铌元素对Ni-Co-W-B金属玻璃热稳定性的动力学调控机制及性能提升研究

本研究针对Ni-Co-W-B金属玻璃体系工业应用受限问题，通过添加6 at.% Nb优化合金成分，结合Kissinger动力学方程构建连续加热相图。结果表明，Nb的引入使临界铸造厚度从0.5 mm提升至1.5 mm，玻璃形成能力（GFA）提高3倍，并通过提高局部活化能延缓结晶过程，为工业级气雾化粉末生产提供了新思路。

　　

在材料科学领域，金属玻璃因其独特的非晶态结构展现出卓越的机械性能和耐腐蚀性，但低玻璃形成能力（GFA）始终是制约其工业应用的瓶颈。特别是Ni-Co-W-B体系，虽具有高达3.81 GPa的屈服强度，却因高熔点钨元素导致熔炼困难。更棘手的是，现有冷却技术难以满足其临界冷却速率需求——这就像试图在悬崖边停车，稍有不慎就会坠入结晶化的深渊。

针对这一挑战，土耳其科学技术研究理事会（TUBITAK）支持的团队开展了一项创新研究。他们巧妙引入熔点较低的铌（Nb）部分替代钨，通过"合金手术"降低液相线温度（T_l），同时利用Nb与W的完全互溶性保持性能优势。这项发表在《Journal of Non-Crystalline Solids》的工作，揭示了Nb对非晶合金热稳定性的动力学调控机制。

研究采用真空电弧熔炼制备Ni_32.75Co_22.55W_23.7B₁₅Nb₆（Nb6）和对比合金，通过差示扫描量热法（DSC）在非等温条件下分析热行为，结合Kissinger方程构建连续加热转变（CHT）图。等温热处理验证非晶-晶相边界，X射线衍射（XRD）定量评估GFA提升效果。

实验结果揭示三大突破：

1. 热力学行为改变：DSC显示Nb6合金的玻璃转变温度（T_g）和结晶峰（T_p）向高温区移动，且双阶段结晶过程活化能显著提高，表明Nb阻碍原子扩散。
2. 工业参数优化：Nb添加使液相线温度降低约200°C，γ参数（T_x/(T_g+T_l)）提升，临界铸造厚度从0.5 mm跃升至1.5 mm，满足工业气雾化生产的冷却条件。
3. 动力学机制解析：CHT图中初生结晶相边界线同时向更高温度和更长时间方向移动，证实Nb通过提高形核势垒延缓结晶。

这项研究的创新性在于将冶金设计与动力学分析相结合。通过引入Nb不仅解决了高熔点金属加工难题，更通过提高局部活化能构建了"能量壁垒"，使合金在更宽温度-时间窗口保持非晶态。这种"一石二鸟"的策略，为开发适用于热喷涂涂层和增材制造的金属玻璃粉末提供了新范式。正如作者Ziya Ozgur Yazici在专利中揭示的，该成果已成功应用于工业级气雾化生产，标志着Ni基非晶合金从实验室走向产业化的重要突破。

研究同时提出了值得深究的科学问题：Nb的添加是否改变了晶化相的择优取向？其对电子结构的影响如何进一步调控机械性能？这些问题的探索或将开启非晶合金设计的新篇章。正如团队在结论中强调的，这项工作不仅提供了特定合金体系的优化方案，更为解决"高熔点元素悖论"——即高强度需求与加工可行性之间的矛盾，提供了普适性的研究思路。