非晶合金配变更换专项行动方案

第一篇：非晶合金配变更换专项行动方案

非晶合金配变更换专项行动方案

一、编制依据

非晶合金配变更换专项行动是依据公司六届一次职代会暨2011年工作会议葛总工作报告内容而编制。

二、行动目标

根据发展策划部2011年资金计划安排，将五市公司的7024台S7、S9型公用配电变压器（其中S7型1650台、S9型5374台）分三批次逐步更换为非晶合金配电变压器。

按照发展策划部4000万资金预安排，第一批次按照各市S7型配电变压器现有数量的比例，对五市公司的720台S7型配电变压器进行更换，其中市公司325台，*公司55台，*公司100台，*公司70台，*公司170台。

第二批次资金需求量为1.5亿元左右，如资金落实，按照各市S7、S9型配电变压器现有数量的比例，对五市公司的其余930台S7型、1770台S9型配电变压器和进行更换，其中市公司S7型421台、S9型1080台，*公司S7型69台、S9型300台，*S7型130台、S9型120台，*S7型88台、S9型100台，*S7型222台、S9型185台170台。

第三批次资金需求量为2亿元左右，如资金落实，按照各市S9型配电变压器现有数量的比例，对五市公司的其余3604台S9型配电变压器和进行更换，其中市公司2200台，*公司600台，*公司250台，*公司210台，*公司344台。

三、组织机构

非晶合金配变更换专项行动项目组 组 长： 副组长： 成 员：

职 责：

1．负责制定专项行动的实施计划、方案、措施，经专项行动领导小组审定通过后按进度执行。

2．负责对资产处理、物资调拨等关键问题协调解决。3．负责专项行动的组织实施。4．按照专项行动进度计划，分阶段对专项行动开展情况进行督导考核。5．总结本专业范围内专项行动工作成效和经验，并提出改进提升建议。

四、实施步骤

第一阶段：项目启动（1月—2月中旬）

1.营销部制定印发非晶合金配变更换专项行动计划及实施方案，项目启动。2．成立非晶合金配变更换专项行动相关组织机构。

3．营销部编写非晶合金配变更换专项行动资金需求签报，落实项目资金来源。

第二阶段：全面实施（2月下旬—10月）

1．五市公司营销部建立S9型及以下配电变压器专项档案及更新计划，2月25日前编写完成非晶合金配变更换专项行动可研及初设。专项行动进入全面实施阶段。

2.3月4日前发展策划部审定可研，列入年度计划，进行项目批复，并下达资金计划；营销部审定初步设计；3月11日前五市公司营销部按照批复完成对720台非晶合金配变的ERP物料挂接。

3．3月15日物资部将非晶合金配变采购需求列入2011年国委二批招标批次，确保非晶合金配变于6月1日开始供货，根据变压器更换计划做好变压器配送工作。

4．3月31日前财务部确定更换退役的S9型及以下公用配电变压器资产处理和物资调拨流程。

5.3月31日前农电部编制全省县城农村台区配电变压器增容改造及农村抗旱排灌等因季节性、临时性用电负荷的变压器更换计划，并向财务部、物资部提出配电变压器调配使用申请。更换下来的S9型配电变压器主要用于县城农村台区增容改造；S7型配电变压器主要用于农村抗旱排灌等因季节性、临时性用电负荷使用。

6.6月1日至11月30日各市公司非晶合金配变更换完毕。并完成更换配变的入库工作。物资部门牵头组织、试研院配合废旧变压器的鉴定工作，建立试验记录卡片，对能够继续使用的配电变压器进行必要的维护修复并原则在本地区集中存储，优先在本地区县内调剂使用；对不能再利用的报废变压器进行处置。

7.8月1日至10月31日，财务部对S7、S9型配电变压器相关试验、维修费用纳入成本；财务部对能够继续使用的S7、S9型配电变压器进行资产调拨及资产处理，调入有关县区作为公司对农网升级改造工程的部分设备资产投资。

第三阶段：项目竣工（11月—12月）

1．12月下旬前完成城市郊区非晶合金配电变压器更换工程验收。2．营销部邀请项目管理咨询公司对专项行动计划进行后评估，提升专项行动计划执行的质量和效益。

3．营销部对公司专项行动完成情况进行统一考评，提出相关的奖惩建议，提交专项行动领导小组。

4．全面总结本年度专项行动工作经验，结合公司发展实际，提前筹划公司2012年非晶合金配变更换专项行动。

五、保障措施

1．精心策划，强力推进。按照公司总体部署，倒排时间节点计划，并制定行动里程碑计划，增强行动的计划性和前瞻性，加强过程控制，确保行动计划能够严格按照时间节点计划顺利实施。

2．加强管理，务求实效。建立月度例会制度，各相关责任部门积极沟通，扎实推进，并于每月5日前向公司专项行动领导小组办公室报送上月非晶合金配变更换专项行动实施情况及下一步工作安排。

第二篇：非晶合金变压器分析

在变压器制造中，非晶合金材料将逐步取代传统的硅钢片铁芯变压器制造技术，成为新一代节能降耗产品。这对提高电网自身电能质量，降低损耗，最大限度利用能源转换，降耗节能，增加电力企业活力，将有不可估量的作用。非晶合金变压器的特点

1.1 材料特点

电力变压器传统的铁芯制造技术是以硅钢片为基本材料，在降低变压器自身损耗上，无论任何国家及制造厂商，均是以选用优质硅钢片为先决条件来降低变压器自身损耗，来提高电能的转换能力。

随着原材料制造工业的技术发展，目前变压器制造行业，尤其是配网使用的小型变压器，制造厂家开始采用非晶合金为铁芯制造材料的变压器。通常所说的非晶合金，是指一种采用特殊的超快速致冷工艺加工而成的金属材料，由于材料生产工艺的限制，一般均为带材。

非晶合金在其制造过程中采用了超急冷凝固的技术，使得在材料的微观结构中，金属原子在从液体（钢水）固化成固体的过程中，原子来不及排列成常规的晶体结构就被固化。这种原子结构无序排列的状态即称为非晶态，由此生产而成的材料被成为非晶合金。

非晶合金材料被发现具有非常优异的导磁性能，它的去磁与被磁化过程极易完成，较硅钢材料铁芯损耗大大降低，达到高效节能效果。因而作为一种极其优良的导磁材料被引入变压器等需要磁路的产品中。采用非晶合金制造成变压器铁芯，并组装成的变压器，即称为非晶合金变压器或非晶合金铁芯变压器。

1.2 环保特点

选用非晶合金为铁芯的变压器，其显著特点就是节能和环保。首先在环保方面，经技术检测，当非晶合金铁芯用于油浸变压器时可有效减排CO、SO、NO等有害气体，对大气污染程度降低，所以可以称其为21世纪电力产品中的“绿色产品”。其次，非晶合金变压器最显著的特点是空载损耗很低，节能效果明显。由于非晶合金材料具有优越的导磁性，更易于以极少能耗磁化或消磁。因此非晶合金变压器的空载损耗远远低于传统变压器。以SEC公司（美国超导能源公司）生产的500kVA非晶合金变压器为例，非晶合金变压器和S9型变压器的空载损耗分别为190W和900W。非晶合金变压器的空载损耗仅为S9型变压器的20%左右，节能效果非常显著。对于公路、城市基础设施及住宅小区等电力负荷波动较大的领域，非晶合金变压器的节能效益更加明显。由于节能效果显著，可节省大量的电厂投资，减少发电燃料的消耗，从而减少对大气环境的污染。

1.3 综合成本特点

由于非晶合金变压器采用了新材料新技术，工艺复杂，因此其产品价格较传

统变压器高，一般比同型号传统变压器高30%左右；但由于其节能效果显著，运营成本较低，所以其综合使用成本较传统变压器低。以500kVA的非晶合金变压器与常用的S9型变压器相比，非晶合金变压器每台每年可节约电能6832.8kWh，一年节约电费5207元（现北京城区商用电电价为0.762元/kWh）。虽然非晶合金变压器比S9型变压器价格高30%左右，但所增加的成本，可在该变压器运行的3~5年内全部回收。

1.4 结构性能特点

非晶合金变压器采用全密封式结构，可延缓变压器油和绝缘纸的老化，不仅结构紧凑，而且具有运行效率高、免维护的优点。非晶合金变压器由于损耗低、发热少、温升低，故运行性能非常稳定。非晶合金变压器低压绕组为箔绕式，损耗低、抗短路能力强、结构先进合理。变压器的联结组别采用Dyn11，可减少谐波对电网的影响，改善供电质量，提高供电可靠性。非晶合金变压器节能效益分析

非晶合金变压器与S9系列变压器相比，其主要损耗的降低取决于空载损耗的大幅度降低。

2.1 年节电费用比较

通过直接比较两种变压器的年空载损耗成本，来计算年节电费用，可简单直观地体现非晶合金变压器的节能效益。现以400kVA、500kVA和800kV的10kV变压器为例来进行两种能耗对比，见表1。

