金屬熔體團簇類型及其在凝固過程中的作用.pdf

1、本文綜合利用第一性原理分子動力學和X射線衍射(XRD)相結合手段，探討了同類或者異類原子組成的團簇對金屬熔體結構的影響機理；再通過快速凝固技術，揭示了合金熔體中原子團簇類型在凝固過程中的作用和對凝固組織結構的影響規(guī)律，從原子團簇演化方面進一步探索了凝固的本質。
　　 首先，研究了純金屬熔體團簇結構，利用原子團簇結構解釋了純Ga和純In熔體雙體相關函數(PCF)的區(qū)別。In熔體雙體相關函數的第一峰比Ga熔體的更高和更寬，說明In熔

2、體的近程有序度要高于Ga熔體并且具有比Ga熔體更松散的結構。兩種熔體的鍵角分布函數上105°處都存在第二峰，In熔體中保留了類體心四方結構團簇；In熔體的第二峰比Ga熔體的高，使得其結構比Ga熔體更有序。通過Voronoi多面體(VP)分析，純Ga熔體中，高邊數VP構型使得結構更加密堆，雙體相關函數第一峰更陡峭；純In熔體中，低邊數VP構型使其結構更開放，雙體相關函數第一峰變的更寬。
　　 其次，利用從頭算分子動力學(AIMD)

3、研究了三個不同特點的Fe-B、Ga-In和In-Sn二元合金體系熔體中原子團簇類型。在Fe-B合金熔體中，解釋Fe80B20合金熔體雙體相關函數第二峰肩膀的存在。三角棱柱和由它衍生的B原子為中心的團簇在Fe80B20合金熔體中占主導地位，這個肩膀是由于團簇連接模式的不平等性造成的。對于Ga-In合金熔體，gGaGa(r)、gInIn(r)的第一峰的位置分別與純Ga和純In熔體的第一峰位置接近并且不隨成分變化，gGaIn(r)第一峰位置大

4、于純Ga和純In熔體的第一峰位置的平均值，說明Ga-In合金熔體中異類原子相互排斥，同類原子組成的團簇更容易出現(xiàn)。在純Ga、純In中占據最高含量的1311鍵對在合金熔體中仍然占主導地位，說明GaGa、InIn團簇共存于Ga-In合金熔體中。VP分析發(fā)現(xiàn)，隨著In含量的增加，在Ga100-xInx(30≤x≤50 at.％)區(qū)域內，Ga原子周圍含量最高的配位數出現(xiàn)突變，由12降為10，表明GaGa和InIn團簇傾向于分離。對于In-Sn二

5、元合金熔體，gInSn(r)第一峰的位置小于純In熔體第一峰位置和純Sn熔體第一峰位置的平均值，說明In和Sn原子之間存在鍵合。偏配位數NInIn和NInSn與合金成分成線性關系變化，In周圍原子排列符合無規(guī)密堆(RCP)模型，結果還表明Sn-Sn共價鍵團簇的存在使Sn周圍的原子分布比較開放。鍵角分布函數gInSnIn(θ)和gsnInSn(θ)上兩個主峰在56°和105°左右，意味著合金熔體中In和Sn之間以四面體團簇的形式存在。In

6、-Sn合金熔體可以看做是Sn-Sn共價鍵團簇和無規(guī)密堆團簇的混合體。
　　 最后，研究了合金熔體中原子團簇在凝固過程中的作用。通過XRD獲取了Ga100-xInx(0

7、溫度變化的影響很小；In原子周圍的In含量要高于合金明顯成分，出現(xiàn)同類原子團簇偏聚行為，溫度的降低使得團簇偏聚程度減小。InIn團簇在合金熔體冷卻過程中的演變是合金熔體結構變化的決定因素。通過AIMD計算把合金熔體劃分為兩類：第一類，主要由同類原子團簇組成的熔體，比如Al95In5熔體，異類原子傾向于形成拓撲有序結構；第二類，熔體中異類原子結合力強烈，比如Al90CU10和Al84Ni16熔體。利用單錕激冷裝置制備出Al95In5、Al

8、90Cu10、Al84Ni16、Cu6Sn5和Ga20Sn80合金快速凝固條帶。采用X射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)結合X射線能量色散光譜儀(EDX)設備對條帶進行了形貌和成分分析。結果表明，當熔體中異類原子的結合能力強時，比如Al90Cu10、Al84Ni16和Cu6Sn5熔體，快速凝固條帶中會出現(xiàn)金屬間化合物，計算發(fā)現(xiàn)Al90Cu10熔體中存在類晶態(tài)Al2Cu原子團簇，這些團簇在快速凝固過程中轉化Al2Cu金屬間化合物；熔體