金屬熔體團(tuán)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(xué)和X射線衍射(XRD)相結(jié)合手段，探討了同類或者異類原子組成的團(tuán)簇對金屬熔體結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理；再通過快速凝固技術(shù)，揭示了合金熔體中原子團(tuán)簇類型在凝固過程中的作用和對凝固組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，從原子團(tuán)簇演化方面進(jìn)一步探索了凝固的本質(zhì)。
　　 首先，研究了純金屬熔體團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，利用原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)解釋了純Ga和純In熔體雙體相關(guān)函數(shù)(PCF)的區(qū)別。In熔體雙體相關(guān)函數(shù)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(jié)構(gòu)。兩種熔體的鍵角分布函數(shù)上105°處都存在第二峰，In熔體中保留了類體心四方結(jié)構(gòu)團(tuán)簇；In熔體的第二峰比Ga熔體的高，使得其結(jié)構(gòu)比Ga熔體更有序。通過Voronoi多面體(VP)分析，純Ga熔體中，高邊數(shù)VP構(gòu)型使得結(jié)構(gòu)更加密堆，雙體相關(guān)函數(shù)第一峰更陡峭；純In熔體中，低邊數(shù)VP構(gòu)型使其結(jié)構(gòu)更開放，雙體相關(guān)函數(shù)第一峰變的更寬。
　　 其次，利用從頭算分子動力學(xué)(AIMD)

3、研究了三個不同特點(diǎn)的Fe-B、Ga-In和In-Sn二元合金體系熔體中原子團(tuán)簇類型。在Fe-B合金熔體中，解釋Fe80B20合金熔體雙體相關(guān)函數(shù)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(tuán)簇在Fe80B20合金熔體中占主導(dǎo)地位，這個肩膀是由于團(tuán)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(tuán)簇更容易出現(xiàn)。在純Ga、純In中占據(jù)最高含量的1311鍵對在合金熔體中仍然占主導(dǎo)地位，說明GaGa、InIn團(tuán)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(nèi)，Ga原子周圍含量最高的配位數(shù)出現(xiàn)突變，由12降為10，表明GaGa和InIn團(tuán)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(shù)NInIn和NInSn與合金成分成線性關(guān)系變化，In周圍原子排列符合無規(guī)密堆(RCP)模型，結(jié)果還表明Sn-Sn共價鍵團(tuán)簇的存在使Sn周圍的原子分布比較開放。鍵角分布函數(shù)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(tuán)簇的形式存在。In

6、-Sn合金熔體可以看做是Sn-Sn共價鍵團(tuán)簇和無規(guī)密堆團(tuán)簇的混合體。
　　 最后，研究了合金熔體中原子團(tuán)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(tuán)簇偏聚行為，溫度的降低使得團(tuán)簇偏聚程度減小。InIn團(tuán)簇在合金熔體冷卻過程中的演變是合金熔體結(jié)構(gòu)變化的決定因素。通過AIMD計(jì)算把合金熔體劃分為兩類：第一類，主要由同類原子團(tuán)簇組成的熔體，比如Al95In5熔體，異類原子傾向于形成拓?fù)溆行蚪Y(jié)構(gòu)；第二類，熔體中異類原子結(jié)合力強(qiáng)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(jié)合X射線能量色散光譜儀(EDX)設(shè)備對條帶進(jìn)行了形貌和成分分析。結(jié)果表明，當(dāng)熔體中異類原子的結(jié)合能力強(qiáng)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(jì)算發(fā)現(xiàn)Al90Cu10熔體中存在類晶態(tài)Al2Cu原子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在快速凝固過程中轉(zhuǎn)化Al2Cu金屬間化合物；熔體