Zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich Y, Gd i Sc
w stopach amorficznych na bazie miedzi i cyrkonu
Ze względu na unikalne właściwości magnetyczne i elektryczne pierwiastków ziem rzadkich i ich związków, pierwiastki ziem rzadkich mają szeroki zakres zastosowań w stopach amorficznych. Amorficzne stopy miedzi i cyrkonu w stopach amorficznych mają dobre właściwości, wysoką wytrzymałość i twardość. Według ostatnich badań dodanie odpowiedniej ilości pierwiastków ziem rzadkich może znacznie poprawić zdolność do formowania szkła i stabilność termiczną stopów amorficznych, a także może obniżyć koszty produkcji. Dlatego też, jak sprawić, by pierwiastki ziem rzadkich odgrywały większą rolę w produktach na bazie miedzi i cyrkonu stopy amorficzne stały się obecnie gorącym obszarem badań.
1. Właściwości fizyczne i chemiczne pierwiastków ziem rzadkich
(1) Pierwiastki ziem rzadkich mają silną aktywność chemiczną i mogą reagować z zanieczyszczeniami, takimi jak tlen i siarka, w stopach, tworząc stabilne związki pełniące rolę oczyszczającą.
(2) Pierwiastki ziem rzadkich mogą zwiększać stosunek wielkości atomowej i energię granicy faz ciało stałe-ciecz stopów, zwiększając w ten sposób odporność na krystalizację i poprawiając zdolność stopów do tworzenia szkła.
(3) Dodatek pierwiastków ziem rzadkich może udoskonalić strukturę stopu.
2. Zastosowanie pierwiastka ziem rzadkich Y w amorficznych stopach miedzi i cyrkonu
Zr i Cu mają powinowactwo do tlenu, podczas gdy pierwiastek ziem rzadkich Y ma większe powinowactwo do tlenu w porównaniu z Cu i Zr. Entalpia tworzenia tlenku Y wynosi około 1903,6 kJ/mol, natomiast entalpia tworzenia tlenku Cu i Zr wynosi około 157,3 kJ/mol i 1102,3 kJ/mol. Entalpia tworzenia tlenku Y jest większa niż tlenku Cu i Zr, dlatego pierwiastek ziem rzadkich Y z większym prawdopodobieństwem reaguje z tlenem. Y może skutecznie eliminować tlen w procesie eksperymentalnym i osnowie stopu, a tlenek Y na powierzchni stopionego metalu nie wpływa na stop osnowy, co może oczyścić stop i zmniejszyć niekorzystny wpływ heterozłącza na zdolność formowania szkła jądro. Dlatego pierwiastek ziem rzadkich Y może poprawić zdolność stopu do formowania amorficznego. Dodatek pierwiastka ziem rzadkich Y ma również wpływ na poprawę struktury organizacyjnej, poprawę właściwości mechanicznych i zwiększenie odporności na korozję.
Istnieje wiele badań dotyczących wpływu dodatku pierwiastka ziem rzadkich Y do układów amorficznych stopów na bazie miedzi i cyrkonu na zdolność do tworzenia właściwości amorficznych i mechanicznych. Shan Shengfeng i in. odkryli, że gdy zawartość pierwiastka ziem rzadkich Y wynosi 1,0% (frakcja atomowa), stop jest amorficzny; Gdy zawartość pierwiastka Y wynosi 1,5% (ułamek atomowy), indukowana jest nanokrystalizacja, a wytrzymałość stopu na ściskanie osiąga 1990 MPa; Po dodaniu Y zwiększa się liczba pasm ścinanych na powierzchni pęknięcia stopu, a przeplatanie się pasm ścinanych utrudnia nierównomierne odkształcenia, poprawiając plastyczność i wytrzymałość stopu. Sun Bo odkrył, że dodatek pierwiastka ziem rzadkich Y najpierw zwiększył, a następnie zmniejszył jego zdolność do tworzenia amorfii. Odpowiednia ilość dodatku Y może poprawić zdolność tworzenia amorficznego układu stopowego Cu47Zr47Al6.
2. Wpływ pierwiastka ziem rzadkich Gd na właściwości amorficznych stopów miedzi i cyrkonu
Dodanie odpowiedniej ilości pierwiastka ziem rzadkich Gd do amorficznych stopów miedzi i cyrkonu może zwiększyć interakcję między małymi i dużymi atomami, co zwiększa odstępy międzyatomowe amorficznych stopów miedzi i cyrkonu, zmienia ich uporządkowany obszar krótkiego zasięgu i układ atomów, zwiększa gęstość atomowa stopu i utrudnia dyfuzję na duże odległości. Wzrost ziaren stopu podczas krystalizacji jest kontrolowany poprzez dyfuzję we wzroście trójwymiarowym. Dlatego dodatek pierwiastków ziem rzadkich ma znaczący wpływ na stabilność termiczną, zdolność do formowania szkła i strukturę układu atomowego stopów amorficznych, a także może zmieniać mikrotwardość stopów amorficznych.
