第一篇：大塊非晶合金的研究進(jìn)展

先進(jìn)材料進(jìn)展

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大塊非晶合金的研究進(jìn)展

摘 要 本文簡述了大塊非晶合金的發(fā)展過程和該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,并從成分結(jié)構(gòu)條件、熱力學(xué)條件、動力學(xué)

條件等方面闡述了大塊非晶合金的形成機(jī)制,介紹了目前常用的制備方法、大塊非晶合金優(yōu)異的性能和應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞

大塊非晶合金，形成機(jī)制，制備，性能，應(yīng)用

THE RESEARCH PROGRESS OF BULK METALLIK GLASSES

ABSTRACT The development history and the research status of bulk amorphous alloys are int roduced ,and method of preparation is discussed in detail1 The forming mechanisms in terms of st ructure , thermodynamics and kinetics are described.The good properties and application of the bulk amorphous materials are also summarized.KEY WORDS bulk amorphous alloys，forming mechanisms，preparation，properties , application

大塊非晶合金是相對于傳統(tǒng)的低維非晶材料(非晶粉、絲、薄帶等)而言的,具有較大的三維幾何尺寸。固態(tài)時原子在三維空間呈拓?fù)錈o序排列,表現(xiàn)為短程有序、長程無序,呈亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),而且在一定溫度范圍內(nèi)還可以相對穩(wěn)定地保持這種結(jié)構(gòu)。大塊非晶合金是一種高性能的結(jié)構(gòu)材料,也是極具潛力的功能材料。大塊非晶合金的發(fā)展歷程

關(guān)于非晶態(tài)合金的首次報道是在1938 年,Kramen 通過蒸發(fā)沉積在玻璃冷基底上[1 ,2 ]發(fā)現(xiàn)了非晶態(tài)金屬薄膜 ；1951 年,Brenner 等用電沉積法制備出了Ni-P 及Co-P 非晶合金,主要用于做耐磨和耐腐蝕涂層;1958 年, Tumbull 等人通過對氧化物玻璃、陶瓷玻璃和金屬玻璃的相似性的分析,確定了液態(tài)過冷對非晶形成的影響,預(yù)言了合成非晶的可能性,揭開了非晶研究的序幕；1960 年,Duwez 等采用熔體急冷法首先制得了Au70 Si30 非晶薄帶,由于他從工藝上突破了制備非晶態(tài)金屬和合金的方法,因而標(biāo)志著非晶態(tài)合金這一新材料研究領(lǐng)域的啟動。后來, Turnbull、陳鶴壽等人在Duwez 小組制備的Au-Si 和Pd-Si , Pd-Cu-Si 非晶合金中證實(shí)了玻璃轉(zhuǎn)變的存在。Turnbull 先前提出的抑制過冷液體形

核的理論作為非晶形成能力的判據(jù)被證明是有效的,而且是迄今為止最有效的判據(jù)之一。1969 年陳鶴壽等將含有貴金屬元素Pd 的具有較高非晶形成能力的合金(Pd-Au-Si，Pd-Ag-Si 等),通過B2O3 反復(fù)除雜精煉,得到了直徑1 mm 的球狀非晶合金樣品;1989 年日本東北大學(xué)的Inoue 等通過水淬法和銅模鑄造法制備出毫米級的La-Al-Ni 大塊非晶合金;20 世紀(jì)90 年代初,T.Masumoto 和A.Inoue 等發(fā)現(xiàn)了具有極低臨界冷速的多元合金系列,通過控制非均質(zhì)形核的工藝,可在實(shí)驗室里直接從液相獲得大塊非晶合金;1994 年,根據(jù)非晶形成的三項經(jīng)驗法則設(shè)計出了一系列的大塊非晶合金;1997 年以來,日本東北大學(xué)的范滄和井上明久等研究發(fā)現(xiàn),在三元Zr 基(Zr-Cu-Al)合金系中分別加人Pd、Ti、Ni、Nb 等元素均可得到一系列的大塊非晶合金;2000 年以來,A.Inoue 等進(jìn)一步對大塊非晶合金的形成機(jī)制、結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)特性、磁性和應(yīng)用展開了廣泛的研究。2008 年大阪大學(xué)的Take shi Nagase , Koichi Kinoshita 和Yukichi Umakoshi 等研究了鋯基非晶合金在醫(yī)用材料上的應(yīng)用,通過研究發(fā)現(xiàn)采用鋯基非晶合金制備的醫(yī)用材料具有高的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,同時具有良好的延展性,將其彎曲180°也不斷裂,是一種具有潛力的功能材料[3 ]。先進(jìn)材料進(jìn)展

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國對非晶合金的研究從1976 年開始,國家科委一直將非晶合金的研究、開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化列入重大科技攻關(guān)項目?！熬盼濉逼陂g,組建了“國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心”,建立了“千噸級非晶帶材生產(chǎn)線”,非晶態(tài)合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程大大加快,現(xiàn)已初步形成非晶態(tài)合金科研開發(fā)和應(yīng)用體系。國內(nèi)關(guān)于大塊非晶合金的研究主要集中于中科院物理所、金屬[4],現(xiàn)在各大學(xué)也加大了對非晶的研究力度。

近年來,在非晶的研究領(lǐng)域中,中國科學(xué)家已成為該領(lǐng)域的一支重要力量,國內(nèi)許多研究組一直在從事非晶以及相關(guān)物理問題的研究,在結(jié)構(gòu)、物性、制備、應(yīng)用研究等方面有較雄厚的實(shí)力。現(xiàn)在已經(jīng)可以制備出多種有自主知識產(chǎn)權(quán)的大尺寸塊體非晶體,并在塊體非晶結(jié)構(gòu)、形成規(guī)律、力學(xué)和物理性能以及應(yīng)用開發(fā)等方面做出了很多有特色的工作,引起國際同行的廣泛關(guān)注和重視。中國科學(xué)院物理研究所汪衛(wèi)華研究組在非晶方面的研究近年來取得了重大進(jìn)展[5],其主要工作集中在稀土基非晶的制備和力學(xué)性能的研究上;中國科學(xué)院金屬研究所張哲峰等人主要研究不同非晶材料的拉伸和壓縮變形與斷裂特征,還總結(jié)了不同非晶材料在拉伸和壓縮及斷裂時的不對稱性;清華大學(xué)姚可夫等人采用玻璃包覆提純技術(shù)和水淬及空冷方法制備Pd-Si 二元非晶球形樣品;西安交通大學(xué)張臨財?shù)热擞懻摿说诙鄬r 基非晶復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃永江等人研究了Ti42.5 Zr7.5 Cu40Ni5 Sn5 塊體非晶的形成、熱穩(wěn)定性與力學(xué)性能;華中科技大學(xué)諶祺等人制備了Zr 基塊體非晶并研究了塊體非晶和復(fù)合材料在過冷液態(tài)區(qū)內(nèi)的單向壓縮變形行為。山東大學(xué)郭晶等人采用真空回轉(zhuǎn)振動式高溫熔體粘度儀測量了Gd 基大塊非晶形成合金過熱液體的粘度,并計算得到過熱液體脆性參數(shù);北京科技大學(xué)惠希東等人對Zr 基非晶的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)討論了玻璃結(jié)構(gòu)中的短程與中程有序結(jié)構(gòu),張勇等人研究了

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合金化對大塊非晶合金及高熵合金的組織與性能的影響;大連理工大學(xué)程旭等人利用團(tuán)簇線和微合金化方法研究了Fe-B-Y-Nb 四元合金體系中塊體非晶合金的形成;燕山大學(xué)徐濤等人通過原位X 射線衍射測量結(jié)構(gòu)參數(shù)方法,研究了Fe73 Cu1.5 Nd3Si13.5B9 非晶合金的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)弛豫。

目前國外關(guān)于大塊非晶合金的研究主要集中在日本和美國,尤其是日本東北大學(xué)材料研究所的井上明久和美國的Johnson 研究小組。合金系列涉及到過渡金屬-類金屬系、鋯基、鉬基、鎂基等,研究方法覆蓋了從模鑄法到水淬、粉末冶金、區(qū)域熔煉等多種方法。塊體非晶合金研究是日本文部省1998 年最大的研究項目;2000 年美國陸軍撥款3000 萬美元,用于塊體非晶的研究;此外, 2000 年歐共體也專門立項,組織歐洲10 個重要實(shí)驗室聯(lián)合攻關(guān)。表1 匯總了1989年以來發(fā)現(xiàn)的主要大塊非晶合金系。大塊非晶的形成機(jī)制

合金在緩慢冷卻時易形成晶體,在快冷的條件下則可形成非晶態(tài), 在非晶合金的發(fā)展過程中, Turnnull 的連續(xù)形核理論在解釋非晶形成動力學(xué)和闡述玻璃轉(zhuǎn)變的特征方面發(fā)揮了重要作用。根據(jù)連續(xù)形核理論,Uhlmann 引入了非晶形成的相變理論。此后,Davis 將這些理論用于玻璃體系,估算了玻璃形成的臨界溫度。20 世紀(jì)80 年代末,隨著塊體非晶合金的出現(xiàn),非晶形成理論又有了新的發(fā)展,主要有以Greer 為代表的混沌理論和Inoue 的三個經(jīng)驗規(guī)律: ①合金由3 種以上組元組成;②各組元原子尺寸差別較大, 一般大于12 %;③3 個組元具有負(fù)的混合熱。Inoue還給出了大塊非晶合金形成機(jī)理的唯象解釋。此外, Inoue

和Johnson[6]

教授等在大量實(shí)驗的基礎(chǔ)上對此做了進(jìn)一步闡述,從拓?fù)鋵W(xué)和化學(xué)的觀點(diǎn)提出這些多組元大塊非晶合金體系的過冷液相具有以下特征: ①具有高度無序的密集堆垛結(jié)構(gòu);②其局部原子結(jié)構(gòu)明顯不同于相應(yīng)的結(jié)晶相;③各組元元素的分布在長程上是均勻的。先進(jìn)材料進(jìn)展

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3.1 成分結(jié)構(gòu)條件

對已獲得的大塊非晶體系從以下幾個方面進(jìn)行分析,從合金成分設(shè)計的角度來看,組成合金的各原子之間差異越大,越有利于形成隨機(jī)密堆結(jié)構(gòu),有利于形成非晶,實(shí)驗表明主要組元原子尺寸差超過13 % ,可以大大提高合金的非晶形成能力。研究合金成分時發(fā)現(xiàn),形成大塊非晶的合金其對應(yīng)的晶體大多為復(fù)雜的金屬間化合物,結(jié)構(gòu)大多為復(fù)雜的拓?fù)涿芏冉Y(jié)構(gòu),這種相結(jié)構(gòu)從液態(tài)向固態(tài)的快速冷卻過程中形核與長大都需要原子的長程擴(kuò)散,而隨機(jī)密堆結(jié)構(gòu)和多組元使原子擴(kuò)散比較困難,形成金屬間化合物的可能性越小,合金的非晶形成能力越大,這即所謂的多組元塊體非晶形成的“混亂原理”。綜上所述,影響玻璃形成能力的因素有:合金由多種組元構(gòu)成,組成合金的主要組元原子直徑差大于13 %。較大的負(fù)的混合熱,一方面可以提高固液界面能,抑制結(jié)晶形核,另一方面增加了長程范圍內(nèi)原子排列的難度,抑制了結(jié)晶。除此之外,各組元的相對含量、合金中原子的鍵合特征、電子結(jié)構(gòu)、合金的熱力學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)的晶態(tài)結(jié)構(gòu)等對非晶形成能力也有較大的影響。3.2 熱力學(xué)條件

