Εφαρμογή των στοιχείων σπανίων γαιών Y, Gd και Sc
σε άμορφα κράματα χαλκού ζιρκονίου
Λόγω των μοναδικών μαγνητικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των στοιχείων σπάνιων γαιών και των ενώσεων τους, τα στοιχεία σπανίων γαιών έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε άμορφα κράματα. Τα άμορφα κράματα με βάση το χαλκό ζιρκονίου σε άμορφα κράματα έχουν καλές ιδιότητες υψηλής αντοχής και σκληρότητας. Σύμφωνα με πρόσφατη έρευνα, η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας στοιχείων σπανίων γαιών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα σχηματισμού γυαλιού και τη θερμική σταθερότητα των άμορφων κραμάτων και μπορεί επίσης να μειώσει το κόστος παραγωγής. Τα άμορφα κράματα έχουν γίνει ένα τρέχον hotspot έρευνας.
1. Φυσικές και χημικές ιδιότητες στοιχείων σπάνιων γαιών
(1) Τα στοιχεία σπανίων γαιών έχουν ισχυρή χημική δραστηριότητα και μπορούν να αντιδράσουν με ακαθαρσίες όπως το οξυγόνο και το θείο σε κράματα για να σχηματίσουν σταθερές ενώσεις, παίζοντας ρόλο καθαρισμού.
(2) Τα στοιχεία σπανίων γαιών μπορούν να αυξήσουν την αναλογία ατομικού μεγέθους και την ενέργεια διεπαφής στερεού-υγρού των κραμάτων, αυξάνοντας έτσι την αντίσταση στην κρυστάλλωση και βελτιώνοντας την ικανότητα σχηματισμού γυαλιού των κραμάτων.
(3) Η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών μπορεί να βελτιώσει τη δομή του κράματος.
2. Εφαρμογή του στοιχείου Υ σπανίων γαιών σε άμορφα κράματα χαλκού ζιρκονίου
Το Zr και το Cu έχουν συγγένεια οξυγόνου, ενώ το στοιχείο σπανίων γαιών Y έχει ισχυρότερη συγγένεια οξυγόνου σε σύγκριση με το Cu και το Zr. Η ενθαλπία σχηματισμού του οξειδίου του Υ είναι περίπου 1903,6 kJ/mol, ενώ η ενθαλπία σχηματισμού του οξειδίου του Cu και του Zr είναι περίπου 157,3 kJ/mol και 1102,3 kJ/mol. Η ενθαλπία σχηματισμού του οξειδίου του Υ είναι μεγαλύτερη από εκείνη του οξειδίου του Cu και του Zr, επομένως το στοιχείο σπανίων γαιών Υ είναι πιο πιθανό να αντιδράσει με το οξυγόνο. Το Υ μπορεί να εξαλείψει αποτελεσματικά το οξυγόνο στην πειραματική διαδικασία και τη μήτρα του κράματος, και το οξείδιο του Υ στην επιφάνεια του τήγματος μετάλλου δεν επηρεάζει το κράμα μήτρας, το οποίο μπορεί να καθαρίσει το κράμα και να μειώσει την αρνητική επίδραση της ετεροσύνδεσης στην ικανότητα σχηματισμού γυαλιού ο πυρήνας. Επομένως, το στοιχείο σπανίων γαιών Υ μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα άμορφου σχηματισμού του κράματος. Η προσθήκη του στοιχείου Y σπανίων γαιών έχει επίσης ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της οργανωτικής δομής, την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων και την ενίσχυση της αντοχής στη διάβρωση.
