世界上玻璃形成能力最强的镁合金

近日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室徐坚研究员领导的研究组,在国家自然科学基金和“中国科学院沈阳界面材料中心”的资助下,与美国约翰霍普金斯大学E.Ma教授、新加坡国立大学Y. Li教授合作研究出目前世界上玻璃形成能力最强的镁合金(一种镁、铜、银、钆四元合金),铜模浇铸的金属玻璃圆棒直径可达到25毫米,断裂强度约1000兆帕。在现已发现的块体金属玻璃形成合金中,仅有价格昂贵的钯、锆、钇合金的玻璃形成临界尺寸可达到这一量级,而镁元素则被视为真正的“工程金属”。此项成果登载于10月31日出版、由美国物理学会主办的《应用物理快报》上。这一研究进展对推动镁基金属玻璃的工程应用具有重要意义。

自从1959年,美国加州理工学院Duwez教授研究组发现快速冷却(冷却速率在1000000K/秒量级)的金-硅二元合金熔体可形成玻璃态(也称非晶态)结构以来,人类对金属玻璃的研究已经历了四十多年的历史。金属玻璃的结构在原子尺度上不同于普通的多晶体金属材料,而是类似于液态金属,原子排列没有周期性长程有序,仅为短程有序,亦没有位错、晶界等晶体材料中常见的点阵缺陷。从原理上说,如果能够使合金熔体冷却过程中的结晶受到抑制,将其过冷至玻璃转变温度以下,过冷液体便因粘度突变而冻结为液态结构的“金属玻璃”固体。

与人们常见的多晶体金属材料相比,金属玻璃具有高强度、高硬度、高弹性极限、耐腐蚀、耐磨损等优异性能。进入二十世纪90年代,人们相继发现一些钯、锆、镧合金在100K/秒的速率下冷却即可形成金属玻璃,采用普通的铸造技术便可获得金属玻璃块体材料,为金属玻璃的应用展示了令人鼓舞的前景。合金的玻璃形成能力直接依赖于合金成分。玻璃形成能力越强,所需的临界冷却速率越低,块体材料的临界尺寸越大,越有利于工业化生产与广泛的应用。在过去的十年里,块体金属玻璃的研究引起了世界上众多科学家的兴趣,新的研究成果如雨后春笋不断涌现。发展低成本、易于铸造成为大尺寸块体材料的新型合金始终是最受关注的目标,同时也是拥有材料最终实用化知识产权的关键。

1991年,日本东北大学井上明久研究组在“镁、铜、钇” 三元合金中首次发现可采用铜模浇铸形成直径4毫米金属玻璃圆棒的合金。此后的研究使玻璃形成能力更好的镁合金不断推出,形成金属玻璃圆棒临界尺寸的纪录屡被刷新,竞争十分激烈。截止至今年6月,韩国科学家的结果跃居领先,所发现的镁合金玻璃直径达到14毫米(见J. Mater. Res. vol.20, 2005, p.1465)。同时,镁的价格低廉、可再生回收、无环境污染等优点,使镁基金属玻璃作为新一类轻质、高强度的减重材料为人们所关注。