室温でのバルクアモルファス合金のインプリント

Scientific Reports volume 5、記事番号: 16540 (2015) この記事を引用

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室温での単純な一軸圧縮荷重による脆性バルクアモルファス合金の塑性変形挙動に関する研究を紹介します。 パターニングは、熱エネルギーや高温での成形を必要とせずに、均一な流れを制御することにより、一般に脆い Hf ベースのバルクアモルファス合金を冷間塑性成形することによって可能です。 実験的証拠は、アモルファス合金の巨視的可塑性と変形能の間には矛盾があることを示唆しています。 さらに、パターン化されたバルクアモルファス合金を型として使用することにより、Cu箔およびZrベースの金属ガラスへの特定の幾何学的特徴のインプリントが表現されます。 これらの結果は、アモルファス合金または金属ガラスが、従来の金属と他のアモルファス合金の両方にパターニング特徴を正確に複製できることを実証しています。 私たちの研究は、熱可塑性成形に伴うアモルファス合金の脆化を回避する方法を提示し、熱処理を使用せずに室温でバルクアモルファス合金を成形する応用についての新たな洞察をもたらします。

熱機械成形および成形処理は、鋼、真鍮などの従来の結晶性金属合金を工学用途に活用するために使用されるよく知られた冶金プロセスです1、2、3。 ただし、結晶質金属材料は粒子による表面粗さの制限のため、高精度部品には理想的には適していません。 アモルファス合金、特に金属ガラス (MG) は、本質的に粒界が存在しないという優れた機械的特性と組み合わせて、微細スケールのインプリンティングまたはパターニング材料として非常に魅力的です3、4、5、6、7。 均一な流れによる過冷却液体領域（ガラス転移温度 Tg と結晶化温度 Tx の間）での金属ガラスの熱可塑性成形 (TPF) プロセスは、ガラス状金属を成形するために最も一般的に利用されています。 たとえば、早乙女ら。 は、Pt ベースの金属ガラスの微細成形による 3 次元構造の構成方法を開発しました 8,9。 クマールら。 Hasan らは、Pt ベースの金属ガラスの TPF を通じて原子レベルの表面平滑性を取得しました。 は、機能的用途のための TPF による Pt ベースの金属ガラスのパターニングを実証しました。 は、それぞれ、TPF プロセスによる Pd ベースの金属ガラス上への回折格子のナノインプリンティングを示しました 10、11。 さらに、半球シェル共振器の製造のための Zr ベースの金属ガラスと Pt ベースの金属ガラスの熱可塑性ブロー成形によって達成可能なひずみ速度と重要な形状が Schroers らによって報告されました 12,13。 さらに、Chiu ら。 Zr ベースの金属ガラスの物体を作成するための熱可塑性押出法に対する加工パラメーターの影響を調査しました。

しかし、室温 (RT) でのバルクアモルファス合金の塑性流動は通常不均一に発生し、狭いせん断帯に局在化して壊滅的な破壊を引き起こします 4、5、6、7、15。 その結果、バルクのアモルファス合金は、室温で結晶質合金と比較して巨視的な脆性または限られた可塑性を示します。 バルクアモルファス合金の信頼性を高めるためには、工学用途での利用において塑性の向上が重要な課題となります。 成形用途で必要とされるバルクアモルファス合金の実質的な変形能力を達成する最も一般的な方法は、次のとおりであることが広く受け入れられています。 1) 延性の第 2 相 (結晶粒子など) を追加する 16,17, 2) 変形形状を制限して、次のことを行います。せん断バンドはサンプル中を伝播して破損を引き起こすことができません3、18、または3）過冷却液体領域またはその近くで処理温度を上げ、高温での粘性流（均一な変形）挙動、つまりTPFを利用します2、3。 アプローチ 1 と 2 の主な制限は、多量のせん断帯の生成に依存していることであり、これは成形用途の表面に悪影響を及ぼします 2。 アプローチ 3 ではせん断帯の形成を防ぐことができますが、アモルファス合金がガラス転移温度 Tg 以上またはその付近で再加熱されると、準安定過冷却液体に緩和され、最終的には結晶化します。 特に、脆化は、Tg 未満のアニーリング (構造緩和) と Tg を超えるアニーリングの両方によって引き起こされます。 Tg 未満のアニーリングによって引き起こされる脆化は、Tg を超える短時間のアニーリングによって TPF 中に回復または回避できますが、これらの熱プロセスの制御は困難な場合があります 19。 代わりに、過剰なアニーリングによる結晶化が Tg を超える脆化の原因であることが確認されており、結晶化プロセスの初期段階でさえ重大な脆化を引き起こすことがよくあります 19、20、21。