《Journal of Non-Crystalline Solids》：Preparation methods and glass formation capabilities of aluminum-based amorphous alloys
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本文系统综述了铝基非晶合金玻璃形成能力（GFA）的评估方法及最新研究进展，涵盖热力学与动力学指标分析，并以Al-Ni-Y-La四元系统为例，通过热力学计算提出高GFA成分范围（Al>80%, Ni 3-8%, Y/ La 4-8%），为制备大尺寸非晶材料提供理论依据。
陈建志|马成军|蔡同光|张远斌|宋璐璐
山东建筑大学材料科学与工程学院，中国济南市凤鸣路1000号，250101
摘要
本文全面综述了评估铝基非晶合金玻璃形成能力（GFA）的方法及其最新研究进展。首先介绍了这些合金的演变过程、结构特征和制备技术，涵盖了气体雾化、离心雾化、机械合金化等粉末制备技术，以及单辊熔融纺丝、铜模铸造、热喷涂和激光熔覆等成块和涂层工艺。随后详细讨论了GFA的评估标准，包括动力学指标（如降低的玻璃转变温度Trg、过冷液相区域ΔTx、γ参数和拓扑不稳定性参数λ）以及热力学指标（如混合焓ΔHmix、混合熵ΔSmix、熵-焓比ε及其乘积PHS）。以Al-Ni-Y-La四元体系为例，通过热力学方程计算并分析了各元素百分比含量对GFA的影响。研究结果表明，当铝的原子百分比超过80%、镍的含量控制在3%至8%之间、钇和镧的含量在4%至8%范围内时，可以获得较高的非晶形成能力。
引言
非晶合金具有长程无序和短程有序的特性，这归因于其无位错、空位等晶体缺陷的玻璃态结构[[1], [2], [3]]。因此，它们具备超高强度、优异的耐磨性和抗腐蚀性等独特性能。铝基非晶合金出现于20世纪80年代（图1）。1983年，首次合成了单相Al-(Fe, Co)-B三元玻璃带[4]，但其极高的脆性限制了进一步的研究。一年后，在Al-Fe-(Si, Ge)合金中也观察到了非晶结构[5]，但同样表现出脆性。因此，人们普遍认为铝基玻璃本质上很脆弱，相关研究活动长期停滞。1987年，井上通过单辊熔融纺丝制备出可弯曲180°而不断裂的含铝非晶带，其抗拉强度超过1000 MPa[6,7]。最新研究表明，由铝、过渡金属（TM）和稀土金属（RE）组成的三元体系（如Al-Ni-Ce、Al-Ni-Y、Al-Ni-La等）可在较宽的成分范围内形成单相玻璃。目前，最佳的铝基非晶合金属于Al-TM-RE三元体系和Al-RE二元体系，已报道了四十多种不同的铝基非晶合金[8]，均属于这些类别。此外，许多其他类型的非晶合金也因其玻璃形成能力而被研究。例如，在Fe基玻璃研究中，Shan等人[9]通过优化合金成分和调整单铜辊转速显著提高了GFA；在Zr基合金研究中，Fu[10]用Co部分替代了Gd，发现Co含量从5%增加到20%时，γ参数（= Tx / (Tg + Tl)）从0.342增加到0.383，表明GFA显著提高。与铝基玻璃相比，这些体系大多可以铸造成直径达10毫米甚至更大的完全非晶棒材。Pt基、Cu基、Zr基和Ni基玻璃的直径已超过80毫米，并已在工业中得到广泛应用[11]。相比之下，铝基非晶合金的临界直径通常小于几毫米[12]，因为其过冷液相区域较窄（ΔTx），导致其玻璃形成能力较低，难以实现大尺寸块状成形。提高GFA意味着可以在较低冷却速率下形成非晶结构，从而生产出更大尺寸的块状金属玻璃（BMGs），扩展其工程应用范围。因此，研究如何增强玻璃形成能力具有重要意义。
鉴于铝基非晶合金的玻璃形成能力较低，本文总结了其发展历程（图1）、常见的铝基非晶合金及其制备方法，并分析了判断铝基非晶合金玻璃形成能力的标准。基于热力学标准和以往研究结果，对Al-Ni-Y-La四元体系进行了玻璃形成能力的比较选择，探讨了四种元素含量对玻璃形成的影响，以找到最合适的组成。
铝基非晶合金的制备方法
铝基非晶合金存在多种存在形式和制备方法（图2）。粉末可通过气体雾化[15], [16], [17]、离心雾化[18], [19], [20]或机械合金化[21], [22], [23], [24]获得；块状材料可通过铜模铸造[25], [26], [27], [28]或单辊熔融纺丝[29]制备；涂层可通过热喷涂[30], [31], [32], [33]或激光熔覆[34], [35], [36], [37]沉积。不过
降低的玻璃转变温度：(Trg)
其中Tg是玻璃转变温度，Tm是熔点。该参数基于Turnbull[59]的平均成核理论。如果Trg≥0.6，则容易形成玻璃态，数值越大，非晶形成能力越强；当Trg接近1时，抑制晶体成核和生长的能力越强。然而，在大多数铝基非晶合金的差示扫描量热（DSC）分析中，玻璃转变信号会变得模糊
