鋁基塊體非晶材料研究取得新進(jìn)展

　　鋁基非晶合金以其高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性能而備受關(guān)注，在航空、航天等領(lǐng)域中輕質(zhì)構(gòu)件材料應(yīng)用極具發(fā)展前景。然而，鋁基非晶合金體系低的玻璃形成能力是制約其工程化應(yīng)用的瓶頸。

　　金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室非平衡金屬材料研究部王建強(qiáng)研究員課題組與美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授合作，在Al基金屬玻璃的結(jié)構(gòu)及玻璃形成能力等方面進(jìn)行了多年的研究探索。在Al-TM（過(guò)渡金屬）-RE（稀土）為基礎(chǔ)的三元合金系中，分別以TM和RE作為溶質(zhì)中心的原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，通過(guò)團(tuán)簇致密堆垛結(jié)構(gòu)的耦合進(jìn)行了合金的成分設(shè)計(jì)，在Al-Ni-Co-Y-La五元合金體系中獲得了1mm直徑的鋁基金屬玻璃棒材（鋁含量達(dá)86 at.%）。這是國(guó)際上首次報(bào)道通過(guò)熔體直接澆鑄制備出單一非晶相的鋁基塊體材料，引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注（迄今引用超過(guò)150次）。在此基礎(chǔ)上，近來(lái)從成分設(shè)計(jì)與制備工藝兩個(gè)方面著手，進(jìn)一步提升其玻璃形成能力。

　　理解微合金元素對(duì)形成能力的影響機(jī)理，有助于設(shè)計(jì)并優(yōu)化合金成分。Al-TM-RE非晶合金玻璃形成能力對(duì)微組元添加非常敏感，然而其作用機(jī)理不清。他們從電子結(jié)構(gòu)層次研究其影響，一方面，通過(guò)Al原子和TM原子之間電子軌道雜化效應(yīng)，微量添加TM（例如Co）可以改變費(fèi)米面的直徑;另一方面，調(diào)節(jié)Al原子和RE原子之間靜態(tài)結(jié)構(gòu)，添加微量RE（例如La）原子能夠改變偽布里淵區(qū)的大小。當(dāng)二者相互作用即金屬玻璃結(jié)構(gòu)中的費(fèi)米面和偽布里淵區(qū)相切時(shí)（2KF=KP），費(fèi)米面處的電子態(tài)密度最低，整體金屬玻璃結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，此時(shí)的非晶形成能力最強(qiáng)。由此設(shè)計(jì)出迄今最優(yōu)的玻璃形成能力合金成分，即Al86Ni6.75Co2.25Y3.25La1.75，模鑄可獲得直徑為1.5mm的完全非晶結(jié)構(gòu)棒材（見(jiàn)Acta Mater, 108 （2016） 143-151）。

　　以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目與科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助與支持。