固液界面在工業(yè)加工中是普遍存在的，固液界面通過(guò)影響結(jié)晶相的形核和生長(zhǎng)，控制著凝固材料的組織演變、缺陷的產(chǎn)生以及最終的性能。固液界面對(duì)形核和生長(zhǎng)的影響常常從其熱力學(xué)(即界面自由能，γ0)的角度進(jìn)行討論。在鑄造和焊接中通過(guò)添加孕育劑或微量元素以獲得理想的晶粒結(jié)構(gòu)已被廣泛研究。另一方面，界面結(jié)構(gòu)經(jīng)常在晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行研究。固液界面通過(guò)過(guò)冷熔體的均質(zhì)形核等技術(shù)來(lái)確定γ0。雖然目前固液界面的理解已經(jīng)奠定了基礎(chǔ)，但對(duì)合金固液界面熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。最近的研究發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特原子結(jié)構(gòu)，表明層錯(cuò)和負(fù)溫度依賴性界面自由能之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，這可能是Al-Sm和Cu-Zr均為非晶形成系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特征，目前尚不清楚這種異常依賴性是否可以擴(kuò)展到其他非晶系統(tǒng)中。

來(lái)自德國(guó)和加拿大的科研人員利用分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，計(jì)算了Cu-Zr體系中B2-液相界面的固液界面自由能(γ0)，得到了模型Lennard-Jones B2-液態(tài)合金的溫度依賴性。提出了獨(dú)特的界面結(jié)構(gòu)和非典型的溫度依賴性是易形成非晶合金的標(biāo)志。相關(guān)論文以題為“Layering misalignment and negative temperature dependence of interfacial free energy of B2-liquid interfaces in a glass forming system”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117259

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)B2相保持化學(xué)計(jì)量成分/結(jié)構(gòu)時(shí)，B2-液相界面的界面自由能具有負(fù)的溫度依賴性。對(duì)于純金屬，γ0的溫度依賴性是正的。對(duì)合金而言，固液相平衡成分隨溫度的變化沿液相線/固相線變化。因此，γ0不僅依賴于溫度和過(guò)剩熵，還依賴于溶質(zhì)原子的過(guò)剩比例和化學(xué)勢(shì)。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，在固-液界面附近溶質(zhì)種類的數(shù)量密度峰可能存在負(fù)γ0依賴關(guān)系。

圖1 模型Cu-Zr合金1250K時(shí)B2和平衡液相的計(jì)算

圖2 (a) 剛度；(b)界面自由能；(c) Cu-Zr體系中B2-液界面各向異性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律

圖3 (a) 剛度；(b) 界面自由能；(c) 各向異性參數(shù)隨溫度(εAB)的變化，εAB范圍為1.0-2.0

圖4 固液界面的密度分布顯示不同合金之間的層錯(cuò)差異

本文用原子模擬的方法研究了Cu-Zr和Lennard-Jones體系中的B2-液相界面。證實(shí)了以前在稀Al-Sm和Cu-Zr合金中觀察到的層錯(cuò)與界面自由能對(duì)溫度的負(fù)相關(guān)性之間的關(guān)聯(lián)可以擴(kuò)展到高濃度成分和具有fcc以外晶體結(jié)構(gòu)的固相。此外，還觀察到只有當(dāng)B2相保持等原子組成時(shí)以及在Al-Sm和Cu-Zr中的小溶解度時(shí)，才會(huì)發(fā)生錯(cuò)配和負(fù)溫度依賴性。表明金屬間化合物的非化學(xué)計(jì)量比或固溶體的溶解度可能與異常行為有關(guān)。從吉布斯界面熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，討論了界面自由能對(duì)溫度的負(fù)溫度依賴性。從形核和生長(zhǎng)的角度討論了當(dāng)前研究結(jié)果對(duì)非晶形成的意義。本研究對(duì)非晶合金的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。