第一篇：快速凝固鋁基非晶合金及納米晶-非晶復相材料
快速凝固鋁基非晶合金以及納米晶/非晶復相材料
1.快速凝固技術
1.1 快速凝固技術的發展現狀
快速凝固的研究開始于20世紀50年代末60年代初，是在比常規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100cm/s)由液態轉變為固態的過程。1959年沒過加州理工學院的P Duwez等人采用一種獨特的熔體急冷技術，第一次使液態合金在大于107K/s的冷卻速度下凝固。他們發現，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，出現了無限固溶的連續固溶體；在Ag-Ge合金系中，出現了新的亞穩相；而共晶成分為Au-Si合金竟然凝固為非晶態的結構。這些發現，在世界上物理冶金和材料學工作者的面前展開了一個新的廣闊的研究領域。隨后，各國，特別是發達國家投人了大量的人力和物力，開 發新的非晶合金體系，改進其性能和探索其應用。隨后研究者們又相繼發現了一些其他非晶合金體系，如Al-Cr，Al-Mn等，再后來又發現了準晶合金。非平衡亞穩材料如非晶、準晶、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，其中快速凝固已經成為一種具有挖掘金屬材料潛在性能與發展前景的開發新材料的重要手段，同時也成了凝固過程研究的一個特殊領域。過去對凝固過程的模擬考慮了在熔融狀態下的熱傳導和凝固過程潛熱的釋放，不考慮金屬在型腔內必然存在的流動以及金屬在凝固過程中存在的流動。目前，快速凝固技術作為一種研制新型合金材料的技術，已經開始研究了合金在凝固過程時各種組織形態的變化以及如何控制才能得到符合實際生活、生產要求的合金。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，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)或非均質形核被遏制，使合金在很大過冷度下，發生高生長速率(≥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,因而呈現出一系列與常規合金不同的組織和結構特征。加快冷卻速度和凝固速率所引起的組織及結構特征可以近似用圖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
表面熔凝技術的特點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，該技術主要應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組織非常細密，能使材料性能得到改善，增強材料表層的耐磨性和耐蝕性。
激光表面熔凝技術的應用基本上不受材料種類的限制，可獲得較深(可達2～3 mm)的高性能敷層，易實現局部處理，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實現超高溫度梯度快速定向凝固的關鍵是在激光熔池內獲得與激光掃描速度方向一致的溫度梯度，根據合金凝固特性選擇適當的激光工藝參數，獲得胞晶組織。由于它要求的檢測手段更為高超，因而設備昂貴，還沒能在實際生產中得到廣泛的應用。
1.3.2 快速凝固噴射成型技術
噴射成型技術是一種快速凝固近終成型材料的制備新技術。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，達到一定過熱度后(典型值為50～200℃)，釋放金屬流進入霧化室。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。根據沉積器形狀及運動方式的不同，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在于把液體金屬的霧化(快速凝固)與霧化熔滴的沉積(動態致密固化)自然地結合起來，以一步冶金操作的方式，用最少的工序直接從液態金屬制取整體致密、具有快速凝固組織特征的接近零件實際形狀的大塊高性能材料(坯料)，從而徹底解決了傳統工藝生產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雜、成本較高及易受污染等弊端。為新材料的研制和發展提供了一個嶄新的技術手段，有廣闊的發展前景。
1.3.3 表面沉積技術
表面沉積技術的特點主要是使通過霧化技術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。
(1)等離子噴涂技術：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1500K以上，經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，高速地打在經過預處理的零件表面并產生塑性變形，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合強度高、孔隙率低及效率高、使用范圍廣等優點，故在航空、冶金、機械等領域中得到廣泛的應用。
(2)電火花沉積技術：金屬表面電火花沉積技術是近期發展起來的新技術，是在傳統工藝基礎上發展起來的新工藝，它具有較強的實用性。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，使母材表面產生瞬間高溫、高壓的微區，同時離子態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還會得到超細奧氏體組織。該工藝具有沉積層與基體結合非常牢固、不會使工件退火或變形、設備簡單及造價低等優點，已在實際生產中得到廣泛應用。
1.3.4 大過冷凝固技術
大過冷凝固技術的核心是利用金屬本身的特點實現快速凝固。其主要有快速蒸汽冷凝技術、快速卸壓淬火等。大過冷凝固技術的特點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。熔體主要是通過導熱性差的介質傳熱或以輻射傳熱的方式冷卻。目前，采用此技術制取的合金的尺寸、數量都很小，而且不能連續生產。因此，要使其不僅在理論上和實驗研究中得到廣泛應用，而且像急冷凝固技術那樣應用于實際生產還需要做進一步的改進。
1.4 快速凝固的發展趨勢
快速凝固技術是從1960年才開始出現的一種研制新型合金的技術，它對于Fe-Mo-Al合金、改型304不銹鋼等新材料的研究與開發起到了關鍵性作用，特別是超塑性的利用更是其它方法所不能取代的。有關快速凝固及合金的理論研究將給材料科學和其它有關學科注入新的活力，而且對快速凝固合金的微觀組織結構與凝固參數之間的關系、對合金相的形成，特別是亞穩晶態相、非晶和準晶形成機制的研究，都將對固體物理等基礎理論構成嚴峻的挑戰。對于用作結構材料的快速凝固合金，需要采用固結成型技術生產，固接成型技術的水平直接影響合金的最終性能和合金的應用廣泛性，快速凝固技術基礎理論的研究將促進固接成型技術的發展。現代凝固技術的研究與應用，迫切要求以液/固相變理論的新成果為指導，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/固界面的行為進行分析，與凝固技術的發展相適應。近年來，凝固理論的研究在下列方面取得進展：從傳熱、傳質和固/液界面動力學三個方面對凝固動力學過程給出了不斷改進的定量描述；固/液界面形態穩定性理論繼續完善，可在低速生長至高速生長的較寬范圍內全面估計界面能、界面曲率、結 晶潛熱等對晶體形貌及顯微結構的影響，提供晶體形態轉變的定量判據；大過冷和高生長速率下凝固熱力學和動力學研究的不斷深入，為合金快速凝固過程的分析和設計提供了依據。快速凝固技術正在引起人們更多的重視，而且隨著實際生產的需要也正在不斷的深化。
2.快速凝固技術在鋁基非晶合金制備中的應用 2.1 鋁基非晶合金的發展現狀
隨著航天航空、運輸工具輕型化的迅速發展及節能降耗的需要，對高強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度可達到或超過鋼材的強度，密度卻不到鋼材的40％，在600K以下具有很好的高溫強度，能滿足多種航空結構件的需要，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，其催化活度比較穩定，比同成分的晶態合金高1～2個數量級，因而該類材料可作為石油、化工等領域的加氫、脫氫催化劑。由此可見，鋁基非晶合金是一種頗具開發應用潛力的新型材料，其制備及相關性質的研究是目前極具魅力的新興研究領域。[3]
2.2 急冷法制備鋁基非晶合金
近十幾年來已經發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表面熔化及強化法。
(1)單輥旋轉淬冷法：該法簡稱MS法，如圖2-1所示，通過一定轉速的銅質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，易調節，可進行連續生產。在非晶鋁合金的研究進程中，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 熔體旋轉淬冷裝置示意圖
Imoue通過銅模鑄造方法得到厚度達0.2mm～0.4mm的鋁基合金(Al84Ni10Ce6)非晶帶，而通過單輥旋轉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。山東大學的王勝海等人，采用單輥旋轉淬冷法制備出厚度達到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，有助于實現其在工程上的應用。
