Penggunaan unsur nadir bumi Y, Gd, dan Sc
dalam aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum
Disebabkan oleh sifat magnetik dan elektrik yang unik bagi unsur nadir bumi dan sebatiannya, unsur nadir bumi mempunyai pelbagai aplikasi dalam aloi amorf. Aloi amorf berasaskan zirkonium tembaga dalam aloi amorf mempunyai kekuatan tinggi dan sifat kekerasan yang baik. Menurut penyelidikan baru-baru ini, menambah jumlah unsur nadir bumi yang sesuai dengan ketara boleh meningkatkan keupayaan membentuk kaca dan kestabilan haba aloi amorf, dan juga boleh mengurangkan kos pengeluaran, Oleh itu, bagaimana untuk membuat unsur nadir bumi memainkan peranan yang lebih besar dalam berasaskan zirkonium tembaga aloi amorfus telah menjadi tempat tumpuan penyelidikan semasa.
1. Sifat fizikal dan kimia unsur nadir bumi
(1) Unsur nadir bumi mempunyai aktiviti kimia yang kuat dan boleh bertindak balas dengan bendasing seperti oksigen dan sulfur dalam aloi untuk membentuk sebatian yang stabil, memainkan peranan penulenan.
(2) Unsur nadir bumi boleh meningkatkan nisbah saiz atom dan tenaga antara muka pepejal-cecair aloi, sekali gus meningkatkan rintangan kepada penghabluran dan meningkatkan keupayaan membentuk kaca aloi.
(3) Penambahan unsur nadir bumi boleh menapis struktur aloi.
2. Penggunaan unsur nadir bumi Y dalam aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum
Zr dan Cu mempunyai pertalian oksigen, manakala unsur nadir bumi Y mempunyai pertalian oksigen yang lebih kuat berbanding Cu dan Zr. Entalpi pembentukan oksida Y adalah kira-kira 1903.6 kJ/mol, manakala entalpi pembentukan Cu dan oksida Zr adalah kira-kira 157.3 kJ/mol dan 1102.3 kJ/mol. Entalpi pembentukan oksida Y adalah lebih besar daripada oksida Cu dan Zr, jadi unsur nadir bumi Y lebih berkemungkinan bertindak balas dengan oksigen. Y boleh menghapuskan oksigen secara berkesan dalam proses eksperimen dan matriks aloi, dan oksida Y pada permukaan cair logam tidak menjejaskan aloi matriks, yang boleh membersihkan aloi dan mengurangkan kesan buruk heterojunction pada keupayaan membentuk kaca nukleus. Oleh itu, unsur nadir bumi Y boleh meningkatkan keupayaan membentuk amorf aloi. Penambahan unsur nadir bumi Y juga mempunyai kesan menambah baik struktur organisasi, meningkatkan sifat mekanikal, dan meningkatkan rintangan kakisan.
Terdapat banyak kajian tentang kesan penambahan unsur nadir bumi Y kepada sistem aloi amorfus berasaskan zirkonium kuprum terhadap keupayaan untuk membentuk sifat amorfus dan mekanikal. Shan Shengfeng et al. mendapati bahawa apabila kandungan unsur nadir bumi Y ialah 1.0% (pecahan atom), aloi adalah amorfus; Apabila kandungan unsur Y ialah 1.5% (pecahan atom), penghabluran nano diinduksi, dan kekuatan mampatan aloi mencapai 1990MPa; Selepas menambah Y, bilangan jalur ricih pada permukaan patah aloi meningkat, dan jalinan jalur ricih menghalang ubah bentuk yang tidak sekata, meningkatkan keplastikan dan kekuatan aloi. Sun Bo mendapati bahawa penambahan unsur nadir bumi Y mula-mula meningkat dan kemudian mengurangkan keupayaan pembentukan amorfnya. Jumlah penambahan Y yang sesuai boleh meningkatkan keupayaan pembentukan amorf sistem aloi Cu47Zr47Al6.
2. Kesan unsur nadir bumi Gd terhadap sifat aloi amorfus berasaskan zirkonium kuprum
Menambah jumlah unsur nadir bumi Gd yang sesuai kepada aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum boleh meningkatkan interaksi antara atom kecil dan besar, yang meningkatkan jarak atom aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum, mengubah kawasan tertib jarak dekat dan susunan atom, meningkatkan ketumpatan atom dalam aloi, dan menyukarkan penyebaran jarak jauh. Pertumbuhan bijirin dalam aloi semasa penghabluran dikawal oleh resapan dalam pertumbuhan tiga dimensi. Oleh itu, penambahan unsur nadir bumi mempunyai kesan yang ketara terhadap kestabilan terma, keupayaan membentuk kaca, dan struktur susunan atom aloi amorf, dan juga boleh mengubah kekerasan mikro aloi amorf.
