Кристаллизация аморфных сплавов

В этом методе нанокристаллическая структура создается в аморфном сплаве путем его кристаллизации. Спиннингование, т.е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов с помощью быстрого (со скоростью не менее 10⁶ К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана отработано достаточно хорошо. Далее аморфная лента отжигается при контролируемой температуре для кристаллизации. Для создания нанокристаллической структуры отжиг проводится так, чтобы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой. Первой стадией кристаллизации может быть выделение мелких кристаллов промежуточных метастабильных фаз. При изучении аморфного сплава на основе Ni выявлено, что сначала образуются маленькие кристаллы метастабильного сильно пересыщенного твердого раствора фосфора в никеле Ni(P), и только после этого появляются кристаллы фосфидов никеля. Предполагается, что барьером для роста кристаллов может быть аморфная фаза. Нанокристаллическую ленту удается получать и непосредственно в процессе спиннингования. Этим методом была получена лента сплава Ni₆₅Al₃₅, которая состояла из кристаллов интерметаллида NiAl со средним размером зерна порядка 2 мкм. Эти кристаллы, в свою очередь, обладали очень равномерной микродвойниковой субструктурой с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Эта субструктура препятствовала распространению микротрещин и тем самым повышала пластичность и вязкость хрупкого интерметаллида NiAl.

Кристаллизация аморфных сплавов особенно активно изучается в связи с возможностью создания нанокристаллических ферромагнитных сплавов систем Fe-Cu-Me-Si-B (Мe - Nb, Ta, W, Mo, Zr), имеющих очень низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость, т.е. мягких магнитных материалов. На основе изучения тонких пленок сплава Ni-Fе было показано, что мягкие магнитные свойства улучшаются при уменьшении эффективной магнитокристаллической анизотропии. Этого можно достичь, если увеличить число зерен, участвующих в обменном взаимодействии в тонких магнитных пленках. Иначе говоря, уменьшение размера приводит к росту обменного взаимодействия, уменьшению магнитокристаллической анизотропии и тем самым - к улучшению мягких магнитных свойств.

Мягкими магнитными материалами являются Si-содержащие стали, поэтому попытки улучшения мягких магнитных свойств путем кристаллизации аморфных сплавов сначала проводились на сплавах системы Fe-Si-B с добавками меди. Однако получить в этой системе сплавы с нанокристаллической структурой не удалось. Только введение в аморфный сплав Fe-Si-B помимо Cu добавок переходных металлов IV-VII групп позволило получить в результате кристаллизации нанокристаллпческую структуру. Кристаллизация аморфных сплавов Fe-Cu-Nb-Si-B при 700-900 К позволила получить сплав с однородной нанокристаллической структурой. В этом сплаве в аморфной матрице равномерно распределены зерна ОЦК фазы γ-Fe(Si) размером порядка 10 нм и кластеры меди размером менее 1 нм.

Высокая стойкость в химически агрессивных средах и малая теплопроводность оксидной керамики позволяют использовать ее в элементах конструкций, испытывающих воздействие химических реагентов и повышенных температур. Как правило, это пористые элементы, предназначенные для фильтрации, влаго- и газоразделения, теплоизоляции и т.п. Высокая биологическая инертность делает возможным использование керамики в медицине, в частности, в эндопротезировании костной ткани. Искусственные эндопротезы костной ткани в ряде случаев для лучшей биомеханической фиксации также должны обладать развитой поровой структурой.

Между тем керамика – хрупкий материал. Присутствие пор в структуре керамики сопровождается катастрофической потерей механической прочности, что существенно ограничивает использование керамики в пористых конструкциях. Решение проблемы, связанной с получением керамики с развитой поровой структурой и высокими прочностными свойствами, возможно при использовании порошков с размером структурных элементов в диапазоне нескольких десятков нанометров. Порошки со столь малым размером частиц характеризуются высокой активностью при спекании, что позволяет получить пористый материал с высокой прочностью связи на границах зерен.