(huán)境和氣候變化的最大挑戰(zhàn)，因此，提出了低碳經(jīng)濟的概念．所謂低碳經(jīng)濟，是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)．低碳經(jīng)濟的實質(zhì)是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、追求綠色GDP的問題，核心是能源技術和減排技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結構和制度創(chuàng)新以及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn)變［1］．

縱觀世界經(jīng)濟，低碳化主要從兩方面帶動實體經(jīng)濟的發(fā)展，一是加速太陽能、風能、生物質(zhì)能等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，二是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的低碳化升級改造［2］．無論是哪一方面，都離不開相關新材料產(chǎn)業(yè)的支撐．材料的環(huán)境友好性、可再生循環(huán)性、制備使用全過程的節(jié)能減排特性，都與低碳經(jīng)濟息息相關．

非晶態(tài)合金材料無晶粒、無晶界，在物理、化學及力學性能上表現(xiàn)出一系列晶體合金不具備的優(yōu)異特性，顯示出良好的應用前景，如用在變壓器中實現(xiàn)高能效、低損耗的功能，用在釬焊中可以避免有毒元素及助焊劑對環(huán)境造成的污染等．非晶合金還是氫能源儲存的理想候選材料，非常符合低碳經(jīng)濟重點強調(diào)的新能源開發(fā)要求．這些都表明，非晶合金在低碳革命中具有重要的應用價值．

2 非晶合金的特點與制備

非晶合金在結構上與晶態(tài)金屬有很大不同，這決定其性能與晶態(tài)金屬有很大差異．固態(tài)下，非晶合金的原子排列具有短程有序而長程無序的特點，因此，兼有固體和液體、金屬和玻璃的特性．在成分上，非晶合金大多是多元合金從均勻的液態(tài)快速冷卻、凝固，使各元素能均勻分布，形成固溶體．傳統(tǒng)的晶態(tài)金屬則不同，多元素合金像平衡狀態(tài)相圖所示的一樣，大部分形成化合物，或分離成幾個相，形成固溶體的范圍很少．所以，非晶合金的多種元素任意、均勻混合的特點以及結構的特殊性決定了非晶合金具有特殊的性能．

首先，力學性能．非晶合金的原子排列是混亂的，內(nèi)部沒有晶界、相界等缺陷，且宏觀組織均勻一致，因此，其強度比一般的金屬材料都高．鐵系非晶態(tài)金屬的強度高達4500 MPa，鈷系和鎳系也達3000 MPa［3］，而人們所知的強度最高的鋼絲線強度為2800 MPa．鋁基非晶（如 Al86Ni7Y4．5Co1La1．5合金）的抗壓強度達1000 MPa以上［4］，CuZr基大塊非晶合金的斷裂強度達2200 MPa以上［5］．特別需要指出的是，非晶合金具有很高強度的同時，還具有一定的韌性．如Fe80Si20非晶合金，當斷裂強度為2600 MPa時，還可以進行30%～50%的冷軋［6］．中科院物理所湯美波［5］等人成功研制的CuZr基金屬玻璃斷裂強度達2265 MPa，延展性達18%．

其次，磁學性能．非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的軟磁性，主要表現(xiàn)為：①容易磁化．在毫奧斯特磁場中即可被磁化，且飽和磁感應強度B s較高．②矯頑力H c?。蔷Ш辖鸬碾娮杪矢?，渦流就小，損耗?。鄞艑师?、μm高，磁晶沒有各向異性．據(jù)文獻［7－8］資料介紹，非晶態(tài)鐵基磁性合金具有矯頑力低、磁導率高等特點，同冷軋晶粒取向硅鋼相比，其電阻率是硅鋼片的3倍左右，而鐵損僅為取向硅鋼的1／4左右，為無取向硅鋼片的1／10甚至更低，因而對節(jié)約能源有相當大的意義．

第三，腐蝕性能．非晶態(tài)合金結構均勻，不存在晶界、層錯等缺陷，沒有偏析、析出及異相，不存在化學腐蝕過程中的激活點和電化學腐蝕過程中原電池的形成，因此非晶合金在酸性、中性或堿性等各種溶液中長期浸泡而不被腐蝕．近期研究的Cu－Zr－Al－Y系列大塊非晶合金的耐蝕能力遠遠超過304不銹鋼．在1M H2SO4溶液中，304不銹鋼的腐蝕速率是Cu－Zr－Al－Y大塊非晶合金的1000倍；在含Cl－溶液中，304不銹鋼的腐蝕速率是 Cu－Zr－Al－Y大塊非晶合金的4倍［9］．此外，非晶態(tài)合金形成鈍化膜的時間很短，故其耐腐蝕性能超過晶態(tài)合金［10］．實驗表明，52．5Zr－17．9Cu－14．6Ni－5．0Ti－10．0Al大塊非晶合金在0．05M Na2SO4溶液中的鈍化膜形成速度比同成分晶態(tài)合金的快［11］，其腐蝕速率很低，為0．4 μm／year．

