Аморфные сплавы Liquidmetal и Vitreloy: свойства и применение.

Введение

Liquidmetal и Vitreloy – коммерческие названия серии аморфных металлических сплавов, разработанных исследовательской группой Калифорнийского технологического института (Caltech) и поставляемых компанией Liquidmetal Technologies. Сплавы Liquidmetal сочетают в себе ряд ценных свойств материала, включая высокую прочность на разрыв, отличную коррозионную стойкость, очень высокий коэффициент восстановления после удара и превосходные износостойкие характеристики, при этом они способны формоваться при нагревании в процессах, аналогичных обработке термопластов. Несмотря на название, они не находятся в жидком состоянии при комнатной температуре. Liquidmetal был представлен для коммерческого использования в 2003 году. Он применяется, в частности, для изготовления клюшек для гольфа, часов и корпусов мобильных телефонов. Сплав стал результатом исследовательской программы по аморфным металлам, проведенной в Caltech. Он был первым из серии экспериментальных сплавов, способных формировать аморфную структуру при относительно медленных скоростях охлаждения. Аморфные металлы создавались и ранее, но только небольшими партиями, поскольку требовались скорости охлаждения в миллионах градусов в секунду. Например, аморфную проволоку можно было получать методом быстрого охлаждения струи расплавленного металла на вращающемся диске. Благодаря Vitreloy стало возможным использовать такие медленные скорости охлаждения, что позволило производить более крупные партии. В последнее время в ассортимент Liquidmetal было добавлено несколько дополнительных сплавов. Эти сплавы также сохраняют свою аморфную структуру после многократного нагрева, что позволяет использовать их в широком спектре традиционных процессов обработки.

Характеристики

Жидкий металл, созданный доктором Атаканом Пекером, содержит атомы значительно различающихся по размеру. Они формируют плотную смесь с низким свободным объемом. В отличие от кристаллических металлов, в нём отсутствует чёткая температура плавления, при которой вязкость резко падает. Витрелой ведёт себя подобно другим стёклам: его вязкость постепенно снижается с повышением температуры. При высокой температуре он проявляет пластичность, что позволяет относительно легко контролировать механические свойства в процессе литья. Вязкость препятствует перемещению атомов в достаточной степени для формирования упорядоченной кристаллической решётки, поэтому материал сохраняет свои аморфные свойства даже после формования под воздействием тепла. Сплавы обладают относительно низкой температурой размягчения, что позволяет отливать сложные формы без последующей обработки. Свойства материала сразу после литья значительно превосходят свойства обычных металлов; как правило, литые металлы имеют худшие характеристики, чем кованые или прокатные. Сплавы также ковкие при низких температурах (для ранних составов) и могут быть отлиты в формы. Низкий свободный объем также приводит к незначительной усадке при охлаждении. По всем этим причинам Liquidmetal можно формовать в сложные формы, используя процессы, аналогичные обработке термопластов, что делает его потенциальной заменой для многих областей применения, где обычно используются пластики. Благодаря своей некаристаллической (аморфной) структуре, жидкие металлы тверже сплавов титана или алюминия аналогичного состава. Сплавы Liquidmetal на основе циркония и титана достигают предела прочности более 1723 МПа, что почти вдвое превышает предел прочности обычных кристаллических титановых сплавов (Ti6Al4V составляет около 830 МПа) и сопоставимо с прочностью высокопрочных сталей и некоторых высокотехнологичных объемных композитных материалов (см. предел прочности на растяжение для списка распространенных материалов). Однако ранние методы литья приводили к образованию микроскопических дефектов, которые являлись отличными очагами зарождения трещин, что делало Витрелой хрупким, как стекло. Несмотря на свою прочность, эти ранние партии легко разрушались при ударе. Более современные методы литья, корректировка состава сплавов и другие изменения улучшили эту характеристику. Отсутствие границ зерен способствует высокой прочности на текучесть (и, следовательно, устойчивости к деформациям). В демонстрационном эксперименте металлическая сфера, упавшая на аморфную сталь, отскакивала значительно дольше, чем та же сфера, упавшая на кристаллическую сталь. Отсутствие границ зерен в металлическом стекле устраняет коррозию по границам зерен – распространенную проблему в высокопрочных сплавах, полученных методом искусственного старения и чувствительных нержавеющих сталей. Поэтому сплавы Liquidmetal, как правило, более устойчивы к коррозии как благодаря своей механической структуре, так и элементам, входящим в их состав. Сочетание механической твердости, высокой эластичности и коррозионной стойкости делает Liquidmetal износостойким. Хотя при высоких температурах пластическая деформация происходит легко, при комнатной температуре она практически не происходит до момента катастрофического разрушения. Это ограничивает применение материала в областях, критичных к надежности, поскольку приближение разрушения не очевидно. Материал также подвержен металлической усталости и росту трещин. Двухфазная композитная структура с аморфной матрицей и пластичной дендритной кристаллической фазой в качестве армирующего элемента, или металлическая матрица, усиленная волокнами из другого материала, может уменьшить или устранить этот недостаток.

