2015年是中國非晶合金基礎(chǔ)研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展和豐收的一年。中國科學(xué)院物理研究所的汪衛(wèi)華研究員入選中國科學(xué)院院士，成為非晶合金領(lǐng)域的第一位中國科學(xué)院院士。以北京科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)和燕山大學(xué)為代表的非晶研究團(tuán)隊針對非晶復(fù)合材料、納米非晶合金、3D打印制備非晶合金、新型鋯基非晶合金等方面的研究計劃分別獲得了基金委的重點支持。2015年也是非晶領(lǐng)域基礎(chǔ)研究科研模式變革的一年，以基金委非晶軟磁大集團(tuán)項目成立為標(biāo)志的大協(xié)作模式或許成為非晶領(lǐng)域?qū)砜焖侔l(fā)展的新科研模式。

針對非晶合金力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特征、功能特性、超穩(wěn)特性等重要研究方向，國內(nèi)研究團(tuán)隊做出了一系列突破性研究成果，在Nature、Nature Communications、Acta Materialia、Scientific Reports等著名期刊發(fā)表多篇論文，成果豐碩。

| 非晶合金“年輕化”

缺乏塑性變形能力是限制塊體非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。近年來人們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控非晶合金中的應(yīng)力分布狀態(tài)，可以有效抑制塑性變形過程中剪切帶的形核和擴(kuò)展，進(jìn)而改善塑性變形能力。探索調(diào)控非晶合金應(yīng)力分布的有效手段可以極大地推動非晶合金應(yīng)用。中科院物理研究所魯振博士生、白海洋研究員、汪衛(wèi)華院士等與英國劍橋大學(xué)和日本東北大學(xué)合作研究發(fā)現(xiàn)將非晶合金在液氮中反復(fù)浸泡，經(jīng)過多次冷熱循環(huán)后，塑性變形能力得到明顯提升。由于非晶結(jié)構(gòu)不均勻性，冷熱循環(huán)過程中熱脹冷縮的不均勻性可以提高非晶合金內(nèi)應(yīng)力不均勻性，顯著提高非晶合金的能量狀態(tài)，使其年輕化。冷熱循環(huán)提高塑性的方法，具有操作簡單，對樣品形狀無破壞等諸多優(yōu)勢，有望得到廣泛使用【S.V. Ketov, Y.H. Sun, S. Nachum, Z. Lu, A. Checchi, A.R. Beraldin, H.Y. Bai, W.H. Wang, D.V. Louzguine-Luzgin, M.A. Carpenter and A.L. Greer, Rejuvenation of metallic glasses by non-affine thermal strain, Nature 524, 200 (2015).】。

| 非晶合金形成液體中的液-液相變現(xiàn)象

液-液相變與玻璃轉(zhuǎn)變、原子尺度的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征等玻璃形成合金的液體特性密切相關(guān)，因此受到廣泛關(guān)注。華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國人民大學(xué)與美國北卡羅來納大學(xué)的非晶研究團(tuán)隊在國家自然科學(xué)基金委非晶集團(tuán)項目支持下，利用國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心的高溫核磁共振平臺，并結(jié)合分子動力學(xué)模擬-方法揭示出La₅₀Al₃₅Ni₁₅玻璃形成合金液體存在“液-液一級相變”。研究結(jié)果還表明，局域結(jié)構(gòu)序參量對于決定液體結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)具有重要作用，這極有可能對于描述玻璃轉(zhuǎn)變具有重要意義。這一研究結(jié)果不僅首次從實驗上印證了在可形成非晶態(tài)金屬的玻璃形成合金在熱力學(xué)平衡態(tài)的熔體中的確存在有“液-液相變”，而且對于進(jìn)一步深入認(rèn)識玻璃轉(zhuǎn)變和金屬的玻璃形成能力等相關(guān)的重要科學(xué)問題提供了新的思路。此項工作近日由許巍等發(fā)表在W. Xu, M.T. Sandor, Y. Yu, H.B. Ke, H.P. Zhang, M.Z. Li, W.H. Wang, L.L. and Y. Wu, Evidence of liquid-liquid transition in glass forming La₅₀Al₃₅Ni₁₅ melt above liquidus temperature, Nature Communications 6, 7696 (2015).】。

