近年来，金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室非平衡金属材料研究部王建强研究员课题组与美国约翰霍普金斯大学马恩教授合作，在Al基金属玻璃的结构及玻璃形成能力等方面进行了多年的研究探索。在Al- TM（过渡金属）-RE（稀土）为基础的三元合金系中, 分别以TM和RE作为溶质中心的原子团簇结构，通过团簇致密堆垛结构的耦合进行了合金的成分设计，在Al-Ni-Co-Y-La五元合金体系中获得了1 mm直径的铝基金属玻璃棒材（铝含量达86 at.%）（见Scripta Materialia, 61 (2009) 423-426）。这是国际上首次报道通过熔体直接浇铸制备出单一非晶相的铝基块体材料，引起了国内外研究人员的广泛关注（迄今引用超过150次）。在此基础上，近来从成分设计与制备工艺两个方面着手,进一步提升其玻璃形成能力。
理解微合金元素对形成能力的影响机理，有助于设计并优化合金成分。Al-TM-RE非晶合金玻璃形成能力对微组元添加非常敏感，然而其作用机理不清。他们从电子结构层次研究其影响，一方面，通过Al 原子和TM 原子之间电子轨道杂化效应, 微量添加TM（例如Co）可以改变费米面的直径；另一方面，调节Al 原子和RE原子之间静态结构, 添加微量RE（例如La）原子能够改变伪布里渊区的大小。当二者相互作用即金属玻璃结构中的费米面和伪布里渊区相切时（2KF=KP），费米面处的电子态密度最低，整体金属玻璃结构最稳定，此时的非晶形成能力最强。由此设计出迄今最优的玻璃形成能力合金成分，即Al86Ni6.75Co2.25Y3.25La1.75，模铸可获得直径为1.5 mm的完全非晶结构棒材（见Acta Mater, 108 (2016) 143-151）。
同时, 熔体的纯净度显著影响非晶合金的形成能力。对于高活性的铝基非晶合金，其熔体中存在的氧化夹杂可作为异质形核核心，诱发晶化相的析出，从而显著降低形成能力。他们设计了新的兼具物理吸附和化学反应双重功能的氯化物熔盐，以达到去除熔体内部杂质以抑制异质形核的目的。一方面，针对不同类型的氧化夹杂，结合氧化物与熔盐间的表面张力，计算系统的表面自由能，选取MgCl2实现物理吸附除杂；另一方面，结合体积自由能与体系中不同组元间的活度，确定系统的化学反应能力，最终选取CaCl2实现化学反应除杂。生成的反应产物可与熔体中残留的氧化物发生络合，也有助于实现净化熔体的作用。基于此，设计出针对 Al基非晶合金的最优配比的MgCl2-CaCl2复合熔盐净化溶剂。采用该熔体净化制备新工艺在不同的铝基非晶合金体系中均取得了明显效果，样品的氧含量降低了3倍以上，临界玻璃形成能力大幅度提升。前述最优玻璃形成能力的五元成分，经熔体净化处理后，非晶合金临界直径可达2.5 mm，实现了模铸 Al 基完全非晶样品尺寸的新突破，这为铝基非晶合金的工程化应用奠定了良好的基础（见Scientific Reports, 7 (2017) 11053. DOI:10.1038/s41598-017-11504-6）。
图1 费米面和伪布里渊区相互作用机制在 Al 基金属玻璃中的应用
图2 铝基非晶合金净化过程示意图
图3 (a)氧含量随净化循环次数的变化曲线
(b)临界尺寸直径2.5mm的Al基非晶合金棒材
以上研究工作得到了国家自然科学基金重点项目与科技部重点研发项目的资助与支持。
