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液態(tài)五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金的微觀結(jié)構(gòu)演變與非晶形成機(jī)制

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-10-31  瀏覽次數(shù)：3183
相比于以晶體形核生長(zhǎng)為特征的經(jīng)典凝固，非晶凝固的本質(zhì)在于對(duì)過冷液態(tài)合金形核行為的抑制。為了達(dá)到抑制形核的目的，非晶合金的成分調(diào)控和制備方法被不斷的優(yōu)化，即在提供超高冷卻速率的同時(shí)，豐富非晶合金的組元。強(qiáng)非晶形成能力合金往往具有配方復(fù)雜、成分多元的特點(diǎn)，不易對(duì)其凝固特征參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性地精準(zhǔn)模擬和計(jì)算。因此，對(duì)于非晶形成熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)演變機(jī)制的數(shù)值模擬研究只多見于簡(jiǎn)單合金體系。電磁懸浮無容器技術(shù)可以極大地削弱器壁引起的異質(zhì)形核效應(yīng)，在低冷速條件下使液態(tài)合金達(dá)到深過冷態(tài)．這不僅有利于非晶相的形成，也為準(zhǔn)確測(cè)定液態(tài)合金降溫過程中的熱物理信息提供了便利。

西北工業(yè)大學(xué)魏炳波等采用電磁懸浮無容器技術(shù)，對(duì)非晶形成能力更強(qiáng)的五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金進(jìn)行了深過冷快速凝固實(shí)驗(yàn)，并借助高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）和分子動(dòng)力學(xué)(MD)等分析和研究手段，對(duì)合金的非晶形成機(jī)制進(jìn)行了更進(jìn)一步的揭示。相關(guān)研究成果于2023年10月在《物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表。

研究人員利用電磁懸浮無容器處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了液態(tài)五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金的深過冷與快速凝固，同時(shí)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算揭示了非晶形成的微觀機(jī)制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凝固組織具有明顯的核-殼結(jié)構(gòu)特征，核區(qū)為非晶相，殼區(qū)主要由ZrCu、Zr2Cu和Zr8Cu5晶體相組成（圖1）。非晶體積分?jǐn)?shù)隨合金過冷度的升高逐漸增大，當(dāng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)最大過冷度300K(0.26TL)時(shí)，非晶體積分?jǐn)?shù)增至81.3%。由此導(dǎo)出完全非晶凝固所需臨界過冷度為334K（圖2-3）。TEM分析顯示，過冷度增大并接近臨界過冷度時(shí)，合金凝固組織中晶體相主要為Zr8Cu5相，而ZrCu和Zr2Cu相的生長(zhǎng)被抑制。在達(dá)到臨界過冷度后，過冷液相的凝固路徑由Zr8Cu5結(jié)晶生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷蹋▓D4-6）。此外，合金的晶體殼中存在少量的晶間非晶相，而非晶核中亦有微量的非晶Zr8Cu5納米晶團(tuán)簇。模擬結(jié)果表明，晶間非晶相的形成主要源于近臨界過冷度下偏析行為誘發(fā)的成分過冷，而非晶間納米晶團(tuán)簇的出現(xiàn)則主要?dú)w因于深過冷液相中的微觀熱起伏效應(yīng)（圖7-8）。隨著熔體過冷度的增大，當(dāng)合金核心液相達(dá)到非晶形成臨界過冷度且足夠穩(wěn)定時(shí)，由微觀熱擾動(dòng)引起的局域過冷度衰減將減少，非晶間的Zr8Cu5 納米團(tuán)簇會(huì)趨于消失。

本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA0716301）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52088101; 51771154）等的支持。


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