為了制備大塊非晶合金,從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析,它對應(yīng)于液相轉(zhuǎn)變?yōu)榫鄷r具有極低的自由能差、低的熔化焓ΔHf、高的過冷度ΔTx 和約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg及高的液/ 固相界面能,這些都將導(dǎo)致低的化學(xué)電位而使Gibbs 自由能差降低,因而熱力學(xué)驅(qū)動力減小,不容易發(fā)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變,更容易形成非晶。根據(jù)熱力學(xué)原理,合金系統(tǒng)自液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時自由能變化可表述為ΔG =ΔH2～10-3 Pa 的真空爐中經(jīng)感應(yīng)加熱、熔化,采用不同方法將熔融的合金液由石英玻璃管注入金屬模中冷卻,獲得大塊非晶合金。(1)噴射成型法

合金熔化后將裝有熔融合金的石英玻璃管下降到金屬模具的澆口附近,然后向石英玻璃管中通入一定壓力的惰性氣體,將合金液射入金屬模腔內(nèi)獲得大塊非晶合金。世

[9]

界上首次報道的La-Al-Ni 大塊非晶合金就是用該方法制備的。作者采用該方法成功制備出厚度為1.0～1.5 mm 的板狀Fe60 Co8 Zr10Mo5W2B15大塊非晶合金[10]。圖1 為兩種不同注入方式制備大塊非晶合金的示意圖。

(2)吸鑄法

采用吸鑄法制備大塊非晶合金時使用漏斗型石英玻璃管,用石英玻璃塞堵住玻璃管的漏斗口,合金熔化后提起玻璃塞,同時從金屬模具底部抽真空,熔融金屬在差壓的作用下瞬間充滿型腔。由于吸鑄法中使用的漏斗型石英玻璃管細(xì)端設(shè)計較長,可以直接

插入金屬模具的澆口,這樣既避免了熔化合金時模具被加熱,同時也可以有效地將合金液導(dǎo)入模腔。作者采用該方法成功制備出直徑為3 mm 的棒狀Fe60 Co8 Zr10Mo5W2 – XB15 +

[10]

。X(X = 0 , 0.5 , 1 , 1.5 , 2)大塊非晶合金

感應(yīng)加熱金屬模吸鑄法制備大塊非晶合金的工作原理見圖2。先進(jìn)材料進(jìn)展

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(3)模具移動法

該制備方法的工作原理如圖3 所示。母合金被感應(yīng)加熱熔化后,向石英管內(nèi)通入一定壓力的惰性氣體,使熔融的合金液連續(xù)注入到以一定速度移動的水冷銅模表面的凹槽中,快速凝固形成非晶合金棒材,若水冷銅模的移動方式為旋轉(zhuǎn)式,則可連續(xù)制備出一定直徑(mm 級)的非晶合金線材。采用該方法已成功制備出直徑2 mm 的Fe74Al4 Sn2 P10 Si4B4 C2 棒狀非晶合金[11] 和直徑1.5 mm、長數(shù)十毫米 的Zr55 Al10Cu30 Ni5 非晶合金線材。

(4)壓力鑄造法

壓力鑄造法制備大塊非晶合金的工作原理如圖4所示,母合金在惰性氣體保護(hù)下

經(jīng)感應(yīng)加熱熔化后,啟動液壓裝置推動柱塞將熔融合金注入金屬型模腔。由于該制備方法的充型過程在毫秒內(nèi)即可完成,使得熔融合金與金屬模之間的充填更緊密,合金通過金屬模獲得的冷卻速度更大,同時壓力對晶體成核和晶核長大所必需的原子長程擴(kuò)散具有抑制作用,因而提高了合金的非晶形成能力,可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量復(fù)雜形狀非晶合金的精密鑄造。如采用壓力鑄造法制備的Mg-Cu-Y大塊非晶合金,其100 ℃時的抗拉強(qiáng)度高達(dá)500MPa ,是以往所得Mg-Cu-Y大塊非晶合金中最高抗拉強(qiáng)度的3 倍左右[12]。先進(jìn)材料進(jìn)展

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4.2 電弧加熱

4.2.1 金屬（銅）模吸鑄法

將完成熔煉后的母合金碎料置于底部連接金屬模型腔或直接帶有型腔的水冷銅坩堝內(nèi),在真空系統(tǒng)中經(jīng)無損電極產(chǎn)生的電弧加熱熔化后,啟動金屬模型腔底部另置的抽真空系統(tǒng),在差壓作用下熔融合金由水冷銅坩堝直接吸入金屬模型腔,獲得大塊非晶合金。電弧加熱金屬模吸鑄法制備大塊非晶合金的工作原理見圖5。采用該方法已成功制

備出直徑分別為16 mm 的Zr-Al-Cu-Ni、12 mm 的Nd-Fe-Al、3 mm 的Cu-Zr-Al、3 mm 的Fe60Co8 Zr10Mo5W2B15和2 mm 的Fe-Al-Sn-P-Si-B-C 系棒狀大塊非晶合金,以及尺度分別為1 mm ×10 mm ×70mm 的Cu-Ti-Zr-Ni、1 mm ×10 mm ×20 mm 的Fe60Co8 Zr10Mo5W2B15板狀大塊非晶合金。

4.2.2 模壓鑄造法

將母合金置于水冷銅模(下模)內(nèi),在有惰性氣體保護(hù)的真空爐中進(jìn)行電弧加熱,合金熔化后將下模移至與銅制上模對應(yīng)的位置,對上模加壓,利用合金在過冷液相區(qū)內(nèi)良好的加工性能將合金壓制成一定形狀的大

塊非晶合金,其工作原理如圖6 所示。

采用該方法已先后成功制備出厚度為125 mm 的Zr-Ti-Al-Ni-Cu 系板狀大塊非晶合金和厚度為1 mm的板狀或直徑為3 mm 的棒狀Ni-Nb-Ti-Zr-Co-Cu 系大塊非晶合金。先進(jìn)材料進(jìn)展

101101918 大塊非晶合金的性能

與晶態(tài)合金相比,非晶合金內(nèi)部原子被“凍結(jié)”在液態(tài)結(jié)構(gòu)中 ,具有長程無序、短程有序的結(jié)構(gòu)特征,使其兼有一般金屬和玻璃的特性。首先,非晶合金不存在常規(guī)晶態(tài)材料的空位、間隙原子、雜質(zhì)、位錯、晶界和其它界面形式的缺陷,而這些缺陷都是材料的薄弱位置,易于萌生裂紋,而且還很容易成為腐蝕源。其次,非晶合金具有金屬鍵結(jié)構(gòu),從而具有較高的電導(dǎo)率和光學(xué)反射率。非晶合金的這些特點(diǎn)使其相比于常規(guī)晶態(tài)材料具有更優(yōu)異的磁學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)及機(jī)械性能,如高強(qiáng)度、高韌性、耐沖擊、耐磨損等。

同時,大塊非晶合金在過冷區(qū)有很高的粘滯流動性,可實(shí)現(xiàn)凈形加工,并精確保持鑄件的尺寸[13]。圖7為塊體非晶合金的抗拉強(qiáng)度與楊氏模量之間的關(guān)系,并與普通合金進(jìn)行了對比[14]。相比于晶態(tài)合金,塊體非晶合金具有獨(dú)特的機(jī)械性能:(1)同等楊氏模量條件下,塊體非晶合金的拉伸強(qiáng)度約是晶態(tài)合金的3 倍;(2)同等拉伸強(qiáng)度條件下,塊體非晶合金的楊氏模量約是晶態(tài)合金的1/ 3 ,這說明非晶合金在具備高機(jī)械強(qiáng)度的同時還具有較高的彈性能;(3)抗拉強(qiáng)度與楊氏模量間具有良好的線性關(guān)系,測出其彈性伸長極限約為2 %,這是晶態(tài)合金(約0.65 %)的3 倍多[15]。

圖7 普通合金與非晶合金抗張強(qiáng)度及楊氏模量的比較 Fig.7 Comparison about tensile strength and Young’s modulus between conventional crystalline alloys and amorphous alloys 先進(jìn)材料進(jìn)展

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此外,塊體非晶合金還顯示出優(yōu)良的軟磁的應(yīng)用前景。Ashby 等總結(jié)了非晶合金的相性、超導(dǎo)性和低磁損耗等特點(diǎn),使其具有廣闊關(guān)性能[16],如表1 所示。

表 1 非晶合金的相關(guān)性能

Table 1Properties of amorphous alloys related to potential applications 大塊非晶合金的應(yīng)用

近年來,塊體非晶合金因其各種優(yōu)異性能及精密成型性而備受人們關(guān)注,可作為支撐未來精密機(jī)械、信息、航空航天器件、國防

工業(yè)等高新技術(shù)的關(guān)鍵材料。Wang 等根據(jù)塊體非晶合金的特性提出了塊體非晶合金所具有的17 項可能的應(yīng)用前景[17] ,如表2 所示。在這些應(yīng)用領(lǐng)域里,有些已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用,還有些正在探索研究之中。先進(jìn)材料進(jìn)展

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表 2 非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域

Table 2 Possible application fields for amorphous alloys

6.1 力學(xué)性能的應(yīng)用

由于非晶合金被“凍結(jié)”在液態(tài)結(jié)構(gòu)中,材料本身是完全理想均勻的,不存在晶態(tài)合金中的晶界、位錯、滑移及第二相粒子等缺陷,普遍表現(xiàn)出大大超過其對應(yīng)晶態(tài)合金的強(qiáng)度、彈性和屈服應(yīng)力,甚至接近理論值。同時,塊體非晶合金還具有高韌性[18]。塊體非晶合金這些獨(dú)特的綜合性能是任何晶態(tài)合金都難以獲得的。這些性能使其最先被開發(fā)應(yīng)用于體育用品。,如用鋯基非晶合金制備的高爾夫球頭不僅比常用的Ti 合金強(qiáng)度和硬度高,而且反彈性能更好,受沖擊時能量損失少。圖8為Liquidmetal 公司所開發(fā)的非晶合金高爾夫球頭。