表1 非晶合金变压器电费节约比较

由表1可见，非晶合金变压器的电费节约效益显著，以500kVA为例，假设非晶合金变压器的售价比S9贵1.8万元/台，每年节约的电费是5207元，简单计算，购买非晶合金变压器多增的投资，静态回收期是3.8年，即多增的投资，在产品运行3.8年后，即可通过少支付电费的节约来回收。按产品使用期20年计算，在剩余的16.2年中共可节约电费76480元，几乎可以新购一台变压器。如果当地的电费超过0.70元/kWh，则节能效益更显著。

北京市电力公司城区供电公司配网运行592座开闭站（配电室、箱变），运

行变压器为1131台，总容量906890kVA。在运行的变压器中，型号多为S7/S8/S9形式。运行负载率在1%以下为79台；运行负载率在1%～50%为1014台；负载率在50%以上为38台。变压器空载损耗是非常大的。如果采用非晶合金变压器，降低设备空载损耗，对降低线损和提高公司经济效益，意义将十分重大。

2.2 考虑无功分量和负载率时节约能耗估算

当变压器运行时，不同的负载率有所不同，年运行能耗也不同，以200kVA和500kVA两个容量比较，非晶合金变压器与S9硅钢变压器的性能参数和年运行能耗，见表2。

表2 非晶合金变压器节能效果比较表

注：假设无功当量系数取0.1kW/kvar；年平均负载系数按0.35，年运行时间按8760h计算。

从表2可知，一台500kVA的非晶合金变压器运行一年后，比S9硅钢变压器节约能耗约9.4MWh，按0.7625元/kWh计算，每年可节约电费7167.5元。

2.3 性价比测算

总拥有费用法（简称TOC法）是一种评价变压器能耗和价格合理性比较全面的性价比评估方法，在国外的变压器采购评估中被广泛使用。它是根据综合比较变压器价格和能耗水平的原则，按照总拥有费用最低来选择变压器。

当非晶合金变压器的售价是S9变压器的1.3倍时，TOC法测算的非晶变压器性价比仍比S9高10.3%。

2.4 投资价差回收

非晶合金变压器的空载损耗较S9降低80%左右，假设其价格仅比S9系列平均高出30%，其负载损耗与S9变压器相等。当不考虑投资的货币时间价值，采用静态投资回收期计算法进行计算，可得出在不同负载率情况下，多增投资可在多长时间内回收。

以500kVA为例，经计算其节能效益与投资效益见表3：

表3 按500kVA变压器为例的节能效益和投资效益

2.5 投资价差回收年限计算

投资价差回收年限，一般有静态和动态计算方法。

静态投资回收期：不考虑投资的货币时间价值。

动态投资回收期：考虑投资的货币时间价值，将现在投资及未来收益均以资金的折现率折为现值。此法计算复杂，要涉及通货膨胀率、资金银行利率、折现率等，因此不确定因素多。现采用静态投资回收期计算法。

假设500kVAS9硅钢变压器的售价为8万元，对应非晶合金变压器的售价高30%，则两者的售价差价是24000元：

在负载率β＝20%时，非晶合金变压器投资的回收年限为3.1（年）；

在负载率β＝75%时，非晶合金变压器投资的回收年限为3.1（年）。

国家《关于节约能源基本建设项目可行性研究的暂行规定》中指出：计算投资回收年限一般不应超过5年，最长不超过7年，按政策规定，非晶合金变压器比S9变压器多投资的部分，均在政策规定的年限内收回，因此推广应用非晶合金变压器，符合国家节约能源的政策导向。非晶合金变压器在电力市场的发展现状

3.1 非晶合金变压器的发展过程

非晶合金变压器是在20世纪80年代初由美国开始研发生产的，当时美国认识到非晶合金变压器对电力线路节约能源损耗的巨大潜能，由美国电力委员会组织了GE公司、霍尼韦尔公司、美国超导能源公司、美国南方电力公司等八大相关机构，联合对非晶合金变压器产品的商业化运作设计、制造、运行等环节，进行技术研发和实际运行可靠性验证，至20世

纪90年代初，历时10年获得成功，于是非晶变压器开始了真正的规模化商业化经营。

至今，规模化生产已近20年，目前在全世界范围内被广泛推崇，其中美国、加拿大、墨西哥、日本、印度、韩国等国家和台湾地区均有大量非晶合金变压器在挂网运行。特别是在日本，政府鉴于节约能源对国家发展的重要性，该国从2000年开始逐步提高非晶合金变压器的上网比例，到2005年时，日本已规定所有配变必须使用非晶合金变压器，在配电领域彻底淘汰相对高耗能的硅钢变压器。

中国从1998年开始批量生产，应用至今约有几万台非晶合金变压器挂网运行，容量自5kVA至1600kVA，产品形式包括箱式变电站和配变，最近几年，鉴于国家对节能减排的重视，非晶合金变压器的使用量呈爆发式快速上升趋势。

3.2 非晶合金变压器在国内市场的应用现状

在国内，由于非晶合金变压器的售价相对硅钢变压器要高，使其总的使用量受到限制，但近几年，有两个因素促使它的使用量快速提高。首先是由于铜价和硅钢的价格飞速上涨，而非晶合金材料的价格基本维持不变，同时实现规模化生产后产品成本的降低，使得两者的售价差距迅速缩小，非晶合金变压器稍高于常规变压器的价格已被市场接受；其次是国家对节能环保问题的重视，使得一些有能力和有预见的地区率先大规模采用。目前已大批量采用的地区有上海、江苏、浙江等，另有许多地区正处于批量应用和运行评估阶段，如东北、宁夏、山西、云南、广东、福建等。其中需要特别指出的是江苏省电力公司，他们内部规划今后新上线路和改造线路，非晶合金变压器的使用量不得少于30%，2008年的非晶合金变压器的招标数量达到为2万多台，已走在了全国前列。

3.3 非晶合金变压器的生产状况

目前国内市场中声称能生产非晶合金变压器的生产厂家多达几十家，但真正能实现规模化批量生产的厂家其实并不多。其中大部分的生产厂家均为原先的硅钢变压器生产厂家，其采购了非晶合金铁芯后，套用改进原来的硅钢变压器生产技术进行生产，导致产品的质量稳定性有欠缺，对非晶合金变压器的市场形象造成了不利影响。

其实，非晶合金变压器的设计生产技术有它的特殊性，非晶合金材料和晶体化的硅钢材料在某些材料特性上完全不同，因而两种产品的设计加工技术也有很大的不同。

3.4 非晶合金变压器的市场趋向

3.4.1 经济背景

随着国民经济的高速增长，国内电力工业得到蓬勃发展，并可预见在未来的20年内电力市场仍将保持高速发展的态势。非晶合金变压器作为一种高效节能的产品，在20世纪90年代已经逐步引入电力市场，随着它作为一种新产品被市场逐渐的认知，到2000年已经有一些厂家规模化生产，但由于非晶合金变压器的材料成本比常规变压器的材料成本高很多，约束了它的大规模推广。自2004年以来，常规硅钢片材料和铜材的价格暴涨，而非晶合金的价格保持在原位，使得两者的价格差大幅度缩小，从而激发了非晶变压器的销售量大幅上

升。更为重要的是，除了成本原因外，国家在经济发展政策中提出了“能耗/GDP”的考核指标，这表示国家在产业政策中将大力推行节能产品的应用。非晶合金变压器作为一种高效节能的产品，已引起了国家发改委和电力部门的高度重视。江苏省、上海市和浙江省等经济发达地区，以及电力供应不足地区已进入大批量采用阶段。

3.4.2 政策背景

目前国家已着手解决电力结构性矛盾，改变过去“重发、轻供”的倾向，正重点发展电网建设，加快城乡电网改造，坚决淘汰掉那些低效、高耗、性能落后、安全性差的设施，努力发展节能型的电气设备。非晶合金变压器高效节能的显著优点，为电力市场提供了一种良好的选择。

由于政府十分重视节约能源和环境保护。20世纪80年代中期，政府强制性地采用S7系列配电变压器，在全国范围内淘汰正在电网运行的JB1300-73和JB500-64标准的高能耗变压器。从1998年开始，政府又不惜代价地在全国推行两网改造，用S9系列配电变压器取代S7系列变压器。这先后两次全国大规模的更新换代，新产品仅比老产品降低空载损耗约8%～15％，可见国家在节约能源、环境保护方面的决心是很大的。非晶合金变压器其空载损耗仅为S9系列的20％，其节能效果已引起了国家有关部门的高度重视，不排除会强行推广的可能性。

第三篇：大块非晶合金的研究进展

先进材料进展

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大块非晶合金的研究进展

摘 要 本文简述了大块非晶合金的发展过程和该领域的最新研究进展,并从成分结构条件、热力学条件、动力学

条件等方面阐述了大块非晶合金的形成机制,介绍了目前常用的制备方法、大块非晶合金优异的性能和应用前景.关键词

大块非晶合金，形成机制，制备，性能，应用

THE RESEARCH PROGRESS OF BULK METALLIK GLASSES

ABSTRACT The development history and the research status of bulk amorphous alloys are int roduced ,and method of preparation is discussed in detail1 The forming mechanisms in terms of st ructure , thermodynamics and kinetics are described.The good properties and application of the bulk amorphous materials are also summarized.KEY WORDS bulk amorphous alloys，forming mechanisms，preparation，properties , application

