固液界面在工業加工中是普遍存在的，固液界面通過影響結晶相的形核和生長，控制著凝固材料的組織演變、缺陷的產生以及最終的性能。固液界面對形核和生長的影響常常從其熱力學(即界面自由能，γ0)的角度進行討論。在鑄造和焊接中通過添加孕育劑或微量元素以獲得理想的晶粒結構已被廣泛研究。另一方面，界面結構經常在晶體生長動力學方面進行研究。固液界面通過過冷熔體的均質形核等技術來確定γ0。雖然目前固液界面的理解已經奠定了基礎，但對合金固液界面熱力學和動力學的認識還遠遠不夠。最近的研究發現了獨特原子結構，表明層錯和負溫度依賴性界面自由能之間有很強的相關性，這可能是Al-Sm和Cu-Zr均為非晶形成系統的一個關鍵特征，目前尚不清楚這種異常依賴性是否可以擴展到其他非晶系統中。

來自德國和加拿大的科研人員利用分子動力學模擬等方法，計算了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-液態合金的溫度依賴性。提出了獨特的界面結構和非典型的溫度依賴性是易形成非晶合金的標志。相關論文以題為“Layering misalignment and negative temperature dependence of interfacial free energy of B2-liquid interfaces in a glass forming system”發表在Acta Materialia。

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

研究發現當B2相保持化學計量成分/結構時，B2-液相界面的界面自由能具有負的溫度依賴性。對于純金屬，γ0的溫度依賴性是正的。對合金而言，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剩熵，還依賴于溶質原子的過剩比例和化學勢。分子動力學模擬表明，在固-液界面附近溶質種類的數量密度峰可能存在負γ0依賴關系。

圖1 模型Cu-Zr合金1250K時B2和平衡液相的計算

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隨溫度的變化規律

圖3 (a) 剛度；(b) 界面自由能；(c) 各向異性參數隨溫度(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。證實了以前在稀Al-Sm和Cu-Zr合金中觀察到的層錯與界面自由能對溫度的負相關性之間的關聯可以擴展到高濃度成分和具有fcc以外晶體結構的固相。此外，還觀察到只有當B2相保持等原子組成時以及在Al-Sm和Cu-Zr中的小溶解度時，才會發生錯配和負溫度依賴性。表明金屬間化合物的非化學計量比或固溶體的溶解度可能與異常行為有關。從吉布斯界面熱力學和結構特征出發，討論了界面自由能對溫度的負溫度依賴性。從形核和生長的角度討論了當前研究結果對非晶形成的意義。本研究對非晶合金的設計提供了理論基礎。