《Scripta Materialia》：发现一系列新的富镁块状金属玻璃！

镁及其合金是金属工程材料中密度较低的合金，由于镁的生物相容性，最近被认为是可吸收植入物和生物装置的候选材料。然而，晶体镁合金在体内往往表现出快速的降解率。与晶体镁合金相比，镁基非晶合金或大块金属玻璃(BMGs)往往表现出相当慢的、依赖于成分的降解/离子释放速率，并表现出相当高的强度、弹性应变极限和较低的弹性模量。

在过去的几十年中各种镁基BMG已被大量研究，Mg-Zn-Ca和含有贵金属的BMG系列(如Mg-Pd-Ca/Yb)是现有研究的主要方向，其中Mg、Zn和Ca被认为是营养物质，在规定的离子释放速率内，Yb被发现有利于增强镁基骨髓基质细胞的细胞活力，Pd被认为是可吸收镁基合金中的生物相容性成分。然而，许多镁基BMG有脆性失效的趋势，这是由于它们的原子键合性质和在室温下的渐进结构弛豫。为了提高镁基金属玻璃的延展性进行了许多尝试，已证实富溶剂Mg-Pd-Ca和Mg-Pd-Yb合金能够增强成形性，但是影响机理尚不明确。

 

澳大利亚新南威尔士大学的研究人员开发了一种溶剂型非晶合金的设计方法。Mg₈₇Pd₇Ca₆、Mg_86.5Pd_7.5Ca₆、Mg_86.43Pd_7.69Ca_5.88、Mg_86.5Pd_7.5Yb₆和Mg_86.43Pd_7.69Yb_5.88合金的临界铸造厚度为670-750μm。含钙玻璃的硬度为2.7-3.2GPa，杨氏模量为62-64GPa，密度为2.15-2.35g/cm³，含Yb玻璃的密度为2.81-2.96g/cm³。相关论文以题为“Solvent-rich magnesium-based bulk metallic glasses in the Mg-Pd-Ca  and Mg-Pd-Yb  alloy systems”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114120

研究发现Mg-Pd-Ca系统的几种合金在主要结晶和前一个明显的放热基线转移(0.06-0.08 W/g)结晶后表现出放热曲折，表明与α-弛豫(玻璃化转变)相关的结构弛豫引发主要结晶，类似于其他低相对玻璃形成能力(GFA)的镁基BMGs。在Mg-Pd-Ca和Mg-Pd-Yb玻璃的反晶化过程中，通常会出现三个预期的二元平衡相结晶过程(α-Mg、Mg₆Pd和Mg₂[Ca, Yb])。在Mg_86.5Pd_7.5Ca₆和Mg₈₇Pd₇Ca₆附近的Mg-Pd-Ca体系(约472℃)富镁区发现了普遍的三元共晶反应。Mg₈₅Pd₆Ca₉和Mg₈₅Pd₅Ca₁₀合金具有较低的GFA，其DSC数据显示，Mg₈₅Pd₆Ca₉和Mg₈₅Pd₅Ca₁₀合金在约461℃时开始熔化，与Mg-Pd-Yb合金的熔化温度相似。

 

图1 富溶剂体系的三元相图(a) Mg-Pd-Ca和(b)Mg-Pd-Yb

 

图2 (a) Mg-Pd-Ca和(b) Mg-Pd-Yb样品DSC结果和(c) Mg-Pd-Ca和(d) Mg-Pd-Yb样品XRD结果

 

图3铸态Mg_86.5Pd_7.5Ca₆合金SEM图和成分测定

 

与已报道的具有较高Pd含量的Mg-Pd-Ca/Yb BMG相比，本研究中Mg-Pd-Ca/Yb BMG没有表现出明显的更好延展性，但硬度略高(2.9-3.7 GPa)。根据一般的硬度/强度关系，该硬度接近于850-1100MPa的强度范围。采用纳米压入法测定了Mg_86.43Pd_7.69Ca_5.88和Mg_86.43Pd_7.69Yb_5.88合金的杨氏模量，分别为62.2GPa和63.7GPa，高于常规镁基合金BMG。用纳米压痕法测量了这些合金的硬度值，发现硬度值分别为3.16GPa和2.79GPa，与显微硬度结果基本一致。由于相对较高的溶质含量，特别是较高的Pd溶质，合金密度通常高于结晶镁基合金，但低于典型的高溶质镁基BMG合金。本文发现了一系列新的富镁(块状)金属玻璃，这类金属玻璃的研究对深入了解多簇结构在富溶剂金属玻璃形成中的作用、结构对稳定性的影响以及新准晶富镁相的形成具有重要影响。 （文：破风）

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