液态五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金的微观结构演变与非晶形成机制

发布日期：2023-10-31 浏览次数：2987

相比于以晶体形核生长为特征的经典凝固，非晶凝固的本质在于对过冷液态合金形核行为的抑制。为了达到抑制形核的目的，非晶合金的成分调控和制备方法被不断的优化，即在提供超高冷却速率的同时，丰富非晶合金的组元。强非晶形成能力合金往往具有配方复杂、成分多元的特点，不易对其凝固特征参数进行有针对性地精准模拟和计算。因此，对于非晶形成热力学、动力学和结构演变机制的数值模拟研究只多见于简单合金体系。电磁悬浮无容器技术可以极大地削弱器壁引起的异质形核效应，在低冷速条件下使液态合金达到深过冷态．这不仅有利于非晶相的形成，也为准确测定液态合金降温过程中的热物理信息提供了便利。

西北工业大学魏炳波等采用电磁悬浮无容器技术，对非晶形成能力更强的五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金进行了深过冷快速凝固实验，并借助高分辨率透射电子显微镜（TEM）和分子动力学(MD)等分析和研究手段，对合金的非晶形成机制进行了更进一步的揭示。相关研究成果于2023年10月在《物理学报》上发表。

研究人员利用电磁悬浮无容器处理技术实现了液态五元Zr57Cu20Al10Ni8Ti5合金的深过冷与快速凝固，同时通过分子动力学模拟计算揭示了非晶形成的微观机制。实验发现，凝固组织具有明显的核-壳结构特征，核区为非晶相，壳区主要由ZrCu、Zr2Cu和Zr8Cu5晶体相组成（图1）。非晶体积分数随合金过冷度的升高逐渐增大，当达到实验最大过冷度300K(0.26TL)时，非晶体积分数增至81.3%。由此导出完全非晶凝固所需临界过冷度为334K（图2-3）。TEM分析显示，过冷度增大并接近临界过冷度时，合金凝固组织中晶体相主要为Zr8Cu5相，而ZrCu和Zr2Cu相的生长被抑制。在达到临界过冷度后，过冷液相的凝固路径由Zr8Cu5结晶生长转变为非晶凝固（图4-6）。此外，合金的晶体壳中存在少量的晶间非晶相，而非晶核中亦有微量的非晶Zr8Cu5纳米晶团簇。模拟结果表明，晶间非晶相的形成主要源于近临界过冷度下偏析行为诱发的成分过冷，而非晶间纳米晶团簇的出现则主要归因于深过冷液相中的微观热起伏效应（图7-8）。随着熔体过冷度的增大，当合金核心液相达到非晶形成临界过冷度且足够稳定时，由微观热扰动引起的局域过冷度衰减将减少，非晶间的Zr8Cu5 纳米团簇会趋于消失。

本工作得到了国家重点研发计划（2021YFA0716301）、国家自然科学基金（52088101; 51771154）等的支持。

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