TM-Gd合金系非晶形成能力的热力学研究(Ⅱ)

王 嵬，刘艇安，付振波，刘 畅，张万友，郭博闻

(1.东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林 132012；2.天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

TM-Gd合金系非晶形成能力的热力学研究(Ⅱ)

王 嵬1，刘艇安1，付振波1，刘 畅2，张万友1，郭博闻1

(1.东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林 132012；2.天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

在Fe-Gd二元系合金体系的热力学优化评估的基础之上，应用CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram) 技术，研究此二元非晶合金的玻璃形成能力。本文分析了700 K、800 K时Fe-Gd合金中各元素含量对非晶形成能力的影响，预测了非晶形成的最优成分，计算过冷液相中的结晶相形成驱动力。通过与部分实验和非晶共晶点准则的比较可见，本文所做的热力学分析对此二元合金的非晶制备具有一定的理论指导意义。

Fe-Gd非晶合金；CALPHAD技术；玻璃形成能力

Fe与稀土元素、其他过渡族元素、Al等形成的铁基、铝基非晶合金，因其高强度、独特的磁性特点，使其在软磁材料和“非晶钢”等功能材料和结构材料领域具有广泛的应用前景。针对目前该类非晶合金玻璃形成能力的局限，本文从热力学分析为基础，对非晶合金的制备提供一定的理论指导。

从热力学角度分析非晶合金的玻璃形成能力是研究非晶合金的重要方面之一，依驱动力准则，非晶合金在过冷液态中应呈现出的结晶驱动力越低，则玻璃形成能力越高，即在驱动力曲线的局部最小值位置，非晶形成能力最强。北京科技大学的李长荣教授应用CALPHAD技术，以合金热力学评估的特征函数为基础，对非晶合金体系的玻璃形成能力进行热力学分析[1]。本文以此法，对Fe-Gd二元合金体系的过冷液相中所有结晶相形成驱动力进行热力学研究。结合前期对Co-Gd二元合金体系[2]及其它体系的热力学研究，将共同对相关非晶合金体系进行理论预测.

1 Fe-Gd二元合金系热力学特征函数分析

1995年Liu等[3]由当时的大多数实验数据对Fe-Gd二元系进行了热力学评估，其中的四个金属间化合物(Fe17Gd2、Fe23Gd6、Fe2Gd和Fe3Gd)均被处理为严格计量比化合物。2000年Zinkevich等[4]对Fe-Gd二元系进行了重新评估，其目的是将金属间化合物Fe17Gd2的高温、低温转变及hcp(Gd)相中Fe的溶解考虑在内。2012年Wang等[5]在评估三元系Co-Fe-Gd时，将金属间化合物(CoxFe1-x)17Gd2和(CoxFe1-x)5Gd的模型设为(Co2，Fe2，Gd)(Co2，Gd)2(Co，Fe)15，为了使Fe-Gd二元系中的相应金属间化合物的模型和三元系相匹配(其模型设为(Fe2，Gd)Gd2Fe15)，也顺带对Fe-Gd二元系进行了重新评估，此评估即为本文工作的基础。

总结以上工作，Fe-Gd二元系包括如下不同的相：液相为Liq或L；端际固溶体相为fcc(Fe)、hcp(Fe)、bcc(Gd)、hcp(Gd)；严格化学计量比化合物相为Fe17Gd2、Fe23Gd6、Fe2Gd及Fe3Gd。

