二元共晶凝固中三相交界线热力学与动力学研究

Eutectic solidification, as one of the basic solidification modes of binary-element or multi-element systems, plays an important role in the preparation of traditional materials and the development of new materials. However, the tri-junction (TJ) thermodynamics and kinetics have not been studied detailedly to show its important or decisive role in pattern selection and stability during eutectic solidification, due to the assumption that TJ has no energy and it is under equilibrium condition during migration (i.e., the classical Young's law). In the current proposal, three-dimensional (3-D) experimental microstructure analysis and multi-phase-field model simulation will be carried out to study the TJ thermodynamics and kinetics during eutectic solidification of a binary alloy system. The linear energy of TJ and its non-equilibrium kinetic properties will be determined, and the role of TJ in the formation of and transition in the 3-D morphology eutectic patterns will be investigated to show quantitative the relation among solidification conditions, physical parameters and solidification microstructures. The aim of the proposal is to provide a general method for theoretical and experimental studies of the TJ thermodynamics and kinetics, to develop the pattern selection and stability theory during coupled growth, and to propose a theoretical guidance for the microstructure control during eutectic solidification. A successful completion of the propose is not only an important progress in the theory of eutectic solidification, but also a good reference for the study of TJ thermodynamics and kinetics in multi-phase solidification and solid-state phase transformation, grain growth or coarsening in polycrystalline materials.

作为二元及多元体系的一种基本凝固方式，共晶凝固是制备传统材料、开发新材料的重要手段之一。然而由于三相交界线（TJ）无能量且处于局域平衡经典假设的存在，当前研究无法明晰TJ的热力学性质与动力学规律，无法揭示TJ在共晶组织形态选择与稳定性中的重要或决定性作用。本项目拟以二元共晶凝固为研究对象开展TJ热力学与动力学研究，通过三维组织的实验和多相场数值模拟明确TJ线能量大小与TJ动力学非平衡性、揭示TJ与共晶组织形成及三维形貌间的内在联系、明晰凝固条件、物性参数与共晶组织形态形成及转变间的定量关系，从而建立TJ热力学与动力学研究的实验与理论方法，发展协同生长方式下组织形态选择与稳定性理论，为共晶凝固的组织控制提供理论指导。本项目一旦获得突破，不仅会对共晶凝固理论的发展产生重要影响，而且会对其它多相合金凝固及固态相变、多晶材料晶粒长大或粗化过程中TJ热力学与动力学研究起到一定借鉴作用。

作为二元及多元体系的一种基本凝固方式，共晶凝固是制备传统材料、开发新材料的重要手段之一。然而由于三相交界线无能量且处于局域平衡经典假设的存在，当前研究无法明晰三相交界线的热力学性质与动力学规律，无法揭示三相交界线在共晶组织形态选择与稳定性中的重要或决定性作用。本项目发展了热力学极值原理这一相变理论研究方法，提出了有效移动性系数以热力学自洽性地描述非平衡溶质扩散，提出了两步横向溶质扩散的新概念以准确描述界面耗散过程，取得了突破性理论进展：（1）耦合三相交界线动力学的二元共晶、共晶枝晶凝固理论；（2）二元合金的非平衡相场理论；（3）多元合金的非平衡相场理论模型；（4）多元定比化合物的界面动力学模型；（5）多元合金凝固的界面稳定性理论；（6）二元非定比化合物的界面动力学模型；（7）基于热力学极值原理的扩散控制生长理论；（8）过冷Ni-Si共晶合金及Ni31Si12金属间化合物的组织演化规律。本项目在国内外重要学术期刊上共发表学术论文21篇，其中本领域TOP期刊Acta Mater 4篇；培养博士生2人，其中已毕业1人，硕士生8人，其中已毕业3人；项目负责人于2015年获陕西省青年科技新星称号、霍英东青年教师资助、西北工业大学翱翔新星称号，2016年获得西北工业大学翱翔青年学者，2017年获得陕西省杰出青年基金。本项目研究发展了共晶组织形态与凝固条件间关系模型，可为共晶凝固行为的控制提供理论指导，可为更复杂合金体系凝固及固态转变中三相交界线热力学与动力学研究奠定基础。