非晶合金屈服強(qiáng)度高、硬度高、耐磨損、聲學(xué)性能好且彈性極限大,適用于軍事防御。Johnson 等所開發(fā)的一系列鋯基非晶合金具有類似于貧鈾合金的高絕熱剪切敏感性,變形時不發(fā)生加工硬化。美國軍方進(jìn)行的彈道測試表明,鋯基非晶合金穿甲彈彈頭顯示出與貧鈾穿甲彈相似的自銳行為,其穿甲能力已超過鎢合金穿甲彈,可望達(dá)到并超過貧鈾彈的穿甲水平,用作綠色材料取代對環(huán)境不友好的貧鈾穿甲彈[19]。目前,美國軍方已致力于將非晶合金應(yīng)用到各項軍事設(shè)備,如引信、航空器緊固件、無人飛機(jī)及船舶部件等[20]

非晶合金在過冷液相區(qū)表現(xiàn)為牛頓流動行為,可以發(fā)生粘性流動。具有大過冷液相區(qū)非晶合金的發(fā)現(xiàn)使超塑性成型的實(shí)施更加靈活,拓展了非晶合金的應(yīng)用。利用粘滯流動性,非晶合金能承受180°彎曲而不發(fā)生斷裂,是一種理想的塑性材料,如圖9 所示,La55 Al25 Ni20 非晶合金在過冷液相區(qū)拉伸應(yīng)變超過20000 %[21]。由于缺乏晶界且凝固過程中無收縮,利用非晶合金在過冷液相區(qū)的塑性成型能力可獲得優(yōu)良的工件表面平整度,如圖10 所示。Inoue 等用常規(guī)Al-Cu-Si 合金(圖11(b)、(d))與鎳基非晶合金(圖11(a)、(c))制備同型號的微型齒輪,發(fā)現(xiàn)前者的填充率只有84 % ,表面形貌粗糙,達(dá)不到預(yù)定的精確尺寸,而后者的填充率達(dá)99 %[22] ，圖 8 比鈦合金擊球距離遠(yuǎn)30碼的塊體非晶合金高爾夫球頭

Fig.8 Applications of Zr-based bulk glassy alloys to golf clubs 先進(jìn)材料進(jìn)展

且表面非常平整,可實(shí)現(xiàn)凈形加工而無需后續(xù)精密處理,從而降低了生產(chǎn)成本。這可用來制備新型精密零件及微型模具,而這些是存在晶界滑移的常規(guī)超塑性晶態(tài)合金無法實(shí)現(xiàn)的。

圖 9 La55Al25Ni20合金拉伸變形超過20000% Fig.9 La55Al25Ni20 alloy is deformed to 20000%

圖 10 非晶合金的齒輪外形

Fig 10 Out appearance of Ni-based metallic glass microgear

圖 11 非晶及常規(guī)合金齒輪鋸齒外形的對比

Fig.11 Comparison or cross sectional profiles of microgears Fabricated by amorphous alloys microgear and conventional crystalline alloy

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6.2 化學(xué)性能的應(yīng)用

由于非晶合金的結(jié)構(gòu)是長程無序的,沒有晶界、位錯和層錯等結(jié)構(gòu)缺陷,所以化學(xué)性能均勻,不存在偏析、夾雜物和第二相,加之其自身的活性很高,能在表面迅速形成致密、均勻而穩(wěn)定的鈍化膜,因此相比于晶態(tài)合金更耐腐蝕。如典型鎳基塊體非晶在稀硫酸溶液中腐蝕速率比不銹鋼低1 個量級[23] ,通過添加一定量的Cr 或P 還可更進(jìn)一步提高其耐腐蝕性能。加之其耐磨性高,非晶合金可用于如化工、海洋等一些高磨損、高腐蝕及高溫等艱苦環(huán)境中。將非晶合金制備成涂層應(yīng)用在材料表面技術(shù)領(lǐng)域,可起到防護(hù)、隱身作用或形成特種物理性質(zhì)[24]。6.3 磁學(xué)性能的應(yīng)用

優(yōu)異的磁學(xué)性能是許多非晶合金的突出特點(diǎn)。非晶本身內(nèi)部原子排列無序,無晶界、位錯、磁晶各向異性等缺陷,由磁性物理學(xué)可知具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率。非晶合金磁阻小、鐵損低、易磁化和退磁、磁致伸縮系數(shù)大,而且電阻率高、熱膨脹系數(shù)小,可大大降低渦流及能耗。目前基于非晶合金磁性能的應(yīng)用是最熱門的領(lǐng)域,如鐵基、鎳基和鈷基等塊體軟磁非晶合金等廣泛應(yīng)用于電力、電子工業(yè)領(lǐng)域的配電變壓器的鐵芯材料。6.4 電學(xué)性能的應(yīng)用

迄今為止,相比于其它領(lǐng)域,基于非晶合金的電學(xué)性能及其應(yīng)用研究相對較少,尚有待進(jìn)一步研發(fā),但非晶合金同樣具有優(yōu)良的電學(xué)性能。非晶合金具有高電阻率(約是晶態(tài)材料的5 倍),可用它來制備高電阻;非晶合金的電阻溫度系數(shù)低(且電阻溫度系數(shù)隨成分可由負(fù)變正),在某些特定的溫度環(huán)境下,可利用其電阻率的急劇下降(躍變效應(yīng))來開發(fā)特殊用途的功能開關(guān)。另外,非晶合金還具有超導(dǎo)特性,可用來制備超導(dǎo)材料等。展望

因其優(yōu)異的性能,非晶合金自產(chǎn)生以來一直是材料學(xué)界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。近年來對非晶合金進(jìn)行了廣泛的研究,取得了很大的進(jìn)展,已突破昔日貴金屬的限制,許多日常重要的工程合金系統(tǒng)如Fe、Co、Ni 和先進(jìn)材料進(jìn)展

Cu 等都可制備出塊體非晶合金,這為其實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了條件,如今工程應(yīng)用也已逐步興起。但作為一類新型的材料,非晶合金仍處于研究探索階段,在基礎(chǔ)理論、制備工藝和實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題亟待解決,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)還沒有一套完整的理論或成熟的物理模型用來指導(dǎo)塊體非晶的研制,目前對于合金系統(tǒng)組元的選擇還只能憑經(jīng)驗規(guī)律,但這些規(guī)律都不具備普適性。這主要是由于還沒有充分理解非晶合金形成的本質(zhì),因此需要加強(qiáng)對非晶合金物理轉(zhuǎn)變過程的研究,充分利用現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗規(guī)律,借助現(xiàn)代化的手段,從熱力學(xué)、動力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)3 個方面著手,充分揭示出非晶形成的本質(zhì)。(2)目前所制備的塊體非晶尺寸還不夠大,只有Zr 基、Pd 基等少數(shù)幾種合金體系可達(dá)較大尺寸,這在很大程度上限制了這種新型結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用,因而需要我們在理解非晶合金形成本質(zhì)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)目前塊體非晶制備所需的苛刻工藝條件。因機(jī)械合金化在制備非晶合金上的獨(dú)特優(yōu)勢,目前可以優(yōu)先發(fā)展機(jī)械合金化工藝。

(3)提高塊體非晶的熱穩(wěn)定性。由于塊體非晶屬亞穩(wěn)態(tài)材料,在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的,只有把這類材料加熱到一定溫度以上才會使其變?yōu)榫B(tài)材料。因此,必須設(shè)法提高塊體非晶的熱穩(wěn)定性,以拓寬其應(yīng)用范圍。(4)任何材料都有其自身的缺陷,雖然發(fā)現(xiàn)了一系列具有大塑性的塊體非晶合金,但總體來說其塑性都還有待提高,而且非晶合金的拉伸塑性幾乎為零。長期以來,探索同時具有高強(qiáng)度和大塑性的金屬合金材料一直是材料領(lǐng)域追求的目標(biāo),非晶合金塑性的進(jìn)一步提高,必將為非晶合金的應(yīng)用開辟更廣闊的空間。目前非晶增塑的方法有通過添加延性第二相粒子和通過非晶相的部分晶化來獲得納米晶相彌散分布的非晶復(fù)合材料,這些都是通過引入機(jī)械約束剪切帶擴(kuò)展的物質(zhì)來改善塑性性能,是將來非晶合金材料發(fā)展的重要方向之一。

不可否認(rèn),我們正步入一個新的金屬時代?？梢灶A(yù)見的是,一旦我們充分理解了非晶形成的本質(zhì)后,就可以自主地控制非晶物

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質(zhì)的形成。非晶合金作為一種性能優(yōu)異的新型結(jié)構(gòu)材料,其應(yīng)用必將越來越廣泛,并深刻地影響我們的生活。

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((11):1817)

第二篇：非晶合金變壓器分析

在變壓器制造中，非晶合金材料將逐步取代傳統(tǒng)的硅鋼片鐵芯變壓器制造技術(shù)，成為新一代節(jié)能降耗產(chǎn)品。這對提高電網(wǎng)自身電能質(zhì)量，降低損耗，最大限度利用能源轉(zhuǎn)換，降耗節(jié)能，增加電力企業(yè)活力，將有不可估量的作用。非晶合金變壓器的特點(diǎn)

1.1 材料特點(diǎn)

電力變壓器傳統(tǒng)的鐵芯制造技術(shù)是以硅鋼片為基本材料，在降低變壓器自身損耗上，無論任何國家及制造廠商，均是以選用優(yōu)質(zhì)硅鋼片為先決條件來降低變壓器自身損耗，來提高電能的轉(zhuǎn)換能力。

隨著原材料制造工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，目前變壓器制造行業(yè)，尤其是配網(wǎng)使用的小型變壓器，制造廠家開始采用非晶合金為鐵芯制造材料的變壓器。通常所說的非晶合金，是指一種采用特殊的超快速致冷工藝加工而成的金屬材料，由于材料生產(chǎn)工藝的限制，一般均為帶材。

非晶合金在其制造過程中采用了超急冷凝固的技術(shù)，使得在材料的微觀結(jié)構(gòu)中，金屬原子在從液體（鋼水）固化成固體的過程中，原子來不及排列成常規(guī)的晶體結(jié)構(gòu)就被固化。這種原子結(jié)構(gòu)無序排列的狀態(tài)即稱為非晶態(tài)，由此生產(chǎn)而成的材料被成為非晶合金。

非晶合金材料被發(fā)現(xiàn)具有非常優(yōu)異的導(dǎo)磁性能，它的去磁與被磁化過程極易完成，較硅鋼材料鐵芯損耗大大降低，達(dá)到高效節(jié)能效果。因而作為一種極其優(yōu)良的導(dǎo)磁材料被引入變壓器等需要磁路的產(chǎn)品中。采用非晶合金制造成變壓器鐵芯，并組裝成的變壓器，即稱為非晶合金變壓器或非晶合金鐵芯變壓器。

1.2 環(huán)保特點(diǎn)

