快凝条件下液态合金不同团簇结构遗传能力的比较与分析

快凝过程中部分液态合金团簇具有结构遗传性是金属非平衡凝固与结晶中的一个重要特征，也是快凝非平衡(非晶与准晶)合金设计的一个主要依据，但目前对"为什么有些团簇能够遗传而有些团簇会发生转化？"尚缺乏清楚认识。本项目拟选取Cu-Zr合金为研究对象，首先采用经典MD模拟，表征并跟踪快凝过程中熔体微结构的演化，挑出液态合金中具有或不具有遗传性的特征原子团；然后采用ab-initio MD方法，对包含这些特征原子团的微区进行模拟，调查局域结构环境的影响，以此确定团簇遗传与转变的演化路径；最后通过对这些特征团簇的第一原理计算和指定演化路径下的LST/QST过渡态搜索，从团簇结构稳定性、不同形态间的演化能垒、特征团簇的生长活化能等方面，分析液态合金团簇结构遗传性产生的原因，并基于不同局域结构团簇遗传（及长大）能力的大小，分析快凝条件下亚稳与稳态相的形核竞争及其与合金非晶形成能力间的关联。

通过对各种成分Cu-Zr合金在不同冷速与压力条件下快速凝固过程的MD模拟与微结构演化的跟踪分析，发现：二十面体团簇对TM-TM非晶合金的形成具有重要的作用，其组态结构的遗传是液态合金快速凝固的本质特征，只不过二十面体团簇的遗传通常发生在过冷液相区。团簇结构的遗传一般以成分和几何保持不变的完美遗传为主，尤其是在Tg温度以下。相对于二十面体变形结构，标准二十面体具有更高的结构稳定性，而较之于扩展二十面体，二十面体中程序也具有更强的结构遗传能力。通过第一原理计算与限定路径下的LST/QST过渡态搜索，揭示这些团簇的高遗传能力主要归结为它们的高化学硬度与大形成热及较低的演化形成能垒，同时，高几何对称性也起到了一定的稳定作用。关于二十面体团簇的遗传与快凝非晶合金形成能力之间的关联，仔细的分析发现：遗传对合金成分、初熔温度、冷速和压力非常敏感，非晶合金的形成能力主要取决于Tg-Tm温区遗传诱导的二十面体团簇化，尤其是二十面体团簇的初始遗传温度Tonset，而与快凝合金300K时二十面体团簇化的程度无关。一定程度上，快凝TM-TM合金的非晶形成能力甚至可用二十面体团簇的初始遗传温度Tonset/Tm来标度。