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      非晶態(tài)合金的制備及應(yīng)用現(xiàn)狀

      2014-06-28 23:04:35楊延廷
      科技視界 2014年11期
      關(guān)鍵詞:制備應(yīng)用

      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。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,并對鍍層的厚度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能進(jìn)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(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;還可用于制備高溫超導(dǎo)薄膜和氧化物薄膜??梢姡瘜W(xué)氣相沉積已成為無機(jī)合成化學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域?;瘜W(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)的競爭力。

      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、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,必將對我國傳統(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、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,必將對我國傳統(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)】

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      [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、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,必將對我國傳統(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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      [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.

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      [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]

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