大块非晶合金是相对于传统的低维非晶材料(非晶粉、丝、薄带等)而言的,具有较大的三维几何尺寸。固态时原子在三维空间呈拓扑无序排列,表现为短程有序、长程无序,呈亚稳态结构,而且在一定温度范围内还可以相对稳定地保持这种结构。大块非晶合金是一种高性能的结构材料,也是极具潜力的功能材料。大块非晶合金的发展历程

关于非晶态合金的首次报道是在1938 年,Kramen 通过蒸发沉积在玻璃冷基底上[1 ,2 ]发现了非晶态金属薄膜 ；1951 年,Brenner 等用电沉积法制备出了Ni-P 及Co-P 非晶合金,主要用于做耐磨和耐腐蚀涂层;1958 年, Tumbull 等人通过对氧化物玻璃、陶瓷玻璃和金属玻璃的相似性的分析,确定了液态过冷对非晶形成的影响,预言了合成非晶的可能性,揭开了非晶研究的序幕；1960 年,Duwez 等采用熔体急冷法首先制得了Au70 Si30 非晶薄带,由于他从工艺上突破了制备非晶态金属和合金的方法,因而标志着非晶态合金这一新材料研究领域的启动。后来, Turnbull、陈鹤寿等人在Duwez 小组制备的Au-Si 和Pd-Si , Pd-Cu-Si 非晶合金中证实了玻璃转变的存在。Turnbull 先前提出的抑制过冷液体形

核的理论作为非晶形成能力的判据被证明是有效的,而且是迄今为止最有效的判据之一。1969 年陈鹤寿等将含有贵金属元素Pd 的具有较高非晶形成能力的合金(Pd-Au-Si，Pd-Ag-Si 等),通过B2O3 反复除杂精炼,得到了直径1 mm 的球状非晶合金样品;1989 年日本东北大学的Inoue 等通过水淬法和铜模铸造法制备出毫米级的La-Al-Ni 大块非晶合金;20 世纪90 年代初,T.Masumoto 和A.Inoue 等发现了具有极低临界冷速的多元合金系列,通过控制非均质形核的工艺,可在实验室里直接从液相获得大块非晶合金;1994 年,根据非晶形成的三项经验法则设计出了一系列的大块非晶合金;1997 年以来,日本东北大学的范沧和井上明久等研究发现,在三元Zr 基(Zr-Cu-Al)合金系中分别加人Pd、Ti、Ni、Nb 等元素均可得到一系列的大块非晶合金;2000 年以来,A.Inoue 等进一步对大块非晶合金的形成机制、结构、机械强度、化学特性、磁性和应用展开了广泛的研究。2008 年大阪大学的Take shi Nagase , Koichi Kinoshita 和Yukichi Umakoshi 等研究了锆基非晶合金在医用材料上的应用,通过研究发现采用锆基非晶合金制备的医用材料具有高的强度和热稳定性,同时具有良好的延展性,将其弯曲180°也不断裂,是一种具有潜力的功能材料[3 ]。先进材料进展

国内外研究现状

我国对非晶合金的研究从1976 年开始,国家科委一直将非晶合金的研究、开发、产业化列入重大科技攻关项目。“九五”期间,组建了“国家非晶微晶合金工程技术研究中心”,建立了“千吨级非晶带材生产线”,非晶态合金的产业化进程大大加快,现已初步形成非晶态合金科研开发和应用体系。国内关于大块非晶合金的研究主要集中于中科院物理所、金属[4],现在各大学也加大了对非晶的研究力度。

近年来,在非晶的研究领域中,中国科学家已成为该领域的一支重要力量,国内许多研究组一直在从事非晶以及相关物理问题的研究,在结构、物性、制备、应用研究等方面有较雄厚的实力。现在已经可以制备出多种有自主知识产权的大尺寸块体非晶体,并在块体非晶结构、形成规律、力学和物理性能以及应用开发等方面做出了很多有特色的工作,引起国际同行的广泛关注和重视。中国科学院物理研究所汪卫华研究组在非晶方面的研究近年来取得了重大进展[5],其主要工作集中在稀土基非晶的制备和力学性能的研究上;中国科学院金属研究所张哲峰等人主要研究不同非晶材料的拉伸和压缩变形与断裂特征,还总结了不同非晶材料在拉伸和压缩及断裂时的不对称性;清华大学姚可夫等人采用玻璃包覆提纯技术和水淬及空冷方法制备Pd-Si 二元非晶球形样品;西安交通大学张临财等人讨论了第二相对Zr 基非晶复合材料力学性能的影响;哈尔滨工业大学黄永江等人研究了Ti42.5 Zr7.5 Cu40Ni5 Sn5 块体非晶的形成、热稳定性与力学性能;华中科技大学谌祺等人制备了Zr 基块体非晶并研究了块体非晶和复合材料在过冷液态区内的单向压缩变形行为。山东大学郭晶等人采用真空回转振动式高温熔体粘度仪测量了Gd 基大块非晶形成合金过热液体的粘度,并计算得到过热液体脆性参数;北京科技大学惠希东等人对Zr 基非晶的原子结构进行了研究,重点讨论了玻璃结构中的短程与中程有序结构,张勇等人研究了

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合金化对大块非晶合金及高熵合金的组织与性能的影响;大连理工大学程旭等人利用团簇线和微合金化方法研究了Fe-B-Y-Nb 四元合金体系中块体非晶合金的形成;燕山大学徐涛等人通过原位X 射线衍射测量结构参数方法,研究了Fe73 Cu1.5 Nd3Si13.5B9 非晶合金的热力学结构弛豫。

目前国外关于大块非晶合金的研究主要集中在日本和美国,尤其是日本东北大学材料研究所的井上明久和美国的Johnson 研究小组。合金系列涉及到过渡金属-类金属系、锆基、钼基、镁基等,研究方法覆盖了从模铸法到水淬、粉末冶金、区域熔炼等多种方法。块体非晶合金研究是日本文部省1998 年最大的研究项目;2000 年美国陆军拨款3000 万美元,用于块体非晶的研究;此外, 2000 年欧共体也专门立项,组织欧洲10 个重要实验室联合攻关。表1 汇总了1989年以来发现的主要大块非晶合金系。大块非晶的形成机制

合金在缓慢冷却时易形成晶体,在快冷的条件下则可形成非晶态, 在非晶合金的发展过程中, Turnnull 的连续形核理论在解释非晶形成动力学和阐述玻璃转变的特征方面发挥了重要作用。根据连续形核理论,Uhlmann 引入了非晶形成的相变理论。此后,Davis 将这些理论用于玻璃体系,估算了玻璃形成的临界温度。20 世纪80 年代末,随着块体非晶合金的出现,非晶形成理论又有了新的发展,主要有以Greer 为代表的混沌理论和Inoue 的三个经验规律: ①合金由3 种以上组元组成;②各组元原子尺寸差别较大, 一般大于12 %;③3 个组元具有负的混合热。Inoue还给出了大块非晶合金形成机理的唯象解释。此外, Inoue

和Johnson[6]

教授等在大量实验的基础上对此做了进一步阐述,从拓扑学和化学的观点提出这些多组元大块非晶合金体系的过冷液相具有以下特征: ①具有高度无序的密集堆垛结构;②其局部原子结构明显不同于相应的结晶相;③各组元元素的分布在长程上是均匀的。先进材料进展

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3.1 成分结构条件

对已获得的大块非晶体系从以下几个方面进行分析,从合金成分设计的角度来看,组成合金的各原子之间差异越大,越有利于形成随机密堆结构,有利于形成非晶,实验表明主要组元原子尺寸差超过13 % ,可以大大提高合金的非晶形成能力。研究合金成分时发现,形成大块非晶的合金其对应的晶体大多为复杂的金属间化合物,结构大多为复杂的拓扑密度结构,这种相结构从液态向固态的快速冷却过程中形核与长大都需要原子的长程扩散,而随机密堆结构和多组元使原子扩散比较困难,形成金属间化合物的可能性越小,合金的非晶形成能力越大,这即所谓的多组元块体非晶形成的“混乱原理”。综上所述,影响玻璃形成能力的因素有:合金由多种组元构成,组成合金的主要组元原子直径差大于13 %。较大的负的混合热,一方面可以提高固液界面能,抑制结晶形核,另一方面增加了长程范围内原子排列的难度,抑制了结晶。除此之外,各组元的相对含量、合金中原子的键合特征、电子结构、合金的热力学性质以及相应的晶态结构等对非晶形成能力也有较大的影响。3.2 热力学条件

为了制备大块非晶合金,从热力学观点分析,它对应于液相转变为晶相时具有极低的自由能差、低的熔化焓ΔHf、高的过冷度ΔTx 和约化玻璃转变温度Trg及高的液/ 固相界面能,这些都将导致低的化学电位而使Gibbs 自由能差降低,因而热力学驱动力减小,不容易发生结晶转变,更容易形成非晶。根据热力学原理,合金系统自液态向固态转变时自由能变化可表述为ΔG =ΔH2～10-3 Pa 的真空炉中经感应加热、熔化,采用不同方法将熔融的合金液由石英玻璃管注入金属模中冷却,获得大块非晶合金。(1)喷射成型法

