Penerapan unsur tanah jarang Y, Gd, dan Sc
dalam paduan amorf berbasis tembaga zirkonium
Karena sifat magnetik dan listrik yang unik dari unsur tanah jarang dan senyawanya, unsur tanah jarang memiliki beragam aplikasi dalam paduan amorf. Paduan amorf berbasis tembaga zirkonium dalam paduan amorf memiliki sifat kekuatan dan kekerasan tinggi yang baik. Menurut penelitian terbaru, menambahkan unsur tanah jarang dalam jumlah yang sesuai dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan pembentukan kaca dan stabilitas termal paduan amorf, dan juga dapat mengurangi biaya produksi. Oleh karena itu, cara membuat unsur tanah jarang memainkan peran yang lebih besar dalam tembaga berbasis zirkonium. paduan amorf telah menjadi hotspot penelitian saat ini.
1. Sifat fisika dan kimia unsur tanah jarang
(1) Unsur tanah jarang memiliki aktivitas kimia yang kuat dan dapat bereaksi dengan pengotor seperti oksigen dan belerang dalam paduan untuk membentuk senyawa stabil, sehingga berperan sebagai pemurnian.
(2) Unsur tanah jarang dapat meningkatkan rasio ukuran atom dan energi antarmuka padat-cair pada paduan, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap kristalisasi dan meningkatkan kemampuan pembentukan kaca pada paduan.
(3) Penambahan unsur tanah jarang dapat memperhalus struktur paduan.
2. Penerapan unsur tanah jarang Y pada paduan amorf berbahan dasar tembaga zirkonium
Zr dan Cu memiliki afinitas terhadap oksigen, sedangkan unsur tanah jarang Y memiliki afinitas oksigen yang lebih kuat dibandingkan Cu dan Zr. Entalpi pembentukan oksida Y sekitar 1903,6 kJ/mol, sedangkan entalpi pembentukan oksida Cu dan Zr sekitar 157,3 kJ/mol dan 1102,3 kJ/mol. Entalpi pembentukan oksida Y lebih besar dibandingkan dengan oksida Cu dan Zr, sehingga unsur tanah jarang Y lebih mudah bereaksi dengan oksigen. Y dapat secara efektif menghilangkan oksigen dalam proses eksperimental dan matriks paduan, dan oksida Y pada permukaan lelehan logam tidak mempengaruhi paduan matriks, yang dapat memurnikan paduan dan mengurangi efek buruk heterojungsi pada kemampuan pembentukan kaca. inti. Oleh karena itu, unsur tanah jarang Y dapat meningkatkan kemampuan pembentukan amorf dari paduan tersebut. Penambahan unsur tanah jarang Y juga mempunyai efek memperbaiki struktur organisasi, meningkatkan sifat mekanik, dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi.
Telah banyak penelitian mengenai pengaruh penambahan unsur tanah jarang Y pada sistem paduan amorf berbasis tembaga zirkonium terhadap kemampuan membentuk sifat amorf dan mekanik. Shan Shengfeng dkk. menemukan bahwa jika kandungan unsur tanah jarang Y adalah 1.0% (fraksi atom), paduannya bersifat amorf; Ketika kandungan unsur Y 1,5% (fraksi atom), nanokristalisasi diinduksi, dan kuat tekan paduan mencapai 1990MPa; Setelah menambahkan Y, jumlah pita geser pada permukaan patahan paduan meningkat, dan jalinan pita geser menghalangi deformasi yang tidak merata, sehingga meningkatkan plastisitas dan kekuatan paduan. Sun Bo menemukan bahwa penambahan unsur tanah jarang Y mula-mula meningkatkan dan kemudian menurunkan kemampuan pembentukan amorfnya. Penambahan Y dalam jumlah yang tepat dapat meningkatkan kemampuan pembentukan amorf sistem paduan Cu47Zr47Al6.
2. Pengaruh unsur tanah jarang Gd terhadap sifat paduan amorf berbasis tembaga zirkonium
Menambahkan unsur tanah jarang Gd dalam jumlah yang sesuai ke paduan amorf berbasis tembaga zirkonium dapat meningkatkan interaksi antara atom kecil dan besar, yang meningkatkan jarak atom paduan amorf berbasis tembaga zirkonium, mengubah wilayah keteraturan jarak pendek dan susunan atomnya, meningkatkan kepadatan atom dalam paduan, dan membuat difusi jarak jauh menjadi sulit. Pertumbuhan butiran dalam paduan selama kristalisasi dikendalikan oleh difusi dalam pertumbuhan tiga dimensi. Oleh karena itu, penambahan unsur tanah jarang mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap stabilitas termal, kemampuan pembentukan kaca, dan struktur susunan atom paduan amorf, serta dapat mengubah kekerasan mikro paduan amorf.
