异质形核过程中的外延生长

Heterogeneous nucleation is the major nucleation behavior of liquid metal attracting more and more interesting from all over the research community. But due to the limitation on the spatial and time resolution of the current available facilities, there is no direct evidence at atomic level for heterogeneous nucleation. From thermodynamics point of view, free energy of heterogeneous nucleation is affected by lattice misfit. Both empirical facts or theoretical calculation indicate that the nucleating substrates are potent when the lattice misfit is no larger than 12.5 pct. The applicant has presented the evidence for epitaxial growth in heterogeneous nucleation through the investigation on the nucleation of liquid Al on single crystal substrates with large lattice misfit (32%) . In this research, TEM and HRTEM will be used to further investigate the interface behavior of heterogeneous nucleation and the feature of epitaxial growth during the nucleation. The factors affecting the nucleation behavior of liquid metal like the chemical composition of substrates, the lattice parameters, trace element in liquid metal and the interaction behavior between different substrates will also be investigated combined with thermodynamic analysis in the study to acquire the atomic mechanism of heterogeneous nucleation behavior and to instruct the microstrcutural control in the solidification of the steel for nuclear power station.

受制于观察手段，异质形核的研究尚未取得直接证据说明异质形核过程的原子机制。从热力学角度可知，异质形核的形核自由能与固液界面两侧的晶格结构匹配程度、也即晶格错配度密切相关。无论是经验事实或理论计算均证实理想的异质形核核心需满足晶格错配度小于10%~12.5%。申请人在实验中尝试通过选择特定的单晶异质形核基体，将新相/异质相晶格错配度增加到32%，在凝固后的异质相/新相界面观察到外延生长层，证实异质形核在错配度大于12.5%的情况下存在外延生长过程。本研究拟结合TEM、HRTEM等手段，进一步研究异质形核过程中的界面行为、形核自由能及外延生长特性，研究异质形核过程中影响外延生长的可能因素，如异质形核核心的化学成分、晶格常数、熔体中的微量元素、不同形核核心之间的相互作用等。尝试通过对上述因素的研究并结合热力学分析得出影响异质形核外延生长过程的原子机理，并据此探索控制核电用钢的组织控制。

自Turnbull等人提出经典形核理论以来，该理论已经成为凝聚态物理的一个基本理论，被广泛用于各种形核现象的解释。然而，由于金属熔体的不透明性和高温属性，其形核行为难以通过原位分析的方法直接观察。因此，对金属熔体的形核行为的认识并不如对大分子、有机物等容易观察的体系认识清晰。事实上，随着观察手段的升级，研究人员发现经典形核理论在金属熔体形核过程的描述上并不十分准确，也缺乏实验证据，为此本项目借助于高分辨透射电镜、同步辐射高能XRD等手段，以Al/Al2O3为主要形核体系，研究了在不同择优取向的形核基底上Al熔体的形核行为及形核界面的形成。实验结果显示形核基底对形核熔体的熔体结构和新相的择优取向都有影响。根据择优取向和形核基底取向关系，基于双晶界面模型提出异质形核能垒关于晶格错配度的表达式，并对所提出的异质形核能垒双晶界面模型进行了实验验证。在基底晶格结构-液固转变形核能垒-新相/基底相形核界面能之间建立对应关系，从熔体结构演化角度阐明了可以用固固界面能垒表征液固转变能垒的原因。基于以上认识，进一步明确了通过形核基底及合金元素调节形核能垒的方法，解决了部分形核基底形核过冷度弥散的难题，并在原子层面解释了形核调制机理。研究结果进一步丰富了异质形核的晶格错配理论，为晶粒细化剂、调质剂等的开发提供理论基础。