铁基非晶合金熔体原子扩散与非晶形成能力的关系研究

Although Fe-based metallic glasses are the most widely used commercial glassy alloys, their glass forming ability is still poor compared with other typical families of bulk metallic glasses and many Fe-based alloys can only form melt-spin states with critical glassy size of micrometer scale. According to the classic crystal nucleation and growth thoery of Turnbull, atomic diffusion coefficient is the key kinetic parameter controlling glass formation. The latest experimental results in Ce-based liquids also demonstrated that alloy composition and microalloying have dramatic effects on atomic diffusion. Based on our previous work on atomic diffusion in Al-based and Ce-based liquids, in the present proposal, we proposed to use our newly developed sliding cell diffusion measuring techniqe and computer simulation method to investigate atomic diffusion in the three typical Fe-based glass forming liquids(FeB-, FeC- and FeP-based) and its relation with glass forming ability. We expect to obtain the composition and temperature dependent diffusion data in Fe-based glass forming liquids for the first time and establish the possible intrinsic relation between atomic diffusion and glass forming ability and finally provide a new idea from the dynamic point of view to understand the glass forming mechanism of Fe-based alloys and to design the new Fe-based glassy alloys.

铁基非晶合金是目前工业应用最广的非晶合金材料。尽管如此，铁基非晶合金的形成能力相对于其它块体非晶合金体系还比较弱，多数合金只能形成微米尺度的条带状非晶合金。根据Turnbull的经典晶体形核生长理论，金属熔体的扩散系数是决定非晶合金形成能力的关键动力学参数。最新的稀土Ce基非晶合金熔体中的实验结果也证明合金成分和微量元素添加对熔体扩散系数有十分显著的影响。 本项目基于我们前期在熔体扩散测量技术以及在Al基和Ce基合金熔体扩散方面的研究结果，拟采用自主研发的滑动剪切技术和计算机模拟方法相结合，研究三类典型的铁基（FeC基，FeB基和FeP基）非晶体系熔体的原子扩散以及扩散行为与非晶形成能力的关系。预期，首次获得铁基非晶体系熔体原子扩散的成分和温度依赖的系统数据，发现熔体扩散系数与非晶形成能力的内在联系，从熔体动力学性质的角度为铁基非晶合金的形成机理和新材料设计提供新的思路。

作为一类典型的非晶合金体系，铁基金属玻璃以其优异的磁学物理性质而深受人们关注。对铁基非晶形成熔体原子扩散与非晶形成能力进行系统研究，将直接影响非晶材料的开发和利用，同时有助于理解凝固和玻璃化转变过程的本质。采用自主开发的多层平动剪切测量技术，并和计算机模拟相结合，系统测量和分析铁基若干二元、三元典型体系的熔体化学扩散行为，并研究扩散行为和非晶形成能力的内在关系。采用多层平动剪切技术系统测量了Fe80B20, Fe80Si20，Fe78Si9B13等铁基二元、三元玻璃形成熔体的互扩散系数。结合德方采用中子散射技术测量的Fe80Si20, Fe80B20合金熔体自扩散系数，系统分析了铁基二元合金熔体中自扩散与互扩散的关系。根据扩散数据以及热力学因子结果，Fe80Si20和Fe80B20非晶合金形成熔体中，都不能够采用Darken方程来描述自扩散和互扩散的关系。在Fe80Si20和Fe80B20非晶合金形成熔体中，Darken方程如果成立，就需要一个小于1的动力学因子，其取值范围在0.5-0.6之间。结合第一性原理模拟计算研究Fe基二元非晶合金熔体Fe80Si20和Fe80B20，分析了铁基二元非晶形成熔体扩散与结构的关联。铁基非晶合金熔体Fe78Si9B13互扩散行为研究取得重要进展。结果表明，随着第三组元的添加，两组元间的互扩散系数呈下降趋势。在Fe78Si9B13非晶形成熔体中，B元素的添加对于Fe-Si互扩散系数的影响比Si元素的添加对于Fe-B互扩散系数的影响更大。采用第一性原理模拟计算研究FeSiB三元合金熔体的扩散行为、结构和玻璃形成能力的关联。初步结果显示一种元素的添加会降低其他原子的自扩散系数，同时合金熔体的玻璃形成能力增强。铁基熔体扩散研究结果表明合金化对于合金熔体的扩散动力学行为影响显著，而慢的动力学行为与其良好的玻璃形成能力有内在联系。本项目研究结果对铁基非晶合金的玻璃形成能力及成分设计有重要指导意义。