非晶态合金的制备及应用现状

杨延廷

（西南石油大学 材料科学与工程学院，四川 成都610500）

0 前言

非晶态合金是一种新型的功能材料，非晶态合金的出现最早可追溯到1960 年，当年美国Duwez[1]教授在研究固溶体的快速淬火时，发现了一种不同于之前的常规组织---非晶态合金。 由于非晶态合金具有独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔的应用前景，一直受到材料科学工作者和产业界的特别关注。 经过五十多年的发展，非晶态合金已经走出实验室，开始了工业上的应用[2-3]，本文就非晶态合金结构特征，制备方法及其在工业上应用的最新发展综述如下。

1 非晶态合金的结构特征

通常情况下，非晶态合金是由熔融的液态金属经快速冷却（冷速高达106℃/s）而形成，而晶态合金是由熔融的液态金属以较慢的速度冷却，经形核和长大而得到，如图1 所示。因此，与晶态合金相比，非晶态合金具有两个最基本的特点，即原子排列不具有周期性和宏观上处于非热平衡的亚稳态。非晶态合金与晶态合金的形成过程示意图如图2 所示。 从图1 和图2 可以看出：晶态金属的原子按周期排列，呈有序结构，非晶态金属的原子非周期排列，呈无序结构。非晶态合金的形成是有条件的，既与合金成分有关，也与凝固过程的冷却速率有关。从相变角度看，非晶态形成的过程就是避免结晶的过程，即避免原子重排的过程。 非晶态合金的形成过程是：过热液态金属→过冷液态金属→非晶态合金。

图1 快速冷却过程示意图

图2 非晶态与晶态合金形成过程示意图

2 非晶态合金的制备方法

非晶态合金的制备方法比较多，常用的液态金属急冷法、非晶镀法以及气相沉积法等。

2.1 液态金属急冷法

根据几何形态来分，非晶态合金主要包括非晶带材、非晶丝材和大块非晶。 目前非晶态合金研究和应用最广的是非晶带材。 非晶带材的制备方法目前已经比较成熟，根据冷却基体的形式不同，可分为单辊法和双辊法[4]。 单辊法是采用一个高速旋转的冷却辊将合金熔体拉成液膜，然后依靠冷却辊的快速热传导急冷凝固成薄带。 根据合金熔体引向冷却辊的方式不同， 又分为自由喷射甩出法和平面流铸带法。前者的喷嘴距辊面的距离较远，冷却速度更快，可以获得更薄的带材，但只适合喷制窄带。 在非晶材料研究的早期，实验室里常采用这种制带方法。后者的喷嘴离辊面很近，在喷嘴和辊面之间形成一个熔池。该熔池对合金液流有缓冲作用，从而可以获得更均匀的薄带。 平面流铸带法适合制备宽带，已经被工业化生产广泛采用。 双辊法是将熔融合金喷射到两个反向高速旋转的轧辊之间，在快速凝固过程中被轧制成薄带。理论上讲，双辊法的冷却速率大于单辊法，并且可以使带材两面的质量相同、均匀，但由于工程技术方面的问题，难以发挥其优势。 目前工业生产上很少采用这种制带方法。

2.2 非晶镀法

非晶镀是继液态金属急冷法制备非晶态合金的又一种方法。该法与表面改性技术结合起来更有实际应用价值。表面改性技术是在金属基体材料表面涂覆或熔覆一层具有优异性能的涂层（如高耐磨、高硬度和高耐腐蚀等性能），这样既改善了材料的使用性能，又降低了材料的生产成本。 非晶镀就是在基体材料表面沉积一层非晶态合金，可以大大改善材料的耐磨耐腐蚀性能，从而可以应用到含硫化氢和二氧化碳等特殊环境中，发挥非晶态合金的优异性能。 西南石油大学的陈孝文[5-6]等人对非晶态合金在石油天然气领域的应用进行深入和持续的研究， 在油气田领域常用的管杆材料表面制备出非晶态合金镀层，并对镀层的厚度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能进行测试，发现非晶态合金镀层具有基体所不具备的优异性能。 非晶镀方法的研究，将为这种新材料制备方法在油气田环境里耐H2S/CO2腐蚀方面的应用打下坚实的理论基础，为今后开发出新型耐H2S/CO2腐蚀材料提供技术支撑，为油气田用管杆材料的制备提供新的思路，从而进一步保障油气开采的安全性，降低油气开采的成本，促进我国石油天然气行业的快速发展。

2.3 气相沉积法

化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称CVD)是指在一个加热的基片或物体表面上，通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学反应而形成不挥发的固态膜层或材料的过程。该技术的研究始于十九世纪末期，至今已有百余年历史，目前作为一种重要的材料合成和制备技术已广泛应用于各种工业领域。国内外己采用该技术成功地制备出多种金属、氧化物、碳化物、氮化物膜和金刚石薄膜；也成功地用于半导体超晶格量子阱等低维材料的制备；用于多元固溶体的多层异质结材料的生长；还可用于制备高温超导薄膜和氧化物薄膜。 可见,化学气相沉积已成为无机合成化学的一个新领域。化学气相沉积法和物理气相沉积法也可以用来制备非晶态合金，该方法相对于电沉积法而言，设备较复杂，制备成本较高。

3 非晶态合金在工业上的应用现状

由于非晶态合金具有优异的磁性能、 力学性能和耐腐蚀性能，因此非晶态合金在工业的很多领域都有广阔的应用前景[7]。

对于结构材料而言，需要表面高硬度、高耐磨性或高耐腐蚀性的材料，可以在该基体材料表面沉积一层非晶态合金，由于镀层具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，因此可以将该材料用于工况条件比较复杂的油气田环境中，可以替代昂贵的进口材料，从而降低生产成本，提高企业的竞争力。

在电力电子领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率，减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大，已不能满足使用要求；铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条件下仍然存在很多问题。 纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感和很低的高频损耗，且热稳定性好，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。目前在逆变焊机电源中纳米晶合金已经获得广泛应用，在通讯、电动交通工具、电解电镀等领域用开关电源中的应用正在积极开发之中。

在电子信息领域，随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展，对小尺寸、轻重量、高可靠性和低噪音的开关电源和网络接口设备的需求日益增长、要求越来越高。 例如，为了减小体积，计算机开关电源的工作频率已经从20kHz 提高到500kHz；为了实现CPU 的低电压大电流供电方式，采用磁放大器稳定输出电压；为了消除各种噪音，采用抑制线路自生干扰的尖峰抑制器， 以及抑制传导干扰的共模和差模扼流圈。 因此，在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件。

4 结论

非晶态合金是近期发展起来的一种新型环保绿色材料， 是硅钢，铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料的替代产品，无论在理论研究还是在应用研究领域都取得了重大突破。 同时，非晶态合金由于具有优异的力学性能和耐腐蚀性能， 在结构件领域里也具有广阔的应用前景，总之，非晶态合金的出现和发展，必将对我国传统产业改造和高新技术快速发展将发挥越来越重要的作用。

［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］陈孝文，张德芬，白江虎，龙飞，龙丹，李森林.28CrMo 钢的 Ni-P 合金镀工艺[J].金属热处理，2012，37（8）：59-61.

［6］陈孝文，朱毅科，李森林，邵登全，石霜霜，吴俊杰.28CrMo 钢 Ni-P 非晶态合金镀层在模拟气田水溶液中的耐蚀性能[J].材料保护，2013，46（9）：4-6.

［7］徐泽玮.新软磁材料和新磁芯结构在电子变压器中的应用[J].金属功能材料，2005，12（1）：30－33.