Istnieje również wiele badań nad wpływem dodatku pierwiastka ziem rzadkich Gd do układów amorficznych stopów miedzi i cyrkonu na zdolność do formowania szkła i właściwości mechaniczne. Jak Sun Yajuan i in. stwierdzono, że dodanie odpowiedniej ilości pierwiastka ziem rzadkich Gd do stopu Zr50.7Cu28Ni9Al12.3 może mieć efekt odtlenienia, nieznacznie zwiększając rozmiar substancji amorficznej i zwiększając stabilność przechłodzonego stopu, zmniejszając różnicę w energii swobodnej, poprawiając w ten sposób zdolność stopu amorficznego do formowania szkła. Liang Shunxing i in. przeanalizowali wpływ pierwiastka ziem rzadkich Gd na zmiany strukturalne, zdolność formowania i stabilność termiczną amorficznych stopów miedzi i cyrkonu. Wyniki wykazały, że dodatek Gd zwiększał średni odstęp między atomami stopu amorficznego i zmieniał jego układ atomowy. Zhang Yongzhang odkrył, że mikrotwardość próbek stopów zmienia się wraz z dodatkiem i zawartością pierwiastków ziem rzadkich. Po dodaniu metalu ziem rzadkich Gd mikrotwardość próbek stopów amorficznych jest większa, a zmiana ilości dodanego metalu ziem rzadkich Gd ma niewielki wpływ na mikrotwardość stopu.
3. Zastosowanie pierwiastka ziem rzadkich Sc w amorficznych stopach miedzi i cyrkonu
W stopie stopu tlen występuje w postaci rdzenia lub skupisk zarodków ZrO2. Po dodaniu pierwiastka ziem rzadkich Sc do stopów amorficznych, tlen będzie istniał w bardziej stabilnej formie Sc2O3, a Sc2O3 nie stanie się rdzeniem heterogenicznego zarodkowania w stopach amorficznych. Dodatek pierwiastka ziem rzadkich Sc poprawia stabilność stopów amorficznych w obszarze przechłodzonej fazy ciekłej i zmniejsza możliwość ich przekształcenia w kryształy. Dlatego poprawia się zdolność tworzenia szkła przez stopy amorficzne. Ponadto dodanie odpowiedniej ilości pierwiastka ziem rzadkich Sc może znacznie zwiększyć maksymalny rozmiar formacji amorficznej stopów amorficznych, ale zmniejszy ich odporność na korozję. Helin i in. odkryli, że pierwiastek ziem rzadkich Sc może zwiększyć maksymalny rozmiar formacji amorficznej stopu Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5, ale jego wpływ na jego stabilność termiczną jest stosunkowo niewielki. Stwierdzono również, że dodanie Sc może zmniejszyć energię aktywacji krystalizacji stopu, ale zwiększyć stałą czasową okresu inkubacji krystalizacji i zmniejszyć współczynnik częstotliwości krystalizacji. Łączny wpływ tych dwóch czynników wydłuża okres inkubacji krystalizacji stopu, zwiększa tendencję do przechłodzenia i poprawia zdolność tworzenia amorfii. Li Yang i in. w swoich badaniach stwierdzili, że dodatek pierwiastka ziem rzadkich Sc może zmienić strukturę fazową i mikrostrukturę amorficznego stopu Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 w amorficznej krystalicznej strefie przejściowej, znacząco poprawiając jego zdolność do formowania szkła.
4. Wniosek
Wszystkie pierwiastki ziem rzadkich Y, Gd i Sc mają silne powinowactwo do tlenu i mogą oczyszczać stopiony stop, zmniejszać niekorzystne skutki heterogenicznego zarodkowania i poprawiać jego stabilność termiczną. Dlatego mogą poprawić zdolność tworzenia amorficznego stopu amorficznego na bazie miedzi i cyrkonu. Dodatek pierwiastka ziem rzadkich Gd może poprawić mikrotwardość stopów amorficznych, ale zmiana ilości dodanego Gd ma niewielki wpływ na mikrotwardość. Ponadto dodatek pierwiastka ziem rzadkich Y może nieznacznie zmniejszyć mikrotwardość stopów amorficznych. Dodatek pierwiastka ziem rzadkich Sc może prowadzić do zmniejszenia odporności na korozję amorficznych stopów na bazie miedzi i cyrkonu, natomiast dodatek pierwiastka ziem rzadkich Y może zwiększyć odporność na korozję amorficznych stopów na bazie miedzi i cyrkonu. Rozsądny dobór i połączenie pierwiastków ziem rzadkich może lepiej poprawić działanie amorficznych stopów na bazie miedzi i cyrkonu.