|超穩(wěn)塊體非晶合金

超穩(wěn)非晶合金具有低能量狀態(tài)和高動力學(xué)穩(wěn)定性，表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能。但目前通過氣相沉積法制備的超穩(wěn)非晶合金僅限于薄膜形態(tài)，限制了其應(yīng)用。開發(fā)制備條帶或塊體超穩(wěn)非晶合金的方法對促進(jìn)其應(yīng)用具有重要意義。中科院寧波材料所王軍強(qiáng)研究員與美國威斯康星麥迪遜大學(xué)合作，通過模仿氣相沉積過程中襯底溫度和沉積速度的影響，利用閃速DSC系統(tǒng)研究了液體冷卻法制備的金基非晶合金的能量狀態(tài)在不同退火溫度和退火時間下的演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)（1）制備低能量狀態(tài)非晶合金存在最優(yōu)化的退火條件T_a = 274+ 132/log(t_a)：給定退火時間，有一個最優(yōu)化的退火溫度，溫度太高或太低效果都不好。（2）退火過程中非晶合金經(jīng)歷了三個狀態(tài)：非平衡狀態(tài)（玻璃態(tài)）、亞穩(wěn)平衡態(tài)（過冷液體態(tài)）、晶化過程。（3）發(fā)現(xiàn)非晶合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性（與能量狀態(tài)成反比）與動力學(xué)穩(wěn)定性（與玻璃-液體轉(zhuǎn)變溫度成正比）之間的非線性關(guān)系：beta弛豫使熱力學(xué)穩(wěn)定性升高的同時，動力學(xué)穩(wěn)定性降低；而alpha弛豫使熱力學(xué)穩(wěn)定性升高的同時動力學(xué)穩(wěn)定性也升高。這些研究結(jié)果有助于人們深刻理解非晶態(tài)材料弛豫行為，并為改善軟磁非晶合金工業(yè)化生產(chǎn)退火工藝提供了理論指導(dǎo)【J.Q. Wang, Y. Shen, J.H. Perepezko and M.D. Ediger, Increasing the kinetic stability of bulk metallic glasses, Acta Materialia 104, 25 (2016).】。

| 非晶合金結(jié)構(gòu)

研究非晶合金原子結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律是理解玻璃形成能力、調(diào)控非晶合金性能的重要手段。人民大學(xué)李茂枝教授、中科院物理所汪衛(wèi)華院士和北京大學(xué)劉凱欣教授課題組合作，利用計算機(jī)模擬方法研究發(fā)現(xiàn)非晶合金具有很多隱含的晶體短程序和中程序結(jié)構(gòu)。隨著組元元素的增加，隱含的晶體短中程序結(jié)構(gòu)變得越來越豐富。不同晶體結(jié)構(gòu)的相互競爭糾纏使得有序堆積幾何上受挫，從而有利于玻璃形成能力【Z.W. Wu, M.Z. Li, W.H. Wang and K.X. Liu, Nature Communications 6, 6035 (2015).】。同濟(jì)大學(xué)沈軍教授研究組的羅強(qiáng)博士利用同步輻射在高壓下原位觀測的方法，研究了鈰基非晶合金壓力下的演化行為。發(fā)現(xiàn)從低密度非晶態(tài)到中等密度非晶態(tài)再到高密度非晶態(tài)的多形態(tài)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。當(dāng)溫度升到玻璃轉(zhuǎn)變溫度附近時，低密度非晶態(tài)向中等密度非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出相對不連續(xù)轉(zhuǎn)變的行為，具有一級相變的特征。這些研究結(jié)果表明金屬玻璃在壓力下可以展現(xiàn)出豐富多彩的結(jié)構(gòu)和性能，壓力作為重要參數(shù)引入金屬玻璃的制備和后續(xù)處理工藝中必將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用前景。【Q. Luo, G. Garbarino, B. Sun, D. Fan, Y. Zhang, Z. Wang, Y. Sun, J. Jiao, X. Li, P. Li, N. Mattern, J. Eckert and J. Shen, Hierarchical densification and negative thermal expansion in Ce-based metallic glass under high pressure, Nature Communications 6, 5703 (2015).】

