😅 🌍 👨🏽‍🏫 Expertenmeinung: Die Zukunft der Metallgläser 🤹🏿 🧝🏿 🏳️‍🌈

Heute erzählen wir Ihnen von der Zukunft der Metallgläser. Zu diesem Zweck wandten wir uns an unseren führenden Wissenschaftler, internationalen Experten auf dem Gebiet der Bulk-Metallgläser, Doktor der technischen Wissenschaften, Professor an der Tohoku-Universität / Japan, Chefforscher, Leiter des Labors des Instituts für fortgeschrittene Materialforschung und Projektmanager Metastabile zweiphasige Metallmaterialien mit hoher spezifischer Festigkeit an der NITU "MISiS" - an Dmitry Valentinovich Luzgin .

Dieses Projekt hat sowohl in Russland als auch im Ausland keine Analoga, da die Forschung, das Spektrum der untersuchten Eigenschaften und die Art der verwendeten Materialien umfangreich sind. Die Kompetenz des Wissenschaftlers wird durch wissenschaftliche Artikel in Zeitschriften wie zNatur, Nanoskala, Acta Materialia, Fortgeschrittene Funktionsmaterialien, Wissenschaftliche Berichte, Angewandte Physikbriefe sowie Peer Reviews in Naturkommunikation, Acta Materialia, Angewandte Physikbriefe, Journal of Materials Research, Materialwissenschaft und -technik, Journal of Non-Crystaline Solids, Journal of Materials Science.

Eine faszinierende wissenschaftliche Geschichte über Stahl und Legierungen erwartet Sie! In seiner Expertenmeinung erörtert Dmitry Valentinovich die Zukunft von Metallgläsern, ihre Anwendung, Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften und Perspektiven für den Einsatz in bestimmten Bereichen.

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Seit dem Ende des letzten Jahrhunderts haben zahlreiche experimentelle und theoretische Studien, die von Wissenschaftlern durchgeführt wurden, eine kleine Verbesserung des Komplexes der mechanischen Eigenschaften von Metalllegierungen (insbesondere spezifisch: pro Masseneinheit) unter Verwendung klassischer Methoden: Härten, Härten, Altern, plastische Verformung, Glühen usw. in fester Lösung usw. . Und wenn im Schwerbau, im Schiffbau (mit Ausnahme von kleinen Booten), in der Automobilindustrie, in Stahl- und Aluminiumlegierungen und in der Zivilluftfahrt und in Sportgeräten außer Konkurrenz geraten sind und werden, werden Metalle erheblich durch nichtmetallische Verbundwerkstoffe ersetzt. Beispielsweise besteht eine Boeing 787 hauptsächlich aus kohlefaserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen (50 Gew .-% gegenüber 12% bei einer Boeing 777) [1].Herkömmliche Metalle wurden erheblich durch Verbundwerkstoffe mit höherer spezifischer Festigkeit ersetzt, und der Anteil an Aluminiumlegierungen verringerte sich auf 20% (gegenüber 50% bei der Boeing 777).
Grundsätzlich sind neue Methoden zur Herstellung und Verarbeitung von Legierungen erforderlich, um eine neue Generation struktureller und funktioneller Metallwerkstoffe zu schaffen.

Industrielle Metalllegierungen verfestigen sich selbst bei hohen Abkühlraten zu einer kristallinen Struktur. Die Herstellung von amorphen / glasartigen Metalllegierungen (oder Metallgläsern), einschließlich reiner Metalle, erfordert extrem hohe Abkühlraten, beispielsweise wenn dünne Filme aus der Gasphase auf ein abgekühltes Substrat gesprüht werden [2]. Das Sputtern von reinen Metallen in nanoskalige Tröpfchen führt nicht nur zu hohen Abkühlraten, sondern auch zu einer geringen Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines kritischen Kerns einer kristallinen Phase in einem Nanovolumen [3].