合金熔化后将装有熔融合金的石英玻璃管下降到金属模具的浇口附近,然后向石英玻璃管中通入一定压力的惰性气体,将合金液射入金属模腔内获得大块非晶合金。世

[9]

界上首次报道的La-Al-Ni 大块非晶合金就是用该方法制备的。作者采用该方法成功制备出厚度为1.0～1.5 mm 的板状Fe60 Co8 Zr10Mo5W2B15大块非晶合金[10]。图1 为两种不同注入方式制备大块非晶合金的示意图。

(2)吸铸法

采用吸铸法制备大块非晶合金时使用漏斗型石英玻璃管,用石英玻璃塞堵住玻璃管的漏斗口,合金熔化后提起玻璃塞,同时从金属模具底部抽真空,熔融金属在差压的作用下瞬间充满型腔。由于吸铸法中使用的漏斗型石英玻璃管细端设计较长,可以直接

插入金属模具的浇口,这样既避免了熔化合金时模具被加热,同时也可以有效地将合金液导入模腔。作者采用该方法成功制备出直径为3 mm 的棒状Fe60 Co8 Zr10Mo5W2 – XB15 +

[10]

。X(X = 0 , 0.5 , 1 , 1.5 , 2)大块非晶合金

感应加热金属模吸铸法制备大块非晶合金的工作原理见图2。先进材料进展

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(3)模具移动法

该制备方法的工作原理如图3 所示。母合金被感应加热熔化后,向石英管内通入一定压力的惰性气体,使熔融的合金液连续注入到以一定速度移动的水冷铜模表面的凹槽中,快速凝固形成非晶合金棒材,若水冷铜模的移动方式为旋转式,则可连续制备出一定直径(mm 级)的非晶合金线材。采用该方法已成功制备出直径2 mm 的Fe74Al4 Sn2 P10 Si4B4 C2 棒状非晶合金[11] 和直径1.5 mm、长数十毫米 的Zr55 Al10Cu30 Ni5 非晶合金线材。

(4)压力铸造法

压力铸造法制备大块非晶合金的工作原理如图4所示,母合金在惰性气体保护下

经感应加热熔化后,启动液压装置推动柱塞将熔融合金注入金属型模腔。由于该制备方法的充型过程在毫秒内即可完成,使得熔融合金与金属模之间的充填更紧密,合金通过金属模获得的冷却速度更大,同时压力对晶体成核和晶核长大所必需的原子长程扩散具有抑制作用,因而提高了合金的非晶形成能力,可以实现高质量复杂形状非晶合金的精密铸造。如采用压力铸造法制备的Mg-Cu-Y大块非晶合金,其100 ℃时的抗拉强度高达500MPa ,是以往所得Mg-Cu-Y大块非晶合金中最高抗拉强度的3 倍左右[12]。先进材料进展

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4.2 电弧加热

4.2.1 金属（铜）模吸铸法

将完成熔炼后的母合金碎料置于底部连接金属模型腔或直接带有型腔的水冷铜坩埚内,在真空系统中经无损电极产生的电弧加热熔化后,启动金属模型腔底部另置的抽真空系统,在差压作用下熔融合金由水冷铜坩埚直接吸入金属模型腔,获得大块非晶合金。电弧加热金属模吸铸法制备大块非晶合金的工作原理见图5。采用该方法已成功制

备出直径分别为16 mm 的Zr-Al-Cu-Ni、12 mm 的Nd-Fe-Al、3 mm 的Cu-Zr-Al、3 mm 的Fe60Co8 Zr10Mo5W2B15和2 mm 的Fe-Al-Sn-P-Si-B-C 系棒状大块非晶合金,以及尺度分别为1 mm ×10 mm ×70mm 的Cu-Ti-Zr-Ni、1 mm ×10 mm ×20 mm 的Fe60Co8 Zr10Mo5W2B15板状大块非晶合金。

4.2.2 模压铸造法

将母合金置于水冷铜模(下模)内,在有惰性气体保护的真空炉中进行电弧加热,合金熔化后将下模移至与铜制上模对应的位置,对上模加压,利用合金在过冷液相区内良好的加工性能将合金压制成一定形状的大

块非晶合金,其工作原理如图6 所示。

采用该方法已先后成功制备出厚度为125 mm 的Zr-Ti-Al-Ni-Cu 系板状大块非晶合金和厚度为1 mm的板状或直径为3 mm 的棒状Ni-Nb-Ti-Zr-Co-Cu 系大块非晶合金。先进材料进展

101101918 大块非晶合金的性能

与晶态合金相比,非晶合金内部原子被“冻结”在液态结构中 ,具有长程无序、短程有序的结构特征,使其兼有一般金属和玻璃的特性。首先,非晶合金不存在常规晶态材料的空位、间隙原子、杂质、位错、晶界和其它界面形式的缺陷,而这些缺陷都是材料的薄弱位置,易于萌生裂纹,而且还很容易成为腐蚀源。其次,非晶合金具有金属键结构,从而具有较高的电导率和光学反射率。非晶合金的这些特点使其相比于常规晶态材料具有更优异的磁学、电学、化学、光学及机械性能,如高强度、高韧性、耐冲击、耐磨损等。

同时,大块非晶合金在过冷区有很高的粘滞流动性,可实现净形加工,并精确保持铸件的尺寸[13]。图7为块体非晶合金的抗拉强度与杨氏模量之间的关系,并与普通合金进行了对比[14]。相比于晶态合金,块体非晶合金具有独特的机械性能:(1)同等杨氏模量条件下,块体非晶合金的拉伸强度约是晶态合金的3 倍;(2)同等拉伸强度条件下,块体非晶合金的杨氏模量约是晶态合金的1/ 3 ,这说明非晶合金在具备高机械强度的同时还具有较高的弹性能;(3)抗拉强度与杨氏模量间具有良好的线性关系,测出其弹性伸长极限约为2 %,这是晶态合金(约0.65 %)的3 倍多[15]。

图7 普通合金与非晶合金抗张强度及杨氏模量的比较 Fig.7 Comparison about tensile strength and Young’s modulus between conventional crystalline alloys and amorphous alloys 先进材料进展

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此外,块体非晶合金还显示出优良的软磁的应用前景。Ashby 等总结了非晶合金的相性、超导性和低磁损耗等特点,使其具有广阔关性能[16],如表1 所示。

表 1 非晶合金的相关性能

Table 1Properties of amorphous alloys related to potential applications 大块非晶合金的应用

近年来,块体非晶合金因其各种优异性能及精密成型性而备受人们关注,可作为支撑未来精密机械、信息、航空航天器件、国防

工业等高新技术的关键材料。Wang 等根据块体非晶合金的特性提出了块体非晶合金所具有的17 项可能的应用前景[17] ,如表2 所示。在这些应用领域里,有些已经进入商业应用,还有些正在探索研究之中。先进材料进展

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表 2 非晶合金的应用领域

Table 2 Possible application fields for amorphous alloys

6.1 力学性能的应用

由于非晶合金被“冻结”在液态结构中,材料本身是完全理想均匀的,不存在晶态合金中的晶界、位错、滑移及第二相粒子等缺陷,普遍表现出大大超过其对应晶态合金的强度、弹性和屈服应力,甚至接近理论值。同时,块体非晶合金还具有高韧性[18]。块体非晶合金这些独特的综合性能是任何晶态合金都难以获得的。这些性能使其最先被开发应用于体育用品。,如用锆基非晶合金制备的高尔夫球头不仅比常用的Ti 合金强度和硬度高,而且反弹性能更好,受冲击时能量损失少。图8为Liquidmetal 公司所开发的非晶合金高尔夫球头。

非晶合金屈服强度高、硬度高、耐磨损、声学性能好且弹性极限大,适用于军事防御。Johnson 等所开发的一系列锆基非晶合金具有类似于贫铀合金的高绝热剪切敏感性,变形时不发生加工硬化。美国军方进行的弹道测试表明,锆基非晶合金穿甲弹弹头显示出与贫铀穿甲弹相似的自锐行为,其穿甲能力已超过钨合金穿甲弹,可望达到并超过贫铀弹的穿甲水平,用作绿色材料取代对环境不友好的贫铀穿甲弹[19]。目前,美国军方已致力于将非晶合金应用到各项军事设备,如引信、航空器紧固件、无人飞机及船舶部件等[20]

非晶合金在过冷液相区表现为牛顿流动行为,可以发生粘性流动。具有大过冷液相区非晶合金的发现使超塑性成型的实施更加灵活,拓展了非晶合金的应用。利用粘滞流动性,非晶合金能承受180°弯曲而不发生断裂,是一种理想的塑性材料,如图9 所示,La55 Al25 Ni20 非晶合金在过冷液相区拉伸应变超过20000 %[21]。由于缺乏晶界且凝固过程中无收缩,利用非晶合金在过冷液相区的塑性成型能力可获得优良的工件表面平整度,如图10 所示。Inoue 等用常规Al-Cu-Si 合金(图11(b)、(d))与镍基非晶合金(图11(a)、(c))制备同型号的微型齿轮,发现前者的填充率只有84 % ,表面形貌粗糙,达不到预定的精确尺寸,而后者的填充率达99 %[22] ，图 8 比钛合金击球距离远30码的块体非晶合金高尔夫球头

