界面结构对基底异质形核特性及形核点分布影响的研究

Heterogeneous nucleation is the main means of nucleation in the preparation of materials by solidification processing. Research results have shown that the surface structures have important affections on heterogeneous nucleation of a new phase, but the phenomenon observed cannot be explained by the theories for heterogeneous nucleation. This project intends to investigate the influence mechanisms of the morphological characteristics, composition distributions, and lattice defects of a non-ideal substrate surface on the heterogeneous nucleation behaviors, evaluate the impact weight of different factors on the nucleation process, thus by including the effects of surface structure, constructing a theoretical description model for heterogeneous nucleation. Research works to be carried out are composed by: investigation on the surface composition on heterogeneous nucleation based on wetting theories for rough surfaces; investigation on the micro-composition on heterogeneous nucleation based on the atomic bonding energy analysis; describing the influence of interface lattice defects on heterogeneous nucleation with reference to the correspondent crystal growth theories; evaluation on the impact weight of factors on heterogeneous nucleation by molecular dynamic simulation; validation of the theoretical results by vapor condensation and solidification experiments. It is believed that, a profound understanding of heterogeneous nucleation and a solid theoretical basis for nucleation controlling can be achieved by the accomplishment of this project.

异质形核是材料制备过程中的主要形核方式，形核基底界面结构对新相异质形核过程具有重要影响，然而现有理论无法为此提供可用描述。申请人承担的青年科学基金已在基底形貌对异质形核影响机制方面获得了突破。本项目拟进一步考察非理想界面成分分布、晶格缺陷对异质形核的影响机理，分析不同条件下各因素对异质形核的影响权重，建立包含界面结构效应的非均质形核理论模型。拟开展的研究包括：基于粗糙界面润湿理论，考察基底成分对异质形核的影响；基于原子键合能量分析，研究基底微区成分对界面异质形核的影响；参照晶体生长机制理论描述，发展晶格缺陷对界面异质形核影响的理论模型；基于分子动力学方法研究不同条件下界面结构对异质形核的影响权重，描述多因素耦合作用下的异质形核规律；采用气液相变凝聚实验、液固相变形核实验对非理想基底表面异质形核分析提供验证。通过本项目的研究，可获得异质形核的更深入认识，为形核及凝固组织控制提供理论依据。

形核对材料相变过程组织演化至关重要，直接影响材料的使用性能。依附于已有界面发生的非均质形核是材料制备过程中最为主要的形核方式，特定的界面微细结构及成分分布对非均质形核特性有显著影响，而现有的形核理论无法为此提供准确解释。.本项目研究了界面几何结构及成分分布对异质形核的影响规律和机制，具体开展的研究工作包括：.1、实验发现不同成分基底上异质形核点密度迥异，经惰性成分表面修饰后铝质基底表面的形核率显著降低。对比光滑及粗糙表面的蒸汽冷凝，发现亲水基底表面异质形核点密度较疏水基底表面更高，液相在亲水粗糙基底表面发生膜状冷凝，疏水粗糙表面上异质形核点密度降低，出现明显的大小液滴分代冷凝效应。基于界面键合模型分析实验现象，为后续研究提供理论支持。.2、模拟Pb晶体相在Ni晶格上的异质形核，确认两种临界晶胚形成机制：在Pb和Ni的合金化界面上迅速形成临界晶胚；在Ni基底上经较久弛豫形成临界晶胚。模拟Pb晶胚在复合Pt-Cu晶格上的演化，发现Cu-Pt界面结合处的预置晶胚难于存留，而晶胚倾向于在相对完整的Cu晶格或Pt晶格表面形成，表明用于促进异质形核的成分分布有一定尺度要求。模拟Ni凹槽内部Pb晶胚的演化特性，发现凹槽外Pb-BCC结构向FCC结构演化，而凹槽内Pb-BCC结构向HCP结构演化，凹槽宽度不同时内部结构比例存在差异。.3、模拟Ni75Al25增材制造热循环结构演化，发现随温度变化率改变，非晶结构有序度规律变化；温度变化率到一定程度后，非晶结构有序度降低，非晶状态可在多次热循环后存留。开展Zr55Cu30Al10Ni5大块非晶激光增材制造实验，观察到随扫描道次呈现的周期性组织分布，表明热循环强度显著影响非晶中的形核。.4、研究Ti83.5Al6Sn2Zr2Mo3Cr1.5Nb2激光增材制造中的组织演化现象，通过控制工艺参数，利用未完全熔化颗粒对凝固的异质核心促进作用，实现成形试样组织的等轴晶化，在送粉式激光增材制造钛合金试样中获得了较高的等轴晶比例，改善了成形试样性能。.通过本项目的研究，获得了非均质形核的更深入认识，以金属增材制造为应用背景，提出了界面形核控制的有效手段，为材料组织和性能优化提供了理论依据。