選用非晶合金為鐵芯的變壓器，其顯著特點(diǎn)就是節(jié)能和環(huán)保。首先在環(huán)保方面，經(jīng)技術(shù)檢測，當(dāng)非晶合金鐵芯用于油浸變壓器時可有效減排CO、SO、NO等有害氣體，對大氣污染程度降低，所以可以稱其為21世紀(jì)電力產(chǎn)品中的“綠色產(chǎn)品”。其次，非晶合金變壓器最顯著的特點(diǎn)是空載損耗很低，節(jié)能效果明顯。由于非晶合金材料具有優(yōu)越的導(dǎo)磁性，更易于以極少能耗磁化或消磁。因此非晶合金變壓器的空載損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)變壓器。以SEC公司（美國超導(dǎo)能源公司）生產(chǎn)的500kVA非晶合金變壓器為例，非晶合金變壓器和S9型變壓器的空載損耗分別為190W和900W。非晶合金變壓器的空載損耗僅為S9型變壓器的20%左右，節(jié)能效果非常顯著。對于公路、城市基礎(chǔ)設(shè)施及住宅小區(qū)等電力負(fù)荷波動較大的領(lǐng)域，非晶合金變壓器的節(jié)能效益更加明顯。由于節(jié)能效果顯著，可節(jié)省大量的電廠投資，減少發(fā)電燃料的消耗，從而減少對大氣環(huán)境的污染。

1.3 綜合成本特點(diǎn)

由于非晶合金變壓器采用了新材料新技術(shù)，工藝復(fù)雜，因此其產(chǎn)品價格較傳

統(tǒng)變壓器高，一般比同型號傳統(tǒng)變壓器高30%左右；但由于其節(jié)能效果顯著，運(yùn)營成本較低，所以其綜合使用成本較傳統(tǒng)變壓器低。以500kVA的非晶合金變壓器與常用的S9型變壓器相比，非晶合金變壓器每臺每年可節(jié)約電能6832.8kWh，一年節(jié)約電費(fèi)5207元（現(xiàn)北京城區(qū)商用電電價為0.762元/kWh）。雖然非晶合金變壓器比S9型變壓器價格高30%左右，但所增加的成本，可在該變壓器運(yùn)行的3~5年內(nèi)全部回收。

1.4 結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

非晶合金變壓器采用全密封式結(jié)構(gòu)，可延緩變壓器油和絕緣紙的老化，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有運(yùn)行效率高、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。非晶合金變壓器由于損耗低、發(fā)熱少、溫升低，故運(yùn)行性能非常穩(wěn)定。非晶合金變壓器低壓繞組為箔繞式，損耗低、抗短路能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理。變壓器的聯(lián)結(jié)組別采用Dyn11，可減少諧波對電網(wǎng)的影響，改善供電質(zhì)量，提高供電可靠性。非晶合金變壓器節(jié)能效益分析

非晶合金變壓器與S9系列變壓器相比，其主要損耗的降低取決于空載損耗的大幅度降低。

2.1 年節(jié)電費(fèi)用比較

通過直接比較兩種變壓器的年空載損耗成本，來計算年節(jié)電費(fèi)用，可簡單直觀地體現(xiàn)非晶合金變壓器的節(jié)能效益?，F(xiàn)以400kVA、500kVA和800kV的10kV變壓器為例來進(jìn)行兩種能耗對比，見表1。

表1 非晶合金變壓器電費(fèi)節(jié)約比較

由表1可見，非晶合金變壓器的電費(fèi)節(jié)約效益顯著，以500kVA為例，假設(shè)非晶合金變壓器的售價比S9貴1.8萬元/臺，每年節(jié)約的電費(fèi)是5207元，簡單計算，購買非晶合金變壓器多增的投資，靜態(tài)回收期是3.8年，即多增的投資，在產(chǎn)品運(yùn)行3.8年后，即可通過少支付電費(fèi)的節(jié)約來回收。按產(chǎn)品使用期20年計算，在剩余的16.2年中共可節(jié)約電費(fèi)76480元，幾乎可以新購一臺變壓器。如果當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)超過0.70元/kWh，則節(jié)能效益更顯著。

北京市電力公司城區(qū)供電公司配網(wǎng)運(yùn)行592座開閉站（配電室、箱變），運(yùn)

行變壓器為1131臺，總?cè)萘?06890kVA。在運(yùn)行的變壓器中，型號多為S7/S8/S9形式。運(yùn)行負(fù)載率在1%以下為79臺；運(yùn)行負(fù)載率在1%～50%為1014臺；負(fù)載率在50%以上為38臺。變壓器空載損耗是非常大的。如果采用非晶合金變壓器，降低設(shè)備空載損耗，對降低線損和提高公司經(jīng)濟(jì)效益，意義將十分重大。

2.2 考慮無功分量和負(fù)載率時節(jié)約能耗估算

當(dāng)變壓器運(yùn)行時，不同的負(fù)載率有所不同，年運(yùn)行能耗也不同，以200kVA和500kVA兩個容量比較，非晶合金變壓器與S9硅鋼變壓器的性能參數(shù)和年運(yùn)行能耗，見表2。

表2 非晶合金變壓器節(jié)能效果比較表

注：假設(shè)無功當(dāng)量系數(shù)取0.1kW/kvar；年平均負(fù)載系數(shù)按0.35，年運(yùn)行時間按8760h計算。

從表2可知，一臺500kVA的非晶合金變壓器運(yùn)行一年后，比S9硅鋼變壓器節(jié)約能耗約9.4MWh，按0.7625元/kWh計算，每年可節(jié)約電費(fèi)7167.5元。

2.3 性價比測算

總擁有費(fèi)用法（簡稱TOC法）是一種評價變壓器能耗和價格合理性比較全面的性價比評估方法，在國外的變壓器采購評估中被廣泛使用。它是根據(jù)綜合比較變壓器價格和能耗水平的原則，按照總擁有費(fèi)用最低來選擇變壓器。

當(dāng)非晶合金變壓器的售價是S9變壓器的1.3倍時，TOC法測算的非晶變壓器性價比仍比S9高10.3%。

2.4 投資價差回收

非晶合金變壓器的空載損耗較S9降低80%左右，假設(shè)其價格僅比S9系列平均高出30%，其負(fù)載損耗與S9變壓器相等。當(dāng)不考慮投資的貨幣時間價值，采用靜態(tài)投資回收期計算法進(jìn)行計算，可得出在不同負(fù)載率情況下，多增投資可在多長時間內(nèi)回收。

以500kVA為例，經(jīng)計算其節(jié)能效益與投資效益見表3：

表3 按500kVA變壓器為例的節(jié)能效益和投資效益

2.5 投資價差回收年限計算

投資價差回收年限，一般有靜態(tài)和動態(tài)計算方法。

靜態(tài)投資回收期：不考慮投資的貨幣時間價值。

動態(tài)投資回收期：考慮投資的貨幣時間價值，將現(xiàn)在投資及未來收益均以資金的折現(xiàn)率折為現(xiàn)值。此法計算復(fù)雜，要涉及通貨膨脹率、資金銀行利率、折現(xiàn)率等，因此不確定因素多?，F(xiàn)采用靜態(tài)投資回收期計算法。

假設(shè)500kVAS9硅鋼變壓器的售價為8萬元，對應(yīng)非晶合金變壓器的售價高30%，則兩者的售價差價是24000元：

在負(fù)載率β＝20%時，非晶合金變壓器投資的回收年限為3.1（年）；

在負(fù)載率β＝75%時，非晶合金變壓器投資的回收年限為3.1（年）。

國家《關(guān)于節(jié)約能源基本建設(shè)項目可行性研究的暫行規(guī)定》中指出：計算投資回收年限一般不應(yīng)超過5年，最長不超過7年，按政策規(guī)定，非晶合金變壓器比S9變壓器多投資的部分，均在政策規(guī)定的年限內(nèi)收回，因此推廣應(yīng)用非晶合金變壓器，符合國家節(jié)約能源的政策導(dǎo)向。非晶合金變壓器在電力市場的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 非晶合金變壓器的發(fā)展過程

非晶合金變壓器是在20世紀(jì)80年代初由美國開始研發(fā)生產(chǎn)的，當(dāng)時美國認(rèn)識到非晶合金變壓器對電力線路節(jié)約能源損耗的巨大潛能，由美國電力委員會組織了GE公司、霍尼韋爾公司、美國超導(dǎo)能源公司、美國南方電力公司等八大相關(guān)機(jī)構(gòu)，聯(lián)合對非晶合金變壓器產(chǎn)品的商業(yè)化運(yùn)作設(shè)計、制造、運(yùn)行等環(huán)節(jié)，進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和實(shí)際運(yùn)行可靠性驗證，至20世

紀(jì)90年代初，歷時10年獲得成功，于是非晶變壓器開始了真正的規(guī)?；虡I(yè)化經(jīng)營。

至今，規(guī)?；a(chǎn)已近20年，目前在全世界范圍內(nèi)被廣泛推崇，其中美國、加拿大、墨西哥、日本、印度、韓國等國家和臺灣地區(qū)均有大量非晶合金變壓器在掛網(wǎng)運(yùn)行。特別是在日本，政府鑒于節(jié)約能源對國家發(fā)展的重要性，該國從2000年開始逐步提高非晶合金變壓器的上網(wǎng)比例，到2005年時，日本已規(guī)定所有配變必須使用非晶合金變壓器，在配電領(lǐng)域徹底淘汰相對高耗能的硅鋼變壓器。

中國從1998年開始批量生產(chǎn)，應(yīng)用至今約有幾萬臺非晶合金變壓器掛網(wǎng)運(yùn)行，容量自5kVA至1600kVA，產(chǎn)品形式包括箱式變電站和配變，最近幾年，鑒于國家對節(jié)能減排的重視，非晶合金變壓器的使用量呈爆發(fā)式快速上升趨勢。

3.2 非晶合金變壓器在國內(nèi)市場的應(yīng)用現(xiàn)狀

在國內(nèi)，由于非晶合金變壓器的售價相對硅鋼變壓器要高，使其總的使用量受到限制，但近幾年，有兩個因素促使它的使用量快速提高。首先是由于銅價和硅鋼的價格飛速上漲，而非晶合金材料的價格基本維持不變，同時實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)后產(chǎn)品成本的降低，使得兩者的售價差距迅速縮小，非晶合金變壓器稍高于常規(guī)變壓器的價格已被市場接受；其次是國家對節(jié)能環(huán)保問題的重視，使得一些有能力和有預(yù)見的地區(qū)率先大規(guī)模采用。目前已大批量采用的地區(qū)有上海、江蘇、浙江等，另有許多地區(qū)正處于批量應(yīng)用和運(yùn)行評估階段，如東北、寧夏、山西、云南、廣東、福建等。其中需要特別指出的是江蘇省電力公司，他們內(nèi)部規(guī)劃今后新上線路和改造線路，非晶合金變壓器的使用量不得少于30%，2008年的非晶合金變壓器的招標(biāo)數(shù)量達(dá)到為2萬多臺，已走在了全國前列。