Banyak juga penelitian tentang pengaruh penambahan unsur tanah jarang Gd pada sistem paduan amorf berbasis tembaga zirkonium terhadap kemampuan pembentukan kaca dan sifat mekanik. Seperti Sun Yajuan dkk. ditemukan, menambahkan unsur tanah jarang Gd dalam jumlah yang sesuai ke paduan Zr50.7Cu28Ni9Al12.3 dapat memiliki efek deoksigenasi, sedikit meningkatkan ukuran amorf dan meningkatkan stabilitas lelehan yang kurang dingin, mengurangi perbedaan energi bebas, sehingga meningkatkan kemampuan pembentukan kaca dari paduan amorf. Liang Shunxing dkk. menganalisis pengaruh unsur tanah jarang Gd terhadap perubahan struktur, kemampuan pembentukan, dan stabilitas termal paduan amorf berbasis tembaga zirkonium. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan Gd meningkatkan jarak atom rata-rata paduan amorf dan mengubah susunan atomnya. Zhang Yongzhang menemukan bahwa kekerasan mikro sampel paduan berubah seiring dengan penambahan dan kandungan unsur tanah jarang. Ketika logam tanah jarang Gd ditambahkan, kekerasan mikro sampel paduan amorf lebih besar, dan perubahan jumlah logam tanah jarang Gd yang ditambahkan memiliki pengaruh kecil pada kekerasan mikro paduan.
3. Penerapan unsur tanah jarang Sc pada paduan amorf berbahan dasar tembaga zirkonium
Dalam lelehan paduan, oksigen ada dalam bentuk inti atau cluster nukleasi ZrO2. Setelah menambahkan unsur tanah jarang Sc ke paduan amorf, oksigen akan ada dalam bentuk Sc2O3 yang lebih stabil, dan Sc2O3 tidak akan menjadi inti nukleasi heterogen dalam paduan amorf. Dengan menambahkan unsur tanah jarang Sc, stabilitas paduan amorf di wilayah fase cair superdingin ditingkatkan, dan kemungkinan transformasinya menjadi kristal berkurang. Oleh karena itu, kemampuan pembentukan kaca dari paduan amorf ditingkatkan. Selain itu, menambahkan unsur tanah jarang Sc dalam jumlah yang tepat dapat secara signifikan meningkatkan ukuran pembentukan amorf maksimum paduan amorf, tetapi akan mengurangi ketahanan terhadap korosi. Helin dkk. menemukan bahwa unsur tanah jarang Sc dapat meningkatkan ukuran formasi amorf maksimum paduan Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5, tetapi dampaknya terhadap stabilitas termalnya relatif kecil. Dan ditemukan juga bahwa penambahan Sc dapat mengurangi energi aktivasi kristalisasi paduan, tetapi meningkatkan konstanta waktu inkubasi kristalisasi dan mengurangi faktor frekuensi kristalisasi. Efek gabungan dari kedua faktor ini memperpanjang masa inkubasi kristalisasi paduan, meningkatkan kecenderungan pendinginan rendah, dan meningkatkan kemampuan pembentukan amorf. Li Yang dkk. menemukan dalam penelitian mereka bahwa penambahan unsur tanah jarang Sc dapat mengubah struktur fasa dan struktur mikro paduan amorf Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5 di zona transisi kristal amorf, sehingga secara signifikan meningkatkan kemampuan pembentukan kacanya.
4. Kesimpulan
Unsur tanah jarang Y, Gd, dan Sc semuanya memiliki afinitas oksigen yang kuat dan dapat memurnikan lelehan paduan, mengurangi efek buruk nukleasi heterogen, dan meningkatkan stabilitas termalnya. Oleh karena itu, mereka dapat meningkatkan kemampuan pembentukan amorf paduan amorf berbasis tembaga zirkonium. Penambahan unsur tanah jarang Gd dapat meningkatkan kekerasan mikro paduan amorf, namun perubahan jumlah Gd yang ditambahkan memiliki pengaruh yang kecil terhadap kekerasan mikro. Selain itu, penambahan unsur tanah jarang Y dapat sedikit mengurangi kekerasan mikro paduan amorf. Penambahan unsur tanah jarang Sc dapat menyebabkan penurunan ketahanan korosi pada paduan amorf tembaga zirkonium, sedangkan penambahan unsur tanah jarang Y dapat meningkatkan ketahanan korosi pada paduan amorf tembaga zirkonium. Pemilihan dan kombinasi unsur tanah jarang yang wajar dapat meningkatkan kinerja paduan amorf berbasis tembaga zirkonium dengan lebih baik.