Fig.8 Applications of Zr-based bulk glassy alloys to golf clubs 先进材料进展

且表面非常平整,可实现净形加工而无需后续精密处理,从而降低了生产成本。这可用来制备新型精密零件及微型模具,而这些是存在晶界滑移的常规超塑性晶态合金无法实现的。

图 9 La55Al25Ni20合金拉伸变形超过20000% Fig.9 La55Al25Ni20 alloy is deformed to 20000%

图 10 非晶合金的齿轮外形

Fig 10 Out appearance of Ni-based metallic glass microgear

图 11 非晶及常规合金齿轮锯齿外形的对比

Fig.11 Comparison or cross sectional profiles of microgears Fabricated by amorphous alloys microgear and conventional crystalline alloy

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6.2 化学性能的应用

由于非晶合金的结构是长程无序的,没有晶界、位错和层错等结构缺陷,所以化学性能均匀,不存在偏析、夹杂物和第二相,加之其自身的活性很高,能在表面迅速形成致密、均匀而稳定的钝化膜,因此相比于晶态合金更耐腐蚀。如典型镍基块体非晶在稀硫酸溶液中腐蚀速率比不锈钢低1 个量级[23] ,通过添加一定量的Cr 或P 还可更进一步提高其耐腐蚀性能。加之其耐磨性高,非晶合金可用于如化工、海洋等一些高磨损、高腐蚀及高温等艰苦环境中。将非晶合金制备成涂层应用在材料表面技术领域,可起到防护、隐身作用或形成特种物理性质[24]。6.3 磁学性能的应用

优异的磁学性能是许多非晶合金的突出特点。非晶本身内部原子排列无序,无晶界、位错、磁晶各向异性等缺陷,由磁性物理学可知具有低矫顽力和高磁导率。非晶合金磁阻小、铁损低、易磁化和退磁、磁致伸缩系数大,而且电阻率高、热膨胀系数小,可大大降低涡流及能耗。目前基于非晶合金磁性能的应用是最热门的领域,如铁基、镍基和钴基等块体软磁非晶合金等广泛应用于电力、电子工业领域的配电变压器的铁芯材料。6.4 电学性能的应用

迄今为止,相比于其它领域,基于非晶合金的电学性能及其应用研究相对较少,尚有待进一步研发,但非晶合金同样具有优良的电学性能。非晶合金具有高电阻率(约是晶态材料的5 倍),可用它来制备高电阻;非晶合金的电阻温度系数低(且电阻温度系数随成分可由负变正),在某些特定的温度环境下,可利用其电阻率的急剧下降(跃变效应)来开发特殊用途的功能开关。另外,非晶合金还具有超导特性,可用来制备超导材料等。展望

因其优异的性能,非晶合金自产生以来一直是材料学界的热点研究领域之一。近年来对非晶合金进行了广泛的研究,取得了很大的进展,已突破昔日贵金属的限制,许多日常重要的工程合金系统如Fe、Co、Ni 和先进材料进展

Cu 等都可制备出块体非晶合金,这为其实际应用创造了条件,如今工程应用也已逐步兴起。但作为一类新型的材料,非晶合金仍处于研究探索阶段,在基础理论、制备工艺和实际应用中还有许多问题亟待解决,主要体现在以下几个方面。

(1)还没有一套完整的理论或成熟的物理模型用来指导块体非晶的研制,目前对于合金系统组元的选择还只能凭经验规律,但这些规律都不具备普适性。这主要是由于还没有充分理解非晶合金形成的本质,因此需要加强对非晶合金物理转变过程的研究,充分利用现有的大量数据及经验规律,借助现代化的手段,从热力学、动力学和微观结构3 个方面着手,充分揭示出非晶形成的本质。(2)目前所制备的块体非晶尺寸还不够大,只有Zr 基、Pd 基等少数几种合金体系可达较大尺寸,这在很大程度上限制了这种新型结构材料的广泛应用,因而需要我们在理解非晶合金形成本质的基础上,改进目前块体非晶制备所需的苛刻工艺条件。因机械合金化在制备非晶合金上的独特优势,目前可以优先发展机械合金化工艺。

(3)提高块体非晶的热稳定性。由于块体非晶属亚稳态材料,在热力学上是不稳定的,只有把这类材料加热到一定温度以上才会使其变为晶态材料。因此,必须设法提高块体非晶的热稳定性,以拓宽其应用范围。(4)任何材料都有其自身的缺陷,虽然发现了一系列具有大塑性的块体非晶合金,但总体来说其塑性都还有待提高,而且非晶合金的拉伸塑性几乎为零。长期以来,探索同时具有高强度和大塑性的金属合金材料一直是材料领域追求的目标,非晶合金塑性的进一步提高,必将为非晶合金的应用开辟更广阔的空间。目前非晶增塑的方法有通过添加延性第二相粒子和通过非晶相的部分晶化来获得纳米晶相弥散分布的非晶复合材料,这些都是通过引入机械约束剪切带扩展的物质来改善塑性性能,是将来非晶合金材料发展的重要方向之一。

不可否认,我们正步入一个新的金属时代。可以预见的是,一旦我们充分理解了非晶形成的本质后,就可以自主地控制非晶物

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质的形成。非晶合金作为一种性能优异的新型结构材料,其应用必将越来越广泛,并深刻地影响我们的生活。

参考文献

[1] Luborsky F E.In Amorphous Metallic Alloys [M].London : Butterworths :1983.4

[2] Wang Y H,Yang Y S.Amorphous alloy[M].Beijing: The metallurgical industry press,1988.346

(王一禾,杨膺善编.非晶态合金[M].北京:冶金工业出版社,1988.346)

[3] Takeshi Nagase , Koichi Kinoshita , Yukichi Umakoshi , Materials Transactions ,2008 ,49(6):1385～1394

[4] Wang W H,Wang W K,Bai H Y.China science(A series)1998 ,28(5):443

(汪卫华,王文魁,白海洋.中国科学,A 辑,1998 ,28(5):443)

[5]ChenWZ.Metalfunctional materials,1997 ,4(1):11(陈文智.金属功能材料,1997 ,4(1):11)[6] Choi Yim ,J lhnson W L.Appl Phys Lett ,1997 ,71(26):3808

[7] Wu X F,Zhang H F,Qiu K Q.Rare metal materials and engineering,2004 ,33(12):1317-1320(武晓峰,张海峰,邱克强.稀有金属材料与工程,2004 ,33(12):1317-1320)

[8] Wang L M,Wang W H,Sun L L.China Science(A series),2000,30(2):176-181

(王利明,汪卫华,孙力玲.中国科学(A 辑),2000 ,30(2):176-181)

[9] INOUE A , KITA K, ZHAN G T , et al.Mater.Trans.J IM ,1989 ,30(9):7222725

[10] Xiao H X.Ph.D.Thesis,Nanjing:Nanjing polytechnie university,2006

(肖华星.博士学位论文,南京:南京理工大学,2006)[11] Zhang

L,Lu

Z

C,Li

D

R.Steel

journal,2005,17(1):23-25

(张亮,卢志超,李德仁.钢铁研究学报,2005 ,17

(1):23-25)

[12] INOUE A , NA KAMURA T , NISHIYAMA N , et al.Key Eng.Mater.,1993 ,81/83 :147-152 [13] Saotome Y, Miwa S , Zhang T ,et al.J Mater ProcessTechn ,2001 ,113 : 64 先进材料进展

[14] Inoue A.Development and applications of bulk glassy alloys[ EB/ OL ].(2007210225).http :/ / www.xiexiebang.com/xy/ files/ ino2ue.pdf [15] Inoue A , Wang X M , Zhang W..Rev Adv Mater Sci ,2008 ,18 :1 [16] Ashby M F , Greer A L..Scripta Mater ,2006 ,54 :321 [17] Wang W H , Dong C , Shek C H.Mater Sci Eng ,2004 ,44 :45

Intermetallics ,2002 ,10(11-12):1283

101101918

[20] http : ∥www.xiexiebang.com/ index/ [21]

Nieh

T

G，Wadsworth

J

.Scripta

Mater ,2006 ,54 :387

[22] Nishiyama N , Amiya K, Inoue A.Mater Res Soc Symp Proceed ,2004 ,806 :MM10.3.1

[23] Inoue A , Nishiyama N.MRS Bull ,2007 ,32 :651 [24]Guo J H,Lian F Z,Ni X J.Functional materials,2007,38(11):1817 [18] Greer A L.Mater Today ,2009 ,12(122):14 [19] Qiu K Q , Wang A M , Zhang H F ,et al.郭金花,连法增,倪晓俊.功能材料,2007 ,38 12

((11):1817)