Legierungen mit einer höheren Verglasungsneigung, die als Glasbildungsfähigkeit bezeichnet werden und üblicherweise eine eutektische Zusammensetzung aufweisen, wurden seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts durch schnelles Abkühlen der Schmelze mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 MK / s pro rotierender Kupferscheibe oder durch Komprimieren eines Schmelztropfens zwischen zwei Metallebenen erhalten [ 4]. In diesem Fall gehen Metalllegierungen beim Abkühlen kontinuierlich in einen glasartigen Zustand über und unterliegen beim anschließenden Erhitzen mit einer ausreichend hohen Aufheizrate einer umgekehrten Umwandlung.

In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden die ersten makroskopischen Gussteile aus amorphen Palladiumlegierungen mit einer Größe in der Größenordnung von 1 mm in jeder der drei räumlichen Dimensionen erhalten, die später als Bulk-Metallgläser bezeichnet wurden [5]. In den 80er Jahren wurden nach der Flussmittelbehandlung der Schmelze massivere Proben erhalten, die es ermöglichten, die heterogene Keimbildung von Kristallen zu unterdrücken [6], aber aufgrund der außergewöhnlich hohen Kosten der Hauptkomponente von Palladium waren sie für Wissenschaftler und Ingenieure lange Zeit nicht von besonderem Interesse.

In den 90er Jahren wurden Bulk-Metallgläser (OMS) [7] mit einer Größe> 1 mm in jeder der drei räumlichen Dimensionen ( Abb. 1 ) auf der Basis weit verbreiteter Metalle erhalten: Magnesium, Titan, Kupfer, Eisen usw. in Doppel-, Dreifach-, Vierfach- und Mehrkomponentenlegierungen.

Feige. 1. Proben der OMS-Gussteile (optisches Bild).

Eine statistische Analyse der verfügbaren Informationen zu OMS zeigte eine Erhöhung ihrer Glasbildungsfähigkeit von Doppel- auf Dreifach- und Vierfachlegierungen. Auch bei der Analyse einer Datenbank von 95 ternären Legierungen mit einer bekannten Glasbildungsfähigkeit in Form eines kritischen OMC-Durchmessers (flussmittelbehandelte Legierungen wurden nicht berücksichtigt) wurde eine statistische Regelmäßigkeit bei der Verteilung der OMC-Zusammensetzungen gefunden ( 2)) [8]. Die lokalen Maxima des kritischen Durchmessers befinden sich in der Nähe der Zusammensetzungen A70B20C10, A65B25C10, A65B20C15, A56B32C12, A55B28C17, A44B43C13 und A44B38C18 und die lokalen Minima in der Nähe der Zusammensetzungen A75B20C5, A75B15C10, A60B35C15, A55B15C10, A60B35C15, A55B15C10. Dies zeigt die Regelmäßigkeiten in der Zusammensetzung der OMC und die Nicht-Zufälligkeit der Atomverhältnisse. Die Legierung A50B25C25 entspricht der Verbindung A2BC, A60B35C5 der Verbindung A3 (B + C) 2, und A75B20C5 und A75B15C10 liegen nahe an der Pseudo-Doppelverbindung A3 (B + C).

Feige. 2. Die Oberfläche des kritischen Durchmessers (der maximale Durchmesser eines amorphen Gussstücks), die durch Glätten eines beliebigen Datensatzes von Dreifachlegierungen (95 Punkte aus literarischen Quellen) erstellt wurde.

