Ni-Nb-P-Based bulk metallic glasses: Alloy development, thermodynamics, kinetics, structure, and mechanical properties

Abstract

High-strength Ni-Nb-based bulk metallic glasses exhibit exceptional mechanical properties, including strengths up to 3 GPa, elasticity of 2%, and hardness around 900 HV5, while their limited glass-forming ability (GFA) restricts broader industrial applications. To address this limitation, various alloying strategies are explored, with the primary focus on the effect of P and Ta on GFA, thermophysical properties, mechanical behavior, and atomic structure. Micro-alloying with P increases the critical casting thickness dc from 2 mm in binary Ni-Nb to 5 mm in the optimized ternary composition Ni59.2Nb38.8P2. Further refinement results in Ni59.2Nb33.8Ta5P2, achieving a record-breaking dc of 6 mm. Thermodynamic functions, viscosity, and kinetic fragility are evaluated around the glass transition and equilibrium liquid, providing insights into the driving force for crystallization and kinetic slowdown during cooling. Synchrotron X-ray diffraction studies reveal delayed crystallization and structural ordering, demonstrating a stabilized supercooled liquid state. On the downside, the applied strategies lead to reduced ductility and fracture toughness, with Ni59.2Nb38.8P2 emerging as optimal choice, balancing high GFA, strength and decent toughness. In addition, the correlation between amorphous structure and mechanical properties is further elaborated in an excursion across different metallic glass families, providing deeper insights into the underlying structure-property relation.

Hochfeste metallische Massivgläser auf Ni-Nb-Basis zeichnen sich durch außergewöhnliche mechanische Eigenschaften aus, darunter Festigkeiten bis zu 3 GPa, eine Elastizitätsgrenze von 2% und eine Härte von etwa 900 HV5. Ihre begrenzte Glasbildungsfähigkeit (GFA) schränkt jedoch eine industrielle Anwendung ein. Um diese Limitierung zu überwinden, wird der Einfluss verschiedener Legierungselemente, insbesondere von P und Ta, auf die GFA, die thermophysikalische Eigenschaften, das mechanische Verhalten und die atomare Struktur untersucht. Mikrolegieren mit P erhöht die kritische Gussdicke dc von 2 mm in binärem Ni-Nb auf 5 mm in Ni59.2Nb38.8P2. Eine gezielte Weiterentwicklung führt zur Zusammensetzung Ni59.2Nb33.8Ta5P2, die eine rekordverdächtige kritische Gussdicke von 6 mm erreicht. Die Untersuchung der thermodynamischen Funktionen, der Viskosität und der Fragilität liefert Einblicke in die treibenden Kräfte der Kristallisation und die kinetische Verlangsamung. Synchrotron-Röntgenbeugungsstudien zeigen eine verzögerte Kristallisation und erhöhte strukturelle Ordnung, was auf eine stabilisierte unterkühlte Schmelze hindeutet. Auf der Kehrseite führen die angewandten Strategien zu verminderter Duktilität und Bruchzähigkeit, wobei Ni59.2Nb38.8P2 sich als optimale Wahl erweist, die den besten Kompromiss zwischen hoher GFA, Festigkeit und angemessener Zähigkeit darstellt. Zudem wird die Korrelation zwischen amorpher Struktur und mechanischen Eigenschaften metallischer Gläser vertieft.