Liquidmetal, created by Dr. Atakan Peker, contain atoms of significantly different sizes. They form a dense mix with low free volume. Unlike crystalline metals, there is no obvious melting point at which viscosity drops suddenly. Vitreloy behaves more like other glasses, in that its viscosity drops gradually with increased temperature. At high temperature, it behaves in a plastic manner, allowing the mechanical properties to be controlled relatively easily during casting. The viscosity prevents the atoms moving enough to form an ordered lattice, so the material retains its amorphous properties even after being heat formed. The alloys have relatively low softening temperatures, allowing casting of complex shapes without needing finishing. The material properties immediately after casting are much better than those of conventional metals; usually, cast metals have worse properties than forged or wrought ones. The alloys are also malleable at low temperatures ( for the earliest formulation), and can be molded. The low free volume also results in low shrinkage during cooling. For all of these reasons, Liquidmetal can be formed into complex shapes using processes similar to thermoplastics, which makes Liquidmetal a potential replacement for many applications where plastics would normally be used. Due to their non crystalline (amorphous) structures, Liquidmetals are harder than alloys of titanium or aluminum of similar composition. The zirconium and titanium based Liquidmetal alloys achieved yield strength of over 1723 MPa, nearly twice the strength of conventional crystalline titanium alloys (Ti6Al4V is ~830 MPa), and about the strength of high strength steels and some highly engineered bulk composite materials (see tensile strength for a list of common materials). However, the early casting methods introduced microscopic flaws that were excellent sites for crack propagation which led to Vitreloy being fragile like glass. Although strong, these early batches shattered easily when struck. Newer casting methods, adjustments of the alloy mixtures and other changes have improved this. The lack of grain boundaries contributes to the high yield strength (and thereby resilience) exhibited. In a demonstration, a metal sphere dropped on amorphous steel bounced significantly longer than the same metal sphere dropped on crystalline steel. The lack of grain boundaries in a metallic glass eliminates grain boundary corrosion—a common problem in high strength alloys produced by precipitation hardening and sensitized stainless steels. Liquidmetal alloys are therefore generally more corrosion resistant, both due to the mechanical structure as well as the elements used in its alloy. The combination of mechanical hardness, high elasticity and corrosion resistance makes Liquidmetal wear resistant. Although at high temperatures, plastic deformation occurs easily, almost none occurs at room temperature before the onset of catastrophic failure. This limits the material's applicability in reliability critical applications, as the impending failure is not evident. The material is also susceptible to metal fatigue with crack growth. A two phase composite structure with amorphous matrix and a ductile dendritic crystalline phase reinforcement, or a metal matrix composite reinforced with fibers of other material can reduce or eliminate this disadvantage.

Применение

Жидкий металл сочетает в себе ряд свойств, которые обычно не встречаются в каком-либо одном материале. Это делает его полезным в самых разных областях применения. Одним из первых коммерческих применений Liquidmetal стало использование в гольф-клубах, производимых самой компанией, где высокоэластичный металл применялся в части лицевой поверхности клюшки. Эти клюшки получили высокую оценку пользователей, но впоследствии производство было прекращено, отчасти из-за того, что прототипы разрушались менее чем после 40 ударов. С тех пор Liquidmetal стал использоваться в другом спортивном снаряжении, включая ядра мячей для гольфа, лыжи, биты для бейсбола и софтбола, а также теннисные ракетки. Способность к литью и формованию в сочетании с высокой износостойкостью также привела к тому, что Liquidmetal стал использоваться в качестве замены пластику в некоторых областях. Он применялся в корпусе поздних моделей USB-накопителей SanDisk "Cruzer Titanium", а также в линейке MP3-плееров Sansa, основанных на флэш-памяти, и в корпусах некоторых мобильных телефонов, таких как роскошные Vertu и другая усиленная потребительская электроника. Liquidmetal использовался в стоматологическом лазере Biolase Ilase и сканере штрих-кодов Socketmobile. Также Liquidmetal применялся для изготовления инструмента для извлечения SIM-карты в некоторых iPhone 3G, произведенных Apple Inc. и поставляемых в США. Apple сделала это в качестве эксперимента для оценки целесообразности использования металла. Он дольше сохраняет поверхность без царапин, чем конкурирующие материалы, при этом может быть изготовлен в сложных формах. Те же качества позволяют использовать его в качестве защитных покрытий для промышленного оборудования, включая бурильные трубы для нефти и котлы электростанций. Он также заменяет титан в различных областях, от медицинских инструментов и автомобилей до военной и аэрокосмической промышленности. В военных целях стержни из аморфных металлов заменяют обедненный уран в кинетических бронебойных снарядах. Пластины из Liquidmetal использовались в массиве ионных коллекторов солнечного ветра в космическом зонде Genesis.

Лицензионное использование

Apple Inc. приобрела бессрочную и исключительную лицензию на использование технологий, разработанных после 2010 года, в потребительской электронике. Swatch Group получила исключительную лицензию на использование сплавов Liquidmetal, разработанных после 2010 года, в своих часовых изделиях.