(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，從而實現快速凝固。通常的氣體霧化法冷卻速度可達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，進一步提高冷卻速度。另外，冷卻介質是該工藝中制約非晶鋁合金生產的一個主要因素。由于氦氣的傳熱速度快，采用氦氣作為射流介質，冷速比用氫氣的大數倍。為了進一步提高冷卻速度，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。霧化法的生產效率高且合金粉末呈球形，有利于后續的成型工藝消除顆粒的原始邊界，適用于工業化生產。但其與MS法相比，冷卻速度較低，需要嚴格控制合金成分。
(3)表面熔化及強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化層即可滿足要求。利用鋁合金材料導熱系數大的特點，可在表面獲得具有優異性能的非晶層，以滿足產品的某一特殊需要。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，是一種具有開發前途的新領域，但這些工藝在鋁合金材料上的應用還處于準備階段。
2.3 復合工藝制備鋁基非晶合金
此外，復合工藝是目前RS-PM技術的一個發展方向。它是通過結合快速凝固和機械合金化雙重制粉工藝制備合金粉末。機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性能；②可以提高顯微組織的穩定性。
S.Eee在A1-Fe-Ni合金的快冷與機械合金化復合制粉工藝上的成功經驗表明，該工藝完全可以擴展到鋁基非晶態合金的制備上。該工藝吸取了快速凝固與機械合金化二者的長處，互為補充，從而有希望縮短非晶材料的合金化時間，提高非晶轉變溫度，提高材料非晶相的穩定性，擴大非晶鋁合金的成分范圍，從而進一步提高其性能。
3.快速凝固技術在納米晶/非晶復相材料制備中的應用 3.1 納米晶/非晶復相材料的發展現狀
非晶鋁合金由于具有優異的力學性能，近年來逐漸受到人們的關注。同時，納米材料由于晶粒細小，表現出許多奇異的性能，是目前材料領域最熱門的課題。非晶與納米晶的有機結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)的納米非晶復合材料，即納米級的Al晶體彌散分布在非晶基體上。據有關文獻報道，這種材料的強度和塑性是相同成分完全非晶材料和納米材料的數倍。[11]
3.2 熔體快速凝固法制備非晶/納米晶復合材料
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急冷成形，該法的主要優點是制備簡便、制備周期短。
采用單輥旋淬技術制備快速凝固Al-Ni-Zr合金，快凝Al85Ni10Zr5合金形成完全非晶，而快凝Al89Ni10Zr1合金形成完全晶態結構，選擇Al87Ni10Zr3合金，在快速凝固條件下能形成非晶納米復合材料。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合材料，此材料結構為：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構產生直接的影響。當Ni、Y含量較少時，形成完全晶態結構；當Ni、Y含量過高時，形成完全非晶結構；只有當成分合適時，才能形成納米晶+非晶態的復合材料。
3.3.快速凝固在具體合金制備中的應用
3.3.1 快速凝固在Al-Ce-Ni-Mn合金制備中的應用
以Al-Ce-Ni-Mn合金為例，Al和Ce原子間的鍵強于Al和Y原子間的鍵，稀土元素選用Ce能提高其強度，在以其形成的四元合金中，Mn是最有效的提高強度的元素之一。在采用單輥旋淬技術制備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合材料，α-Al晶粒尺寸和體積分數由冷凝速度決定，冷速越大，晶粒尺寸越小數量越少。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，較難控制。
有文獻報道，使用單輥旋淬技術制備成非晶合金，再經過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合材料Al87-Ce3-Ni8.5-Mn1.5。其顯微硬度可以達到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用
氫能是一種清潔且貯量豐富的能源，貯氫材料的發展及應用對環境保護和能源開發都有重要的意義。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驗室，Reilly等人首先采用傳統熔煉方法成功制備了Mg2Ni合金。它在2MPa，300 ℃下能與氫反應生成Mg2NiH4，貯氫量達3.6 %。但隨后的研究發現，鎂基晶態合金作為貯氫材料存在如下缺點：①吸放氫速度較慢，反應動力學性能差；②氫化物較穩定，釋氫需要較高的溫度；③貯氫能力低，耐腐蝕性能差。這些嚴重阻礙了鎂基貯氫合金的實用化進程。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，即通過對貯氫合金中的元素進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構、表面處理、添加催化劑等對現有材料體系進行改進。值得一提的是目前廣泛研究的制備非晶/納米晶組織結構的貯氫合金已被證實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]
運用熔體急冷法制備Mg-Ni基非晶/納米晶貯氫合金的優點是通過控制冷卻速度可以制備完整的非晶態合金，進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和相對密度相差很大，采用傳統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(%，質量分數)
3.6 3.0 2.0 4.0 3.2 3.1 2.2 2.5
開發年代 1987 1998 1999 2002 2002 2002 2002 2004 Mg63Ni30Y7 Mg87Ni12Y1
Mg75Ni20Mm5(Mm = Ce，La，Sm)Mg76Ni19Y5 Mg78Ni18Y4 Mg1.8NiAg0.2 Mg67Ni23Pd10
根據Inoue提出的制備非晶合金的3個理論原則，要在常規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，并詳細研究了合金的貯氫性能、熱穩定性及其在熱處理過程中相的轉變機制。他們制得的合金的微觀組織結構是大約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到3.0 %，并且在室溫下充氫30min即可達到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 %，經研究發現其貯氫量少是由于產生了較多Mg6Ni相，而Mg6Ni相不與氫發生反應。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4.0%，并且在室溫下吸/釋氫的速度可達到0.3 %min-1。他們詳細研究了該合金的微觀組織結構，發現該合金有大量的5～10 nm的Mg2Ni和Mg17Mm2納米相分布在非晶相當中，而Mg17Mm2在吸/釋氫過程中轉變為MmHx和Mg，進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的成分含量達到了貯氫所需的最優比例，這和Liang等人的研究結果基本一致。
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最佳微觀組織結構：5～10nm的納米晶和非晶的混合體。
3.4 納米晶/非晶復合材料的發展前景
非晶納米晶復合材料的研究還處在發展階段，制備技術和工藝水平尚待提高；體系選擇及材料性能與工藝的關系研究需要有新的突破；進一步探索非晶納米晶復合材料的微觀組織與性能之間關系，開發具有可控硬度和彈性模量的新功能材料，拓寬非晶納米晶復合材料的應用領域方面，還應加強研究力度。相信，不久的將來，非晶納米晶復合材料的研究和應用都會有一個新的飛躍。[15] 結束語
快速凝固技術是近20年發展起來的新技術，使用快速凝固技術制備的材料具有較高的力學性能和良好的物理化學性能。由于在快歲凝固材料制備過程中合金液體的快速冷卻，突然從液態變成固態，原來在液態下呈雜亂排列的原子來不及變成有規則排列的晶體結構就被“凍結”下來，成為原子無規則排列的固體。就像玻璃中的原子結構一樣，所以這種合金又稱為非晶態合金或玻璃金屬。這種非晶態合金具有比晶體狀合金高得多的磁性，強度和耐腐蝕性。此外，快速凝固還可以生產許多普通方法無法得到的合金。
參考文獻
[1] 王倩，李青春，常國威，等.快速凝固技術的發展現狀與展望[J].遼寧工學院學報學報，2003, 23(5): 4040.[3] 段成銀，黃光杰.鋁基非晶合金的研究進展[J].輕合金加工技術，2007，35(8)：11684.[6] 褐端微，張富祥，劉日，等.一種新的快速凝固方法—快速卸壓淬火[J].物理學報，1998，47(2)：18364． [11] 張紅．Al-Ni-Y納米非晶復合材料的制備及顯微組織[J]．合肥工業大學學報，2002，25(2)：265 – 268.[12] 黃林軍，梁工英，孫占波．Mg-Ni基非晶/納米晶體貯氫合金的研究新進展[J]．中國稀土學報，2005，23：172 – 177.[13] 蘇勇，陳翌慶，丁厚福，等.Al87Ni10Zr3納米非晶材料的形成及其晶化行為[J].礦冶工程，2002，22(1)：98150.[17] 巴發海, 沈寧福.平面流鑄快速凝固過程的數值模擬研究進展[J].材料科學與工程, 2001, 19(4): 97-104.[18] 胡漢起, 沈寧福, 姚山,等.金屬凝固原理[M].第2版.北京:機械工業出版社, 2000.[19] 周堯和, 胡壯麒, 介萬奇.凝固技術[M].北京:機械工業出版社, 1998.