Υπάρχουν πολλές μελέτες σχετικά με την επίδραση της προσθήκης του στοιχείου Y σπάνιας γαίας σε συστήματα άμορφων κραμάτων με βάση το ζιρκόνιο χαλκού στην ικανότητα σχηματισμού άμορφων και μηχανικών ιδιοτήτων. Οι Shan Shengfeng et al. διαπιστώθηκε ότι όταν η περιεκτικότητα του στοιχείου Y σπάνιας γαίας είναι 1.0% (ατομικό κλάσμα), το κράμα είναι άμορφο. Όταν η περιεκτικότητα του στοιχείου Υ είναι 1,5% (ατομικό κλάσμα), προκαλείται νανοκρυστάλλωση και η αντοχή σε θλίψη του κράματος φτάνει τα 1990 MPa. Μετά την προσθήκη του Y, ο αριθμός των ταινιών διάτμησης στην επιφάνεια θραύσης του κράματος αυξάνεται και η σύμπλεξη των ταινιών διάτμησης εμποδίζει την ανομοιόμορφη παραμόρφωση, βελτιώνοντας την πλαστικότητα και την αντοχή του κράματος. Ο Sun Bo διαπίστωσε ότι η προσθήκη του στοιχείου Y σπάνιας γαίας αρχικά αύξησε και στη συνέχεια μείωσε την ικανότητά του σε άμορφο σχηματισμό. Η κατάλληλη ποσότητα προσθήκης Υ μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα άμορφου σχηματισμού του συστήματος κράματος Cu47Zr47Al6.
2. Η επίδραση του στοιχείου σπάνιων γαιών Gd στις ιδιότητες των άμορφων κραμάτων με βάση το χαλκό ζιρκονίου
Η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας στοιχείου σπάνιας γαίας Gd σε άμορφα κράματα με βάση το ζιρκόνιο χαλκού μπορεί να αυξήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ μικρών και μεγάλων ατόμων, γεγονός που αυξάνει την ατομική απόσταση των άμορφων κραμάτων με βάση το χαλκό ζιρκόνιο, αλλάζει την περιοχή και την ατομική τους διάταξη μικρής εμβέλειας, αυξάνει την ατομική πυκνότητα στο κράμα και καθιστά δύσκολη τη διάχυση σε μεγάλη απόσταση. Η ανάπτυξη των κόκκων στο κράμα κατά την κρυστάλλωση ελέγχεται με διάχυση σε τρισδιάστατη ανάπτυξη. Επομένως, η προσθήκη στοιχείων σπάνιων γαιών έχει σημαντικό αντίκτυπο στη θερμική σταθερότητα, την ικανότητα σχηματισμού γυαλιού και τη δομή της ατομικής διάταξης των άμορφων κραμάτων και μπορεί επίσης να αλλάξει τη μικροσκληρότητα των άμορφων κραμάτων.
Υπάρχουν επίσης πολλές μελέτες σχετικά με την επίδραση της προσθήκης του στοιχείου σπάνιας γαίας Gd σε συστήματα άμορφων κραμάτων με βάση το ζιρκόνιο χαλκού στην ικανότητα σχηματισμού γυαλιού και στις μηχανικές ιδιότητες. Όπως οι Sun Yajuan et al. βρέθηκε, η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας στοιχείου σπάνιας γαίας Gd στο κράμα Zr50.7Cu28Ni9Al12.3 μπορεί να έχει αποτέλεσμα αποοξυγόνωσης, αυξάνοντας ελαφρά το μέγεθος του άμορφου και αυξάνοντας τη σταθερότητα του υπόψυκτου τήγματος, μειώνοντας τη διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια, βελτιώνοντας έτσι την ικανότητα σχηματισμού γυαλιού του άμορφου κράματος. Οι Liang Shunxing et al. ανέλυσε την επίδραση του στοιχείου σπάνιας γαίας Gd στις δομικές αλλαγές, την ικανότητα σχηματισμού και τη θερμική σταθερότητα των άμορφων κραμάτων με βάση το χαλκό ζιρκονίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη Gd αύξησε τη μέση ατομική απόσταση του άμορφου κράματος και άλλαξε την ατομική του διάταξη. Ο Zhang Yongzhang διαπίστωσε ότι η μικροσκληρότητα των δειγμάτων κράματος αλλάζει με την προσθήκη και την περιεκτικότητα σε στοιχεία σπάνιων γαιών. Όταν προστίθεται μέταλλο σπανίων γαιών Gd, η μικροσκληρότητα των δειγμάτων άμορφου κράματος είναι μεγαλύτερη και η αλλαγή στην ποσότητα του μετάλλου σπανίων γαιών που προστίθεται Gd έχει μικρή επίδραση στη μικροσκληρότητα του κράματος.