非晶態(tài)合金的制備方法有液態(tài)淬火法、氣相沉積法、粉末冶金法等，其中液態(tài)淬火法是應用最廣泛的制備方法．該方法的主要原理是母材合金在高頻電爐中熔化（Ar氣保護），熔融的液體在Ar氣高壓下經(jīng)噴嘴高速噴出，液態(tài)合金束被噴到快速旋轉(zhuǎn)的銅輥上，快速冷卻得到非晶態(tài)合金絲、帶或片．與其它薄帶需要軋制不同，非晶帶材是一次噴射成型，生產(chǎn)過程簡單，比取向硅鋼工藝節(jié)省6－8道工序，降低了生產(chǎn)成本與能耗，節(jié)省損耗能量80%左右．因此，目前得到應用的非晶態(tài)金屬幾乎都是由此方法制成的［12］．

3 非晶態(tài)合金的應用

非晶態(tài)合金具有高力學特性、強抗腐蝕性、良好的軟磁性能等優(yōu)點，在很多領域得到應用．

3．1 在釬焊中的應用

傳統(tǒng)工藝所用釬料，有些含有昂貴的銀和有毒的鎘，有些因脆性大，只能以粉末狀使用．這不僅帶來了釬料成本高的缺點，而且會損害焊工健康，造成環(huán)境污染；焊接時使用的釬劑、粘結劑也易使釬縫產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷．用急冷技術制取的非晶態(tài)釬料組織成分均勻，材質(zhì)純凈，能顯著提高釬焊接頭的質(zhì)量，且釬焊工藝簡單，實施方便，受到焊接界的高度重視，并得到越來越廣泛的應用［13］．目前，國內(nèi)外已研制出多種非晶態(tài)釬料，以滿足各種材料的釬焊．其中，鎳基、銅基非晶釬料應用得比較廣泛．

鎳基非晶釬料主要用于各種高溫合金、高合金鋼、不銹鋼和高溫結構陶瓷的釬焊．據(jù)資料［14］報導，美國航空公司已在1978年采用鎳基非晶釬料成功釬焊JTD8噴氣機的葉輪與定子等部件．最近，美國學者又采用鎳基非晶釬料（MBF－20，MBF－30）焊接陶瓷復合材料／純鈦，陶瓷復合材料／鎳基超級合金［15］，以及焊接Zr B2基超高溫陶瓷材料［16］．B．A．Kalin［17］等人采用 Ni－Cr－Mo－Fe－V－Si－B系非晶釬料焊接單晶鎢和鐵素體不銹鋼，形成的接頭穩(wěn)定性很好．鎳基非晶釬料還成功地焊成SJ403－7第三代氣動霧化噴嘴和轉(zhuǎn)速達60000 r／min太陽能汽機葉輪［18］．

非晶態(tài)銅基釬料的成分均勻、箔帶柔韌，可以制成所需形狀．銅磷基非晶釬料熔點比鎳基非晶低，可以代替銀基釬料用于銅和銅合金、銀和銀合金及各種觸頭材料的釬焊［19］．目前應用最多的有各種低壓電器觸頭材料，直流電機導體與換向器、保安器、溫控器和變壓器等產(chǎn)品的釬焊［20］．銅基非晶釬料還可用于304不銹鋼的連接，如 Cu－40Mn－10Ni［21］．Naka［22］等人研制的 Cu－Ti非晶釬料用于焊接Si3N4陶瓷，接頭室溫剪切強度達313 MPa．

此外，隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，其他系列的非晶釬料也不斷得到開發(fā)與研究．如Ti－Zr－Cu－Ni基非晶釬料用于Si3N4陶瓷／Si3N4陶瓷（金屬）的連接等［23］．