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的硅鋼片鐵芯變壓器制造技術，成為新一代節能降耗產品。這對提高電網自身電能質量，降低損耗，最大限度利用能源轉換，降耗節能，增加電力企業活力，將有不可估量的作用。非晶合金變壓器的特點
1.1 材料特點
電力變壓器傳統的鐵芯制造技術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，均是以選用優質硅鋼片為先決條件來降低變壓器自身損耗，來提高電能的轉換能力。
隨著原材料制造工業的技術發展，目前變壓器制造行業，尤其是配網使用的小型變壓器，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，使得在材料的微觀結構中，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的晶體結構就被固化。這種原子結構無序排列的狀態即稱為非晶態，由此生產而成的材料被成為非晶合金。
非晶合金材料被發現具有非常優異的導磁性能，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，達到高效節能效果。因而作為一種極其優良的導磁材料被引入變壓器等需要磁路的產品中。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 環保特點
選用非晶合金為鐵芯的變壓器，其顯著特點就是節能和環保。首先在環保方面，經技術檢測，當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世紀電力產品中的“綠色產品”。其次，非晶合金變壓器最顯著的特點是空載損耗很低，節能效果明顯。由于非晶合金材料具有優越的導磁性，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遠低于傳統變壓器。以SEC公司（美國超導能源公司）生產的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，節能效果非常顯著。對于公路、城市基礎設施及住宅小區等電力負荷波動較大的領域，非晶合金變壓器的節能效益更加明顯。由于節能效果顯著，可節省大量的電廠投資，減少發電燃料的消耗，從而減少對大氣環境的污染。
1.3 綜合成本特點
由于非晶合金變壓器采用了新材料新技術，工藝復雜，因此其產品價格較傳
統變壓器高，一般比同型號傳統變壓器高30%左右；但由于其節能效果顯著，運營成本較低，所以其綜合使用成本較傳統變壓器低。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約電能6832.8kWh，一年節約電費5207元（現北京城區商用電電價為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，可在該變壓器運行的3~5年內全部回收。
1.4 結構性能特點
非晶合金變壓器采用全密封式結構，可延緩變壓器油和絕緣紙的老化，不僅結構緊湊，而且具有運行效率高、免維護的優點。非晶合金變壓器由于損耗低、發熱少、溫升低，故運行性能非常穩定。非晶合金變壓器低壓繞組為箔繞式，損耗低、抗短路能力強、結構先進合理。變壓器的聯結組別采用Dyn11，可減少諧波對電網的影響，改善供電質量，提高供電可靠性。非晶合金變壓器節能效益分析
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 年節電費用比較
通過直接比較兩種變壓器的年空載損耗成本，來計算年節電費用，可簡單直觀地體現非晶合金變壓器的節能效益。現以400kVA、500kVA和800kV的10kV變壓器為例來進行兩種能耗對比，見表1。
表1 非晶合金變壓器電費節約比較
由表1可見，非晶合金變壓器的電費節約效益顯著，以500kVA為例，假設非晶合金變壓器的售價比S9貴1.8萬元/臺，每年節約的電費是5207元，簡單計算，購買非晶合金變壓器多增的投資，靜態回收期是3.8年，即多增的投資，在產品運行3.8年后，即可通過少支付電費的節約來回收。按產品使用期20年計算，在剩余的16.2年中共可節約電費76480元，幾乎可以新購一臺變壓器。如果當地的電費超過0.70元/kWh，則節能效益更顯著。
北京市電力公司城區供電公司配網運行592座開閉站（配電室、箱變），運
行變壓器為1131臺，總容量906890kVA。在運行的變壓器中，型號多為S7/S8/S9形式。運行負載率在1%以下為79臺；運行負載率在1%～50%為1014臺；負載率在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，降低設備空載損耗，對降低線損和提高公司經濟效益，意義將十分重大。
2.2 考慮無功分量和負載率時節約能耗估算
當變壓器運行時，不同的負載率有所不同，年運行能耗也不同，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和年運行能耗，見表2。
表2 非晶合金變壓器節能效果比較表
注：假設無功當量系數取0.1kW/kvar；年平均負載系數按0.35，年運行時間按8760h計算。
從表2可知，一臺500kVA的非晶合金變壓器運行一年后，比S9硅鋼變壓器節約能耗約9.4MWh，按0.7625元/kWh計算，每年可節約電費7167.5元。
2.3 性價比測算
總擁有費用法（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。它是根據綜合比較變壓器價格和能耗水平的原則，按照總擁有費用最低來選擇變壓器。
當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，假設其價格僅比S9系列平均高出30%，其負載損耗與S9變壓器相等。當不考慮投資的貨幣時間價值，采用靜態投資回收期計算法進行計算，可得出在不同負載率情況下，多增投資可在多長時間內回收。
以500kVA為例，經計算其節能效益與投資效益見表3：
表3 按500kVA變壓器為例的節能效益和投資效益
2.5 投資價差回收年限計算
投資價差回收年限，一般有靜態和動態計算方法。
靜態投資回收期：不考慮投資的貨幣時間價值。
動態投資回收期：考慮投資的貨幣時間價值，將現在投資及未來收益均以資金的折現率折為現值。此法計算復雜，要涉及通貨膨脹率、資金銀行利率、折現率等，因此不確定因素多。現采用靜態投資回收期計算法。
假設500kVAS9硅鋼變壓器的售價為8萬元，對應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《關于節約能源基本建設項目可行性研究的暫行規定》中指出：計算投資回收年限一般不應超過5年，最長不超過7年，按政策規定，非晶合金變壓器比S9變壓器多投資的部分，均在政策規定的年限內收回，因此推廣應用非晶合金變壓器，符合國家節約能源的政策導向。非晶合金變壓器在電力市場的發展現狀
3.1 非晶合金變壓器的發展過程
非晶合金變壓器是在20世紀80年代初由美國開始研發生產的，當時美國認識到非晶合金變壓器對電力線路節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、美國超導能源公司、美國南方電力公司等八大相關機構，聯合對非晶合金變壓器產品的商業化運作設計、制造、運行等環節，進行技術研發和實際運行可靠性驗證，至20世
紀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模化商業化經營。
至今，規模化生產已近20年，目前在全世界范圍內被廣泛推崇，其中美國、加拿大、墨西哥、日本、印度、韓國等國家和臺灣地區均有大量非晶合金變壓器在掛網運行。特別是在日本，政府鑒于節約能源對國家發展的重要性，該國從2000年開始逐步提高非晶合金變壓器的上網比例，到2005年時，日本已規定所有配變必須使用非晶合金變壓器，在配電領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，應用至今約有幾萬臺非晶合金變壓器掛網運行，容量自5kVA至1600kVA，產品形式包括箱式變電站和配變，最近幾年，鑒于國家對節能減排的重視，非晶合金變壓器的使用量呈爆發式快速上升趨勢。
3.2 非晶合金變壓器在國內市場的應用現狀