本研究所采用的Fe-Gd二元计算相图见图1。

图1 最新评估的Fe-Gd二元相图[4]及其与实验数据的对比

图1中的Fe-Gd二元系等温转变反应的温度和成分如表1。

从图1及表1中的数据可见，其中对应的共晶点成分、反应温度及反应类型：73.85at.%Gd(1 105 K，liq.→Fe2Gd+hcp(A3))。

2 最优非晶形成成分预测

Buschow[6]以熔融纺丝法制备Gd-Fe非晶合金，其成分有Gd68Fe32、Gd60Fe40和Gd50Fe50。差示扫描仪和X射线衍射对结晶化的行为研究表明，Gd-Fe非晶合金的玻璃形成的最强趋势无需在共晶成分。Petkov等[7]以X射线衍射法，研究了熔体-淬火的Gd-Fe非晶合金(GdxFe100-x(x=22，33，56))的全原子分布函数。将实验配位数和根据统计分布原子所得的简单模型所做的预测进行比较，以此比较发现，低Gd成分(x=22)时，Gd-Fe非晶合金可很好的由几乎是统计分布的Gd和Fe原子表示，在较高的Gd成分(x=33，56)时，Gd-Fe非晶合金有轻微的显微偏析的趋势。有鉴Gd-Fe非晶合金磁性薄膜可提供稳定的磁畴，Cuomo等[8]由溅射法制备Gd-Fe非晶薄膜，并提供了具体的制备条件和参数。研究表明，Gd-Fe非晶合金的制备可在较宽的成分范围形成非晶态，此合金具高的磁致伸缩常量，且在应力下的各向异性场的大小的调节较易实现。由其表现出的高磁光转速，因而，较易实现光学的研究。Kaczmarek等[9]通过闪蒸技术制备Gd-Fe非晶合金薄膜，薄膜厚度大多在200 nm，合金成分为GdxFe1-x(0.20≤x≤0.40)，并将此非晶以铁磁共振(FMR)进行表征。Komatsu和Fukamichi[10]以高速直流溅射法制备铁-稀土非晶合金，并在低温下测定合金的矫顽力。矫顽力相对浓度的关系可由随机磁各向异性模型解释。因由S态的Gd离子价态变化，故Fe-Gd非晶合金表现出不大的矫顽力。Imamura等[11]用少量钆粉部分覆盖的铁靶以射频共溅射法制备非晶GdxFe1-x(0

表1 Fe-Gd二元系的等温转变反应的温度和成分计算值和实验值的比较

根据上述文献简述的综合考虑，本文分别计算了800 K和700 K时全部成分范围内过冷液相中所有结晶相的形成驱动力。图2和3为计算得到的Fe-Gd合金过冷液相中所有结晶相在800 K和700 K时形成驱动力随成分的变化关系。从图中可见，在全部成分范围内出现了金属间化合物Fe2Gd和hcp的驱动力最小值，表2列出了800 K和700 K时局部最小值点的成分和结晶相驱动力的数值，当温度改变时，各点成分的变化不大，结晶相驱动力有一定的变化。文献中提及，Fe-Gd非晶合金的成分在较宽泛的成分范围中可广泛形成，本计算的预测成分范围对强非晶形成的合金成分的选择有一定的指导意义。

图2 Fe-Gd二元合金800K时过冷液相中结晶相形成驱动力图3 Fe-Gd二元合金700K时过冷液相中结晶相形成驱动力

表2 Fe-Gd二元合金驱动力曲线的局部最小值点

3 结 论

在功能材料和结构材料领域，铁基、铝基合金因其独特的磁性、优良的力学及强耐蚀性等优点，成为具有良好应用前景的金属材料。但因合金的两次晶化温度区间过窄，非晶相居里温度偏低等原因，使其非晶形成能力受限。

本文应用CALPHAD技术，以Fe-Gd二元体系的非晶形成能力为研究对象，计算了该体系在800 K和700 K时过冷液相中的结晶相形成驱动力，并预测了非晶形成的最优成分。通过与实际非晶合金体系玻璃形成能力的比较，此热力学分析对相关非晶合金体系的合金设计具有一定的理论指导意义。

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Thermodynamic Investigation on the Glass-forming Ability of the Co-Gd Alloy System

WANG Wei1，FU Zhen-bo1，LIU Chang2，ZHANG Wan-you1，GUO Bo-wen1，LIU Ting-an1

(1.School of Chemical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Tianjin SDIC Jinneng Electric Power Co.，Ltd.，Tianjin 300480)

The glass-forming ability (GFA) of the Fe-Gd amorphous alloy was analyzed，on the basis of the thermodynamic description of the ternary alloy system，by means of CALPHAD technique.This work was aimed at forecasting the composition of glass-forming，calculating the driving forces for the formations of all crystalline phases of supercooled liquid states.In comparison with some experiments and the deep eutectic point，it was found that this thermodynamic analysis can provide a certain theoretical guiding significance for fabrication of the ternary amorphous alloy.

Fe-Gd amorphous alloy；CALPHAD technique；Glass-forming ability (GFA)

2014-10-08

吉林省科技厅科技发展计划项目(20140520100JH,20140204043GX)；吉林市科技局指导性科技计划(201467008)；东北电力大学博士科研启动基金(BSJXM-201224)

王 嵬(1980-)，男，东北电力大学化学工程学院讲师，博士，主要研究方向：合金设计与金属腐蚀.

1005-2992(2014)06-0043-04

TG111.3

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