Journal of Materials Science & Tecnology:具有优异高温耐磨性的Ir-Ta-Ni-Nb块体金属玻璃

近日，课题组在Journal of Materials Science & Technology在线发表题为“Superior high-temperature wear resistance of an Ir-Ta-Ni-Nb bulk metallic glass”的原创性研究。博士研究生孙飞为第一作者，深圳大学马将教授与中科院物理研究所柳延辉教授为通讯作者。该研究得到了广东省重点基础与应用研究计划（2019B030302010）、国家自然科学基金（52122105，51871157，51971150）、国家重点研究发展计划（2018YFA0703604）等资助。

研究背景

在实际应用中，零件之间的摩擦是不可避免的，而过度的磨损则会导致零件的失效。因此，抵抗磨损的能力，特别是在极端环境下，如高温，是评估材料适用性的重要指标之一。典型的耐磨材料，如碳化钨、碳化硅和金刚石等由于其超高的硬度被认为是最优异的耐磨材料。然而，材料的高硬度和耐磨性似乎与可加工性相互排斥。高硬度确保了优异的耐磨性，但却导致了巨大的加工成本和制造技术上的麻烦，尤其是在微细加工和精密制造方面。因此，在精密制造领域，如玻璃成型、医疗设备和航空航天等，兼具出色的耐磨性和良好可加工性的材料是非常理想的。

金属玻璃（MG），具有出高强度、高硬度和出色的耐磨性。MG是通过快速冷却技术制备的，它保留了其液体般的原子结构。这种独特的原子结构使MG具有优良的机械和化学性能，并赋予其优良的加工性能。MG卓越的可加工性归功于它的玻璃状原子结构，它在被称为过冷液体区（SLR）的温度范围内提供了良好的流动性。利用独特热塑性成型（TPF）方法，MG可以被加工成复杂而精确的结构，如纳米线、光栅和微透镜阵列等。因而，MG兼具了良好的可加工性与耐磨性，在实际工程领域具有广泛的应用前景。

研究结果

本文基于课题组开发的新型Ir-Ta-Ni-Nb高温块体金属玻璃（下文简称Ta-based BMG），研究了其在室温(RT)至750 ℃高温范围内的磨损行为及机理。本文所使用的的Ta-based BMG区别于传统的MG体系，具有高温高强的特点，其玻璃转变温度（T_g）高达820 ℃，晶化温度（T_x）高达950 ℃，过冷液相区间（ΔT）达到130 K。

图1.实验设置与材料性能

本文首先对比了新型Ta-based BMG与传统的Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅块体金属玻璃（以下简称Zr-based BMG）在室温下的耐磨性（图2）. 可以发现Ta-based BMG在RT的耐磨性远远高于Zr-based BMG. 相同的磨损条件下，Ta-based BMG的磨痕非常轻微，而Zr-based BMG的磨痕则相对非常剧烈。前者的最大磨痕深度为2.1 μm, 后者的则为17.4 μm. 进一步计算可得室温下Ta-based BMG的磨损率约为Zr-based BMG的1/31。

图2. Ta-based BMG与Zr-based BMG在室温下的磨损情况对比

随后，我们对比了Ta-based BMG与Zr-based BMG在200 ℃时的耐磨性。如下图所示，随着温度的升高，两种BMG的磨损均变的剧烈。Ta-based的最大磨痕深度达到2.9 μm，而Zr-based BMG的最大磨痕深度则为28.6 μm, 进一步计算可知200 ℃的Ta-based BMG的磨损率约为Zr-based BMG的1/25。

图3. Ta-based BMG与Zr-based BMG在200 ℃下的磨损情况对比

由于经历200 ℃磨损后，Zr-based BMG磨损剧烈，且破损严重，在实际的应用场景中可认为其已经失效。因此，在后续的400-750 ℃的磨损实验中，我们单独探讨了Ta-based BMG的磨损情况。有趣的是，随着温度从400 ℃升高至750 ℃，磨损体积先增加后减少。机理研究中，实验结果表明这是由于主要的磨损机制发生了变化（详细机理请见原文）。

图4. Ta-based BMG在400-750 ℃下的磨损情况对比

图5. 金属玻璃耐磨性的统计调研

我们统计了迄今为止文献中关于MG耐磨性的研究结果统计。如图5所示，本文所提出的Ta-based BMG的耐磨性明显优于其它已报导的MG（包括块体和涂层）。即使是在750 ℃的高温下，Ta-based BMG的磨损率仍然显著低于其它MG在室温下的磨损率。

详细信息请见原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1gwLb3aX7LRZq8.