第四篇：非晶合金铁芯配电变压器性能简介

非晶合金铁芯配电变压器性能简介

2005年国务院发出了《关于做好建设节约型社会近期工作的通知》，2006年《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中提出：“全面落实科学发展观，加快经济增长方式转变，建设资源节约型、环境又好型社会，实现可持续发展。”并要求：“强化能源节约和高效利用的政策导向，加大节能力度。通过优化产业结构特别是降低高耗能产业比重，实现结构节能；通过开发推广节能技术，实现技术节能。”《国家电网公司农网“十一五”科技发展规划纲要》明确要求：继续加强农网建设，调整网络布局，优化网络结构，提高电网供电能力、提高农网整体装备技术水平、提高供电质量和供电可靠性；加强“四新”技术和产品的研究开发与推广应用。一次设备建设中，大力推广节能型、环保型配电变压器，提高农网节能降损水平。积极推广应用节能、降损、环保技术，淘汰高耗能变压器。中压线损率降到9%以下，低压线损率降到11%及以下，10kV母线功率因数达到0.95以上的目标。

我国自1998年开始打规模城乡电网建设与改造以来大力推广应用S9型节能配变，停止生产S7型配变并淘汰电网中的“64”、“73”系列高耗能配变，对降低电网线损起到

了积极的作用。据统计目前线损率已下降到7.71%。但仍高出国际先进国家1—2个百分点。降低配变的损耗，提高供配电系统的效率，仍是目前世界各国关注的问题。在整个供电系统中，配电变压器所占比重最大，改进其性能，降低损耗指标，对电力系统节能、提高系统可靠性具有重要的意义。

非晶合金铁芯变压器采用新材料、新技术、新结构、新工艺，作为一种新型节能配电设备，特别是其具有的低空载损耗特性，备受电力系统及用户的关注。

我公司生产的非晶合金变压器具有以下特点：

我公司主要生产SBH15-M型系列非晶合金铁芯配电变压器。

1.材料特点

电力变压器传统的铁芯制造技术是以硅钢片为基本材料，在降低变压器自身损耗上，无论任何国家及制造厂商，均是以选用优质硅钢片为先决条件来降低变压器自身损耗，来提高电能的转换能力。

随着原材料制造工业的技术发展，目前变压器制造行业，尤其是配网使用的小型变压器，制造厂家开始采用非晶合金为铁芯制造材料的变压器。我们所说的非晶合金，是指一种采用特殊的超快速致冷工艺加工而成的金属材料，由于材料生产工艺的限制，一般均为带材。

非晶合金在其制造过程中采用了超急冷凝固的技术，使得在材料的微观结构中，金属原子在从液体（钢水）固化成固体的过程中，原子来不及排列成常规的晶体结构就被固化。这种原子结构无序排列的状态即称为非晶态，由此生产而成的材料被成为非晶合金。非晶合金材料具有非常优异的导磁性能，它的去磁与被磁化过程极易完成，较硅钢材料铁芯损耗大大降低，达到高效节能效果。因而作为一种极其优良的导磁材料被引入变压器等需要磁路的产品中。采用非晶合金制造成变压器铁芯，并组装成的变压器，即称为非晶合金变压器或非晶合金铁芯变压器。

2.环保特点

选用非晶合金为铁芯的变压器，其显著特点就是节能和环保。首先在环保方面，经技术检测，当非晶合金铁芯用于油浸变压器时可有效减排CO、SO、NO等有害气体，对大气污染程度降低，所以可以称其为21世纪电力产品中的“绿色产品”。其次，非晶合金变压器最显著的特点是空载损耗很低，节能效果明显。由于非晶合金材料具有优越的导磁性，更易于以极少能耗磁化或消磁。因此非晶合金变压器的空载损耗远远低于传统变压器。以我公司生产的315kVA非晶合金变压器为例，非晶合金变压器和S9型传统变压器的空载损耗分别为170W和670W。非晶合金变压器的空载损耗比S9型传统变压器降低75%左右，节能效果非常显著。对于公路、城市基础设施及住宅小区等电力负荷波动较大的领域，非晶合金变压器的节能效益更加明显。由于节能

效果显著，可节省大量的电厂投资，减少发电燃料的消耗，从而减少对大气环境的污染。

3.综合成本特点

由于非晶合金变压器采?昧诵虏牧稀⑿录际酰ひ崭丛樱虼似洳芳鄹窠洗潮溲蛊髀愿撸话惚韧秃糯潮溲蛊鞲?30%左右；但由于其节能效果显著，运营成本较低，所以其综合使用成本较传统变压器低。以500kVA的非晶合金变压器与常用的S9型变压器相比，非晶合金变压器每台每年可节约电能6832.8kWh，一年节约电费5207元。虽然非晶合金变压器比S9型变压器价格高20%—30%左右，但所增加的成本，可在该变压器运行的2~3年内全部回收。

4.结构性能特点

非晶合金变压器采用全密封式结构，可延缓变压器油和绝缘纸的老化，不仅结构紧凑，而且具有运行效率高、免维护的优点。还增加了农网偏僻地区变压器的防盗性能。非晶合金变压器由于损耗低、发热少、温升低，故运行性能非常稳定。

山西晋能置信电气有限公司

第五篇：快速凝固铝基非晶合金及纳米晶-非晶复相材料

快速凝固铝基非晶合金以及纳米晶/非晶复相材料

1.快速凝固技术

1.1 快速凝固技术的发展现状

快速凝固的研究开始于20世纪50年代末60年代初，是在比常规工艺过程快得多的冷却速度(例如104～109K/s)或大得多的过冷度(可以达到几十至几百K)下，合金以极快的凝固速率(常大于10cm/s，甚至高达100cm/s)由液态转变为固态的过程。1959年没过加州理工学院的P Duwez等人采用一种独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于107K/s的冷却速度下凝固。他们发现，在这样快的冷却速度之下，本来是属于共晶体系的Cu-Ag合金中，出现了无限固溶的连续固溶体；在Ag-Ge合金系中，出现了新的亚稳相；而共晶成分为Au-Si合金竟然凝固为非晶态的结构。这些发现，在世界上物理冶金和材料学工作者的面前展开了一个新的广阔的研究领域。随后，各国，特别是发达国家投人了大量的人力和物力，开 发新的非晶合金体系，改进其性能和探索其应用。随后研究者们又相继发现了一些其他非晶合金体系，如Al-Cr，Al-Mn等，再后来又发现了准晶合金。非平衡亚稳材料如非晶、准晶、超饱和固溶体等成为研究新材料的重要途径。

随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已经成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术，已经开始研究了合金在凝固过程时各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于具有大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。[1]

1.2 快速凝固原理及凝固组织

快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100cm/s)凝固。由于凝固过程的快冷、起始形核过冷度大，生长速率高使固液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。加快冷却速度和凝固速率所引起的组织及结构特征可以近似用图1-1来表示。[2]

图1-1 快速凝固引起的显微组织的变化 1.3 快速凝固的方法 1.3.1表面熔凝技术

表面熔凝技术的特点是用高密度能束扫描工件表面，使其表层熔化，熔体通过向下面冷的工件基体迅速传热而凝固，该技术主要应用在材料表面改性方面。

(1)激光熔凝：采用近于聚焦的激光束照射材料表面层，使其熔化，依靠向基材散热而自身冷却、快速凝固。在熔凝层中形成的铸态组织非常细密，能使材料性能得到改善，增强材料表层的耐磨性和耐蚀性。

激光表面熔凝技术的应用基本上不受材料种类的限制，可获得较深(可达2～3 mm)的高性能敷层，易实现局部处理，对基体的组织、性能、尺寸的影响很小，而且操作工艺方便。

(2)激光超高温度梯度快速凝固：激光能量高度集中的特性,使它具备了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。

利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固的关键是在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度，根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数，获得胞晶组织。由于它要求的检测手段更为高超，因而设备昂贵，还没能在实际生产中得到广泛的应用。

1.3.2 快速凝固喷射成型技术

喷射成型技术是一种快速凝固近终成型材料的制备新技术。喷射成型工艺的基本过程是把金属原料置于坩埚中，在大气或真空中熔炼，达到一定过热度后(典型值为50～200℃)，释放金属流进入雾化室。在雾化室中金属流被惰性气体分散成液滴飞向沉积器，沉积成致密的坯体。沉积器为板状或棒状，通常采用水冷或不冷却。根据沉积器形状及运动方式的不同，沉积坯可以为板状、棒状、管状或带状。喷射沉积工艺已广泛应用于铝、铜、镁合金及特种钢的成型制备中。

由此可见，喷射成型最突出的特点在于把液体金属的雾化(快速凝固)与雾化熔滴的沉积(动态致密固化)自然地结合起来，以一步冶金操作的方式，用最少的工序直接从液态金属制取整体致密、具有快速凝固组织特征的接近零件实际形状的大块高性能材料(坯料)，从而彻底解决了传统工艺生产高性能材料一直很难解决的成分偏析、组织粗大及热加工困难等难题。同时也避免了粉末冶金工序复杂、成本较高及易受污染等弊端。为新材料的研制和发展提供了一个崭新的技术手段，有广阔的发展前景。

1.3.3 表面沉积技术

表面沉积技术的特点主要是使通过雾化技术制得的粉末或已雾化的金属熔滴喷射到工件表面上，让其迅速冷凝沉积，形成与基体结合牢固、致密的喷涂层。其主要有等离子喷涂、电火花沉积等技术。

