北科大吕昭平教授Prog. Mater. Sci.综述:铁基块体非晶合金的玻璃形成、制备、性能和应用

【引言】                                                                                                                            

传统铁基非晶合金通常在临界冷却速率大于10⁶K/s时，通过对金属液体快冷，制成条带、粉末或线材。在1967年，Duwez及其合作者制备得到非晶态Fe-P-C合金，是首次引入铁基金属玻璃的概念。自1995年Fe-Al-Ga-P-C-B块体金属玻璃（bulk metallic glass,简称BMG）首次被制备以来，研究者们对铁基块体非晶合金展开了大量的研究。铁基金属玻璃生产成本低、具有更高的强度和硬度、良好的热稳定性、高的耐腐蚀性和耐磨性能、高的饱和磁化强度、低的矫顽力和铁损，满足了高耐蚀耐磨涂层、高性能软磁材料、生物医用材料、催化材料等工业应用需求，是独特而重要的一类材料，具有广阔的应用前景。

【成果简介】

过去的20多年里，众多非晶工作者在铁基块体非晶合金这一研究领域做了大量研究，也发表了数量可观的学术论文，并且铁基非晶合金已经在变压器铁芯和耐磨耐蚀涂层等领域获得了广泛应用。然而，截至到目前，铁基非晶合金的发展现状和未来走向仍缺乏完整而系统化的描述。

近日，北京科技大学的吕昭平教授在Progress in Materials Science上发表了题为“Fe-based bulk metallic glasses: glass formation, fabrication, properties and applications”的综述文章。该篇综述呈现了过去20多年来有关铁基块体非晶合金的研究进展和取得的成果，包含制备、玻璃形成能力、结晶特性、力学性能、腐蚀行为、磁学性能和工业应用等几个方面。此外，文章基于作者的理解指出了这一学科领域未来的发展方向。

吕昭平教授2003年发现稀土元素钇在铁基非晶中的吸氧和合金化的双重效应（Lu ZP et al. Role of yttrium in glass formation of Fe-based bulk metallic glasses. Appl. Phys. Lett. 2003;83: 2581-2583）；2004年在世界上首次制备出厘米级铁基块体非晶合金（Lu ZP et al. Structural amorphous steels. Phys Rev Lett.2004;92:245503）; 与传统观念相悖，2009年发现一定量的氧反而能促进铁基非晶的形成（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年报道了同时具备高非晶形成能力和高的饱和磁化强度的铁基块体非晶合金（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年制备出不含任何类金属的铁基块体非晶合金复合材料（Gao JE et al. Fe-based bulk metallic glass composites without any metalloid elements. Acta Mater. 2013;61:3214-3223）；2017年发现即使微量氧也会急剧降低铁基块体非晶合金的压缩塑性（Li HX et al. Influences of oxygen on plastic deformation of a Fe-based bulk metallic glass: Scripta Mater. 2017;135:24-28.）。本次发表在Progress in Materials Science上的综述文章，是吕昭平教授团队多年在铁基块体非晶合金领域耕耘的结果，对这一领域的进一步发展会产生积极的促进作用。

【图文导读】

图1：支持向量机（SVM）模拟过程的总体流程图。

(i)训练和测试包含具有不同描述的不同合金成分的数据；

(ii)SVM学习过程是调节带有两个参数C和γ的径向基础函数，开发不同的模型体系；

(iii)从(ii)中的结果按照P_Target > 0.3和E取最大值的标准，选择出最优模型；

(iv)用最优模型预测寻找新的非晶形成成分。

图2：块体非晶合金中用于微合金化的可能元素原子半径。

图3：铁基块体非晶合金的纳米束电子衍射（NBED）表征。

(a)快冷Fe₃₆Co₃₆Nb₄Si₄B₂₀样品的NBED花样，Fe36Co36Nb4Si4B20样品在873K下退火1h的NBED花样如图(b)-(d)所示；

(b)完美Fe₂₃B₆结构的[110]晶向花样，右侧图片(b’)为模拟结果；

(c)类Fe₂₃B₆的伪十重（pseudo-tenfold）花样；

(d)类Fe₂₃B₆的近十重（almost tenfold）花样。

图4：Gan等人发明的新型铜模铸造装置示意图。

图5：典型非晶态金属和传统晶体合金的拉伸强度、维氏硬度和杨氏模量的比较。

图6： (a)典型FeB-, FeC(B)-, FeP(C)-基块体非晶合金剪切模量和泊松比的关系；

(b)典型FeB-, FeC(B)-, FeP(C)-基块体非晶合金DTx和Tg的关系。

图7：纳米尺度不均匀性的HRTEM表征。

(a,f)1A和2A区域表示非晶基体中的纳米晶；

(b,d,g,i)厚度为8nm的样品中两个不同区域的HRTEM图像；

(c,e,h,j)HRTEM图像对应的快速傅里叶变换图像；

图8：一些典型的软磁铁基块体非晶合金（兼具不小于1.5T的饱和磁化强度和不小于1mm的临界尺寸）。

图9：块体非晶合金Fe₄₃Cr₁₆Mo₁₆C₁₅B₁₀和Fe₄₃Cr₁₆Mo₁₆C₁₀B₅P₁₀的极化曲线，可见非金属元素P的加入有助于提高抗腐蚀性。

图10：室温下Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂块体金属玻璃，传统晶态钢和其他块体非晶合金耐磨性和硬度之间的关系。

图11：铁基块体非晶合金制成的标准线性驱动器用的磁轭组件。

图12：316L不锈钢，C-22合金，硼化不锈钢，Ni-Cr-Mo-Gd合金和SAM2X5的横截面中子吸收平均值。

【小结】

这篇综述文章详细回顾了铁基块体非晶合金二十多年来的研究进展，重点关注近期在制备、玻璃形成能力、热稳定性、结晶特性、力学性能、腐蚀性能、磁学性能以及工业应用方面的成果。主要内容可总结为以下几个方面：

第一部分，系统讨论了铁基块体非晶合金的产生、发展历史和现状；第二部分，对铁基块体非晶合金的玻璃形成能力和玻璃形成进行了梳理；第三部分，系统地回顾了铁基块体非晶合金的制备方法；第四部分对铁基块体非晶合金的性能进行了回顾，主要关注力学性能、抗腐蚀性和磁学性能；第五部分，作者主要总结了铁基块体非晶合金的工业应用。除了作为软磁材料之外，还有如抗蚀抗磨涂层、生物医用材料、微型马达的精密齿轮、催化材料等应用方向。文章最后，作者还提出了铁基块体非晶合金研究中目前仍存在的七大关键挑战。

文献链接：Fe-based bulk metallic glasses: glass formation, fabrication, properties and applications（Progress in Materials Science, Volume 103, June 2019, Pages 235-318）

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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