鋁基非晶合金以其高的比強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能而備受關注，在航空、航天等領域中輕質(zhì)構件材料應用極具發(fā)展前景。然而，鋁基非晶合金體系低的玻璃形成能力是制約其工程化應用的瓶頸。
金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室非平衡金屬材料研究部王建強研究員課題組與美國約翰霍普金斯大學馬恩教授合作，在Al基金屬玻璃的結(jié)構及玻璃形成能力等方面進行了多年的研究探索。在Al-TM（過渡金屬）-RE（稀土）為基礎的三元合金系中，分別以TM和RE作為溶質(zhì)中心的原子團簇結(jié)構，通過團簇致密堆垛結(jié)構的耦合進行了合金的成分設計，在Al-Ni-Co-Y-La五元合金體系中獲得了1mm直徑的鋁基金屬玻璃棒材（鋁含量達86 at.%）。這是國際上首次報道通過熔體直接澆鑄制備出單一非晶相的鋁基塊體材料，引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關注（迄今引用超過150次）。在此基礎上，近來從成分設計與制備工藝兩個方面著手，進一步提升其玻璃形成能力。
理解微合金元素對形成能力的影響機理，有助于設計并優(yōu)化合金成分。Al-TM-RE非晶合金玻璃形成能力對微組元添加非常敏感，然而其作用機理不清。他們從電子結(jié)構層次研究其影響，一方面，通過Al原子和TM原子之間電子軌道雜化效應，微量添加TM（例如Co）可以改變費米面的直徑;另一方面，調(diào)節(jié)Al原子和RE原子之間靜態(tài)結(jié)構，添加微量RE（例如La）原子能夠改變偽布里淵區(qū)的大小。當二者相互作用即金屬玻璃結(jié)構中的費米面和偽布里淵區(qū)相切時（2KF=KP），費米面處的電子態(tài)密度最低，整體金屬玻璃結(jié)構最穩(wěn)定，此時的非晶形成能力最強。由此設計出迄今最優(yōu)的玻璃形成能力合金成分，即Al86Ni6.75Co2.25Y3.25La1.75，模鑄可獲得直徑為1.5mm的完全非晶結(jié)構棒材（見Acta Mater, 108 （2016） 143-151）。
以上研究工作得到了國家自然科學基金重點項目與科技部重點研發(fā)項目的資助與支持。
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