在國內，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，同時實現規模化生產后產品成本的降低，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變壓器的價格已被市場接受；其次是國家對節能環保問題的重視，使得一些有能力和有預見的地區率先大規模采用。目前已大批量采用的地區有上海、江蘇、浙江等，另有許多地區正處于批量應用和運行評估階段，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，他們內部規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數量達到為2萬多臺，已走在了全國前列。
3.3 非晶合金變壓器的生產狀況
目前國內市場中聲稱能生產非晶合金變壓器的生產廠家多達幾十家，但真正能實現規模化批量生產的廠家其實并不多。其中大部分的生產廠家均為原先的硅鋼變壓器生產廠家，其采購了非晶合金鐵芯后，套用改進原來的硅鋼變壓器生產技術進行生產，導致產品的質量穩定性有欠缺，對非晶合金變壓器的市場形象造成了不利影響。
其實，非晶合金變壓器的設計生產技術有它的特殊性，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，因而兩種產品的設計加工技術也有很大的不同。
3.4 非晶合金變壓器的市場趨向
3.4.1 經濟背景
隨著國民經濟的高速增長，國內電力工業得到蓬勃發展，并可預見在未來的20年內電力市場仍將保持高速發展的態勢。非晶合金變壓器作為一種高效節能的產品，在20世紀90年代已經逐步引入電力市場，隨著它作為一種新產品被市場逐漸的認知，到2000年已經有一些廠家規模化生產，但由于非晶合金變壓器的材料成本比常規變壓器的材料成本高很多，約束了它的大規模推廣。自2004年以來，常規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，國家在經濟發展政策中提出了“能耗/GDP”的考核指標，這表示國家在產業政策中將大力推行節能產品的應用。非晶合金變壓器作為一種高效節能的產品，已引起了國家發改委和電力部門的高度重視。江蘇省、上海市和浙江省等經濟發達地區，以及電力供應不足地區已進入大批量采用階段。
3.4.2 政策背景
目前國家已著手解決電力結構性矛盾，改變過去“重發、輕供”的傾向，正重點發展電網建設，加快城鄉電網改造，堅決淘汰掉那些低效、高耗、性能落后、安全性差的設施，努力發展節能型的電氣設備。非晶合金變壓器高效節能的顯著優點，為電力市場提供了一種良好的選擇。
由于政府十分重視節約能源和環境保護。20世紀80年代中期，政府強制性地采用S7系列配電變壓器，在全國范圍內淘汰正在電網運行的JB1300-73和JB500-64標準的高能耗變壓器。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模的更新換代，新產品僅比老產品降低空載損耗約8%～15％，可見國家在節約能源、環境保護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％，其節能效果已引起了國家有關部門的高度重視，不排除會強行推廣的可能性。
第三篇：大塊非晶合金的研究進展
先進材料進展
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大塊非晶合金的研究進展
摘 要 本文簡述了大塊非晶合金的發展過程和該領域的最新研究進展,并從成分結構條件、熱力學條件、動力學
條件等方面闡述了大塊非晶合金的形成機制,介紹了目前常用的制備方法、大塊非晶合金優異的性能和應用前景.關鍵詞
大塊非晶合金，形成機制，制備，性能，應用
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。固態時原子在三維空間呈拓撲無序排列,表現為短程有序、長程無序,呈亞穩態結構,而且在一定溫度范圍內還可以相對穩定地保持這種結構。大塊非晶合金是一種高性能的結構材料,也是極具潛力的功能材料。大塊非晶合金的發展歷程
關于非晶態合金的首次報道是在1938 年,Kramen 通過蒸發沉積在玻璃冷基底上[1 ,2 ]發現了非晶態金屬薄膜 ；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,確定了液態過冷對非晶形成的影響,預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金屬和合金的方法,因而標志著非晶態合金這一新材料研究領域的啟動。后來, Turnbull、陳鶴壽等人在Duwez 小組制備的Au-Si 和Pd-Si , Pd-Cu-Si 非晶合金中證實了玻璃轉變的存在。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被證明是有效的,而且是迄今為止最有效的判據之一。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90 年代初,T.Masumoto 和A.Inoue 等發現了具有極低臨界冷速的多元合金系列,通過控制非均質形核的工藝,可在實驗室里直接從液相獲得大塊非晶合金;1994 年,根據非晶形成的三項經驗法則設計出了一系列的大塊非晶合金;1997 年以來,日本東北大學的范滄和井上明久等研究發現,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 等進一步對大塊非晶合金的形成機制、結構、機械強度、化學特性、磁性和應用展開了廣泛的研究。2008 年大阪大學的Take shi Nagase , Koichi Kinoshita 和Yukichi Umakoshi 等研究了鋯基非晶合金在醫用材料上的應用,通過研究發現采用鋯基非晶合金制備的醫用材料具有高的強度和熱穩定性,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 ]。先進材料進展
國內外研究現狀
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、產業化列入重大科技攻關項目。“九五”期間,組建了“國家非晶微晶合金工程技術研究中心”,建立了“千噸級非晶帶材生產線”,非晶態合金的產業化進程大大加快,現已初步形成非晶態合金科研開發和應用體系。國內關于大塊非晶合金的研究主要集中于中科院物理所、金屬[4],現在各大學也加大了對非晶的研究力度。
近年來,在非晶的研究領域中,中國科學家已成為該領域的一支重要力量,國內許多研究組一直在從事非晶以及相關物理問題的研究,在結構、物性、制備、應用研究等方面有較雄厚的實力。現在已經可以制備出多種有自主知識產權的大尺寸塊體非晶體,并在塊體非晶結構、形成規律、力學和物理性能以及應用開發等方面做出了很多有特色的工作,引起國際同行的廣泛關注和重視。中國科學院物理研究所汪衛華研究組在非晶方面的研究近年來取得了重大進展[5],其主要工作集中在稀土基非晶的制備和力學性能的研究上;中國科學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;清華大學姚可夫等人采用玻璃包覆提純技術和水淬及空冷方法制備Pd-Si 二元非晶球形樣品;西安交通大學張臨財等人討論了第二相對Zr 基非晶復合材料力學性能的影響;哈爾濱工業大學黃永江等人研究了Ti42.5 Zr7.5 Cu40Ni5 Sn5 塊體非晶的形成、熱穩定性與力學性能;華中科技大學諶祺等人制備了Zr 基塊體非晶并研究了塊體非晶和復合材料在過冷液態區內的單向壓縮變形行為。山東大學郭晶等人采用真空回轉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;北京科技大學惠希東等人對Zr 基非晶的原子結構進行了研究,重點討論了玻璃結構中的短程與中程有序結構,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;大連理工大學程旭等人利用團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;燕山大學徐濤等人通過原位X 射線衍射測量結構參數方法,研究了Fe73 Cu1.5 Nd3Si13.5B9 非晶合金的熱力學結構弛豫。
目前國外關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 個重要實驗室聯合攻關。表1 匯總了1989年以來發現的主要大塊非晶合金系。大塊非晶的形成機制
