亚稳液态多元合金的物理化学性质与微观结构研究

采用悬浮无容器处理技术并结合分子动力学计算方法，以液态多元Ni基合金为研究对象，对其在深过冷条件下的物理化学性质与微观结构进行深入系统研究。在实现液态多元合金深过冷并向超过冷状态逼近的基础上，从实验测定和计算模拟两个途径获取亚稳液态多元合金重要的物理化学性质：表面张力、比热、粘度、扩散系数、过剩体积、焓、熵和Gibbs自由能等，探索这些物理化学性质与传热传质等物理过程的关联规律，阐明不同物理化学性质之间的函数关系。研究亚稳液态多元合金在深过冷条件下的短程有序结构、局域团簇、结构因子和涨落分布等微观结构特征，探索多元合金这一复杂体系中不同组元原子间的相互作用规律与依赖关系，阐明液态多元合金微观结构随过冷度的变化规律。以期建立液态多元合金在深过冷条件下"物理化学性质-微观结构-相变"的物理图像，提出适用范围更为宽泛的液态合金物理化学性质的数理模型。

本项目采用电磁悬浮无容器处理技术，并结合分子动力学计算模拟方法，较为深入系统地研究了液态二~六元Ni基合金和Ti合金的物理化学性质与微观结构。. 本项目通过优化深过冷实验使液态多元合金达到了深过冷及超过冷的亚稳状态，其中Ni-Cu-Fe-Sn-Ge五元合金和Ni-Cu-Fe-Co-Sn-Ge六元合金均达到363 K的过冷度。将电磁悬浮无容器处理技术与液滴振荡方法相结合，系统测定了液态多元合金的表面张力，采用落滴式量热法测定了液态合金在深过冷条件下的比热，进而推导出液态合金的粘度和扩散系数，从而揭示了液态多元合金表面张力、比热、粘度、扩散系数等重要物理化学性质与温度及合金成分的变化规律。. 在实验研究基础上，构建了亚稳液态合金的数理模型，采用分子动力学方法进一步计算模拟了亚稳液态合金的表张力、比热、扩散系数、密度、过剩体积、焓等重要性质，阐明了这些重要物理化学性质与传热传质等物理过程的关联规律，探讨了密度、过剩体积、摩尔体积、配位数等不同物理化学性质之间的相互关系。. 发现深过冷条件下枝晶生长形态发生无取向转变，深过冷效应显著改变了晶粒内部的溶质分布，枝晶生长速度随过冷度呈指数函数关系增大。. 通过研究亚稳液态多元合金在深过冷条件下的短程有序结构、局域团簇、结构因子等微观结构特征，发现液态合金从过热冷却到过冷态过程中原子短程有序度明显提高，这种变化既可以是总体原子与各组元原子短程有序度均提高，也可以是总体原子分布特征无显著变化，其中某组元分布形成团簇有序化，通过不同种原子的配位结构研究，发现了不混溶体系中原子偏聚是导致宏观相分离的微观机制。. 通过本项目研究，使人们对液态多元合金在亚稳条件下的“物理化学性质、原子尺度上的结构特征、及二者对相变的作用”的物理图像有了更为深入的认识。. 上述成果的部分内容已经在SCI期刊上发表17篇论文，部分成果为陕西省科学技术一等奖的获奖内容。项目负责人获得第13届霍英东教育基金会高校青年教师奖、入选了教育部新世纪优秀人才支持计划，担任了第9届中日韩微重力国际学术会议Thermophysical Properties分会主席，并在分会作Keynotes报告。