Приложение на редкоземни елементи Y, Gd и Sc
в аморфни сплави на база мед и цирконий
Благодарение на уникалните магнитни и електрически свойства на редкоземните елементи и техните съединения, редкоземните елементи имат широк спектър от приложения в аморфни сплави. Аморфните сплави на базата на мед и цирконий в аморфните сплави имат добри свойства с висока якост и твърдост. Според последните изследвания, добавянето на подходящо количество редкоземни елементи може значително да подобри способността за образуване на стъкло и термичната стабилност на аморфните сплави и може също така да намали производствените разходи. Ето защо, как да накараме редкоземните елементи да играят по-голяма роля в основата на меден цирконий аморфните сплави се превърнаха в актуална изследователска точка.
1. Физични и химични свойства на редкоземните елементи
(1) Редкоземните елементи имат силна химическа активност и могат да реагират с примеси като кислород и сяра в сплави, за да образуват стабилни съединения, играещи пречистваща роля.
(2) Редкоземните елементи могат да увеличат съотношението на атомния размер и енергията на интерфейса твърдо-течно вещество на сплавите, като по този начин повишават устойчивостта на кристализация и подобряват способността за образуване на стъкло на сплавите.
(3) Добавянето на редкоземни елементи може да подобри структурата на сплавта.
2. Приложение на редкоземния елемент Y в аморфни сплави на база мед и цирконий
Zr и Cu имат афинитет към кислорода, докато редкоземният елемент Y има по-силен афинитет към кислорода в сравнение с Cu и Zr. Енталпията на образуване на оксида на Y е около 1903,6 kJ/mol, докато енталпията на образуване на оксида на Cu и Zr е около 157,3 kJ/mol и 1102,3 kJ/mol. Енталпията на образуване на оксида на Y е по-голяма от тази на оксида на Cu и Zr, така че редкоземният елемент Y е по-вероятно да реагира с кислорода. Y може ефективно да елиминира кислорода в експерименталния процес и матрицата на сплавта, а оксидът на Y на повърхността на металната стопилка не влияе на сплавта на матрицата, което може да пречисти сплавта и да намали неблагоприятния ефект на хетеропрехода върху способността за образуване на стъкло на ядрото. Следователно, редкоземният елемент Y може да подобри способността за аморфно образуване на сплавта. Добавянето на редкоземен елемент Y също има ефект на подобряване на организационната структура, подобряване на механичните свойства и повишаване на устойчивостта на корозия.
Има много изследвания върху ефекта от добавянето на редкоземен елемент Y към системи от аморфни сплави на основата на мед и цирконий върху способността за образуване на аморфни и механични свойства. Shan Shengfeng и др. установи, че когато съдържанието на редкоземен елемент Y е 1.0% (атомна фракция), сплавта е аморфна; Когато съдържанието на Y елемент е 1,5% (атомна фракция), се предизвиква нанокристализация и якостта на натиск на сплавта достига 1990MPa; След добавяне на Y, броят на лентите на срязване на повърхността на счупване на сплавта се увеличава, а преплитането на лентите на срязване възпрепятства неравномерната деформация, подобрявайки пластичността и здравината на сплавта. Сун Бо установи, че добавянето на редкоземен елемент Y първо увеличава и след това намалява способността му за аморфно образуване. Подходящото количество добавяне на Y може да подобри способността за аморфно образуване на системата от сплави Cu47Zr47Al6.
2. Ефектът на редкоземния елемент Gd върху свойствата на аморфни сплави на база мед и цирконий
Добавянето на подходящо количество редкоземен елемент Gd към аморфни сплави на основата на меден цирконий може да увеличи взаимодействието между малки и големи атоми, което увеличава атомното разстояние на аморфните сплави на основата на меден цирконий, променя тяхната подредена област с малък обсег и атомно разположение, увеличава атомната плътност в сплавта и затруднява дифузията на дълги разстояния. Растежът на зърната в сплавта по време на кристализация се контролира чрез дифузия в триизмерен растеж. Следователно добавянето на редкоземни елементи оказва значително влияние върху термичната стабилност, способността за образуване на стъкло и структурата на атомното подреждане на аморфните сплави и може също така да промени микротвърдостта на аморфните сплави.
