与晶体材料不同，金属玻璃的原子按长程顺序随机排列，但在原子尺度上表现出明显的中短程顺序。与类似成分的晶体金属相比，金属玻璃具有明显更高的强度、极高的硬度和优异的弹性性能。在常规铸造工艺中，超过临界铸造厚度1毫米的合金系统被称为大块金属玻璃。例如Zr-, Ti-, Pd-, Pt-, Mg-和Fe-基体系。在这些金属玻璃中，Ti基金属玻璃因高强度和高比强度而具有很大的应用潜力。已知的具有极好的玻璃形成能力和低密度的Ti基金属玻璃的关键问题是有毒元素Be的存在，这阻碍了它们在医疗应用中的应用。其他不含Be的良好玻璃形成能力体系包含元素Pd，受困于其高密度和高成本。
最近，新的含S金属玻璃体系显示出高的玻璃形成能力。在不同共晶合金的基础上，在含S的Ti基体系中得到了不同的玻璃成分。Ti-Zr-Cu-S合金(例如Ti40Zr35Cu17S8)在生物医学应用中特别受关注，因为由于其优异的电化学耐腐蚀性，很少甚至没有金属离子释放到溶液中。S本身属于矿物质，是人体几种氨基酸的重要组成部分。这确保了与人类细胞几乎没有相互作用，因此将它们归类为生物相容性。特别是晶体Ti合金由于具有较高的耐腐蚀性和良好的生物相容性，被广泛应用于骨科修复体和牙科种植体中。然而，它们的主要缺点是与人骨相比弹性模量高，导致植入物的应力屏蔽和松动等影响，而非晶态Ti基金属玻璃的独特结构具有相对较低的弹性模量和较高的屈服强度，使它们成为传统晶体植入物的有希望的替代品。
基于此，德国萨尔大学Lucas M. Ruschel 等人研究了Ti-Zr-Cu-S体系中不同的合金化策略及其对玻璃形成能力、热稳定性和力学性能的影响。通过增强玻璃形成能力来扩大应用领域，结果表明力学性能对微小的成分变化非常敏感。为了加深对所研究合金和Ti基金属玻璃的脆性机制的理解，系统地研究了Ni和Al的添加对断裂行为的影响。研究结果有助于Ti基金属玻璃在生物医学中的应用。相关论文以题为“Development and optimization of novel sulfur-containing Ti-based bulk metallic glasses and the correlation between primarily crystallizing phases, thermal stability and mechanical properties”发表在Journal of Alloys and Compounds上。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838823019175
图1 (a) (Ti33.4Zr33.3Cu33.3)100−xSx (x= 0,2,4,6,8,10)在不同厚度下的XRD谱图; (b)部分结晶试样接近临界铸造厚度; (c)所有非晶态玻璃的DSC曲线。
图2 准三元(Ti,Zr)-Cu-S的玻璃形成相图。
图3(a) 4mm、(b) 5mm铸态样品的X射线衍射图; (c) 相应的的DSC曲线。
图4 Ni元素添加的(a) 4 mm、(b) 5 mm合金的XRD谱图; Al元素添加的(c) 4 mm、(d) 5 mm 合金的XRD谱图; (e)和(f)为相应的DSC曲线。
总之，作者研究了硫对共晶成分Ti33.4Zr33.3Cu33.3合金的玻璃形成能力、热稳定性和力学性能的作用。少量添加硫，玻璃形成临界铸造直径从200µm增加到4mm。在加热时，通过破坏二十面体相的稳定性，提高了热稳定性。在(Ti,Zr)与(Cu,Ni)的比值与达到最高玻璃形成能力所需的理想硫含量之间建立了假定的相关性。采用针对性的合金化策略，得到了玻璃形成能力相同为4 mm但断裂行为具有延性的优化体系Ti36Zr33.5Cu24.5S6。此外，他们还发现了含硫Ti基金属玻璃成形体系的初晶相、热稳定性和力学性能之间的相关性。初生析出相和热稳定性的评估对金属玻璃的力学性能具有较高的信息价值，可作为开发工程取向金属玻璃的重要指标。（文：Keep real）
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