Die Atomstruktur von Gläsern zeigt das Fehlen einer Fernordnung bei der Anordnung von Atomen ( Abb. 3)) bestimmen ihre Eigenschaften, insbesondere mechanische. In Bezug auf Festigkeit und spezifische Festigkeit übertreffen sie die entsprechenden kristallinen Legierungen erheblich, da es unmöglich ist, die Mechanismen der akkommodativen Verformung eines Versetzungs- oder Zwillingstyps zu verwenden. Die bedingte Fließspannung von OMC erreicht ~ 2 GPa für OMC basierend auf Cu, Ti und Zr, ~ 3 GPa basierend auf Ni, ~ 4 GPa basierend auf Fe, ~ 5 GPa basierend auf Fe und Co und 6 GPa für Kobaltlegierungen. Die Struktur von Metallglas liefert auch eine elastische Verformung von bis zu 2%, was in Kombination mit einer hohen Streckgrenze zu großen Werten der gespeicherten Energie der elastischen Verformung führt (Indikatoren σy2 / E und σy2 / ρ, wobei σy, ρ und die Streckgrenze, Dichte und der Elastizitätsmodul sind). beziehungsweise). Es ist zu beachten, dass neuere Studien auf das Vorhandensein von Atomclustern in OMS hinweisen [9].

. 3. (SAED) (NBD). . . ( , , .. .. ).

OMS besitzen nicht nur eine hohe Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und große Werte der elastischen Verformung vor dem Einsetzen der plastischen Verformung, sondern auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit, einschließlich einer spontanen Passivierung in einigen Lösungen. Hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Oberflächenqualität des OMC sowie Fließfähigkeit beim Erhitzen bestimmen deren Verwendung in Mikromaschinen als Übertragungsmechanismen (Zahnräder), Komponenten hochpräziser mechanischer Systeme. OMS auf Eisen- und Kobaltbasis mit einer Sättigungsmagnetisierung von bis zu 1,5 T weisen niedrige Koerzitivkraftwerte von weniger als 1 A / m auf und werden aktiv als magnetisch weiche Materialien verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass in Russland Metallwissenschaftler auf der Basis von Eisen und Kobalt an Wissenschaftlern wie A.M. Glezer, S.D. Kaloshkin und viele andere.

Das Glasübergangsphänomen, das beim Übergang von Flüssigkeit zu Glas und bei der Entglasung beim Erhitzen beobachtet wird, ist eines der wichtigsten Probleme der Festkörperphysik, die nicht vollständig gelöst wurden. Sind nämlich die amorphe und die flüssige Phase dieselbe Phase, die nur bei unterschiedlichen Temperaturen beobachtet wird, oder gibt es einen Phasenübergang vom flüssigen in den amorphen Zustand und umgekehrt, und wenn ja, um welche Art von Phasenübergang handelt es sich? Einige Erfolge wurden mit Computersimulationen erzielt, es gibt jedoch noch keine vollständige Klarheit.

Lange Zeit war unklar, woher eine solche Eigenschaft des "superfluiden" Metalls stammt: "Sprödigkeit": eine starke Abweichung der Temperaturabhängigkeit seiner Viskosität vom Arrhenius-Gesetz, während die Viskosität einer Gleichgewichtsflüssigkeit über der Liquidustemperatur (Tl) diesem Gesetz folgt. Der Autor und seine Kollegen zeigten in-situ-Röntgenbeugung durch Synchrotronstrahlung nicht, dass die Pd42.5Cu30Ni7.5P20-Legierung in der Atomstruktur nahe der Glasübergangstemperatur von kovalent an P gebundenen Metallclustern aktiv gebildet wurde, was mit der Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Flüssigkeit [10] beim Abkühlen korrelierte schmelzen, wie schematisch in Abb. 4 . Es ist zu beachten, dass sich die Viskosität der Flüssigkeit beim Abkühlen auf Tg um 10 Größenordnungen ändert.

. 4. () Ni,Cu-P (P1/P2) Tg, Tg Tl. . Tg: 0.7 ( ), Tg/=1 ( ), .

Das OMC verformt sich perfekt und gleichmäßig plastisch, wenn es vor der Kristallisation auf den Bereich der unterkühlten Flüssigkeit erhitzt wird (über Tg, aber unter Tx - der Kristallisationstemperatur der unterkühlten Flüssigkeit [11,12]) und kann als Modell für Matrizen verwendet werden ( Abb. 5 ).

