基于热力学与动力学相结合的稀土基合金非晶形成能力研究

RE-based bulk metallic glasses (BMGs)have received great attention due to the unique properties of superconductivity at low temperature, the large magneticocloric effect and superplastic near room temperature.The mechanics of the glass forming ability (GFA)of the RE-based alloys will be investigated via a combination of thermodynamics and kinetics approaches.Regarding the phase diagram and thermodynamics, the phase diagrams of the ternary systems La-Al-Cu、La-Al-Co、La-Al-Ni will be constructed by means of thermodynamic calculation and key experiments. A set of consistent thermodynamic parameters will be obtained by CALPHAD method. Regarding the diffusion kinetics, the inter-diffusion coefficients of Ln(Ln=La,Ce)-Al-TM(Cu,Co,Ni) will be measured by a combination of diffusion couple technique, electron probe micro-analysis (EPMA) and Boltzmann-Matano methods. Using the obtained thermodynamic and kinetic parameters, the thermodynamic properties of amorphous alloys, the time-temperature-transition (TTT) and continuous-cooling- transition (CCT) diagrams will be calculated to predict the glass forming ability by determining the critical cooling rate for glass formation. The completion of the this work will establish a scientific method to facilitate the alloy design of the RE-based bulk metallic glasses.

稀土基块体非晶因具有低温超导、较大的磁熵变、近室温超塑性等特殊性能引起广泛兴趣。本研究综合运用相图热力学、扩散动力学理论及关键实验开展稀土基Ln(Ln=La,Ce)-Al-TM(TM=Cu,Co,Ni)体系非晶形成能力机理研究。在相图热力学方面，拟通过热力学计算与关键实验相结合的方法构筑La-Al-Cu、La-Al-Co、La-Al-Ni体系三元相图，获得一套精确描述La-Al-TM(Cu,Co,Ni)体系的热力学参数。在扩散动力学方面，采用扩散偶技术、电子探针微区成分分析及Boltzmann-Matano方法获得Ln(Ln=La,Ce)-Al-TM体系稀土端重要相的相互扩散系数。综合使用获得的热力学及扩散动力学参数计算非晶合金热力学特性及重要相的时间温度转变图、连续冷却转变图，确定合金发生玻璃转变的临界冷却速度，预测合金玻璃形成能力。本研究的完成可望为科学设计稀土基大块非晶成分提供借鉴。

稀土基块体非晶因为具有低温超导、较大的磁熵变、近室温塑性及可能的应用引起研究人员的广泛兴趣。本研究综合运用材料热力学、扩散动力学、玻璃转化及晶化动力学理论分析研究了稀土基合金的非晶形成规律，制备表征了各稀土基非晶合金的非晶形成能力，研究了各稀土基非晶合金的热稳定性规律，对于理解稀土基块体合金非晶形成规律及开展相应体系非晶合金的设计制备具有重要的科学意义。本研究通过采用合金法、扩散偶法等关键实验和热力学计算相结合的方法，构筑了稀土基大块金属玻璃合金体系La-Al-Cu(Co, Ni)三元系相图，研究了La-Al-Co体系扩散动力学特性，在此基础上进行热力学优化获得一套描述各体系的热力学参数；根据获得的热力学参数，计算了影响非晶形成的合金液相面投影图、液相混合焓、过冷熔体中晶体相析出的形核驱动力及时间-温度-转变图，分析了各稀土基合金的非晶形成能力。结合使用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)等手段表征研究了稀土La(Ce)-Al-Cu(Ni, Co)合金的非晶形成规律，制备了稀土La基La(Ce)-Al-Cu(Co, Ni)和稀土Ce基Ce-Al-Co非晶合金，用等温或非等温热分析方法研究了各非晶合金体系玻璃转化和晶化动力学规律，评估了稀土基合金非晶形成能力(GFA)的成分依赖性和与各评估参数的关系，测定了各稀土基非晶合金玻璃转化、非晶转化的活化能，比较测定了具有更大非晶形成能力的合金的临界冷却速率，并与理论计算的结果进行比较，研究表明理论计算和实验测定结果吻合。本研究还开展了Ag-Cu体系纳米相图热力学性质、Co-B/Ni-B纳米合金催化性能等方面的研究工作。项目研究方法及成果可为其他相关研究提供方法借鉴。