Условия образования аморфной структуры

Аморфные металлические сплавы – системы, в которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов и которые обладают идеальной атомно-структурной и фазовой однородностью.

Аморфные металлы

В аморфном состоянии отсутствует дальний порядок в расположении атомов, а следовательно, кристаллическая анизотропия и дефекты кристаллического строения, такие как дислокации и вакансии, границы зерен и блоков, двойники и дефекты упаковки. Для аморфного состояния присуща как идеальная атомно-структурная однородность, обусловленная отсутствием перечисленных дефектов с высоколокализованной избыточной энергией, так и идеальная фазовая (химическая) однородность. Аморфные сплавы, независимо от концентрации компонентов представляют собой однофазную систему, состоящую из пересыщенного твердого раствора, атомная структура которого аналогична атомной структуре переохлажденного расплава. Аморфные сплавы обладают высокой микро- и макрооднородностью – отсутствуют источники фазовой неоднородности, как избыточные фазы, ликвация, различного рода сегрегации, т.е. сильно отличающиеся по атомному строению и химическому составу объемы.

Способность металлов и сплавов к аморфизации зависит от их химического состава, но в любом случае скорость охлаждения должна быть выше 10² – 10³ °С/с. (Для силикатного стекла критическая скорость охлаждения (Rc) составляет 10^-2 – 10^-1 °С/с.) Для чистых металлов R_c крайне велика (10¹⁰ – 10¹² °С/с), что сильно затрудняет аморфизацию.

Методы получения (сведены в таблицу)

1. Метод вакуумного напыления. Скорость осаждения обычно составляет 0,5 – 1 нм/с. Температура кристаллизации а, следовательно, термическая стабильность напыленных пленок зависит от их толщины. Так пленка железа толщиной 2,5 нм кристаллизуется при 50 – 60 К, а при толщине 15 нм железо в аморфном состоянии получить вообще не удается. Методом вакуумного напыления получают аморфные пленки Mn, Cr, Te, Sb, Ga, As, Al, V, Pd, Zr, Hf, Re, Ta, W, Mo.

Сущность: нагрев металла в вакууме 10^-3 – 10^-4 Па (предпочтительно глубокий вакуум 10^-6 – 10^-9 Па) с последующим осаждением на охлаждаемую подложку.

2. Методы распыления. В газовую атмосферу с низким давлением помещаются два электрода, между которыми наводится разность потенциалов, в результате чего газ ионизируется. Ионы сталкиваются с электродом, выбивая атомы с его поверхности. Разновидности метода распыления: простой двухэлектродный, трех- или четырехэлектродный, магнетронный, высокочастотный и др. следует отметить, что в большинстве случаев процессе осаждения сопровождается нагревом подложки. Поэтому метод пригоден для получения сплавов с высокой температурой кристаллизации. !!!Получить чистые аморфные металлы этим методом практически невозможно.

3. Методы закалки из жидкого состояния. Позволяют получать металлические аморфные порошки, проволоку, ленты.

Получение тонких пластинок

Недостатки: неопределенная нерегулируемая форма пластин;

Достоинство: реализация высоких скоростей охлаждения (до 10⁹°С/с), что позволяет аморфизировать сплавы в широком диапазоне составов.

Сущность: образование пластин при выстреливании небольших капель расплавленного металла и сплава либо при помощи газа под давлением, либо механическим путем на медную охлаждаемую плиту (холодильник).

Получение тонкой ленты

1. Плавление металла при электрическом или индукционном нагреве;

2. Выдавливание расплава из сопла под действием газа и затвердевание его при соприкосновении с поверхностью вращающегося холодильника.

При центробежной закалке ширина ленты < 5 мм. При прокатке – ширина ≥10 мм.

а, г – центробежная закалка; б – закалка на диске; в – прокатка расплава; д – планетарная закалка на диске.

Получение тонкой проволоки.

Две разновидности метода: через круглое отверстие и охлаждающую жидкость – метод экструзии расплава (расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей) и метод вытягивания нити из вращающегося барабана (струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана с последующим сматыванием затвердевшей нити при охлаждении); метод Улитовского – Тейлора (протягивание расплава одновременно со стеклянной трубкой; диаметр – 2 – 5мкм, сложность отделения стекла.).

Охлаждающая жидкость – дистиллированная вода и раствор поваренной соли. Скорость охлаждения – 10⁴ – 10⁵ °С/с (ограничение сплавов).

Получение порошков

В кавитационном методе расплавленный металл выдавливается в зазоре между двумя валками (0,2 – 0,5 мм), изготовленными, например, из графита и нитрида бора. Происходит кавитация – расплав выбрасывается валками виде порошка, который попадает на охлаждаемую плиту или в охлаждаемый водный раствор. Кавитация возникает в зазоре между валками, вследствие чего исчезают пузырьки газа, имеющиеся в металле.

Метод распыления вращающимся диском в принципе аналогичен методу изготовления проволоки, но здесь расплавленный металл, попадая в жидкость, разбрызгивается за счет ее турбулентного движения (получение гранул ~ 100 мкм).