Terdapat juga banyak kajian tentang kesan penambahan unsur nadir bumi Gd kepada sistem aloi amorfus berasaskan zirkonium tembaga ke atas keupayaan membentuk kaca dan sifat mekanikal. Sebagaimana Sun Yajuan et al. didapati, menambah jumlah unsur nadir bumi Gd yang sesuai kepada aloi Zr50.7Cu28Ni9Al12.3 boleh mempunyai kesan penyahoksigenan, meningkatkan sedikit saiz amorf dan meningkatkan kestabilan leburan yang tidak disejukkan, mengurangkan perbezaan tenaga bebas, sekali gus meningkatkan keupayaan membentuk kaca aloi amorf. Liang Shunxing et al. menganalisis kesan unsur nadir bumi Gd terhadap perubahan struktur, keupayaan pembentukan, dan kestabilan haba aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum. Keputusan menunjukkan bahawa penambahan Gd meningkatkan jarak atom purata aloi amorf dan mengubah susunan atomnya. Zhang Yongzhang mendapati bahawa kekerasan mikro sampel aloi berubah dengan penambahan dan kandungan unsur nadir bumi. Apabila logam nadir bumi Gd ditambah, kekerasan mikro sampel aloi amorf adalah lebih besar, dan perubahan dalam jumlah logam nadir bumi Gd ditambah mempunyai sedikit kesan ke atas kekerasan mikro aloi.
3. Penggunaan unsur nadir bumi Sc dalam aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum
Dalam leburan aloi, oksigen wujud dalam bentuk teras atau gugusan nukleasi ZrO2. Selepas menambah unsur nadir bumi Sc kepada aloi amorf, oksigen akan wujud dalam bentuk Sc2O3 yang lebih stabil, dan Sc2O3 tidak akan menjadi teras nukleasi heterogen dalam aloi amorf. Dengan menambahkan unsur nadir bumi Sc, kestabilan aloi amorf dalam kawasan fasa cecair supersejuk dipertingkatkan, dan kemungkinan perubahannya menjadi kristal berkurangan. Oleh itu, keupayaan membentuk kaca aloi amorf dipertingkatkan. Selain itu, menambah jumlah unsur nadir bumi yang sesuai Sc boleh meningkatkan saiz pembentukan amorfus maksimum aloi amorfus dengan ketara, tetapi ia akan mengurangkan rintangan kakisannya. Helin et al. mendapati bahawa unsur nadir bumi Sc boleh meningkatkan saiz pembentukan amorfus maksimum aloi Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5, tetapi kesannya terhadap kestabilan habanya agak kecil. Dan juga didapati bahawa menambah Sc boleh mengurangkan tenaga pengaktifan penghabluran aloi, tetapi meningkatkan pemalar masa inkubasi penghabluran dan mengurangkan faktor kekerapan penghabluran. Kesan gabungan kedua-dua faktor ini memanjangkan tempoh inkubasi penghabluran aloi, meningkatkan kecenderungan untuk penyejukan kurang, dan meningkatkan keupayaan pembentukan amorf. Li Yang et al. didapati dalam penyelidikan mereka bahawa penambahan unsur nadir bumi Sc boleh mengubah struktur fasa dan struktur mikro Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 aloi amorf dalam zon peralihan kristal amorfus, meningkatkan keupayaan membentuk kaca dengan ketara.
4. Kesimpulan
Unsur-unsur nadir bumi Y, Gd, dan Sc semuanya mempunyai pertalian oksigen yang kuat dan boleh membersihkan leburan aloi, mengurangkan kesan buruk nukleasi heterogen, dan meningkatkan kestabilan habanya. Oleh itu, mereka boleh meningkatkan keupayaan pembentukan amorfus aloi amorf berasaskan zirkonium tembaga. Penambahan unsur nadir bumi Gd boleh meningkatkan kekerasan mikro aloi amorf, tetapi perubahan dalam jumlah Gd yang ditambah mempunyai sedikit kesan ke atas kekerasan mikro. Selain itu, penambahan unsur nadir bumi Y boleh mengurangkan sedikit kekerasan mikro aloi amorf. Penambahan unsur nadir bumi Sc boleh menyebabkan penurunan dalam rintangan kakisan aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum, manakala penambahan unsur nadir bumi Y boleh meningkatkan rintangan kakisan aloi amorf berasaskan zirkonium kuprum. Pemilihan dan gabungan unsur nadir bumi yang munasabah boleh meningkatkan prestasi aloi amorf berasaskan zirkonium tembaga dengan lebih baik.