Herkömmliche Verfahren zur Verarbeitung von Metallen durch Druck zu geringen Kosten von Legierungskomponenten erfordern häufig teure Verarbeitungsschritte des Quellblocks, um das Endprodukt zu erhalten. Dies führt zu einer großen Menge an Abfallmaterial. Im Fall von OMS ist es mit Hilfe einer schnellen Erwärmung auf den Bereich der unterkühlten Flüssigkeit möglich, ein Produkt mit hoher Oberflächenqualität in einer Stufe zu erhalten, wie beim superplastischen Formen. Aufgrund des Fehlens von Korngrenzen wird OMC aufgrund der extrem hohen Oberflächenqualität für Mikroobjekte gegenüber superplastischen Legierungen bevorzugt.

Feige. 5 . OMS-Oberfläche nach Mikroformung im Bereich der unterkühlten Flüssigkeit.

Eines der Haupthindernisse für die breitere Verwendung von Glaslegierungen ist jedoch ihre begrenzte Duktilität bei Raumtemperatur [13]. Viele OMS werden vor dem Einsetzen der makroplastischen Verformung während der Bildung eines Scherbandes zerstört.

Dies geschieht aufgrund des Erweichens der Probe in lokalen Scherverformungsbändern (Bänder mit einer Dicke von 10 bis 20 nm, in denen das Material unter Einwirkung hoher lokaler Spannungen zu fließen beginnt) und einer weiteren Lokalisierung der Verformung in diesen Bändern im Gegensatz zu kristallinen Legierungen, zu denen eine Kaltverfestigung führt gleichmäßigere Verformung in mehreren Gleitbändern. Wenn jedoch mehrere Scherbänder mit alternierender Verformungslokalisation auftreten ( Abb. 6), dann kann bis zu einem bestimmten Punkt eine makroskopisch gleichmäßige Verformung der Probe auftreten, was vorzuziehen ist, um mehr plastische OMCs zu erhalten [14]. In diesem Zusammenhang ist die Untersuchung des Prozesses der Keimbildung und Ausbreitung von Scherbändern in der OMC von großem Interesse. Als Ergebnis der Verbesserung der Zusammensetzung wurden für das Zr61Ti2Cu25Al12 [15] und Pd79Ag3.5P6Si9.5Ge2 OMS [16] sowie für Legierungen hypereutektischer Zusammensetzungen, die während der strukturellen Relaxation nicht spröde sind, Rekordwerte für die Bruchzähigkeit in der Größenordnung von 100 MPa √ m erhalten [17]. Die kürzlich vorgeschlagene Methode der zyklischen Behandlung in flüssigem Stickstoff führt aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Atomclustern mit hoher und niedriger Dichte zur „Verjüngung“ von Metallglas (was zu einem erhöhten Energiezustand führt) und zur Erhöhung seiner Plastizität [18].Das kryogene Temperaturhalteverfahren wurde verwendet, um die magnetischen Eigenschaften von Legierungen auf Eisenbasis zu modifizieren [19].

. 6. () . .

Zweiphasenwerkstoffe (Verbundwerkstofftypen) werden heute immer häufiger eingesetzt, da sie die erforderlichen Betriebseigenschaften in einem optimalen Verhältnis kombinieren können. OMS haben einzigartig hohe Festigkeitsindikatoren, aber in der Regel die mangelnde Duktilität, insbesondere die Zugfestigkeit. Kristalline Legierungen weisen eine hohe Duktilität auf, und polymere Materialien weisen ebenfalls eine geringe Dichte auf. Daher hilft die Schaffung einer neuen Klasse von leichten und starken zweiphasigen Materialien auf der Basis von Metallglas und einem Kristall (oder Polymer), das mit der Verbesserung mechanischer Strukturmaterialien verbundene Problem zu lösen, d.h. um ein Material mit einer einzigartig hohen spezifischen Festigkeit und Duktilität zu erhalten.Bei NUST MISiS werden im Rahmen des Projekts 5-100 in der Abteilung für Nichteisenmetalle in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Verbundwerkstoffe zweiphasige Leichtmetallmaterialien wie Metallglas / Kristall entwickelt, die die Festigkeit von Glaslegierungen auf der Basis von Ti oder Mg und die hohe Duktilität kristalliner Phasen kombinieren. zwanzig] (Feige. 7 ).