| 耐磨耐蝕非晶合金涂層

      非晶涂層因其具有高硬度、高耐蝕和高耐磨性性，在表面工程領(lǐng)域呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。華中科技大學(xué)柳林教授課題組在非晶涂層制備、結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控等方面進(jìn)行了深入研究。特別是開發(fā)了多種具有高沖擊韌性的非晶復(fù)合涂層體系，如非晶/晶態(tài)疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層、陶瓷增韌型復(fù)合涂層、Ni(W)P粉末包覆復(fù)合涂層，這些復(fù)合涂層的抗沖擊性能較單相非晶涂層提高10倍以上，同時兼具優(yōu)異的減摩、耐磨與耐蝕性能?！綜. Zhang, H. Zhou and L. Liu, Laminar Fe-based amorphous composite coatings with enhanced bonding strength and impact resistance, Acta Materia 72, 239 (2014).等】。同濟(jì)大學(xué)沈軍教授課題組利用HVAF方法制備出結(jié)構(gòu)致密、非晶相含量高、幾乎不含氧化物夾雜、孔隙率小且界面結(jié)合良好的鐵基非晶合金涂層?？咕鶆蚋g和點蝕能力顯著提高，點蝕電位高達(dá)1.1V，鈍化電流密度比HVOF非晶涂層降低近2個數(shù)量級。耐沖蝕阻力提高2-3倍，達(dá)到不銹鋼12倍。優(yōu)異的抗沖蝕能力可以歸因于非晶涂層組織結(jié)構(gòu)變得更加致密、鈍化穩(wěn)定性高及硬度高?！綴. Wang, Z.Z. Xing, Q. Luo, A. Rahman, J. Jiao, S.J. Qu, Y.G. Zheng and J. Shen, Corrosion and erosion-corrosion behavior of activated combustion high-velocity air fuel sprayed Fe-based amorphous coatings in chloride-containing solutions, Corrosion Science 98, 339 (2015).】。中科院金屬所王建強(qiáng)研究員課題組提出了微組元化提升非晶耐蝕特性的合金設(shè)計新思路，澄清了非晶本征結(jié)構(gòu)對鈍化膜形成、穩(wěn)定及點蝕萌生作用機(jī)理，利用3D-XRT新技術(shù)闡明了非晶涂層中的孔隙缺陷形成與腐蝕關(guān)聯(lián)性，并提出了非晶涂層使役中的臨界厚度。研發(fā)的多種Fe基、Al基非晶涂層在海洋、核輻照等苛刻環(huán)境中呈現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕、耐磨與抗沖刷性能，現(xiàn)已進(jìn)入工程應(yīng)用階段?！維.D. Zhang, W.L. Zhang, S.G. Wang, X.J. Gu and J.Q. Wang, Characterisation of three-dimensional porosity in an Fe-based amorphous coating and its correlation with corrosion behaviour。Corrosion Science 93 (2015) 211–221等】

|軟磁非晶合金

針對非晶合金飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低的缺點，中國科學(xué)院寧波材料所王新敏研究員課題組通過微量添加元素和合金成分優(yōu)化，成功研制出磁性能和工藝性優(yōu)異的新型FeSiBPM系列非晶合金。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.67 T，高于目前廣泛應(yīng)用的1k101非晶合金（1.56 T）和日立金屬公司推出的新型高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 HB1（1.64T）非晶合金。該合金同時具有較高的非晶形成能力，臨界厚度達(dá)到(80～90 μm)，滿足制備非晶合金寬帶的工藝性要求。該合金的最佳熱處理溫度范圍寬，熱處理后樣品的性能穩(wěn)定，軟磁性能優(yōu)異（矯頑力小于3 A/m，有效磁導(dǎo)率超過8000），可在較低溫度下熱處理獲得優(yōu)異的軟磁性能和韌性的樣品，具有優(yōu)異的綜合性能和生產(chǎn)工藝性。相關(guān)研究成果已經(jīng)申請國家發(fā)明專利（201410197139.X）。該課題組通過控制初晶相的密度、分布和尺寸不均勻性，開發(fā)出優(yōu)化FeSiBCu(P,C) 納米晶合金系列合金磁性能和工藝性的方法。發(fā)現(xiàn)Ta和Nb微合金化可以使熱處理工藝窗口擴(kuò)大到100攝氏度，時間窗口增加到 90min。對推進(jìn)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度納米晶合金的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要的意義。相關(guān)的結(jié)果已申請國家發(fā)明專利CN201410415305.9。

非晶合金作為非平衡態(tài)材料，其特殊合金成分和無序原子結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出很多優(yōu)異的性能，但是同時也伴隨著很多內(nèi)稟的缺陷，比如塑性變形能力差、玻璃形成能力有限、亞穩(wěn)，等等。深入研究這些基本物理問題的特征和演化規(guī)律，對推動非晶合金的應(yīng)用具有重要意義。美國科學(xué)院院士Johnson教授明確指出非晶合金基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展可以促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的革新（Good science enables good technology），他也強(qiáng)調(diào)技術(shù)的改進(jìn)也可以推動基礎(chǔ)科研的發(fā)展（Good technology also drives good science）。所以，基礎(chǔ)科研與生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)該相輔相成，共同發(fā)展。