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西工大《Acta Materialia》: 快淬難熔Nb-Ni合金的動力學(xué)行為！

2022-08-17 13:38:47 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

合金材料的微觀結(jié)構(gòu)和相演化過程，尤其是液固轉(zhuǎn)變行為，是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的前沿問題之一。過冷熔體液相和固相的吉布斯自由能差決定了相演化過程，多相合金熔體過冷度增大時會發(fā)生不同固相間的競爭形核，顯著影響材料的組織和性能產(chǎn)生。研究多相合金在不同過冷度下的形核機制對調(diào)控合金組織和提高性能具有重要意義。包晶合金作為典型的多相合金，因其廣泛的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。包晶相在最終凝固組織中產(chǎn)生單一且性能優(yōu)良的包晶相，但目前研究主要集中在液相線溫度與包晶溫度之間的較窄溫度區(qū)間的包晶系，因此關(guān)于高液相線溫度的難熔合金的凝固過程是當(dāng)前研究領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

來自西北工業(yè)大學(xué)的王海鵬教授團隊結(jié)合分子動力學(xué)模擬和經(jīng)典形核理論研究了Nb-Ni包晶合金凝固過程中的動力學(xué)行為。他們發(fā)現(xiàn)通過控制冷卻速率，Nb-Ni合金表現(xiàn)出不同的凝固路徑，形成不同的組織和組成相，進而可以利用經(jīng)典形核理論和時間-溫度等效圖預(yù)測Nb-Ni合金非晶相的臨界速率。相關(guān)論文以題為“A kinetic transition from peritectic crystallization to amorphous solidification of rapidly quenched refractory Nb-Ni alloy”發(fā)表在Acta Materialia上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422005080

圖1. 不同冷卻速率下NbNi合金的凝固行為: a) x射線衍射圖; b) V = 10 m/s，鑄錠組織; 絲帶組織c) V = 10 m/s; d) V = 20 m/s; d) V = 48 m/s。

圖2. 不同溫度下NbNi合金對分布函數(shù): a)總對分布函數(shù); (b-d) Nb-Nb, Nb-Ni和Ni-Ni偏對分布函數(shù)。

圖3. 不同溫度下NbNi合金原子結(jié)構(gòu): a) Nb原子和c)Ni原子Voronoi指數(shù)，b), d)對應(yīng)的配位數(shù)。

圖4. 300 K時NbNi非晶合金原子排列: a)所定區(qū)域的FFT和IFFT圖像; b) Ni中心和c) Nb中心的VPs; d-f)團簇中心原子(紅色為Ni原子，藍色為Nb原子)。

圖5. (Nb)和Nb7Ni6相的TTT圖。

總的來說，作者通過熔融紡絲法研究了難熔NbNi包晶合金的快速凝固過程，基于透射電鏡分析、分子動力學(xué)模擬和經(jīng)典形核理論探索了包晶凝固模式的動力學(xué)轉(zhuǎn)變和快速凝固過程中的相形成。包晶凝固方式隨冷卻速率增加由包晶Nb7Ni6相轉(zhuǎn)變?yōu)榘Х蔷唷RTEM圖像表明，晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)無序度形成于成核和早期生長過程的，而化學(xué)有序度形成于Nb7Ni6相后期生長過程?；贛D模擬得到的能量和溫度曲線以此標(biāo)標(biāo)定的玻璃轉(zhuǎn)變溫度與實驗結(jié)果吻合較好。根據(jù)經(jīng)典形核理論和TTT圖，(Nb)相在低過冷度和低冷卻速率下優(yōu)先形核長大，包晶Nb7Ni6相則隨著過冷度和冷卻速率增加而從液態(tài)合金中析出，進而確定了形成非晶的臨界冷卻速率。這些新發(fā)現(xiàn)不僅有助于增進對Nb-Ni合金凝固機理的進一步認識，同時對設(shè)計高性能Nb-Ni合金具有重要指導(dǎo)意義。

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