异质形核过程中熔体-衬底间界面层结构的形成机制及调控作用

Nucleation has a vital influence on structures of materials and properties of final products. In recent years, the development of more effective grain refiners and the preparation of advance crystal materials with higher qualities require deeply understanding the nature of heterogeneous nucleation process. Recent studies show that, when the melt contacts the substrate, the atoms of melts in the immediate vicinity of the substrate surface form an atomic ordered interfacial layer structure. The structures and behaviors of this interfacial layer are the determining factors of heterogeneous nucleation during solidification. However, because of the complexity of nucleation process and the limitation of research methods, the understanding of formation mechanisms and tuning effects of interfacial layer is still very limited. In the present project, choosing the heterogeneous nucleation process of pure Al and Al-Cu alloys under different substrate conditions as the research target, we will systematically study the formation conditions, structure features, formation mechanisms and tuning effects on the later nucleation and growth process by using the phase field crystal method. The influence of different substrate and melt conditions on the formation of interface layer will be determined; the formation conditions, mechanisms and the main controlling factors under different conditions will be discovered; the influence mechanisms and tuning effects of interface layers on the later nucleation and growth process will be clarified; the correlation between substrate conditions, features of interface layers and later nucleation and growth process will be constructed; the method of tuning nucleation process based on the interface layer will be proposed. This study will help us have a better understanding on nucleation mechanisms from the aspects of atomic scales, which will remarkably benefit the precise tuning of nucleation process.

形核对材料宏微观组织及最终产品性能有着决定性的作用。近年来更高效晶粒细化剂的开发及更高品质晶体材料的制备对深刻理解异质形核微观机制提出了迫切需求。研究表明，当熔体与衬底接触时，衬底表面近邻的熔体原子会形成原子级有序界面层结构，该界面层结构对异质形核过程有决定性的作用。但由于形核过程的复杂性及现有研究手段的局限性，目前对该界面层结构形成机制及调控作用的认识非常有限。本项目以Al及Al-Cu合金在不同衬底条件下的异质形核为研究对象，采用晶体相场模型系统研究熔体-衬底界面层的形成条件、结构性质、形成机制及其对后续形核生长的调控作用。揭示熔体-衬底间界面层结构的形成条件、机制及主要控制因素，阐明界面层对后续形核生长过程的影响机制、规律及调控作用，建立衬底条件-界面层特性-形核生长间的关联，提出基于熔体-衬底界面层的形核调控方法，从原子层面拓展对异质形核微观机制的认知，为形核过程精确调控奠定基础。

形核是一级不连续相变的起点，也是后续生长的先决条件，对材料宏微观组织结构及最终产品性能有着决定性的作用。由于形核过程的复杂性，完全理解异质形核过程及机制仍具有极大挑战性，特别是对原子尺度下异质形核的微观机制，目前依然存在许多悬而未决的问题，这严重阻碍了进一步通过控制形核过程改善材料微观组织进而制备高性能材料。.本项目针对目前对凝固过程中异质形核微观机制认识不足的问题，采用晶体相场模型，结合分子动力学方法及多种结构分析表征手段，从冷却条件、合金化元素及异质界面三个方面实现了对金属液相微观结构的调控，阐明了熔体-衬底间界面层结构的形成机制及调控作用，确定衬底条件-界面层结构-形核生长间的关联，获得了基于熔体-衬底界面层的形核生长调控方法。在分析表征金属液相短、中程有序结构的基础上，系统研究了金属液相结构特征、晶体形核的原子机制以及二者之间的关联，揭示了液相微观结构(如二十面体结构)与预有序区的交互作用及其在晶体形核过程中的原子机制，厘清了金属熔体中类晶体结构与类二十面体结构在BCC相形核过程中的作用，揭示了原子尺度下BCC晶体形核的具体过程及机制，并从热力学及金属熔体结构特征两个方面探讨了FCC相形核过程中BCC亚稳中间相的形成起因；考察了合金化元素对液相微观结构的影响作用，建立熔体结构-动力学性质间的关联，阐明二十面体结构对形核路径的影响机制，明晰密度及结构起伏对晶体形核的作用；揭示异质核心对液相结构及晶体形核的调控作用，阐明异质核心对液相微观结构的影响规律，揭示异质核心调控晶体形核及形核过程中多晶型选择的机制，并实现晶体形核动力学路径及晶型选择的控制，为基于调控金属熔体微观结构进而控制晶体形核及相选择奠定理论基础。.研究结果不仅对理清异质形核过程微观机制具有科学价值，而且对通过异质形核过程的精确调控，开发更高效的晶粒细化剂及制备更高品质的先进晶体材料等具有指导意义。