Feige. 7 . Bild der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie (zwei Bereiche) und Beugungsmuster aus einem ausgewählten Bereich submikroskopischer Größe (helle Flecken sind von der kristallinen Phase und Halo von amorph sichtbar).

Vielversprechende Materialien sind nanostrukturierte Metallgläser ( Abb. 8 ), die kürzlich in Zusammenarbeit mit der ICM-Abteilung erhalten wurden und als Materialien für die Medizin (hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Zelladhäsion) und für die Katalyse (entwickelte Oberfläche) verwendet werden können [21].

Feige. 8 . Die Oberfläche von nanostrukturiertem Zr-Pd-Metallglas (SEM) als Insert im aus der Probe erhaltenen Röntgenspektrum.

Kürzlich wurde gezeigt, dass die auf der Oberfläche des Ni-Nb-OMC gebildeten homogenen amorphen Oxide eine amorphe Struktur ohne Defekte in Form von Korngrenzen aufweisen, die Kristallen eigen sind, durch die elektrischer Strom fließen kann. Sie zeigen Halbleitereigenschaften und ihre Leitfähigkeit ändert sich nach dem Tempern von Elektron zu Loch [22]. Dieses Material entspricht einer Schottky-Diode mit einem sehr geringen Rückstrom, dessen Leitfähigkeit durch Tempern in Sauerstoff gesteuert werden kann ( Abb. 9 ).

Feige. 9 . Die Volt-Ampere-Charakteristik des natürlichen amorphen Oxids auf der Oberfläche des OMC Ni-Nb (blaue Kurve) und des während des Temperns bei 300 ° C gewachsenen Oxids (rote Kurve).

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Metallgläser nach einem halben Jahrhundert immer noch von großem Interesse sind, um ihre ungewöhnlichen Eigenschaften und Strukturen zu untersuchen, und zweiphasige Glaskristallmaterialien für den praktischen Einsatz als hochfeste Strukturmaterialien in Bereichen, in denen die Kosten etwas höher sind, sehr vielversprechend sind Material spielt keine Rolle. Natürlich sollte man nicht erwarten, dass OMC und zweiphasige Materialien, selbst wenn die Zusammensetzungen billiger sind, Baustahl oder Aluminiumlegierungen im Bauwesen und im Schwerbau ersetzen. Sie und zweiphasige Materialien wie Glaskristalle finden jedoch bereits eine breitere Anwendung in bestimmten Bereichen, in denen sie den Wettbewerbern überlegen sind: orthopädische Schrauben in der Medizin (Biokompatibilität), Mikromaschinen (Formbarkeit, Verschleißfestigkeit),Sportgeräte (Flexibilität, Festigkeit, große Menge an gespeicherter elastischer Energie (Abb. 10)), Drucksensoren (Flexibilität ohne bleibende Verformung), Mikrostempel (Formbarkeit, Verschleißfestigkeit) usw. Diese Materialien können zur Erfindung revolutionärer Technologien führen, die möglicherweise die traditionellen Technologien verdrängen Metallverarbeitung für innovative Anwendungen.

Feige. 10 Dieses Beispiel zeigt die hohe Fähigkeit des OMC, die Energie der elastischen Verformung zu speichern, wenn der Barren aus einer bestimmten Höhe im Rohr auf den Amboss fällt.

Literarische Quellen

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