Има също така много проучвания за ефекта от добавянето на редкоземен елемент Gd към системи от аморфни сплави на основата на мед и цирконий върху способността за образуване на стъкло и механичните свойства. Както Sun Yajuan et al. Установено е, че добавянето на подходящо количество редкоземен елемент Gd към сплав Zr50.7Cu28Ni9Al12.3 може да има деоксигениращ ефект, като леко увеличава размера на аморфа и увеличава стабилността на преохладената стопилка, намалявайки разликата в свободната енергия, като по този начин подобрява стъклообразуваща способност на аморфната сплав. Liang Shunxing и др. анализира ефекта на редкоземния елемент Gd върху структурните промени, способността за образуване и термичната стабилност на аморфни сплави на основата на мед и цирконий. Резултатите показват, че добавянето на Gd увеличава средното атомно разстояние на аморфната сплав и променя нейното атомно подреждане. Zhang Yongzhang установи, че микротвърдостта на пробите от сплави се променя с добавянето и съдържанието на редкоземни елементи. Когато се добави редкоземен метал Gd, микротвърдостта на пробите от аморфна сплав е по-голяма и промяната в количеството добавен редкоземен метал Gd има малък ефект върху микротвърдостта на сплавта.
3. Приложение на редкоземния елемент Sc в аморфни сплави на база мед и цирконий
В стопилката на сплавта кислородът съществува под формата на ZrO2 нуклеационно ядро или клъстери. След добавяне на редкоземен елемент Sc към аморфни сплави, кислородът ще съществува в по-стабилна форма на Sc2O3 и Sc2O3 няма да се превърне в сърцевината на хетерогенното зараждане в аморфните сплави. Чрез добавяне на редкоземен елемент Sc се подобрява стабилността на аморфните сплави в преохладената течна фаза и се намалява възможността за превръщането им в кристали. Следователно способността за образуване на стъкло на аморфните сплави се подобрява. Освен това добавянето на подходящо количество редкоземен елемент Sc може значително да увеличи максималния размер на аморфното образуване на аморфни сплави, но ще намали тяхната устойчивост на корозия. Хелин и др. установи, че редкоземният елемент Sc може да увеличи максималния размер на аморфното образуване на сплавта Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5, но въздействието му върху нейната термична стабилност е сравнително малко. И също така беше установено, че добавянето на Sc може да намали енергията на активиране на кристализацията на сплавта, но да увеличи времевата константа на инкубационния период на кристализация и да намали коефициента на честота на кристализация. Комбинираният ефект на тези два фактора удължава инкубационния период на кристализацията на сплавта, повишава склонността към преохлаждане и подобрява способността за аморфно образуване. Li Yang и др. установяват в своите изследвания, че добавянето на редкоземен елемент Sc може да промени фазовата структура и микроструктурата на Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 аморфна сплав в зоната на аморфен кристален преход, значително подобрявайки нейната способност за образуване на стъкло.
4. Заключение
Всички редкоземни елементи Y, Gd и Sc имат силен афинитет към кислорода и могат да пречистят стопилката на сплавта, да намалят неблагоприятните ефекти от хетерогенното зародишаване и да подобрят нейната термична стабилност. Следователно, те могат да подобрят способността за аморфно образуване на аморфни сплави на основата на мед и цирконий. Добавянето на редкоземен елемент Gd може да подобри микротвърдостта на аморфните сплави, но промяната в количеството добавен Gd има малък ефект върху микротвърдостта. Освен това добавянето на редкоземен елемент Y може леко да намали микротвърдостта на аморфните сплави. Добавянето на редкоземен елемент Sc може да доведе до намаляване на устойчивостта на корозия на аморфни сплави на основата на меден цирконий, докато добавянето на редкоземен елемент Y може да повиши устойчивостта на корозия на аморфни сплави на основата на меден цирконий. Разумният подбор и комбинация от редкоземни елементи може по-добре да подобри работата на аморфните сплави на основата на мед и цирконий.