基于纳米量热技术的金属液滴微结构调控及晶体生长机制研究

Much attention has been paid on the droplet solidification where the crystal growth is essential in changing the solidification structure and properties. In this study, the crystal growth of the metallic droplet will be quantified based on nanocalorimetric analysis and structural characterization. In particular, the dependence of crystal growth on the undercooling and microstructure evolution will be investigated. With the accessible cooling rate of nanocalorimetry up to 1,000,000 K/s, structure tailoring at different temperatures can be realized. Its combination with structural characterization allowing demonstrating the effect of undercooling and microstructure on crystal growth in the whole undercooled liquid region. Moreover, amorphous structure, mixed amorphous-crystalline state and crystals can be obtained by structure tailoring, based on which the correlation between crystal growth and glass forming ability can be determined. With this proposal, a novel crystal growth model that not only is applicable in the whole undercooled liquid region but also includes structure evolution can be built. The mechanism of crystal growth behind the formation of amorphous structure is also expected, which will bring new insights to the classical solidification theory.

凝固一直是金属领域的研究热点，而金属微滴形核后的晶体生长行为对材料微观组织和宏观性能具有至关重要的影响。本项目拟通过纳米量热和结构表征的有机结合系统研究金属微滴在过冷液相区特别是深过冷条件下的晶体生长行为演变及其内在机制。利用纳米量热设备极高的冷却速度（可达1,000,000K/s），实现金属熔体在不同过冷度下的微结构调控，揭示晶体生长在过冷液相区的连续变化规律。而结合高分辨透射电镜等结构表征，可进一步阐明过冷度和微结构演变对晶体生长行为的影响机制。另一方面，通过纳米量热实现从非晶结构到微纳米晶体的微结构调控，有望构建晶体生长和玻璃化形成能力之间的定量关系，阐明晶体生长在非晶结构形成中的内在机制。该申请项目将纳米量热扩展到金属微滴形核后的晶体生长研究中，有望建立适用温度范围广泛的新型晶体生长模型，同时为研究晶体生长和非晶形成的内在机制提供直接的实验证据，为金属凝固理论的研究提供创新性成果。

凝固一直是金属领域的研究重点，而金属微滴形核后的晶体生长行为对材料的微观组织和宏观性能具有至关重要的影响。然而经典晶体生长理论主要研究过冷度对晶体生长行为的影响，这一过程的微结构因素却鲜少涉及。基于此，本项目综合利用纳米量热仪和多种分析测试手段，以Mg65Zn30Ca5（at.%）和Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Si16.3（at.%）为研究对象，获取微结构对晶体生长的影响规律并揭示其内在机制。.借助于纳米量热和结构表征，本项目获取了Mg65Zn30Ca5合金的连续冷却转变曲线和连续加热转变曲线，测量了抑制晶化和形核的临界冷却速度，进而通过控制加热和冷却速度，实现了合金组织的原位调控。在此基础上，通过Kissinger方程、Mauro-Yue-Ellison-Gupta-Allan模型、Schmelzer模型等方法获得了该体系从Tg到Tm极宽温度范围内的晶体生长速度。结果表明，随着既往冷却速度（Previous cooling rate, PCR）的增加，溶质再分配受到抑制，虽然非晶含量提高，但是其成分基本不变。随着PCR的增加，有序结构的数量降低，过冷熔体的稳定性提高，推高晶化温度。另一方面，随着PCR的增加，非晶中的自由体积数量提高，降低原子扩散的阻力，激活能较小。再加热过程的晶体生长速度随PCR的增大而逐渐降低。这是由于，PCR的增加会降低体系中的晶体/非晶界面数量，不利于原子向固液界面的迁移和附着，降低晶体生长速度。而当过冷熔体中存在更加紧密排列的原子团簇，会提高扩散激活能和晶体生长速度。.Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Si16.3在Tg处的等温有序化结果表明，合金中是否含有晶核或者晶体等有序结构会对晶体生长造成明显影响。随着弛豫过程的进行，非晶相的粘度增大，其晶体生长速度受到抑制。而随着等温过程的进行，非晶中逐渐出现晶核甚至是晶体，此时原子扩散加强，晶体生长速度提高。.该项目的研究结果表明，晶体生长速度不仅受到过冷度影响，合金中的微结构演变也会对晶体生长速度造成显著影响。这一结果为晶体生长应该包含微结构因素的论点提供了直接的实验证据，是对经典理论的补充和发展。