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, 在非晶合金的發展過程中, Turnnull 的連續形核理論在解釋非晶形成動力學和闡述玻璃轉變的特征方面發揮了重要作用。根據連續形核理論,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80 年代末,隨著塊體非晶合金的出現,非晶形成理論又有了新的發展,主要有以Greer 為代表的混沌理論和Inoue 的三個經驗規律: 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 個組元具有負的混合熱。Inoue還給出了大塊非晶合金形成機理的唯象解釋。此外, Inoue
和Johnson[6]
教授等在大量實驗的基礎上對此做了進一步闡述,從拓撲學和化學的觀點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構;②其局部原子結構明顯不同于相應的結晶相;③各組元元素的分布在長程上是均勻的。先進材料進展
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3.1 成分結構條件
對已獲得的大塊非晶體系從以下幾個方面進行分析,從合金成分設計的角度來看,組成合金的各原子之間差異越大,越有利于形成隨機密堆結構,有利于形成非晶,實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。研究合金成分時發現,形成大塊非晶的合金其對應的晶體大多為復雜的金屬間化合物,結構大多為復雜的拓撲密度結構,這種相結構從液態向固態的快速冷卻過程中形核與長大都需要原子的長程擴散,而隨機密堆結構和多組元使原子擴散比較困難,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:合金由多種組元構成,組成合金的主要組元原子直徑差大于13 %。較大的負的混合熱,一方面可以提高固液界面能,抑制結晶形核,另一方面增加了長程范圍內原子排列的難度,抑制了結晶。除此之外,各組元的相對含量、合金中原子的鍵合特征、電子結構、合金的熱力學性質以及相應的晶態結構等對非晶形成能力也有較大的影響。3.2 熱力學條件
為了制備大塊非晶合金,從熱力學觀點分析,它對應于液相轉變為晶相時具有極低的自由能差、低的熔化焓ΔHf、高的過冷度ΔTx 和約化玻璃轉變溫度Trg及高的液/ 固相界面能,這些都將導致低的化學電位而使Gibbs 自由能差降低,因而熱力學驅動力減小,不容易發生結晶轉變,更容易形成非晶。根據熱力學原理,合金系統自液態向固態轉變時自由能變化可表述為ΔG =ΔH2～10-3 Pa 的真空爐中經感應加熱、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端設計較長,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。先進材料進展
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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。母合金被感應加熱熔化后,向石英管內通入一定壓力的惰性氣體,使熔融的合金液連續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式,則可連續制備出一定直徑(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下
經感應加熱熔化后,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散具有抑制作用,因而提高了合金的非晶形成能力,可以實現高質量復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 ℃時的抗拉強度高達500MPa ,是以往所得Mg-Cu-Y大塊非晶合金中最高抗拉強度的3 倍左右[12]。先進材料進展
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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,在真空系統中經無損電極產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,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,在有惰性氣體保護的真空爐中進行電弧加熱,合金熔化后將下模移至與銅制上模對應的位置,對上模加壓,利用合金在過冷液相區內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。先進材料進展
101101918 大塊非晶合金的性能
與晶態合金相比,非晶合金內部原子被“凍結”在液態結構中 ,具有長程無序、短程有序的結構特征,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晶態材料的空位、間隙原子、雜質、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構,從而具有較高的電導率和光學反射率。非晶合金的這些特點使其相比于常規晶態材料具有更優異的磁學、電學、化學、光學及機械性能,如高強度、高韌性、耐沖擊、耐磨損等。
同時,大塊非晶合金在過冷區有很高的粘滯流動性,可實現凈形加工,并精確保持鑄件的尺寸[13]。圖7為塊體非晶合金的抗拉強度與楊氏模量之間的關系,并與普通合金進行了對比[14]。相比于晶態合金,塊體非晶合金具有獨特的機械性能:(1)同等楊氏模量條件下,塊體非晶合金的拉伸強度約是晶態合金的3 倍;(2)同等拉伸強度條件下,塊體非晶合金的楊氏模量約是晶態合金的1/ 3 ,這說明非晶合金在具備高機械強度的同時還具有較高的彈性能;(3)抗拉強度與楊氏模量間具有良好的線性關系,測出其彈性伸長極限約為2 %,這是晶態合金(約0.65 %)的3 倍多[15]。
圖7 普通合金與非晶合金抗張強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 先進材料進展
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此外,塊體非晶合金還顯示出優良的軟磁的應用前景。Ashby 等總結了非晶合金的相性、超導性和低磁損耗等特點,使其具有廣闊關性能[16],如表1 所示。
表 1 非晶合金的相關性能
Table 1Properties of amorphous alloys related to potential applications 大塊非晶合金的應用
近年來,塊體非晶合金因其各種優異性能及精密成型性而備受人們關注,可作為支撐未來精密機械、信息、航空航天器件、國防
工業等高新技術的關鍵材料。Wang 等根據塊體非晶合金的特性提出了塊體非晶合金所具有的17 項可能的應用前景[17] ,如表2 所示。在這些應用領域里,有些已經進入商業應用,還有些正在探索研究之中。先進材料進展
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表 2 非晶合金的應用領域
Table 2 Possible application fields for amorphous alloys
6.1 力學性能的應用
由于非晶合金被“凍結”在液態結構中,材料本身是完全理想均勻的,不存在晶態合金中的晶界、位錯、滑移及第二相粒子等缺陷,普遍表現出大大超過其對應晶態合金的強度、彈性和屈服應力,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特的綜合性能是任何晶態合金都難以獲得的。這些性能使其最先被開發應用于體育用品。,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 公司所開發的非晶合金高爾夫球頭。