3.3 非晶合金變壓器的生產(chǎn)狀況

目前國內(nèi)市場中聲稱能生產(chǎn)非晶合金變壓器的生產(chǎn)廠家多達(dá)幾十家，但真正能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化批量生產(chǎn)的廠家其實(shí)并不多。其中大部分的生產(chǎn)廠家均為原先的硅鋼變壓器生產(chǎn)廠家，其采購了非晶合金鐵芯后，套用改進(jìn)原來的硅鋼變壓器生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性有欠缺，對非晶合金變壓器的市場形象造成了不利影響。

其實(shí)，非晶合金變壓器的設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)有它的特殊性，非晶合金材料和晶體化的硅鋼材料在某些材料特性上完全不同，因而兩種產(chǎn)品的設(shè)計加工技術(shù)也有很大的不同。

3.4 非晶合金變壓器的市場趨向

3.4.1 經(jīng)濟(jì)背景

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，國內(nèi)電力工業(yè)得到蓬勃發(fā)展，并可預(yù)見在未來的20年內(nèi)電力市場仍將保持高速發(fā)展的態(tài)勢。非晶合金變壓器作為一種高效節(jié)能的產(chǎn)品，在20世紀(jì)90年代已經(jīng)逐步引入電力市場，隨著它作為一種新產(chǎn)品被市場逐漸的認(rèn)知，到2000年已經(jīng)有一些廠家規(guī)?；a(chǎn)，但由于非晶合金變壓器的材料成本比常規(guī)變壓器的材料成本高很多，約束了它的大規(guī)模推廣。自2004年以來，常規(guī)硅鋼片材料和銅材的價格暴漲，而非晶合金的價格保持在原位，使得兩者的價格差大幅度縮小，從而激發(fā)了非晶變壓器的銷售量大幅上

升。更為重要的是，除了成本原因外，國家在經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策中提出了“能耗/GDP”的考核指標(biāo)，這表示國家在產(chǎn)業(yè)政策中將大力推行節(jié)能產(chǎn)品的應(yīng)用。非晶合金變壓器作為一種高效節(jié)能的產(chǎn)品，已引起了國家發(fā)改委和電力部門的高度重視。江蘇省、上海市和浙江省等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，以及電力供應(yīng)不足地區(qū)已進(jìn)入大批量采用階段。

3.4.2 政策背景

目前國家已著手解決電力結(jié)構(gòu)性矛盾，改變過去“重發(fā)、輕供”的傾向，正重點(diǎn)發(fā)展電網(wǎng)建設(shè)，加快城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造，堅決淘汰掉那些低效、高耗、性能落后、安全性差的設(shè)施，努力發(fā)展節(jié)能型的電氣設(shè)備。非晶合金變壓器高效節(jié)能的顯著優(yōu)點(diǎn)，為電力市場提供了一種良好的選擇。

由于政府十分重視節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)。20世紀(jì)80年代中期，政府強(qiáng)制性地采用S7系列配電變壓器，在全國范圍內(nèi)淘汰正在電網(wǎng)運(yùn)行的JB1300-73和JB500-64標(biāo)準(zhǔn)的高能耗變壓器。從1998年開始，政府又不惜代價地在全國推行兩網(wǎng)改造，用S9系列配電變壓器取代S7系列變壓器。這先后兩次全國大規(guī)模的更新?lián)Q代，新產(chǎn)品僅比老產(chǎn)品降低空載損耗約8%～15％，可見國家在節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)方面的決心是很大的。非晶合金變壓器其空載損耗僅為S9系列的20％，其節(jié)能效果已引起了國家有關(guān)部門的高度重視，不排除會強(qiáng)行推廣的可能性。

第三篇：非晶合金鐵芯配電變壓器性能簡介

非晶合金鐵芯配電變壓器性能簡介

2005年國務(wù)院發(fā)出了《關(guān)于做好建設(shè)節(jié)約型社會近期工作的通知》，2006年《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》中提出：“全面落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，加快經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境又好型社會，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?！辈⒁螅骸皬?qiáng)化能源節(jié)約和高效利用的政策導(dǎo)向，加大節(jié)能力度。通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特別是降低高耗能產(chǎn)業(yè)比重，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)節(jié)能；通過開發(fā)推廣節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能?！薄秶译娋W(wǎng)公司農(nóng)網(wǎng)“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要》明確要求：繼續(xù)加強(qiáng)農(nóng)網(wǎng)建設(shè)，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)布局，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)供電能力、提高農(nóng)網(wǎng)整體裝備技術(shù)水平、提高供電質(zhì)量和供電可靠性；加強(qiáng)“四新”技術(shù)和產(chǎn)品的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。一次設(shè)備建設(shè)中，大力推廣節(jié)能型、環(huán)保型配電變壓器，提高農(nóng)網(wǎng)節(jié)能降損水平。積極推廣應(yīng)用節(jié)能、降損、環(huán)保技術(shù)，淘汰高耗能變壓器。中壓線損率降到9%以下，低壓線損率降到11%及以下，10kV母線功率因數(shù)達(dá)到0.95以上的目標(biāo)。

我國自1998年開始打規(guī)模城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造以來大力推廣應(yīng)用S9型節(jié)能配變，停止生產(chǎn)S7型配變并淘汰電網(wǎng)中的“64”、“73”系列高耗能配變，對降低電網(wǎng)線損起到

了積極的作用。據(jù)統(tǒng)計目前線損率已下降到7.71%。但仍高出國際先進(jìn)國家1—2個百分點(diǎn)。降低配變的損耗，提高供配電系統(tǒng)的效率，仍是目前世界各國關(guān)注的問題。在整個供電系統(tǒng)中，配電變壓器所占比重最大，改進(jìn)其性能，降低損耗指標(biāo)，對電力系統(tǒng)節(jié)能、提高系統(tǒng)可靠性具有重要的意義。

非晶合金鐵芯變壓器采用新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝，作為一種新型節(jié)能配電設(shè)備，特別是其具有的低空載損耗特性，備受電力系統(tǒng)及用戶的關(guān)注。

我公司生產(chǎn)的非晶合金變壓器具有以下特點(diǎn)：

我公司主要生產(chǎn)SBH15-M型系列非晶合金鐵芯配電變壓器。

1.材料特點(diǎn)

電力變壓器傳統(tǒng)的鐵芯制造技術(shù)是以硅鋼片為基本材料，在降低變壓器自身損耗上，無論任何國家及制造廠商，均是以選用優(yōu)質(zhì)硅鋼片為先決條件來降低變壓器自身損耗，來提高電能的轉(zhuǎn)換能力。

隨著原材料制造工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，目前變壓器制造行業(yè)，尤其是配網(wǎng)使用的小型變壓器，制造廠家開始采用非晶合金為鐵芯制造材料的變壓器。我們所說的非晶合金，是指一種采用特殊的超快速致冷工藝加工而成的金屬材料，由于材料生產(chǎn)工藝的限制，一般均為帶材。

非晶合金在其制造過程中采用了超急冷凝固的技術(shù)，使得在材料的微觀結(jié)構(gòu)中，金屬原子在從液體（鋼水）固化成固體的過程中，原子來不及排列成常規(guī)的晶體結(jié)構(gòu)就被固化。這種原子結(jié)構(gòu)無序排列的狀態(tài)即稱為非晶態(tài)，由此生產(chǎn)而成的材料被成為非晶合金。非晶合金材料具有非常優(yōu)異的導(dǎo)磁性能，它的去磁與被磁化過程極易完成，較硅鋼材料鐵芯損耗大大降低，達(dá)到高效節(jié)能效果。因而作為一種極其優(yōu)良的導(dǎo)磁材料被引入變壓器等需要磁路的產(chǎn)品中。采用非晶合金制造成變壓器鐵芯，并組裝成的變壓器，即稱為非晶合金變壓器或非晶合金鐵芯變壓器。

2.環(huán)保特點(diǎn)

選用非晶合金為鐵芯的變壓器，其顯著特點(diǎn)就是節(jié)能和環(huán)保。首先在環(huán)保方面，經(jīng)技術(shù)檢測，當(dāng)非晶合金鐵芯用于油浸變壓器時可有效減排CO、SO、NO等有害氣體，對大氣污染程度降低，所以可以稱其為21世紀(jì)電力產(chǎn)品中的“綠色產(chǎn)品”。其次，非晶合金變壓器最顯著的特點(diǎn)是空載損耗很低，節(jié)能效果明顯。由于非晶合金材料具有優(yōu)越的導(dǎo)磁性，更易于以極少能耗磁化或消磁。因此非晶合金變壓器的空載損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)變壓器。以我公司生產(chǎn)的315kVA非晶合金變壓器為例，非晶合金變壓器和S9型傳統(tǒng)變壓器的空載損耗分別為170W和670W。非晶合金變壓器的空載損耗比S9型傳統(tǒng)變壓器降低75%左右，節(jié)能效果非常顯著。對于公路、城市基礎(chǔ)設(shè)施及住宅小區(qū)等電力負(fù)荷波動較大的領(lǐng)域，非晶合金變壓器的節(jié)能效益更加明顯。由于節(jié)能

效果顯著，可節(jié)省大量的電廠投資，減少發(fā)電燃料的消耗，從而減少對大氣環(huán)境的污染。

3.綜合成本特點(diǎn)

由于非晶合金變壓器采?昧誦虜牧稀⑿錄際?，工覎鋮矙熏跪此其铂狗价格较船钩变研M髀愿擼話惚韌禿糯潮溲蠱鞲?30%左右；但由于其節(jié)能效果顯著，運(yùn)營成本較低，所以其綜合使用成本較傳統(tǒng)變壓器低。以500kVA的非晶合金變壓器與常用的S9型變壓器相比，非晶合金變壓器每臺每年可節(jié)約電能6832.8kWh，一年節(jié)約電費(fèi)5207元。雖然非晶合金變壓器比S9型變壓器價格高20%—30%左右，但所增加的成本，可在該變壓器運(yùn)行的2~3年內(nèi)全部回收。

4.結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)

非晶合金變壓器采用全密封式結(jié)構(gòu)，可延緩變壓器油和絕緣紙的老化，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有運(yùn)行效率高、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。還增加了農(nóng)網(wǎng)偏僻地區(qū)變壓器的防盜性能。非晶合金變壓器由于損耗低、發(fā)熱少、溫升低，故運(yùn)行性能非常穩(wěn)定。

山西晉能置信電氣有限公司

第四篇：非晶合金配變更換專項行動方案

非晶合金配變更換專項行動方案

一、編制依據(jù)

非晶合金配變更換專項行動是依據(jù)公司六屆一次職代會暨2011年工作會議葛總工作報告內(nèi)容而編制。

二、行動目標(biāo)

根據(jù)發(fā)展策劃部2011年資金計劃安排，將五市公司的7024臺S7、S9型公用配電變壓器（其中S7型1650臺、S9型5374臺）分三批次逐步更換為非晶合金配電變壓器。

按照發(fā)展策劃部4000萬資金預(yù)安排，第一批次按照各市S7型配電變壓器現(xiàn)有數(shù)量的比例，對五市公司的720臺S7型配電變壓器進(jìn)行更換，其中市公司325臺，*公司55臺，*公司100臺，*公司70臺，*公司170臺。

