铝基块体非晶材料研究取得新进展

铝基非晶合金以其高的比强度和优异的耐腐蚀性能而备受关注,在航空、航天等领域中轻质构件材料应用极具发展前景。然而,铝基非晶合金体系低的玻璃形成能力是制约其工程化应用的瓶颈。

金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室非平衡金属材料研究部王建强研究员课题组与美国约翰霍普金斯大学马恩教授合作,在Al基金属玻璃的结构及玻璃形成能力等方面进行了多年的研究探索。

在Al-TM(过渡金属)-RE(稀土)为基础的三元合金系中,分别以TM和RE作为溶质中心的原子团簇结构,通过团簇致密堆垛结构的耦合进行了合金的成分设计,在Al-Ni-Co-Y-La五元合金体系中获得了1mm直径的铝基金属玻璃棒材(铝含量达86at.%)。这是国际上首次报道通过熔体直接浇铸制备出单一非晶相的铝基块体材料,引起了国内外研究人员的广泛关注(迄今引用超过150次)。在此基础上,近来从成分设计与制备工艺两个方面着手,进一步提升其玻璃形成能力。

理解微合金元素对形成能力的影响机理,有助于设计并优化合金成分。Al-TM-RE非晶合金玻璃形成能力对微组元添加非常敏感,然而其作用机理不清。他们从电子结构层次研究其影响,一方面,通过Al原子和TM原子之间电子轨道杂化效应,微量添加TM(例如Co)可以改变费米面的直径;另一方面,调节Al原子和RE原子之间静态结构,添加微量RE(例如La)原子能够改变伪布里渊区的大小。

当二者相互作用即金属玻璃结构中的费米面和伪布里渊区相切时(2KF=KP),费米面处的电子态密度最低,整体金属玻璃结构最稳定,此时的非晶形成能力最强。由此设计出迄今最优的玻璃形成能力合金成分,即Al86Ni6.75Co2.25Y3.25La1.75,模铸可获得直径为1.5mm的完全非晶结构棒材(见ActaMater,108(2016)143-151)。以上研究工作得到了国家自然科学基金重点项目与科技部重点研发项目的资助与支持。

来源:冶金信息网

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