郭胜锋教授课题组发明高温钼基块体非晶合金
郭胜锋课题组发明高温钼基块体非晶合金
非晶态合金是一种原子缺乏周期性排列的新型金属材料，因其不存在位错、晶界等典型的晶体缺陷，这种独特的结构赋予其诸多与众不同的力学、物理和化学特性。然而，非晶合金是一种亚稳态材料，在时间、温度等作用下会发生向热力学平衡态的晶化转变，进而丧失无序结构所带来的优异性能。因此，非晶合金只能在远低于其玻璃转变温度以下的环境服役，这极大的限制了其应用领域和服役空间。
相比之下，难熔金属基非晶合金遗传了难熔金属高热稳定性的特点，其玻璃转变温度可达1000K以上，可以适应更宽泛的工作温区而展现出优异的高温性能。然而，半个多世纪以来，难熔金属基非晶合金（W、Mo、Ta等）极差的非晶形成能力导致其绝大多数仅能以条带、丝材、薄膜和粉体等形式存在。如何突破现有非晶形成理论束缚，实现工程化难熔金属基块体非晶合金，已成为非晶合金领域当前关注的焦点问题之一。
近期，西南大学郭胜锋课题组借助特殊金属间化合物的设计思想，在高性能难熔钼基块体非晶合金的开发和非晶形成能力等方面取得了重要进展。在众多金属间化合物中，他们选择了包含大量扭曲二十面体的Co2Mo3相，这种结构特点使得合金熔体在凝固过程中倾向于形成二十面体团簇以稳定过冷液体，同时该金属间化合物中部分原子占位由Co原子和Mo原子共同占据，表现出化学无序。进一步结合Mo-B共晶反应添加小尺寸的B元素，有效降低合金的熔点，缩短凝固过程中的过冷液温度区间，抑制晶体的形核长大。最终，成功地发展了临界尺寸达毫米级的Mo-Co-B块体非晶合金（见图1）， 其具有高的热稳定性，玻璃转变温度超过1000K（见图2）；同时其机械性能优异，纳米硬度可达17GPa，杨氏模量约为260GPa。第一性原理计算表明，其超高的热稳定性和优异的机械强度，主要归因于材料内部原子之间形成大量具有共价特性的金属-类金属键的贡献。高性能Mo-Co-B块体非晶合金的发明，不仅为新型难熔金属基非晶合金的设计提供了新的视角，对推动该类材料在高温极端环境的服役以及在高端先进制造业中的应用均有着重要的意义。相关研究成果以“High-temperature Mo-based bulk metallic glasses”为题发表在金属材料领域Top期刊《Scripta Materialia》上。西南大学为该成果的第一完成单位，硕士研究生赖利民为论文第一作者，郭胜锋教授、马萨诸塞大学陈文教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114095
图1： Mo-Co-B块体金属玻璃的成分区间和显微结构
图2： Mo-Co-B块体金属玻璃的玻璃转变和晶化行为；典型高温块体金属玻璃在热稳定性、成本方面的对比，
以及过冷液相的液体行为