北科大呂昭平教授Prog. Mater. Sci.綜述:鐵基塊體非晶合金的玻璃形成、制備、性能和應用

【引言】????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

傳統鐵基非晶合金通常在臨界冷卻速率大于10⁶K/s時，通過對金屬液體快冷，制成條帶、粉末或線材。在1967年，Duwez及其合作者制備得到非晶態Fe-P-C合金，是首次引入鐵基金屬玻璃的概念。自1995年Fe-Al-Ga-P-C-B塊體金屬玻璃（bulk metallic glass,簡稱BMG）首次被制備以來，研究者們對鐵基塊體非晶合金展開了大量的研究。鐵基金屬玻璃生產成本低、具有更高的強度和硬度、良好的熱穩定性、高的耐腐蝕性和耐磨性能、高的飽和磁化強度、低的矯頑力和鐵損，滿足了高耐蝕耐磨涂層、高性能軟磁材料、生物醫用材料、催化材料等工業應用需求，是獨特而重要的一類材料，具有廣闊的應用前景。

【成果簡介】

過去的20多年里，眾多非晶工作者在鐵基塊體非晶合金這一研究領域做了大量研究，也發表了數量可觀的學術論文，并且鐵基非晶合金已經在變壓器鐵芯和耐磨耐蝕涂層等領域獲得了廣泛應用。然而，截至到目前，鐵基非晶合金的發展現狀和未來走向仍缺乏完整而系統化的描述。

近日，北京科技大學的呂昭平教授在Progress in Materials Science上發表了題為“Fe-based bulk metallic glasses: glass formation, fabrication, properties and applications”的綜述文章。該篇綜述呈現了過去20多年來有關鐵基塊體非晶合金的研究進展和取得的成果，包含制備、玻璃形成能力、結晶特性、力學性能、腐蝕行為、磁學性能和工業應用等幾個方面。此外，文章基于作者的理解指出了這一學科領域未來的發展方向。

呂昭平教授2003年發現稀土元素釔在鐵基非晶中的吸氧和合金化的雙重效應（Lu ZP et al. Role of yttrium in glass formation of Fe-based bulk metallic glasses. Appl. Phys. Lett. 2003;83: 2581-2583）；2004年在世界上首次制備出厘米級鐵基塊體非晶合金（Lu ZP et al. Structural amorphous steels. Phys Rev Lett.2004;92:245503）; 與傳統觀念相悖，2009年發現一定量的氧反而能促進鐵基非晶的形成（Li HX et al. Glass-forming ability enhanced by proper additions of oxygen in a Fe-based bulk metallic glass. Appl. Phys. Lett. 2009;95:161905）; 2011年報道了同時具備高非晶形成能力和高的飽和磁化強度的鐵基塊體非晶合金（Gao J et al. Effects of nanocrystal formation on the soft magnetic properties of Fe-based bulk metallic glasses. Appl. Phys. Lett. 2011;99:052504.）；2013年制備出不含任何類金屬的鐵基塊體非晶合金復合材料（Gao JE et al. Fe-based bulk metallic glass composites without any metalloid elements. Acta Mater. 2013;61:3214-3223）；2017年發現即使微量氧也會急劇降低鐵基塊體非晶合金的壓縮塑性（Li HX et al. Influences of oxygen on plastic deformation of a Fe-based bulk metallic glass: Scripta Mater. 2017;135:24-28.）。本次發表在Progress in Materials Science上的綜述文章，是呂昭平教授團隊多年在鐵基塊體非晶合金領域耕耘的結果，對這一領域的進一步發展會產生積極的促進作用。

【圖文導讀】

圖1：支持向量機（SVM）模擬過程的總體流程圖。

(i)訓練和測試包含具有不同描述的不同合金成分的數據；

(ii)SVM學習過程是調節帶有兩個參數C和γ的徑向基礎函數，開發不同的模型體系；

(iii)從(ii)中的結果按照P_Target > 0.3和E取最大值的標準，選擇出最優模型；

(iv)用最優模型預測尋找新的非晶形成成分。

圖2：塊體非晶合金中用于微合金化的可能元素原子半徑。

圖3：鐵基塊體非晶合金的納米束電子衍射（NBED）表征。

(a)快冷Fe₃₆Co₃₆Nb₄Si₄B₂₀樣品的NBED花樣，Fe36Co36Nb4Si4B20樣品在873K下退火1h的NBED花樣如圖(b)-(d)所示；

(b)完美Fe₂₃B₆結構的[110]晶向花樣，右側圖片(b’)為模擬結果；

(c)類Fe₂₃B₆的偽十重（pseudo-tenfold）花樣；

(d)類Fe₂₃B₆的近十重（almost tenfold）花樣。

圖4：Gan等人發明的新型銅模鑄造裝置示意圖。

圖5：典型非晶態金屬和傳統晶體合金的拉伸強度、維氏硬度和楊氏模量的比較。

圖6： (a)典型FeB-, FeC(B)-, FeP(C)-基塊體非晶合金剪切模量和泊松比的關系；

(b)典型FeB-, FeC(B)-, FeP(C)-基塊體非晶合金DTx和Tg的關系。

圖7：納米尺度不均勻性的HRTEM表征。

(a,f)1A和2A區域表示非晶基體中的納米晶；

(b,d,g,i)厚度為8nm的樣品中兩個不同區域的HRTEM圖像；

(c,e,h,j)HRTEM圖像對應的快速傅里葉變換圖像；

圖8：一些典型的軟磁鐵基塊體非晶合金（兼具不小于1.5T的飽和磁化強度和不小于1mm的臨界尺寸）。

圖9：塊體非晶合金Fe₄₃Cr₁₆Mo₁₆C₁₅B₁₀和Fe₄₃Cr₁₆Mo₁₆C₁₀B₅P₁₀的極化曲線，可見非金屬元素P的加入有助于提高抗腐蝕性。

圖10：室溫下Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂塊體金屬玻璃，傳統晶態鋼和其他塊體非晶合金耐磨性和硬度之間的關系。

圖11：鐵基塊體非晶合金制成的標準線性驅動器用的磁軛組件。

圖12：316L不銹鋼，C-22合金，硼化不銹鋼，Ni-Cr-Mo-Gd合金和SAM2X5的橫截面中子吸收平均值。

【小結】

這篇綜述文章詳細回顧了鐵基塊體非晶合金二十多年來的研究進展，重點關注近期在制備、玻璃形成能力、熱穩定性、結晶特性、力學性能、腐蝕性能、磁學性能以及工業應用方面的成果。主要內容可總結為以下幾個方面：

第一部分，系統討論了鐵基塊體非晶合金的產生、發展歷史和現狀；第二部分，對鐵基塊體非晶合金的玻璃形成能力和玻璃形成進行了梳理；第三部分，系統地回顧了鐵基塊體非晶合金的制備方法；第四部分對鐵基塊體非晶合金的性能進行了回顧，主要關注力學性能、抗腐蝕性和磁學性能；第五部分，作者主要總結了鐵基塊體非晶合金的工業應用。除了作為軟磁材料之外，還有如抗蝕抗磨涂層、生物醫用材料、微型馬達的精密齒輪、催化材料等應用方向。文章最后，作者還提出了鐵基塊體非晶合金研究中目前仍存在的七大關鍵挑戰。

文獻鏈接：Fe-based bulk metallic glasses: glass formation, fabrication, properties and applications（Progress?in?Materials?Science,?Volume 103,?June 2019,?Pages 235-318）

本文由材料人金屬材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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