(1)等离子喷涂技术：等离子喷涂是利用等离子火焰来加热、熔化喷涂粉末，使之形成涂层。等离子喷涂工作气体常用Ar或N2和5%～10 %的H2，工作气体通过电弧加热离解形成等离子体，其中心温度高达1500K以上，经孔道高压压缩后呈高速等离子体射流喷出。喷涂粉末被送粉气载入等离子焰流，很快呈熔化或半 熔化状态，高速地打在经过预处理的零件表面并产生塑性变形，粘附在零件表面上。各熔滴之间通过塑性变形而相互钩接，从而获得良好的层状致密涂层。由于等离子喷涂具有形成的涂层结合强度高、孔隙率低及效率高、使用范围广等优点，故在航空、冶金、机械等领域中得到广泛的应用。

(2)电火花沉积技术：金属表面电火花沉积技术是近期发展起来的新技术，是在传统工艺基础上发展起来的新工艺，它具有较强的实用性。电火花沉积工艺是将电源存储的高能量电能在金属电极与金属母材间瞬间高频释放，通过电极材料与母材间的空气电离形成通道，使母材表面产生瞬间高温、高压的微区，同时离子态的电极材料在微电场的作用下融渗到母材基体中，形成冶金结合。由于电火花沉积工艺是瞬间的高温—冷却过程，金属表面不仅会因迅速淬火而形成马氏体，而且在狭窄的沉积过渡区还会得到超细奥氏体组织。该工艺具有沉积层与基体结合非常牢固、不会使工件退火或变形、设备简单及造价低等优点，已在实际生产中得到广泛应用。

1.3.4 大过冷凝固技术

大过冷凝固技术的核心是利用金属本身的特点实现快速凝固。其主要有快速蒸汽冷凝技术、快速卸压淬火等。大过冷凝固技术的特点是在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件，从而在形核前获得大的过冷度。熔体主要是通过导热性差的介质传热或以辐射传热的方式冷却。目前，采用此技术制取的合金的尺寸、数量都很小，而且不能连续生产。因此，要使其不仅在理论上和实验研究中得到广泛应用，而且像急冷凝固技术那样应用于实际生产还需要做进一步的改进。

1.4 快速凝固的发展趋势

快速凝固技术是从1960年才开始出现的一种研制新型合金的技术，它对于Fe-Mo-Al合金、改型304不锈钢等新材料的研究与开发起到了关键性作用，特别是超塑性的利用更是其它方法所不能取代的。有关快速凝固及合金的理论研究将给材料科学和其它有关学科注入新的活力，而且对快速凝固合金的微观组织结构与凝固参数之间的关系、对合金相的形成，特别是亚稳晶态相、非晶和准晶形成机制的研究，都将对固体物理等基础理论构成严峻的挑战。对于用作结构材料的快速凝固合金，需要采用固结成型技术生产，固接成型技术的水平直接影响合金的最终性能和合金的应用广泛性，快速凝固技术基础理论的研究将促进固接成型技术的发展。现代凝固技术的研究与应用，迫切要求以液/固相变理论的新成果为指导，在研究对象的尺度上不局限于宏观的凝固过程的研究，而是要在原子尺度上对移动的液/固界面的行为进行分析，与凝固技术的发展相适应。近年来，凝固理论的研究在下列方面取得进展：从传热、传质和固/液界面动力学三个方面对凝固动力学过程给出了不断改进的定量描述；固/液界面形态稳定性理论继续完善，可在低速生长至高速生长的较宽范围内全面估计界面能、界面曲率、结 晶潜热等对晶体形貌及显微结构的影响，提供晶体形态转变的定量判据；大过冷和高生长速率下凝固热力学和动力学研究的不断深入，为合金快速凝固过程的分析和设计提供了依据。快速凝固技术正在引起人们更多的重视，而且随着实际生产的需要也正在不断的深化。

2.快速凝固技术在铝基非晶合金制备中的应用 2.1 铝基非晶合金的发展现状

随着航天航空、运输工具轻型化的迅速发展及节能降耗的需要，对高强度低密度材料的需求越来越迫切，铝基非晶和纳米晶体弥散分布的非晶合金强度可达到或超过钢材的强度，密度却不到钢材的40％，在600K以下具有很好的高温强度，能满足多种航空结构件的需要，可取代价格昂贵的钛合金。此外，非晶合金和纳米晶体比普通的晶体材料更有活性，其催化活度比较稳定，比同成分的晶态合金高1～2个数量级，因而该类材料可作为石油、化工等领域的加氢、脱氢催化剂。由此可见，铝基非晶合金是一种颇具开发应用潜力的新型材料，其制备及相关性质的研究是目前极具魅力的新兴研究领域。[3]

2.2 急冷法制备铝基非晶合金

近十几年来已经发展起来多种快速凝固方法，究其根源是为了获得大的冷却速度(＞1℃/s)。这就迫使材料至少在一个方向上尺寸很小(一般＜100μm)，由于这一条件的限制，快速凝固技术通常可分为三类：①制取条带材料及薄片材料；②雾化法制取粉末；③表面熔化及强化法。

(1)单辊旋转淬冷法：该法简称MS法，如图2-1所示，通过一定转速的铜质单辊将熔体制成非晶或非晶加微晶相的薄带。该方法使用方便，冷却速度大，易调节，可进行连续生产。在非晶铝合金的研究进程中，几乎每一种成分合金的非晶化都是从MS法开始的，然后才推广至其他的方法(如雾化等)。

图2-1 熔体旋转淬冷装置示意图

Imoue通过铜模铸造方法得到厚度达0.2mm～0.4mm的铝基合金(Al84Ni10Ce6)非晶带，而通过单辊旋转淬冷法所能得到的铝基合金(Al-Ni-Ce)非晶条带的最大厚度为65μm。山东大学的王胜海等人，采用单辊旋转淬冷法制备出厚度达到140μm的Al-Ni-La-Ce-Pr-Nd超厚非晶条带，大大增加了铝基合金非晶条带的厚度，有助于实现其在工程上的应用。

(2)气体雾化法：通过高速气体流冲击金属液流使其分散为微小液滴，从而实现快速凝固。通常的气体雾化法冷却速度可达102 K/s～104 K/s，采用超声速气流可明显改善粉末的尺寸分布，进一步提高冷却速度。另外，冷却介质是该工艺中制约非晶铝合金生产的一个主要因素。由于氦气的传热速度快，采用氦气作为射流介质，冷速比用氢气的大数倍。为了进一步提高冷却速度，有报道采用多级雾化的方式成功地制备出Al-Y-Ni非晶合金。雾化法的生产效率高且合金粉末呈球形，有利于后续的成型工艺消除颗粒的原始边界，适用于工业化生产。但其与MS法相比，冷却速度较低，需要严格控制合金成分。

(3)表面熔化及强化法使铝合金表面非晶化：对于只要求表面具有高耐磨、耐蚀性的材料，只需处理表面得到一强化层即可满足要求。利用铝合金材料导热系数大的特点，可在表面获得具有优异性能的非晶层，以满足产品的某一特殊需要。此方法包括激光、电子束表面熔化处理、激光及电子束表面合金化、激光表面涂覆、激光表面沉积和摩擦上釉等。这些工艺简单可靠，成本低，是一种具有开发前途的新领域，但这些工艺在铝合金材料上的应用还处于准备阶段。

2.3 复合工艺制备铝基非晶合金

此外，复合工艺是目前RS-PM技术的一个发展方向。它是通过结合快速凝固和机械合金化双重制粉工艺制备合金粉末。机械合金化处理对于快速凝固粉末至少具有两个重要作用：①可以提高材料的力学性能；②可以提高显微组织的稳定性。

S.Eee在A1-Fe-Ni合金的快冷与机械合金化复合制粉工艺上的成功经验表明，该工艺完全可以扩展到铝基非晶态合金的制备上。该工艺吸取了快速凝固与机械合金化二者的长处，互为补充，从而有希望缩短非晶材料的合金化时间，提高非晶转变温度，提高材料非晶相的稳定性，扩大非晶铝合金的成分范围，从而进一步提高其性能。

3.快速凝固技术在纳米晶/非晶复相材料制备中的应用 3.1 纳米晶/非晶复相材料的发展现状

非晶铝合金由于具有优异的力学性能，近年来逐渐受到人们的关注。同时，纳米材料由于晶粒细小，表现出许多奇异的性能，是目前材料领域最热门的课题。非晶与纳米晶的有机结合可使材料性能获得更大的提高。1988年Inoue首先报道了三元Al基合金能形成具有高强度高韧性的非晶合金，之后Inoue又和Shiflet等人利用快速凝固和塑性变形等方法得到了铝-后过渡金属-稀土(Al-Tm-Re)的纳米非晶复合材料，即纳米级的Al晶体弥散分布在非晶基体上。据有关文献报道，这种材料的强度和塑性是相同成分完全非晶材料和纳米材料的数倍。[11]