非晶合金屈服強度高、硬度高、耐磨損、聲學性能好且彈性極限大,適用于軍事防御。Johnson 等所開發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,變形時不發生加工硬化。美國軍方進行的彈道測試表明,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,可望達到并超過貧鈾彈的穿甲水平,用作綠色材料取代對環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用到各項軍事設備,如引信、航空器緊固件、無人飛機及船舶部件等[20]
非晶合金在過冷液相區表現為牛頓流動行為,可以發生粘性流動。具有大過冷液相區非晶合金的發現使超塑性成型的實施更加靈活,拓展了非晶合金的應用。利用粘滯流動性,非晶合金能承受180°彎曲而不發生斷裂,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拉伸應變超過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的塑性成型能力可獲得優良的工件表面平整度,如圖10 所示。Inoue 等用常規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,發現前者的填充率只有84 % ,表面形貌粗糙,達不到預定的精確尺寸,而后者的填充率達99 %[22] ，圖 8 比鈦合金擊球距離遠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 先進材料進展
且表面非常平整,可實現凈形加工而無需后續精密處理,從而降低了生產成本。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超塑性晶態合金無法實現的。
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 化學性能的應用
由于非晶合金的結構是長程無序的,沒有晶界、位錯和層錯等結構缺陷,所以化學性能均勻,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、均勻而穩定的鈍化膜,因此相比于晶態合金更耐腐蝕。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境中。將非晶合金制備成涂層應用在材料表面技術領域,可起到防護、隱身作用或形成特種物理性質[24]。6.3 磁學性能的應用
優異的磁學性能是許多非晶合金的突出特點。非晶本身內部原子排列無序,無晶界、位錯、磁晶各向異性等缺陷,由磁性物理學可知具有低矯頑力和高磁導率。非晶合金磁阻小、鐵損低、易磁化和退磁、磁致伸縮系數大,而且電阻率高、熱膨脹系數小,可大大降低渦流及能耗。目前基于非晶合金磁性能的應用是最熱門的領域,如鐵基、鎳基和鈷基等塊體軟磁非晶合金等廣泛應用于電力、電子工業領域的配電變壓器的鐵芯材料。6.4 電學性能的應用
迄今為止,相比于其它領域,基于非晶合金的電學性能及其應用研究相對較少,尚有待進一步研發,但非晶合金同樣具有優良的電學性能。非晶合金具有高電阻率(約是晶態材料的5 倍),可用它來制備高電阻;非晶合金的電阻溫度系數低(且電阻溫度系數隨成分可由負變正),在某些特定的溫度環境下,可利用其電阻率的急劇下降(躍變效應)來開發特殊用途的功能開關。另外,非晶合金還具有超導特性,可用來制備超導材料等。展望
因其優異的性能,非晶合金自產生以來一直是材料學界的熱點研究領域之一。近年來對非晶合金進行了廣泛的研究,取得了很大的進展,已突破昔日貴金屬的限制,許多日常重要的工程合金系統如Fe、Co、Ni 和先進材料進展
Cu 等都可制備出塊體非晶合金,這為其實際應用創造了條件,如今工程應用也已逐步興起。但作為一類新型的材料,非晶合金仍處于研究探索階段,在基礎理論、制備工藝和實際應用中還有許多問題亟待解決,主要體現在以下幾個方面。
(1)還沒有一套完整的理論或成熟的物理模型用來指導塊體非晶的研制,目前對于合金系統組元的選擇還只能憑經驗規律,但這些規律都不具備普適性。這主要是由于還沒有充分理解非晶合金形成的本質,因此需要加強對非晶合金物理轉變過程的研究,充分利用現有的大量數據及經驗規律,借助現代化的手段,從熱力學、動力學和微觀結構3 個方面著手,充分揭示出非晶形成的本質。(2)目前所制備的塊體非晶尺寸還不夠大,只有Zr 基、Pd 基等少數幾種合金體系可達較大尺寸,這在很大程度上限制了這種新型結構材料的廣泛應用,因而需要我們在理解非晶合金形成本質的基礎上,改進目前塊體非晶制備所需的苛刻工藝條件。因機械合金化在制備非晶合金上的獨特優勢,目前可以優先發展機械合金化工藝。
(3)提高塊體非晶的熱穩定性。由于塊體非晶屬亞穩態材料,在熱力學上是不穩定的,只有把這類材料加熱到一定溫度以上才會使其變為晶態材料。因此,必須設法提高塊體非晶的熱穩定性,以拓寬其應用范圍。(4)任何材料都有其自身的缺陷,雖然發現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,探索同時具有高強度和大塑性的金屬合金材料一直是材料領域追求的目標,非晶合金塑性的進一步提高,必將為非晶合金的應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合材料,這些都是通過引入機械約束剪切帶擴展的物質來改善塑性性能,是將來非晶合金材料發展的重要方向之一。
不可否認,我們正步入一個新的金屬時代。可以預見的是,一旦我們充分理解了非晶形成的本質后,就可以自主地控制非晶物
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質的形成。非晶合金作為一種性能優異的新型結構材料,其應用必將越來越廣泛,并深刻地影響我們的生活。
參考文獻
[1] Luborsky F E.In Amorphous Metallic Alloys [M].London : Butterworths :1983.4
[2] Wang Y H,Yang Y S.Amorphous alloy[M].Beijing: The metallurgical industry press,1988.346
(王一禾,楊膺善編.非晶態合金[M].北京:冶金工業出版社,1988.346)
[3] Takeshi Nagase , Koichi Kinoshita , Yukichi Umakoshi , Materials Transactions ,2008 ,49(6):1385～1394
[4] Wang W H,Wang W K,Bai H Y.China science(A series)1998 ,28(5):443
(汪衛華,王文魁,白海洋.中國科學,A 輯,1998 ,28(5):443)
[5]ChenWZ.Metalfunctional materials,1997 ,4(1):11(陳文智.金屬功能材料,1997 ,4(1):11)[6] Choi Yim ,J lhnson W L.Appl Phys Lett ,1997 ,71(26):3808
[7] Wu X F,Zhang H F,Qiu K Q.Rare metal materials and engineering,2004 ,33(12):1317-1320(武曉峰,張海峰,邱克強.稀有金屬材料與工程,2004 ,33(12):1317-1320)
[8] Wang L M,Wang W H,Sun L L.China Science(A series),2000,30(2):176-181
(王利明,汪衛華,孫力玲.中國科學(A 輯),2000 ,30(2):176-181)
[9] INOUE A , KITA K, ZHAN G T , et al.Mater.Trans.J IM ,1989 ,30(9):7222725
[10] Xiao H X.Ph.D.Thesis,Nanjing:Nanjing polytechnie university,2006
(肖華星.博士學位論文,南京:南京理工大學,2006)[11] Zhang
L,Lu
Z
C,Li
D
R.Steel
journal,2005,17(1):23-25
(張亮,盧志超,李德仁.鋼鐵研究學報,2005 ,17
(1):23-25)
[12] INOUE A , NA KAMURA T , NISHIYAMA N , et al.Key Eng.Mater.,1993 ,81/83 :147-152 [13] Saotome Y, Miwa S , Zhang T ,et al.J Mater ProcessTechn ,2001 ,113 : 64 先進材料進展