3．2 在變壓器中的應用

鐵基非晶態(tài)合金具有高飽和磁感應強度和低損耗的特點，在變壓器中得到廣泛的應用［24］．安泰科技生產(chǎn)的Fe80Si9B11鐵基非晶合金在配電變壓器中應用，可實現(xiàn)節(jié)能降耗60%～80%，具體指標是降低空載損耗130000千瓦；節(jié)電1．1×109度／年，相當于節(jié)約電煤43．3萬噸；減少燃煤有害氣體排放1．1萬噸．從這個意義上講，非晶態(tài)材料被譽為“綠色材料”．非晶鐵芯變壓器利用非晶合金制作鐵芯．它比硅鋼片作鐵芯的變壓器的空載損耗下降80%左右，空載電流下降約85%，是目前節(jié)能效果較理想的配電變壓器，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負載率較低的地方．非晶態(tài)鐵芯還廣泛地應用在各種高頻功率器件和傳感器件上．用非晶態(tài)鐵芯變壓器制造的高頻逆變焊機，可以大大提高電源工作頻率和效率，焊機的體積成倍減?。缃瘢袊纳鲜泄尽眯烹姎鈴拿绹ㄓ秒姎夤疽M非晶變壓器的專有技術后，通過消化吸收，自主創(chuàng)新開發(fā)了適合中國電網(wǎng)運行的非晶變壓器系列產(chǎn)品，已經(jīng)成為目前國內(nèi)規(guī)模最大的非晶合金變壓器專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，這證明了非晶材料廣闊的市場空間．

3．3 在儲氫材料中的應用

非晶合金擁有大量的長程無序和短程有序結構，為氫的擴散和占位提供了大量能壘較低的空穴，有利于吸放氫的進行．Mg基合金具有儲氫量大、密度低、含量豐富、價格低廉等特點，成為最具有前景的儲氫材料之一［25］．非晶態(tài)Mg基合金是可充電電池負極材料的理想候選材料．吳煜明［26］等人通過機械合金化法研制的非晶態(tài)合金Mg50Ni50，在室溫時放電容量為晶態(tài) Mg2Ni合金的10倍．Iwakura［27］等人發(fā)現(xiàn)球磨Mg2Ni－Ni復合物（70%Ni）存在非晶態(tài)結構，與Mg2Ni相比，其吸氫速率更快，吸氫量更高（達4%），但穩(wěn)定性較差．硼元素不但可以提高儲氫合金電極材料的放電速度和放電容量，而且可以改善其循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率放電能力［28］．劉子利［29］等人研究了B含量對非晶態(tài)Mg Ni儲氫合金電化學性能的影響．結果表明，合金電極的循環(huán)穩(wěn)定性隨B含量的增加而增加，Mg Ni＋10%B合金電極的容量保持率較Mg Ni合金電極提高了67．76%．合金電極的放電容量隨B含量的增加先增加后減?。蔷B(tài)Mg基儲氫合金目前遇到的瓶頸是循環(huán)穩(wěn)定性和放電容量．倘若這兩個問題得到解決，非晶態(tài)Mg基儲氫合金將會引起電池應用的一次新飛躍．

4 結 語

非晶合金對于節(jié)約電能、金屬防腐、氫能儲存、環(huán)境保護等方面的發(fā)展有著重要的作用，是低碳經(jīng)濟發(fā)展非常有前景的特殊金屬材料．目前，國內(nèi)外對非晶合金的原子結構、非晶形成能力以及新型非晶合金體系的開發(fā)等方面開展了大量的工作，取得了很大的進展．相信隨著工業(yè)和技術的不斷發(fā)展，非晶合金將產(chǎn)生巨大的社會、經(jīng)濟效益．

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Developments and applications of amorphous alloys in low carbon economy society

FANG Wei－ping，YANG Kai－zhen，ZHANG Yu－peng，LIU Feng－mei，LIU Zheng－lin，LIU Shi－tian，YI Jiang－long，XU Lei
（Institute of Industrial Welding Technology，Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals，Guangzhou 510650，China）

Amorphous alloys have been widely developed and applied in the low carbon economy society because of its uniform composition，unique structure，high strength，good soft magnetic characteristics and perfect corrosion resistance etc．In this paper，the special properties and importance of amorphous alloys to low carbon economy evolution are introduced．The peculiarities and applications of amorphous alloys，especially on brazing，distribution transformer and hydrogen storage material，are summarized．

amorphous alloy；low carbon economy；properties；applications

TB383

A

1673－9981（2010）04－0526－04

2010－10－19

房衛(wèi)萍（1983—），女，廣東連南人，碩士．