第二批次資金需求量為1.5億元左右，如資金落實(shí)，按照各市S7、S9型配電變壓器現(xiàn)有數(shù)量的比例，對五市公司的其余930臺S7型、1770臺S9型配電變壓器和進(jìn)行更換，其中市公司S7型421臺、S9型1080臺，*公司S7型69臺、S9型300臺，*S7型130臺、S9型120臺，*S7型88臺、S9型100臺，*S7型222臺、S9型185臺170臺。

第三批次資金需求量為2億元左右，如資金落實(shí)，按照各市S9型配電變壓器現(xiàn)有數(shù)量的比例，對五市公司的其余3604臺S9型配電變壓器和進(jìn)行更換，其中市公司2200臺，*公司600臺，*公司250臺，*公司210臺，*公司344臺。

三、組織機(jī)構(gòu)

非晶合金配變更換專項行動項目組 組 長： 副組長： 成 員：

職 責(zé)：

1．負(fù)責(zé)制定專項行動的實(shí)施計劃、方案、措施，經(jīng)專項行動領(lǐng)導(dǎo)小組審定通過后按進(jìn)度執(zhí)行。

2．負(fù)責(zé)對資產(chǎn)處理、物資調(diào)撥等關(guān)鍵問題協(xié)調(diào)解決。3．負(fù)責(zé)專項行動的組織實(shí)施。4．按照專項行動進(jìn)度計劃，分階段對專項行動開展情況進(jìn)行督導(dǎo)考核。5．總結(jié)本專業(yè)范圍內(nèi)專項行動工作成效和經(jīng)驗，并提出改進(jìn)提升建議。

四、實(shí)施步驟

第一階段：項目啟動（1月—2月中旬）

1.營銷部制定印發(fā)非晶合金配變更換專項行動計劃及實(shí)施方案，項目啟動。2．成立非晶合金配變更換專項行動相關(guān)組織機(jī)構(gòu)。

3．營銷部編寫非晶合金配變更換專項行動資金需求簽報，落實(shí)項目資金來源。

第二階段：全面實(shí)施（2月下旬—10月）

1．五市公司營銷部建立S9型及以下配電變壓器專項檔案及更新計劃，2月25日前編寫完成非晶合金配變更換專項行動可研及初設(shè)。專項行動進(jìn)入全面實(shí)施階段。

2.3月4日前發(fā)展策劃部審定可研，列入計劃，進(jìn)行項目批復(fù)，并下達(dá)資金計劃；營銷部審定初步設(shè)計；3月11日前五市公司營銷部按照批復(fù)完成對720臺非晶合金配變的ERP物料掛接。

3．3月15日物資部將非晶合金配變采購需求列入2011年國委二批招標(biāo)批次，確保非晶合金配變于6月1日開始供貨，根據(jù)變壓器更換計劃做好變壓器配送工作。

4．3月31日前財務(wù)部確定更換退役的S9型及以下公用配電變壓器資產(chǎn)處理和物資調(diào)撥流程。

5.3月31日前農(nóng)電部編制全省縣城農(nóng)村臺區(qū)配電變壓器增容改造及農(nóng)村抗旱排灌等因季節(jié)性、臨時性用電負(fù)荷的變壓器更換計劃，并向財務(wù)部、物資部提出配電變壓器調(diào)配使用申請。更換下來的S9型配電變壓器主要用于縣城農(nóng)村臺區(qū)增容改造；S7型配電變壓器主要用于農(nóng)村抗旱排灌等因季節(jié)性、臨時性用電負(fù)荷使用。

6.6月1日至11月30日各市公司非晶合金配變更換完畢。并完成更換配變的入庫工作。物資部門牽頭組織、試研院配合廢舊變壓器的鑒定工作，建立試驗記錄卡片，對能夠繼續(xù)使用的配電變壓器進(jìn)行必要的維護(hù)修復(fù)并原則在本地區(qū)集中存儲，優(yōu)先在本地區(qū)縣內(nèi)調(diào)劑使用；對不能再利用的報廢變壓器進(jìn)行處置。

7.8月1日至10月31日，財務(wù)部對S7、S9型配電變壓器相關(guān)試驗、維修費(fèi)用納入成本；財務(wù)部對能夠繼續(xù)使用的S7、S9型配電變壓器進(jìn)行資產(chǎn)調(diào)撥及資產(chǎn)處理，調(diào)入有關(guān)縣區(qū)作為公司對農(nóng)網(wǎng)升級改造工程的部分設(shè)備資產(chǎn)投資。

第三階段：項目竣工（11月—12月）

1．12月下旬前完成城市郊區(qū)非晶合金配電變壓器更換工程驗收。2．營銷部邀請項目管理咨詢公司對專項行動計劃進(jìn)行后評估，提升專項行動計劃執(zhí)行的質(zhì)量和效益。

3．營銷部對公司專項行動完成情況進(jìn)行統(tǒng)一考評，提出相關(guān)的獎懲建議，提交專項行動領(lǐng)導(dǎo)小組。

4．全面總結(jié)本專項行動工作經(jīng)驗，結(jié)合公司發(fā)展實(shí)際，提前籌劃公司2012年非晶合金配變更換專項行動。

五、保障措施

1．精心策劃，強(qiáng)力推進(jìn)。按照公司總體部署，倒排時間節(jié)點(diǎn)計劃，并制定行動里程碑計劃，增強(qiáng)行動的計劃性和前瞻性，加強(qiáng)過程控制，確保行動計劃能夠嚴(yán)格按照時間節(jié)點(diǎn)計劃順利實(shí)施。

2．加強(qiáng)管理，務(wù)求實(shí)效。建立月度例會制度，各相關(guān)責(zé)任部門積極溝通，扎實(shí)推進(jìn)，并于每月5日前向公司專項行動領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室報送上月非晶合金配變更換專項行動實(shí)施情況及下一步工作安排。

第五篇：快速凝固鋁基非晶合金及納米晶-非晶復(fù)相材料

快速凝固鋁基非晶合金以及納米晶/非晶復(fù)相材料

1.快速凝固技術(shù)

1.1 快速凝固技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

快速凝固的研究開始于20世紀(jì)50年代末60年代初，是在比常規(guī)工藝過程快得多的冷卻速度(例如104～109K/s)或大得多的過冷度(可以達(dá)到幾十至幾百K)下，合金以極快的凝固速率(常大于10cm/s，甚至高達(dá)100cm/s)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。1959年沒過加州理工學(xué)院的P Duwez等人采用一種獨(dú)特的熔體急冷技術(shù)，第一次使液態(tài)合金在大于107K/s的冷卻速度下凝固。他們發(fā)現(xiàn)，在這樣快的冷卻速度之下，本來是屬于共晶體系的Cu-Ag合金中，出現(xiàn)了無限固溶的連續(xù)固溶體；在Ag-Ge合金系中，出現(xiàn)了新的亞穩(wěn)相；而共晶成分為Au-Si合金竟然凝固為非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)，在世界上物理冶金和材料學(xué)工作者的面前展開了一個新的廣闊的研究領(lǐng)域。隨后，各國，特別是發(fā)達(dá)國家投人了大量的人力和物力，開 發(fā)新的非晶合金體系，改進(jìn)其性能和探索其應(yīng)用。隨后研究者們又相繼發(fā)現(xiàn)了一些其他非晶合金體系，如Al-Cr，Al-Mn等，再后來又發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶合金。非平衡亞穩(wěn)材料如非晶、準(zhǔn)晶、超飽和固溶體等成為研究新材料的重要途徑。

隨著對金屬凝固技術(shù)的重視和深入研究，形成了許多種控制凝固組織的方法，其中快速凝固已經(jīng)成為一種具有挖掘金屬材料潛在性能與發(fā)展前景的開發(fā)新材料的重要手段，同時也成了凝固過程研究的一個特殊領(lǐng)域。過去對凝固過程的模擬考慮了在熔融狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)和凝固過程潛熱的釋放，不考慮金屬在型腔內(nèi)必然存在的流動以及金屬在凝固過程中存在的流動。目前，快速凝固技術(shù)作為一種研制新型合金材料的技術(shù)，已經(jīng)開始研究了合金在凝固過程時各種組織形態(tài)的變化以及如何控制才能得到符合實(shí)際生活、生產(chǎn)要求的合金。著重于具有大的溫度梯度和快的凝固速度的快速凝固技術(shù)，正在走向逐步完善的階段。[1]

1.2 快速凝固原理及凝固組織

快速凝固是指通過對合金熔體的快速冷卻(≥104～106 K/s)或非均質(zhì)形核被遏制，使合金在很大過冷度下，發(fā)生高生長速率(≥1～100cm/s)凝固。由于凝固過程的快冷、起始形核過冷度大，生長速率高使固液界面偏離平衡,因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同的組織和結(jié)構(gòu)特征。加快冷卻速度和凝固速率所引起的組織及結(jié)構(gòu)特征可以近似用圖1-1來表示。[2]

圖1-1 快速凝固引起的顯微組織的變化 1.3 快速凝固的方法 1.3.1表面熔凝技術(shù)

表面熔凝技術(shù)的特點(diǎn)是用高密度能束掃描工件表面，使其表層熔化，熔體通過向下面冷的工件基體迅速傳熱而凝固，該技術(shù)主要應(yīng)用在材料表面改性方面。

(1)激光熔凝：采用近于聚焦的激光束照射材料表面層，使其熔化，依靠向基材散熱而自身冷卻、快速凝固。在熔凝層中形成的鑄態(tài)組織非常細(xì)密，能使材料性能得到改善，增強(qiáng)材料表層的耐磨性和耐蝕性。

激光表面熔凝技術(shù)的應(yīng)用基本上不受材料種類的限制，可獲得較深(可達(dá)2～3 mm)的高性能敷層，易實(shí)現(xiàn)局部處理，對基體的組織、性能、尺寸的影響很小，而且操作工藝方便。

(2)激光超高溫度梯度快速凝固：激光能量高度集中的特性,使它具備了在作為定向凝固熱源時可能獲得比現(xiàn)有定向凝固方法高得多的溫度梯度的可能性。

利用激光表面熔凝技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高溫度梯度快速定向凝固的關(guān)鍵是在激光熔池內(nèi)獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度，根據(jù)合金凝固特性選擇適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)，獲得胞晶組織。由于它要求的檢測手段更為高超，因而設(shè)備昂貴，還沒能在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

1.3.2 快速凝固噴射成型技術(shù)

噴射成型技術(shù)是一種快速凝固近終成型材料的制備新技術(shù)。噴射成型工藝的基本過程是把金屬原料置于坩堝中，在大氣或真空中熔煉，達(dá)到一定過熱度后(典型值為50～200℃)，釋放金屬流進(jìn)入霧化室。在霧化室中金屬流被惰性氣體分散成液滴飛向沉積器，沉積成致密的坯體。沉積器為板狀或棒狀，通常采用水冷或不冷卻。根據(jù)沉積器形狀及運(yùn)動方式的不同，沉積坯可以為板狀、棒狀、管狀或帶狀。噴射沉積工藝已廣泛應(yīng)用于鋁、銅、鎂合金及特種鋼的成型制備中。