[14] Inoue A.Development and applications of bulk glassy alloys[ EB/ OL ].(2007210225).http :/ / www.tmdps.cn/xy/ files/ ino2ue.pdf [15] Inoue A , Wang X M , Zhang W..Rev Adv Mater Sci ,2008 ,18 :1 [16] Ashby M F , Greer A L..Scripta Mater ,2006 ,54 :321 [17] Wang W H , Dong C , Shek C H.Mater Sci Eng ,2004 ,44 :45
Intermetallics ,2002 ,10(11-12):1283
101101918
[20] http : ∥www.tmdps.cn/ index/ [21]
Nieh
T
G，Wadsworth
J
.Scripta
Mater ,2006 ,54 :387
[22] Nishiyama N , Amiya K, Inoue A.Mater Res Soc Symp Proceed ,2004 ,806 :MM10.3.1
[23] Inoue A , Nishiyama N.MRS Bull ,2007 ,32 :651 [24]Guo J H,Lian F Z,Ni X J.Functional materials,2007,38(11):1817 [18] Greer A L.Mater Today ,2009 ,12(122):14 [19] Qiu K Q , Wang A M , Zhang H F ,et al.郭金花,連法增,倪曉俊.功能材料,2007 ,38 12
((11):1817)
第四篇：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年國務院發出了《關于做好建設節約型社會近期工作的通知》，2006年《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》中提出：“全面落實科學發展觀，加快經濟增長方式轉變，建設資源節約型、環境又好型社會，實現可持續發展。”并要求：“強化能源節約和高效利用的政策導向，加大節能力度。通過優化產業結構特別是降低高耗能產業比重，實現結構節能；通過開發推廣節能技術，實現技術節能。”《國家電網公司農網“十一五”科技發展規劃綱要》明確要求：繼續加強農網建設，調整網絡布局，優化網絡結構，提高電網供電能力、提高農網整體裝備技術水平、提高供電質量和供電可靠性；加強“四新”技術和產品的研究開發與推廣應用。一次設備建設中，大力推廣節能型、環保型配電變壓器，提高農網節能降損水平。積極推廣應用節能、降損、環保技術，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母線功率因數達到0.95以上的目標。
我國自1998年開始打規模城鄉電網建設與改造以來大力推廣應用S9型節能配變，停止生產S7型配變并淘汰電網中的“64”、“73”系列高耗能配變，對降低電網線損起到
了積極的作用。據統計目前線損率已下降到7.71%。但仍高出國際先進國家1—2個百分點。降低配變的損耗，提高供配電系統的效率，仍是目前世界各國關注的問題。在整個供電系統中，配電變壓器所占比重最大，改進其性能，降低損耗指標，對電力系統節能、提高系統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、新結構、新工藝，作為一種新型節能配電設備，特別是其具有的低空載損耗特性，備受電力系統及用戶的關注。
我公司生產的非晶合金變壓器具有以下特點：
我公司主要生產SBH15-M型系列非晶合金鐵芯配電變壓器。
1.材料特點
電力變壓器傳統的鐵芯制造技術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，均是以選用優質硅鋼片為先決條件來降低變壓器自身損耗，來提高電能的轉換能力。
隨著原材料制造工業的技術發展，目前變壓器制造行業，尤其是配網使用的小型變壓器，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，使得在材料的微觀結構中，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的晶體結構就被固化。這種原子結構無序排列的狀態即稱為非晶態，由此生產而成的材料被成為非晶合金。非晶合金材料具有非常優異的導磁性能，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，達到高效節能效果。因而作為一種極其優良的導磁材料被引入變壓器等需要磁路的產品中。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.環保特點
選用非晶合金為鐵芯的變壓器，其顯著特點就是節能和環保。首先在環保方面，經技術檢測，當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世紀電力產品中的“綠色產品”。其次，非晶合金變壓器最顯著的特點是空載損耗很低，節能效果明顯。由于非晶合金材料具有優越的導磁性，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遠低于傳統變壓器。以我公司生產的315kVA非晶合金變壓器為例，非晶合金變壓器和S9型傳統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型傳統變壓器降低75%左右，節能效果非常顯著。對于公路、城市基礎設施及住宅小區等電力負荷波動較大的領域，非晶合金變壓器的節能效益更加明顯。由于節能
效果顯著，可節省大量的電廠投資，減少發電燃料的消耗，從而減少對大氣環境的污染。
3.綜合成本特點
由于非晶合金變壓器采?昧誦虜牧稀⑿錄際酰ひ嶄叢櫻虼似洳芳鄹窠洗潮溲蠱髀愿擼話惚韌禿糯潮溲蠱鞲?30%左右；但由于其節能效果顯著，運營成本較低，所以其綜合使用成本較傳統變壓器低。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約電能6832.8kWh，一年節約電費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，可在該變壓器運行的2~3年內全部回收。
4.結構性能特點
非晶合金變壓器采用全密封式結構，可延緩變壓器油和絕緣紙的老化，不僅結構緊湊，而且具有運行效率高、免維護的優點。還增加了農網偏僻地區變壓器的防盜性能。非晶合金變壓器由于損耗低、發熱少、溫升低，故運行性能非常穩定。
山西晉能置信電氣有限公司
第五篇：非晶納米晶合金材料的工藝技術、產業化和應用
非晶納米晶合金材料的工藝技術、產業化和應用
自從1960年Duwez教授等人發明液態金屬快淬技術制取Au-Si非晶合金和1966年發明Fe-P-C 非晶軟磁合金以來，美國、日本、德國、前蘇聯和中國等相繼開展了非晶合金的研究工作，并在20世紀70~80年代形成非晶合金研究開發的第一次熱潮。由于非晶合金制備工藝簡單獨特、材料性能優異等顯著優點，應用范圍不斷擴大，四十多年來一直是冶金和材料領域的研究熱點之一。尤其在1988年日本Yashizawa教授等人在非晶化的基礎上發明了納米晶合金，從而開創了軟磁材料的新紀元，大大促進了非晶材料制備設備、工藝技術的發展和材料開發應用，推動了非晶納米晶產業的發展[1~3, 8]。
目前，利用快淬金屬工藝技術制備的非晶材料已被廣泛地應用于工業領域，除我們熟悉的磁性材料外，還有非晶釬焊材料、非晶催化材料、磁敏及傳感器材料等；應用的材料形態有帶材、絲材、粉末及薄膜等。現代科學技術的發展，也大大促進了非晶納米晶產業的發展，不僅提高了非晶合金制帶設備和工藝技術水平，使其生產設備和技術更加自動化、現代化，保證了產品的質量，提高了產品的技術含量，從而滿足現代電子技術發展的需要，而且也促進了新技術新材料研究、開發、應用[1~9]。國外非晶納米晶產業概況
美國曾是世界上最大的非晶材料制造商，Honeywell
