Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Москва, Россия)

И. В. Федотов, доцент кафедры «Физические проблемы материаловедения», канд. техн. наук, fed_ivan@mail.ru
А. В. Абрамов, аспирант кафедры «Физические проблемы материаловедения»
С. М. Терехова, аспирант кафедры «Физические проблемы материаловедения»
И. В. Козлов, доцент кафедры «Физические проблемы материаловедения», канд.физ.-мат.наук
А. А. Иванников, доцент кафедры «Физические проблемы материаловедения», канд. техн. наук
О. Н. Севрюков, доцент кафедры «Физические проблемы материаловедения», канд. техн. наук

Объемные аморфные металлические стекла (ОАМС) обладают рядом уникальных свойств, таких как высокая прочность, износо- и коррозионная стойкость. Однако их применение ограничивается низкой пластичностью и необходимостью высоких скоростей охлаждения для подавления кристаллизации. Перспективным методом повышения пластичности является формирование композиционных аморфно-кристаллических материалов (BMGC), в которых кристаллическая структура повышает пластичность, создавая препятствия на пути распространения полос сдвига. В работе исследовано структурно-фазовое состояние сплава Zr35Ti30Be27,5Cu7,5 % (ат.), полученного методом литья в медные изложницы с диаметром литьевого отверстия 10, 15 и 20 мм. Методами растровой электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии и рентгеновского фазового анализа показано, что слитки диаметром 10 и 15 мм имеют аморфно-кристаллическое строение с эвтектическими выделениями дисперсностью 5–10 мкм и кристаллитами размерами до 2 мкм. В центральной зоне слитка диаметром 20 мм формируется преимущественно кристаллическая структура, тогда как приповерхностный слой толщиной до 500 мкм сохраняет аморфное состояние. Дополнительное охлаждение изложницы жидким азотом повышает толщину аморфного слоя на ~90 мкм, не приводя к формированию полностью аморфной структуры. Численное моделирование показало, что с повышением диаметра скорость охлаждения отливки существенно снижается. Сопоставление результатов моделирования с экспериментом выявило завышение модельных оценок. Определяющее влияние на формирование структуры слитков оказывают геометрические параметры отливки, тогда как критическая скорость охлаждения исследуемого сплава оказывается выше расчетных значений.

Исследование профинансировано Министерством науки и высшего образования РФ в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

1. Biały M., Hasiak M., Łaszcz A. Review on biocompatibility and prospect biomedical applications of novel functional metallic glasses. J. Funct. Biomater. 2022. Vol. 13, Iss. 4. 245.
2. Deng L. et al. Mechanical performance and corrosion behaviour of Zr-based bulk metallic glass produced by selective laser melting. Mater. Des. 2020. Vol. 189. pp. 1–11.
3. Suchkov A. N. et al. Impact of manufacturing method on the properties of bulk amorphous Zr35Ti30Be27.5Cu7.5 alloy. Intermetallics. 2025. Vol. 185, May. 108859.
4. Wang W. H., Dong C., Shek C. H. Bulk metallic glasses. Mater. Sci. Eng. R Reports. 2004. Vol. 44, Iss. 2–3. pp. 45–89.
5. Inoue A., Takeuchi A. Recent development and application products of bulk glassy alloys. Acta Mater. Acta Materialia Inc. 2011. Vol. 59, Iss. 6. pp. 2243–2267.
6. Peter W. et al. Localized corrosion behavior of a zirconium-based bulk metallic glass relative to its crystalline state. Intermetallics. 2002. Vol. 10, Iss. 11–12. pp. 1157–1162.
7. Zhang L. et al. Compressive plastic metallic glasses with exceptional glass forming ability in the Ti – Zr – Cu – Fe – Be alloy system. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 638. pp. 349–355.
8. Lashgari H. R., Ferry M., Li S. Additive manufacturing of bulk metallic glasses: Fundamental principle, current/future developments and applications. J. Mater. Sci. Technol. 2022. Vol. 119. pp. 131–149.
9. Basu J., Murty B. S., Ranganathan S. Glass forming ability: Miedema approach to (Zr, Ti, Hf)–(Cu, Ni) binary and ternary alloys. J. Alloys Compd. 2008. Vol. 465, Iss. 1–2. pp. 163–172.
10. Greer A. L., Ma E. Bulk Metallic Glasses: At the Cutting Edge of Metals Research. MRS Bull. 2007. Vol. 32, Iss. 8. pp. 611–619.
11. Wiest A. et al. Zr – Ti-based Be-bearing glasses optimized for high thermal stability and thermoplastic formability. Acta Mater. 2008. Vol. 56, pp. 2625–2630.
12. Wang W. H. The elastic properties, elastic models and elastic perspectives of metallic glasses. Prog. Mater. Sci. Elsevier Ltd, 2012. Vol. 57, Iss. 3. pp. 487–656.
13. Waniuk T. A. et al. Critical cooling rate and thermal stability of Zr – Ti – Cu – Ni – Be alloys. Applied Physics Letters. 2007. Vol. 1213. 2001.
14. Zong H. et al. Effect of Ag addition on the thermal stability and glassforming ability of Zr35Ti30Cu7.5Be27.5 bulk metallic glass. Chinese Sci. Bull. 2012. Vol. 57, Iss. 11. pp. 1219–1222.
15. Soinila E. et al. A combined arc-melting and tilt-casting furnace for the manufacture of high-purity bulk metallic glass materials. Rev. Sci. Instrum. 2011. Vol. 82. 7.
16. Bakkal M., Karagüzel U., Kuzu A. T. Manufacturing Techniques of Bulk Metallic Glasses. Modern Manufacturing Processes. Wiley. 2019. Vol. first edit. pp. 137–148.
17. Deng Q. et al. Developing a novel high-strength Mg – Gd – Y – Zn – Mn alloy for laser powder bed fusion additive manufacturing process. J. Magnes. Alloy. 2025. Vol. 13, Iss. 8. pp. 3713–3724.
18. Kaltenboeck G. et al. Accessing thermoplastic processing windows in metallic glasses using rapid capacitive discharge. Sci. Rep. 2014. Vol. 4, Iss. 1. 6441.
19. Liu X. et al. Shear band evolution related with thermal annealing revealing ductile-brittle transition of Zr35Ti30Be27.5Cu7.5 metallic glass under complex stress state. Intermetallics. 2022. Vol. 140, Iss. September 2021. 107378.
20. Sohrabi N., Jhabvala J., Logé R. E. Additive manufacturing of bulk metallic glasses—process, challenges and properties: a review. Metals (Basel). 2021. Vol. 11, Iss. 8. 1279.
21. Cai A. H. et al. Relationship between melting enthalpy ΔHm and critical cooling rate Rc for bulk metallic glasses. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 457, Iss. 1–2. pp. 6–12.