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

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-10-31  瀏覽次數(shù)：3240
相比于以晶體形核生長為特征的經(jīng)典凝固，非晶凝固的本質(zhì)在于對過冷液態(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，豐富非晶合金的組元。強非晶形成能力合金往往具有配方復(fù)雜、成分多元的特點，不易對其凝固特征參數(shù)進(jìn)行有針對性地精準(zhǔn)模擬和計算。因此，對于非晶形成熱力學(xué)、動力學(xué)和結(jié)構(gòu)演變機制的數(shù)值模擬研究只多見于簡單合金體系。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)，對非晶形成能力更強的五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金進(jìn)行了深過冷快速凝固實驗，并借助高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）和分子動力學(xué)(MD)等分析和研究手段，對合金的非晶形成機制進(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》上發(fā)表。

研究人員利用電磁懸浮無容器處理技術(shù)實現(xiàn)了液態(tài)五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金的深過冷與快速凝固，同時通過分子動力學(xué)模擬計算揭示了非晶形成的微觀機制。實驗發(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)到實驗最大過冷度300K(0.26TL)時，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，合金凝固組織中晶體相主要為Zr8Cu5相，而ZrCu和Zr2Cu相的生長被抑制。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，而非晶間納米晶團簇的出現(xiàn)則主要歸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，由微觀熱擾動引起的局域過冷度衰減將減少，非晶間的Zr8Cu5 納米團簇會趨于消失。

本工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFA0716301）、國家自然科學(xué)基金（52088101; 51771154）等的支持。


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