公司Metglas業務部（前身為Allied Signal公司），是非晶材料制造技術的平板流技術專利所有者，年生產能力3萬噸以上，實際年產1~2萬噸，帶材生產實現自動控制和自動卷取。2003年被日本日立金屬公司收購。Honeywell公司Metglas業務部擁要兩個獨資工廠：美國Conway非晶金屬制帶廠和印度Gurgaon電子鐵芯元件廠，兩個合資公司：日本非晶質金屬公司（NAMCO）和上海漢威非晶金屬公司（SHZAM）。在美國Conway非晶金屬制帶廠，有年產萬噸級非晶帶材生產線兩條，主要生產Metglas2605SA-1，最大帶材寬度為250mm，配有自動在線卷取設備及年產千噸級和百噸級非晶帶材生產線各一條，主要生產電子材料、釬焊材料和新材料，最大帶材寬度為220 mm
[6, 7]和100 mm，配有自動在線卷取設備。
日本主要有Hitachi（日立金屬公司）和Toshiba（東芝公司）。Hitachi公司是利用快淬技術在非晶化基礎上制備納米晶軟磁合金材料的發明者，2003年收購了Honeywell公司的非晶金屬部分（Metglas業務部），今后將是世界上最大非晶納米晶材料生產供應商，產品包括目前所有的市售商品，尤其以鐵基納米晶(Finemet)的系列化產品占據世界非晶納米晶領域的重要地位，它擁有一條配有自動在線卷取設備的非晶帶材生產線，年生產能力達百噸，最大寬度為150 mm。Toshiba公司主要生產Co基非晶產品，帶材質量和性能居世界領先地位，尤其是磁放大器類產品，在市場上占有相當地位。帶材生產實現自動化，最大寬度在100 mm[7]左右。
德國的真空熔煉公司（VAC）通過購買非晶納米晶軟磁合金專利許可證的方式獲得生產許可，主要生產用于電子產品的Co基非晶和Fe基納米晶材料，并在專利基礎上研制開發出不同用途的新型合金材料。也是非晶納米晶材料重要制造商之一。帶材實現自動化生產，非晶帶材最大寬度為150mm[7]。
在俄羅斯（前蘇聯），主要開發一些Co基非晶合金產品，近幾年同韓國的由由公司合作開發應用Co基產品，雖然生產規模不太大，但設備及自動化技術水平不低。
[7]
國外非晶合金的自動化生產線如圖1所示。國內非晶納米晶產業概況
中國非晶材料研究工作始于
20世紀70年代中期，80~90年代國家科委、原冶金部等組織鋼鐵研究總院（轉制企業為安泰科技）、上海鋼鐵研究所（轉制企業為上海安泰至高）以及有關高校院所進行多次聯合科技攻關，使我國非晶納米晶材料產業從無到有、從小到大，逐漸發展成為非晶納米晶合金研究開發生產的大國。盡管我們的制帶設備和工藝技術的自動化、現代化程度與國外先進設備技術相比還存在一定差距，但這些自主開發的工裝設備在我國非晶納米晶合金產業化中發揮了很大的作用。二十多年來，我國的冶金材料工作者在非晶帶材生產設備方面研制出實驗室制帶機組、中試生產線、年產百噸千噸級非晶帶材生產線；目前正在自主開發高精度、高質量非晶納米晶薄帶生產線。在材料方面開發出多種非晶納米晶軟磁材料、非晶釬焊材料、非晶催化材料、建筑用快淬材料及非晶納米晶傳感材料等；并研究開發出各種各樣的非晶納米晶鐵芯器件，應用在電子工業中，還研究了用于電力工業的非晶配電變壓器[1, 8, 12, 13]。
國內具有完整非晶納米晶生產線的生產企業主要是安泰科技股份有限公司（非晶制品分公司和控股公司棗上海安泰至高非晶金屬有限公司）、首鋼冶金研究院、江西大有、北京冶科、上海愛晨，此外就是若干生產規模不大、品種相對較少的民營或集體企業；還有一些購買帶材加工制作非晶納米晶磁性器件的企業，生產規模有限。但在這些企業中，真正具有研究開發技術力量的單位也只有安泰科技股份有限公司。非晶納米晶材料的生產工藝及性能特點
3.1 生產工藝
6非晶合金材料的生產由于其冷卻速度高達10℃/s，必需采用獨特的冷卻方式才能實現。納米晶合金材料是在非晶材料的基礎上通過特殊的熱處理工藝使之部分晶化形成的，因此快淬技術制備非晶合金的生產工藝技術都可以借用來生產制造納米晶合金材料。
通常非晶帶材的制備方法是外圓法，這一方法已發展成為工業生產應用最廣泛的實用方法棗單輥制帶法，國外和國內的千噸級非晶帶材生產線都是采用此方法制取非晶薄帶的，生產工藝流程如圖1所示。國內還自主開發了沒有在線卷取設備的單包、三包法制帶機組，如圖2所示（三包法），該設備簡單實用，工藝流程短，自動化程度不太高，適合小規模生產，符合我國國情[1, 2]。
非晶絲材的制備方法研究不少，比較實用的是采用內圓水紡法原理的噴絲法(50~150m)和玻璃包覆拉絲法。前者適合規模化工業生產，后者適合研究開發工作。就目前來講，絲材生產應用不太廣泛，工藝裝備發展有限[8, 9]。
非晶粉末的制備方法有霧化法、高能球磨法及非晶帶材破碎法等。由于目前設備工藝條件的限制，使用霧化法要想獲得105℃/s的冷卻速度并滿足大規模工業生產及成本要求，確實非常困難；高能球磨法也同樣面臨工業生產及成本問題；根據我們的國情，非晶帶材破碎法適合大規模工業化生產需要[2, 12~14]。
非晶薄膜的制備方法有真空蒸鍍法、濺射法、化學氣相反應沉積法等，由于它們與快淬技術制備非晶合金的技術工藝差異很大，其現狀不太清楚[9]。3.2 性能特點、組織結構及機理
通過添加Si、B等元素利用快淬技術制成Fe基、Fe-Ni基和Co基非晶合金材料，其組織特征是原子排列呈現短程有序（1.5± 0.1nm），長程無序。該類合金具有飽和磁感應強度高、磁導率高和高頻損耗低等優異軟磁性能。從鐵磁學的有關理論知道，各向異性常數是影響軟磁性能的關鍵因素。非晶合金中不存在磁晶各向異性；雖存在形狀各向異性，但由于厚度薄（0.02~0.04mm）形狀各向異性常數很小；沒有晶界和夾雜；應力-磁致伸縮各向異性通過后退火工藝消除；電阻率高，高頻特性好；感生各向異性存在，有利于通過橫向和縱向磁場處理來充分利用非晶合金性能[1, 2, 5, 11]。
Yoshizawa等人首先發現，在Fe-Si-B非晶合金的基體中加入少量 Cu和M（M=Nb、Mo、W、Ta等），經適當溫度晶化退火以后，可獲得一種性能優異、具有bcc 結構的超細晶粒（約10nm）軟磁合金，這就是納米晶軟磁合金。由于納米晶合金的磁性更加優異，尤其是它的初始磁導率高和高頻特性好，引起國內外學者的大量研究，研制開發成各種各樣的磁性器件應用于電力、電子技術領域。
納米晶軟磁合金的組織是在非晶組織基礎上部分晶化而成的，其最終組織為bcc Fe(Si)＋非晶的雙相組織。納米晶軟磁合金材料具有優異軟磁性能的機理尚未完全清楚，但諸多學者研究認為晶粒尺寸細小使局域各向異性變小和磁致伸縮系數低于鐵基非晶合金是兩個關鍵因素。磁致伸縮系數變小是與它主相為含Si、B的bcc Fe固溶體有關。當晶粒尺寸達到納米量級而小于交換長度Lex時，則這些無規則取向的小晶粒的磁晶各向異性將被平均而表現出很低的有效各向異性
非晶納米晶合金材料的優異軟磁性能與其他軟磁合金性能比較參見圖
3。
3.3 研究開發動態
由于現代電子技術的發展，對電子元器件產品尺寸和性能的要求越來越高，尤其高頻技術及電磁兼容技術的發展，給非晶納米晶合金材料的廣泛應用帶來良好的商機，也促使非晶納米晶行業通過研究開發，不斷開發新材料、新產品，并努力提高現有非晶帶材及制品質量。主要研究開發工作有以下幾個方面：
·改進生產工藝技術裝備，提高帶材質量，使其達到剪切水平；
·開發新型鐵基非晶合金，形成高Bs、低Br，滿足大型脈沖電源需要；
·開發新型鈷基非晶合金，滿足電力電子技術和高頻電子技術需要；
·開發新型FeCuMSiB系納米晶合金，滿足不同性能需要；
·開發新型FeMB系納米晶合金，進行技術儲備；
·非晶納米晶軟磁合金粉末及粉末制品；
·開發具有巨磁阻抗效應的鈷基非晶和納米晶合金磁敏材料；
·非晶納米晶薄膜磁性材料，即借助鍍膜技術制成磁性薄膜；
·大塊鐵磁性非晶合金，解決合金材料的成本高、需要添加Zr(易氧化)、Ga(貴且少)等元素及塊體尺寸太小等問題[2~9, 11~15]。非晶納米晶材料的應用
非晶納米晶合金材料的大規模工業生產應用除化學法制備的納米粉末及粉體材料外，就是快淬技術制備的非晶納米晶合金材料，一般先制成非晶薄帶，再加工成各種各樣的磁性器件，廣泛應用于電力、電子工業領域，圖4歸納了非晶納米晶合金在國內的應用情況。
作者認為在以下幾個方面應用前景看好：
·非晶電力變壓器鐵芯；
·精密電流互感器鐵芯；
·大功率開關電源和逆變電源用變壓器鐵芯；
·開關電源用變壓器、濾波器及互感器等磁性器件；
·各種電抗器和濾波器用鐵芯；
·磁放大器及尖峰抑制器鐵芯；
·抗EMI和抗噪聲干擾器件；
·在高靈敏度場合下使用的各種磁性器件。
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