由此可見，噴射成型最突出的特點(diǎn)在于把液體金屬的霧化(快速凝固)與霧化熔滴的沉積(動態(tài)致密固化)自然地結(jié)合起來，以一步冶金操作的方式，用最少的工序直接從液態(tài)金屬制取整體致密、具有快速凝固組織特征的接近零件實(shí)際形狀的大塊高性能材料(坯料)，從而徹底解決了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)高性能材料一直很難解決的成分偏析、組織粗大及熱加工困難等難題。同時也避免了粉末冶金工序復(fù)雜、成本較高及易受污染等弊端。為新材料的研制和發(fā)展提供了一個嶄新的技術(shù)手段，有廣闊的發(fā)展前景。

1.3.3 表面沉積技術(shù)

表面沉積技術(shù)的特點(diǎn)主要是使通過霧化技術(shù)制得的粉末或已霧化的金屬熔滴噴射到工件表面上，讓其迅速冷凝沉積，形成與基體結(jié)合牢固、致密的噴涂層。其主要有等離子噴涂、電火花沉積等技術(shù)。

(1)等離子噴涂技術(shù)：等離子噴涂是利用等離子火焰來加熱、熔化噴涂粉末，使之形成涂層。等離子噴涂工作氣體常用Ar或N2和5%～10 %的H2，工作氣體通過電弧加熱離解形成等離子體，其中心溫度高達(dá)1500K以上，經(jīng)孔道高壓壓縮后呈高速等離子體射流噴出。噴涂粉末被送粉氣載入等離子焰流，很快呈熔化或半 熔化狀態(tài)，高速地打在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面并產(chǎn)生塑性變形，粘附在零件表面上。各熔滴之間通過塑性變形而相互鉤接，從而獲得良好的層狀致密涂層。由于等離子噴涂具有形成的涂層結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低及效率高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，故在航空、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

(2)電火花沉積技術(shù)：金屬表面電火花沉積技術(shù)是近期發(fā)展起來的新技術(shù)，是在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新工藝，它具有較強(qiáng)的實(shí)用性。電火花沉積工藝是將電源存儲的高能量電能在金屬電極與金屬母材間瞬間高頻釋放，通過電極材料與母材間的空氣電離形成通道，使母材表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓的微區(qū)，同時離子態(tài)的電極材料在微電場的作用下融滲到母材基體中，形成冶金結(jié)合。由于電火花沉積工藝是瞬間的高溫—冷卻過程，金屬表面不僅會因迅速淬火而形成馬氏體，而且在狹窄的沉積過渡區(qū)還會得到超細(xì)奧氏體組織。該工藝具有沉積層與基體結(jié)合非常牢固、不會使工件退火或變形、設(shè)備簡單及造價低等優(yōu)點(diǎn)，已在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

1.3.4 大過冷凝固技術(shù)

大過冷凝固技術(shù)的核心是利用金屬本身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速凝固。其主要有快速蒸汽冷凝技術(shù)、快速卸壓淬火等。大過冷凝固技術(shù)的特點(diǎn)是在熔體中形成盡可能接近均勻形核的凝固條件，從而在形核前獲得大的過冷度。熔體主要是通過導(dǎo)熱性差的介質(zhì)傳熱或以輻射傳熱的方式冷卻。目前，采用此技術(shù)制取的合金的尺寸、數(shù)量都很小，而且不能連續(xù)生產(chǎn)。因此，要使其不僅在理論上和實(shí)驗研究中得到廣泛應(yīng)用，而且像急冷凝固技術(shù)那樣應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。

1.4 快速凝固的發(fā)展趨勢

快速凝固技術(shù)是從1960年才開始出現(xiàn)的一種研制新型合金的技術(shù)，它對于Fe-Mo-Al合金、改型304不銹鋼等新材料的研究與開發(fā)起到了關(guān)鍵性作用，特別是超塑性的利用更是其它方法所不能取代的。有關(guān)快速凝固及合金的理論研究將給材料科學(xué)和其它有關(guān)學(xué)科注入新的活力，而且對快速凝固合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與凝固參數(shù)之間的關(guān)系、對合金相的形成，特別是亞穩(wěn)晶態(tài)相、非晶和準(zhǔn)晶形成機(jī)制的研究，都將對固體物理等基礎(chǔ)理論構(gòu)成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對于用作結(jié)構(gòu)材料的快速凝固合金，需要采用固結(jié)成型技術(shù)生產(chǎn)，固接成型技術(shù)的水平直接影響合金的最終性能和合金的應(yīng)用廣泛性，快速凝固技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究將促進(jìn)固接成型技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代凝固技術(shù)的研究與應(yīng)用，迫切要求以液/固相變理論的新成果為指導(dǎo)，在研究對象的尺度上不局限于宏觀的凝固過程的研究，而是要在原子尺度上對移動的液/固界面的行為進(jìn)行分析，與凝固技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)。近年來，凝固理論的研究在下列方面取得進(jìn)展：從傳熱、傳質(zhì)和固/液界面動力學(xué)三個方面對凝固動力學(xué)過程給出了不斷改進(jìn)的定量描述；固/液界面形態(tài)穩(wěn)定性理論繼續(xù)完善，可在低速生長至高速生長的較寬范圍內(nèi)全面估計界面能、界面曲率、結(jié) 晶潛熱等對晶體形貌及顯微結(jié)構(gòu)的影響，提供晶體形態(tài)轉(zhuǎn)變的定量判據(jù)；大過冷和高生長速率下凝固熱力學(xué)和動力學(xué)研究的不斷深入，為合金快速凝固過程的分析和設(shè)計提供了依據(jù)?？焖倌碳夹g(shù)正在引起人們更多的重視，而且隨著實(shí)際生產(chǎn)的需要也正在不斷的深化。

2.快速凝固技術(shù)在鋁基非晶合金制備中的應(yīng)用 2.1 鋁基非晶合金的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航天航空、運(yùn)輸工具輕型化的迅速發(fā)展及節(jié)能降耗的需要，對高強(qiáng)度低密度材料的需求越來越迫切，鋁基非晶和納米晶體彌散分布的非晶合金強(qiáng)度可達(dá)到或超過鋼材的強(qiáng)度，密度卻不到鋼材的40％，在600K以下具有很好的高溫強(qiáng)度，能滿足多種航空結(jié)構(gòu)件的需要，可取代價格昂貴的鈦合金。此外，非晶合金和納米晶體比普通的晶體材料更有活性，其催化活度比較穩(wěn)定，比同成分的晶態(tài)合金高1～2個數(shù)量級，因而該類材料可作為石油、化工等領(lǐng)域的加氫、脫氫催化劑。由此可見，鋁基非晶合金是一種頗具開發(fā)應(yīng)用潛力的新型材料，其制備及相關(guān)性質(zhì)的研究是目前極具魅力的新興研究領(lǐng)域。[3]

2.2 急冷法制備鋁基非晶合金

近十幾年來已經(jīng)發(fā)展起來多種快速凝固方法，究其根源是為了獲得大的冷卻速度(＞1℃/s)。這就迫使材料至少在一個方向上尺寸很小(一般＜100μm)，由于這一條件的限制，快速凝固技術(shù)通常可分為三類：①制取條帶材料及薄片材料；②霧化法制取粉末；③表面熔化及強(qiáng)化法。

(1)單輥旋轉(zhuǎn)淬冷法：該法簡稱MS法，如圖2-1所示，通過一定轉(zhuǎn)速的銅質(zhì)單輥將熔體制成非晶或非晶加微晶相的薄帶。該方法使用方便，冷卻速度大，易調(diào)節(jié)，可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。在非晶鋁合金的研究進(jìn)程中，幾乎每一種成分合金的非晶化都是從MS法開始的，然后才推廣至其他的方法(如霧化等)。

圖2-1 熔體旋轉(zhuǎn)淬冷裝置示意圖

Imoue通過銅模鑄造方法得到厚度達(dá)0.2mm～0.4mm的鋁基合金(Al84Ni10Ce6)非晶帶，而通過單輥旋轉(zhuǎn)淬冷法所能得到的鋁基合金(Al-Ni-Ce)非晶條帶的最大厚度為65μm。山東大學(xué)的王勝海等人，采用單輥旋轉(zhuǎn)淬冷法制備出厚度達(dá)到140μm的Al-Ni-La-Ce-Pr-Nd超厚非晶條帶，大大增加了鋁基合金非晶條帶的厚度，有助于實(shí)現(xiàn)其在工程上的應(yīng)用。

(2)氣體霧化法：通過高速氣體流沖擊金屬液流使其分散為微小液滴，從而實(shí)現(xiàn)快速凝固。通常的氣體霧化法冷卻速度可達(dá)102 K/s～104 K/s，采用超聲速氣流可明顯改善粉末的尺寸分布，進(jìn)一步提高冷卻速度。另外，冷卻介質(zhì)是該工藝中制約非晶鋁合金生產(chǎn)的一個主要因素。由于氦氣的傳熱速度快，采用氦氣作為射流介質(zhì)，冷速比用氫氣的大數(shù)倍。為了進(jìn)一步提高冷卻速度，有報道采用多級霧化的方式成功地制備出Al-Y-Ni非晶合金。霧化法的生產(chǎn)效率高且合金粉末呈球形，有利于后續(xù)的成型工藝消除顆粒的原始邊界，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但其與MS法相比，冷卻速度較低，需要嚴(yán)格控制合金成分。

(3)表面熔化及強(qiáng)化法使鋁合金表面非晶化：對于只要求表面具有高耐磨、耐蝕性的材料，只需處理表面得到一強(qiáng)化層即可滿足要求。利用鋁合金材料導(dǎo)熱系數(shù)大的特點(diǎn)，可在表面獲得具有優(yōu)異性能的非晶層，以滿足產(chǎn)品的某一特殊需要。此方法包括激光、電子束表面熔化處理、激光及電子束表面合金化、激光表面涂覆、激光表面沉積和摩擦上釉等。這些工藝簡單可靠，成本低，是一種具有開發(fā)前途的新領(lǐng)域，但這些工藝在鋁合金材料上的應(yīng)用還處于準(zhǔn)備階段。

2.3 復(fù)合工藝制備鋁基非晶合金

此外，復(fù)合工藝是目前RS-PM技術(shù)的一個發(fā)展方向。它是通過結(jié)合快速凝固和機(jī)械合金化雙重制粉工藝制備合金粉末。機(jī)械合金化處理對于快速凝固粉末至少具有兩個重要作用：①可以提高材料的力學(xué)性能；②可以提高顯微組織的穩(wěn)定性。