3. Εφαρμογή του στοιχείου σπανίων γαιών Sc σε άμορφα κράματα με βάση το χαλκό ζιρκονίου
Στο τήγμα του κράματος, το οξυγόνο υπάρχει με τη μορφή πυρήνα ή συστάδων πυρηνοποίησης ZrO2. Μετά την προσθήκη του στοιχείου σπάνιας γαίας Sc σε άμορφα κράματα, το οξυγόνο θα υπάρχει σε μια πιο σταθερή μορφή Sc2O3 και το Sc2O3 δεν θα γίνει ο πυρήνας της ετερογενούς πυρήνωσης σε άμορφα κράματα. Με την προσθήκη του στοιχείου σπανίων γαιών Sc, βελτιώνεται η σταθερότητα των άμορφων κραμάτων στην περιοχή της υπερψυγμένης υγρής φάσης και μειώνεται η πιθανότητα μετατροπής τους σε κρυστάλλους. Ως εκ τούτου, η ικανότητα σχηματισμού γυαλιού των άμορφων κραμάτων βελτιώνεται. Επιπλέον, η προσθήκη κατάλληλης ποσότητας στοιχείου σπάνιων γαιών Sc μπορεί να αυξήσει σημαντικά το μέγιστο μέγεθος άμορφου σχηματισμού των άμορφων κραμάτων, αλλά θα μειώσει την αντίστασή τους στη διάβρωση. Helin et al. διαπίστωσε ότι το στοιχείο σπανίων γαιών Sc μπορεί να αυξήσει το μέγιστο μέγεθος άμορφου σχηματισμού του κράματος Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5, αλλά η επίδρασή του στη θερμική του σταθερότητα είναι σχετικά μικρή. Και διαπιστώθηκε επίσης ότι η προσθήκη Sc μπορεί να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης κρυστάλλωσης του κράματος, αλλά να αυξήσει τη χρονική σταθερά της περιόδου επώασης κρυστάλλωσης και να μειώσει τον παράγοντα συχνότητας κρυστάλλωσης. Η συνδυασμένη επίδραση αυτών των δύο παραγόντων παρατείνει την περίοδο επώασης κρυστάλλωσης του κράματος, αυξάνει την τάση για υποψύξη και βελτιώνει την ικανότητα σχηματισμού άμορφου. Οι Li Yang et al. ανακάλυψαν στην έρευνά τους ότι η προσθήκη του στοιχείου σπάνιας γαίας Sc μπορεί να αλλάξει τη δομή φάσης και τη μικροδομή του άμορφου κράματος Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 στην άμορφη κρυσταλλική ζώνη μετάπτωσης, βελτιώνοντας σημαντικά την ικανότητα σχηματισμού γυαλιού.
4. Συμπέρασμα
Τα στοιχεία σπανίων γαιών Y, Gd και Sc έχουν όλα ισχυρή συγγένεια οξυγόνου και μπορούν να καθαρίσουν το τήγμα του κράματος, να μειώσουν τις δυσμενείς επιπτώσεις της ετερογενούς πυρήνωσης και να βελτιώσουν τη θερμική του σταθερότητα. Ως εκ τούτου, μπορούν να βελτιώσουν την ικανότητα άμορφου σχηματισμού των άμορφων κραμάτων με βάση το ζιρκόνιο χαλκού. Η προσθήκη του στοιχείου σπανίων γαιών Gd μπορεί να βελτιώσει τη μικροσκληρότητα των άμορφων κραμάτων, αλλά η αλλαγή στην ποσότητα του Gd που προστίθεται έχει μικρή επίδραση στη μικροσκληρότητα. Επιπλέον, η προσθήκη του στοιχείου Υ σπανίων γαιών μπορεί να μειώσει ελαφρώς τη μικροσκληρότητα των άμορφων κραμάτων. Η προσθήκη του στοιχείου σπάνιων γαιών Sc μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της αντίστασης στη διάβρωση των άμορφων κραμάτων με βάση το χαλκό ζιρκονίου, ενώ η προσθήκη του στοιχείου σπάνιας γαίας Y μπορεί να ενισχύσει την αντοχή στη διάβρωση των άμορφων κραμάτων με βάση το χάλκινο ζιρκόνιο. Μια λογική επιλογή και συνδυασμός στοιχείων σπάνιων γαιών μπορεί να βελτιώσει καλύτερα την απόδοση των άμορφων κραμάτων με βάση το χάλκινο ζιρκόνιο.