3.2 熔体快速凝固法制备非晶/纳米晶复合材料

直接凝固法是先将母合金熔配均匀，然后采用提纯和快冷的方式使合金液在短时间内急冷成形，该法的主要优点是制备简便、制备周期短。

采用单辊旋淬技术制备快速凝固Al-Ni-Zr合金，快凝Al85Ni10Zr5合金形成完全非晶，而快凝Al89Ni10Zr1合金形成完全晶态结构，选择Al87Ni10Zr3合金，在快速凝固条件下能形成非晶纳米复合材料。可见元素Zr的添加对形成非晶的影响。凝固冷速也是需要考虑的因素，冷却速度越快，越易形成非晶；快凝Al91Ni7Y2合金时，可形成由部分非晶和部分晶体组成的复合材料，此材料结构为：纳米级Al晶体均匀弥散分布在非晶基体上。合金元素加入量对材料的组织结构产生直接的影响。当Ni、Y含量较少时，形成完全晶态结构；当Ni、Y含量过高时，形成完全非晶结构；只有当成分合适时，才能形成纳米晶+非晶态的复合材料。

3.3.快速凝固在具体合金制备中的应用

3.3.1 快速凝固在Al-Ce-Ni-Mn合金制备中的应用

以Al-Ce-Ni-Mn合金为例，Al和Ce原子间的键强于Al和Y原子间的键，稀土元素选用Ce能提高其强度，在以其形成的四元合金中，Mn是最有效的提高强度的元素之一。在采用单辊旋淬技术制备Al87-Ce3-Ni8.5-Mn1.5合金的过程中，辊速大于65m/s时获得非晶单相材料，辊速降至40m/s～55m/s间时可制成纳米非晶复合材料，α-Al晶粒尺寸和体积分数由冷凝速度决定，冷速越大，晶粒尺寸越小数量越少。而熔体的冷凝速度与辊速、熔体温度、熔体喷射速度、喷嘴大小、喷嘴到辊面的距离、熔体与辊面的附着程度等因素有关，较难控制。

有文献报道，使用单辊旋淬技术制备成非晶合金，再经过483K退火20min，可以成功制备出硬度高并且韧性好的纳米非晶复合材料Al87-Ce3-Ni8.5-Mn1.5。其显微硬度可以达到527Kg/mm2。

3.3.2 快速凝固在Mg-Ni基非晶/纳米晶贮氢合金制备中的应用

氢能是一种清洁且贮量丰富的能源，贮氢材料的发展及应用对环境保护和能源开发都有重要的意义。作为贮氢材料，镁基合金由于其重量轻、贮氢量大、成本低而成为很有发展前景的新型能源材料之一。镁基贮氢材料的研究最早始于美国布克海文国家实验室，Reilly等人首先采用传统熔炼方法成功制备了Mg2Ni合金。它在2MPa，300 ℃下能与氢反应生成Mg2NiH4，贮氢量达3.6 %。但随后的研究发现，镁基晶态合金作为贮氢材料存在如下缺点：①吸放氢速度较慢，反应动力学性能差；②氢化物较稳定，释氢需要较高的温度；③贮氢能力低，耐腐蚀性能差。这些严重阻碍了镁基贮氢合金的实用化进程。近10年来，贮氢合金的研究主要集中在两个方面：一是研究新型的金属贮氢系统，即通过对贮氢合金中的元素进行合理替代与组合获得新型贮氢合金；另一方面是借助各种手段如改变组织结构、表面处理、添加催化剂等对现有材料体系进行改进。值得一提的是目前广泛研究的制备非晶/纳米晶组织结构的贮氢合金已被证实是改善贮氢合金性能的有效方法，而制备非晶/纳米晶的一种方法就是熔体急冷法。[12]

运用熔体急冷法制备Mg-Ni基非晶/纳米晶贮氢合金的优点是通过控制冷却速度可以制备完整的非晶态合金，进而通过热处理来制备所需要的粒度均匀的纳米晶合金。但由于金属镁和镍的熔点和相对密度相差很大，采用传统的高温熔炼法还有一定难度，因此国际上采用熔体急冷法制备Mg-Ni基非晶/纳米晶贮氢合金的并不是很多。表3-1列出了近几年采用熔体急冷法制备出的Mg-Ni基非晶/纳米晶贮氢合金及其最大贮氢量。

表3-1近年来熔体急冷法之辈出的Mg-Ni基非晶/纳米晶贮氢合金最大贮氢量

合金成分 Mg2Ni

最大贮氢量(%，质量分数)

3.6 3.0 2.0 4.0 3.2 3.1 2.2 2.5

开发年代 1987 1998 1999 2002 2002 2002 2002 2004 Mg63Ni30Y7 Mg87Ni12Y1

Mg75Ni20Mm5(Mm = Ce，La，Sm)Mg76Ni19Y5 Mg78Ni18Y4 Mg1.8NiAg0.2 Mg67Ni23Pd10

根据Inoue提出的制备非晶合金的3个理论原则，要在常规的冷却速度下获得非晶合金，必须向Mg-Ni合金中添加第三种元素。1998年，德国多特蒙德大学的Spassov教授率先采用熔体快淬法制备了Mg63Ni30Y7非晶/纳米晶合金，并详细研究了合金的贮氢性能、热稳定性及其在热处理过程中相的转变机制。他们制得的合金的微观组织结构是大约2～3nm的Mg2Ni相和大量的非晶相共存，合金在180 ℃时以140 kJ·mol-1的活化能开始晶化，晶化的形式是Mg2Ni纳米晶的三维尺寸的长大，合金的最大贮氢能力达到3.0 %，并且在室温下充氢30min即可达到2.1%。1999年，该研究小组又制备了Mg87Ni12Y1非晶合金，其贮氢量为2.0 %，经研究发现其贮氢量少是由于产生了较多Mg6Ni相，而Mg6Ni相不与氢发生反应。2002年，该研究小组制备出了Mg75Ni20Mm5(Mm = Ce，La，Sm)非晶合金，其贮氢量高达4.0%，并且在室温下吸/释氢的速度可达到0.3 %min-1。他们详细研究了该合金的微观组织结构，发现该合金有大量的5～10 nm的Mg2Ni和Mg17Mm2纳米相分布在非晶相当中，而Mg17Mm2在吸/释氢过程中转变为MmHx和Mg，进一步加大了合金的贮氢量。同时，他们指出，该合金有如此高的贮氢量不仅是因为稀土元素代替钇，更主要是因为Mg75Ni20Mm5的成分含量达到了贮氢所需的最优比例，这和Liang等人的研究结果基本一致。

综上所述，可知采用熔体急冷法制备性能良好的非晶/纳米晶贮氢合金，至少需要达到以下条件：①最佳成分含量：Mg 65%～75%；Ni 20%～30%；RE(稀土元素)2%～10%；②最佳相成分：含有Mg2Ni相；③最佳微观组织结构：5～10nm的纳米晶和非晶的混合体。

3.4 纳米晶/非晶复合材料的发展前景

非晶纳米晶复合材料的研究还处在发展阶段，制备技术和工艺水平尚待提高；体系选择及材料性能与工艺的关系研究需要有新的突破；进一步探索非晶纳米晶复合材料的微观组织与性能之间关系，开发具有可控硬度和弹性模量的新功能材料，拓宽非晶纳米晶复合材料的应用领域方面，还应加强研究力度。相信，不久的将来，非晶纳米晶复合材料的研究和应用都会有一个新的飞跃。[15] 结束语

快速凝固技术是近20年发展起来的新技术，使用快速凝固技术制备的材料具有较高的力学性能和良好的物理化学性能。由于在快岁凝固材料制备过程中合金液体的快速冷却，突然从液态变成固态，原来在液态下呈杂乱排列的原子来不及变成有规则排列的晶体结构就被“冻结”下来，成为原子无规则排列的固体。就像玻璃中的原子结构一样，所以这种合金又称为非晶态合金或玻璃金属。这种非晶态合金具有比晶体状合金高得多的磁性，强度和耐腐蚀性。此外，快速凝固还可以生产许多普通方法无法得到的合金。

参考文献

[1] 王倩，李青春，常国威，等.快速凝固技术的发展现状与展望[J].辽宁工学院学报学报，2003, 23(5): 4040.[3] 段成银，黄光杰.铝基非晶合金的研究进展[J].轻合金加工技术，2007，35(8)：11684.[6] 褐端微，张富祥，刘日，等.一种新的快速凝固方法—快速卸压淬火[J].物理学报，1998，47(2)：18364． [11] 张红．Al-Ni-Y纳米非晶复合材料的制备及显微组织[J]．合肥工业大学学报，2002，25(2)：265 – 268.[12] 黄林军，梁工英，孙占波．Mg-Ni基非晶/纳米晶体贮氢合金的研究新进展[J]．中国稀土学报，2005，23：172 – 177.[13] 苏勇，陈翌庆，丁厚福，等.Al87Ni10Zr3纳米非晶材料的形成及其晶化行为[J].矿冶工程，2002，22(1)：98150.[17] 巴发海, 沈宁福.平面流铸快速凝固过程的数值模拟研究进展[J].材料科学与工程, 2001, 19(4): 97-104.[18] 胡汉起, 沈宁福, 姚山,等.金属凝固原理[M].第2版.北京:机械工业出版社, 2000.[19] 周尧和, 胡壮麒, 介万奇.凝固技术[M].北京:机械工业出版社, 1998.