S.Eee在A1-Fe-Ni合金的快冷與機(jī)械合金化復(fù)合制粉工藝上的成功經(jīng)驗表明，該工藝完全可以擴(kuò)展到鋁基非晶態(tài)合金的制備上。該工藝吸取了快速凝固與機(jī)械合金化二者的長處，互為補(bǔ)充，從而有希望縮短非晶材料的合金化時間，提高非晶轉(zhuǎn)變溫度，提高材料非晶相的穩(wěn)定性，擴(kuò)大非晶鋁合金的成分范圍，從而進(jìn)一步提高其性能。

3.快速凝固技術(shù)在納米晶/非晶復(fù)相材料制備中的應(yīng)用 3.1 納米晶/非晶復(fù)相材料的發(fā)展現(xiàn)狀

非晶鋁合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能，近年來逐漸受到人們的關(guān)注。同時，納米材料由于晶粒細(xì)小，表現(xiàn)出許多奇異的性能，是目前材料領(lǐng)域最熱門的課題。非晶與納米晶的有機(jī)結(jié)合可使材料性能獲得更大的提高。1988年Inoue首先報道了三元Al基合金能形成具有高強(qiáng)度高韌性的非晶合金，之后Inoue又和Shiflet等人利用快速凝固和塑性變形等方法得到了鋁-后過渡金屬-稀土(Al-Tm-Re)的納米非晶復(fù)合材料，即納米級的Al晶體彌散分布在非晶基體上。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報道，這種材料的強(qiáng)度和塑性是相同成分完全非晶材料和納米材料的數(shù)倍。[11]

3.2 熔體快速凝固法制備非晶/納米晶復(fù)合材料

直接凝固法是先將母合金熔配均勻，然后采用提純和快冷的方式使合金液在短時間內(nèi)急冷成形，該法的主要優(yōu)點(diǎn)是制備簡便、制備周期短。

采用單輥旋淬技術(shù)制備快速凝固Al-Ni-Zr合金，快凝Al85Ni10Zr5合金形成完全非晶，而快凝Al89Ni10Zr1合金形成完全晶態(tài)結(jié)構(gòu)，選擇Al87Ni10Zr3合金，在快速凝固條件下能形成非晶納米復(fù)合材料。可見元素Zr的添加對形成非晶的影響。凝固冷速也是需要考慮的因素，冷卻速度越快，越易形成非晶；快凝Al91Ni7Y2合金時，可形成由部分非晶和部分晶體組成的復(fù)合材料，此材料結(jié)構(gòu)為：納米級Al晶體均勻彌散分布在非晶基體上。合金元素加入量對材料的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)Ni、Y含量較少時，形成完全晶態(tài)結(jié)構(gòu)；當(dāng)Ni、Y含量過高時，形成完全非晶結(jié)構(gòu)；只有當(dāng)成分合適時，才能形成納米晶+非晶態(tài)的復(fù)合材料。

3.3.快速凝固在具體合金制備中的應(yīng)用

3.3.1 快速凝固在Al-Ce-Ni-Mn合金制備中的應(yīng)用

以Al-Ce-Ni-Mn合金為例，Al和Ce原子間的鍵強(qiáng)于Al和Y原子間的鍵，稀土元素選用Ce能提高其強(qiáng)度，在以其形成的四元合金中，Mn是最有效的提高強(qiáng)度的元素之一。在采用單輥旋淬技術(shù)制備Al87-Ce3-Ni8.5-Mn1.5合金的過程中，輥速大于65m/s時獲得非晶單相材料，輥速降至40m/s～55m/s間時可制成納米非晶復(fù)合材料，α-Al晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)由冷凝速度決定，冷速越大，晶粒尺寸越小數(shù)量越少。而熔體的冷凝速度與輥速、熔體溫度、熔體噴射速度、噴嘴大小、噴嘴到輥面的距離、熔體與輥面的附著程度等因素有關(guān)，較難控制。

有文獻(xiàn)報道，使用單輥旋淬技術(shù)制備成非晶合金，再經(jīng)過483K退火20min，可以成功制備出硬度高并且韌性好的納米非晶復(fù)合材料Al87-Ce3-Ni8.5-Mn1.5。其顯微硬度可以達(dá)到527Kg/mm2。

3.3.2 快速凝固在Mg-Ni基非晶/納米晶貯氫合金制備中的應(yīng)用

氫能是一種清潔且貯量豐富的能源，貯氫材料的發(fā)展及應(yīng)用對環(huán)境保護(hù)和能源開發(fā)都有重要的意義。作為貯氫材料，鎂基合金由于其重量輕、貯氫量大、成本低而成為很有發(fā)展前景的新型能源材料之一。鎂基貯氫材料的研究最早始于美國布克海文國家實(shí)驗室，Reilly等人首先采用傳統(tǒng)熔煉方法成功制備了Mg2Ni合金。它在2MPa，300 ℃下能與氫反應(yīng)生成Mg2NiH4，貯氫量達(dá)3.6 %。但隨后的研究發(fā)現(xiàn)，鎂基晶態(tài)合金作為貯氫材料存在如下缺點(diǎn)：①吸放氫速度較慢，反應(yīng)動力學(xué)性能差；②氫化物較穩(wěn)定，釋氫需要較高的溫度；③貯氫能力低，耐腐蝕性能差。這些嚴(yán)重阻礙了鎂基貯氫合金的實(shí)用化進(jìn)程。近10年來，貯氫合金的研究主要集中在兩個方面：一是研究新型的金屬貯氫系統(tǒng)，即通過對貯氫合金中的元素進(jìn)行合理替代與組合獲得新型貯氫合金；另一方面是借助各種手段如改變組織結(jié)構(gòu)、表面處理、添加催化劑等對現(xiàn)有材料體系進(jìn)行改進(jìn)。值得一提的是目前廣泛研究的制備非晶/納米晶組織結(jié)構(gòu)的貯氫合金已被證實(shí)是改善貯氫合金性能的有效方法，而制備非晶/納米晶的一種方法就是熔體急冷法。[12]

運(yùn)用熔體急冷法制備Mg-Ni基非晶/納米晶貯氫合金的優(yōu)點(diǎn)是通過控制冷卻速度可以制備完整的非晶態(tài)合金，進(jìn)而通過熱處理來制備所需要的粒度均勻的納米晶合金。但由于金屬鎂和鎳的熔點(diǎn)和相對密度相差很大，采用傳統(tǒng)的高溫熔煉法還有一定難度，因此國際上采用熔體急冷法制備Mg-Ni基非晶/納米晶貯氫合金的并不是很多。表3-1列出了近幾年采用熔體急冷法制備出的Mg-Ni基非晶/納米晶貯氫合金及其最大貯氫量。

表3-1近年來熔體急冷法之輩出的Mg-Ni基非晶/納米晶貯氫合金最大貯氫量

合金成分 Mg2Ni

最大貯氫量(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3.6 3.0 2.0 4.0 3.2 3.1 2.2 2.5

開發(fā)年代 1987 1998 1999 2002 2002 2002 2002 2004 Mg63Ni30Y7 Mg87Ni12Y1

Mg75Ni20Mm5(Mm = Ce，La，Sm)Mg76Ni19Y5 Mg78Ni18Y4 Mg1.8NiAg0.2 Mg67Ni23Pd10

根據(jù)Inoue提出的制備非晶合金的3個理論原則，要在常規(guī)的冷卻速度下獲得非晶合金，必須向Mg-Ni合金中添加第三種元素。1998年，德國多特蒙德大學(xué)的Spassov教授率先采用熔體快淬法制備了Mg63Ni30Y7非晶/納米晶合金，并詳細(xì)研究了合金的貯氫性能、熱穩(wěn)定性及其在熱處理過程中相的轉(zhuǎn)變機(jī)制。他們制得的合金的微觀組織結(jié)構(gòu)是大約2～3nm的Mg2Ni相和大量的非晶相共存，合金在180 ℃時以140 kJ·mol-1的活化能開始晶化，晶化的形式是Mg2Ni納米晶的三維尺寸的長大，合金的最大貯氫能力達(dá)到3.0 %，并且在室溫下充氫30min即可達(dá)到2.1%。1999年，該研究小組又制備了Mg87Ni12Y1非晶合金，其貯氫量為2.0 %，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其貯氫量少是由于產(chǎn)生了較多Mg6Ni相，而Mg6Ni相不與氫發(fā)生反應(yīng)。2002年，該研究小組制備出了Mg75Ni20Mm5(Mm = Ce，La，Sm)非晶合金，其貯氫量高達(dá)4.0%，并且在室溫下吸/釋氫的速度可達(dá)到0.3 %min-1。他們詳細(xì)研究了該合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該合金有大量的5～10 nm的Mg2Ni和Mg17Mm2納米相分布在非晶相當(dāng)中，而Mg17Mm2在吸/釋氫過程中轉(zhuǎn)變?yōu)镸mHx和Mg，進(jìn)一步加大了合金的貯氫量。同時，他們指出，該合金有如此高的貯氫量不僅是因為稀土元素代替釔，更主要是因為Mg75Ni20Mm5的成分含量達(dá)到了貯氫所需的最優(yōu)比例，這和Liang等人的研究結(jié)果基本一致。

綜上所述，可知采用熔體急冷法制備性能良好的非晶/納米晶貯氫合金，至少需要達(dá)到以下條件：①最佳成分含量：Mg 65%～75%；Ni 20%～30%；RE(稀土元素)2%～10%；②最佳相成分：含有Mg2Ni相；③最佳微觀組織結(jié)構(gòu)：5～10nm的納米晶和非晶的混合體。

3.4 納米晶/非晶復(fù)合材料的發(fā)展前景

非晶納米晶復(fù)合材料的研究還處在發(fā)展階段，制備技術(shù)和工藝水平尚待提高；體系選擇及材料性能與工藝的關(guān)系研究需要有新的突破；進(jìn)一步探索非晶納米晶復(fù)合材料的微觀組織與性能之間關(guān)系，開發(fā)具有可控硬度和彈性模量的新功能材料，拓寬非晶納米晶復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域方面，還應(yīng)加強(qiáng)研究力度。相信，不久的將來，非晶納米晶復(fù)合材料的研究和應(yīng)用都會有一個新的飛躍。[15] 結(jié)束語

快速凝固技術(shù)是近20年發(fā)展起來的新技術(shù)，使用快速凝固技術(shù)制備的材料具有較高的力學(xué)性能和良好的物理化學(xué)性能。由于在快歲凝固材料制備過程中合金液體的快速冷卻，突然從液態(tài)變成固態(tài)，原來在液態(tài)下呈雜亂排列的原子來不及變成有規(guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)就被“凍結(jié)”下來，成為原子無規(guī)則排列的固體。就像玻璃中的原子結(jié)構(gòu)一樣，所以這種合金又稱為非晶態(tài)合金或玻璃金屬。這種非晶態(tài)合金具有比晶體狀合金高得多的磁性，強(qiáng)度和耐腐蝕性。此外，快速凝固還可以生產(chǎn)許多普通方法無法得到的合金。

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