非晶態(tài)合金的制備及應用現(xiàn)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(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，當年美國Duwez[1]教授在研究固溶體的快速淬火時，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)合金具有獨特的組織結構、高效的制備工藝、優(yōu)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(chǎn)業(yè)界的特別關注。 經(jīng)過五十多年的發(fā)展，非晶態(tài)合金已經(jīng)走出實驗室，開始了工業(yè)上的應用[2-3]，本文就非晶態(tài)合金結構特征，制備方法及其在工業(yè)上應用的最新發(fā)展綜述如下。

1 非晶態(tài)合金的結構特征

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(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，呈有序結構，非晶態(tài)金屬的原子非周期排列，呈無序結構。非晶態(tài)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(tài)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(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(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，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(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(fā)揮其優(yōu)勢。 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(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。 西南石油大學的陳孝文[5-6]等人對非晶態(tài)合金在石油天然氣領域的應用進行深入和持續(xù)的研究， 在油氣田領域常用的管桿材料表面制備出非晶態(tài)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(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腐蝕方面的應用打下堅實的理論基礎，為今后開發(fā)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(yè)的快速發(fā)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(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學反應而形成不揮發(fā)的固態(tài)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(yè)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?；瘜W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，該方法相對于電沉積法而言，設備較復雜，制備成本較高。

3 非晶態(tài)合金在工業(yè)上的應用現(xiàn)狀

由于非晶態(tài)合金具有優(yōu)異的磁性能、 力學性能和耐腐蝕性能，因此非晶態(tài)合金在工業(yè)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(tài)合金，由于鍍層具有優(yōu)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(huán)境中，可以替代昂貴的進口材料，從而降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競爭力。

在電力電子領域，隨著高頻逆變技術的成熟，傳統(tǒng)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(wěn)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(jīng)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(fā)之中。

在電子信息領域，隨著計算機、網(wǎng)絡和通訊技術的迅速發(fā)展，對小尺寸、輕重量、高可靠性和低噪音的開關電源和網(wǎng)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(jīng)從20kHz 提高到500kHz；為了實現(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(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用研究領域都取得了重大突破。 同時，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)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(tài)合金的出現(xiàn)和發(fā)展，必將對我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和高新技術快速發(fā)展將發(fā)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(tài)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.