从电子结构角度研究微组元影响La基Al基金属玻璃形成能力的本征机理

Amorphous alloys is one of the most important research area in the non-equilibriumn materials. Glass forming ability (GFA) is key point for limiting their industrial applications using as an advanced engineering material. Minor alloying plays an important role in improving the GFA. But it is unknown for the nature of minor additions effecting the GFA. The nature of minor additions effecting the GFA in the (La,Ce)-Al-(Co,Cu) MGs will be studied from electronic structure perspective (Fermi sphere - Brillouin zone interaction). Minor alloying effect will be divided into static atomic structure effect (Brillouin zone, KP) and electron hybridization effect (Fermi sphere, 2KF). We will use electron energy-loss spectroscopy (EELS) and X-ray diffraction (XRD) spectrometry to monitor the effects of minor alloying on KF and KP. Electronic density of states at the Fermi level (DOS) will be characterized by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and physical property measurement system (PPMS). By comparing the value of KP and 2KF and analyzing DOS, the nature of minor additions effecting the GFA will be uncovered. Moreover, it can be used to predict the Al-based BMG-forming compositions a priori. This will provide scientific evidences and technical foundation for enhancing industrial applications.

非晶态合金是目前非平衡材料领域的重要研究方向之一。玻璃形成能力是制约其工业化应用的关键问题，而微组元添加对玻璃形成能力至关重要，但其影响玻璃形成能力的本征机理仍不明确。本项目从金属玻璃电子结构稳定性角度（费米面和伪布里渊区相互作用机制）研究微组元对金属玻璃形成能力影响的本征机理。选取形成能力较强的(La,Ce)-Al-(Co,Cu)合金，微组元效应分为原子静态结构效应（伪布里渊区）和电子轨道杂化效应（费米面）。X射线衍射表征伪布里渊区（Kp），电子能量损失谱的白线峰表征费米面（2KF），综合物性测量系统和紫外光电子能谱表征费米能级处电子态密度。通过比较2KF和Kp关系，分析费米能级处电子态密度，揭示微组元种类及含量对玻璃形成能力影响的本质。在此基础上，揭示微组元对边缘Al基金属玻璃形成能力影响的本征机理，指导合金成分设计。本项目为推动大尺寸非晶合金的工程化应用提供重要科学理论依据。

非晶态合金是目前非平衡材料领域的重要研究方向之一。玻璃形成能力是制约其工业化应用的关键问题，而微组元添加对玻璃形成能力至关重要，但其影响玻璃形成能力的本征机理仍不明确。1、基于费米球 - 布里渊区相互作用的概念，研究了相似原子替换（Co和Ce）对La62Al14Ni24三元合金玻璃形成能力的影响。 Co原子取代主要影响Al原子和Ni（Co）原子之间的电子轨道杂化，进而影响费米球直径，而Ce原子替代主要影响伪布里渊区大小。利用光谱实验监测它们对费米能级和伪布里渊区尺寸影响。提出了|δ|=|KP-2KF|方法评价相似原子替代效应，指导预测相似原子替代（Co和Ce）对La-Al-Ni三元合金体系玻璃形成能力的影响趋势，并在实验上得到验证。2、为了揭示Ni和Y元素对Al-Ni-Y三元金属玻璃的玻璃形成能力影响的本征机理，且基于费米面和伪布里渊区理论，提出了Ni和Y元素对Al-Ni-Y三元金属玻璃的玻璃形成能力的影响分为两种情况：Ni原子通过Al和Ni原子之间的电子轨道杂化效应，改变费米面直径，从而影响Al基金属玻璃的玻璃形成能力；Y原子通过整体原子的静态结构，改变伪布里渊区，最终影响Al基金属玻璃的玻璃形成能力。费米面和伪布里渊区尺寸通过电子能量损失谱、X射线衍射和X射线光电子能谱获得。当两者相互作用机制满足2KF=KP时，费米能级处电子态密度最低，金属玻璃整体结构的稳定性达到最佳。3、微合金化过程中铝基非晶形成能力和电子态密度关联性的研究。通过研究微合金化对铝基金属玻璃中费米能级状态密度的影响，从实验上证明了近自由电子模型预测，即：费米能级处电子能态密度确实与玻璃形成能力密切相关。对于Al86Ni9Y5，Al86Ni6.75Co2.25Y5和Al86Ni6.75Co2.25Y3.25La1.75合金的费米能级的状态密度值，N(EF)，通过测量低温电子比热和超导特性推测出N(EF)。发现随着微合金化增强非晶形成能力，使N(EF)值降低，Co和La微合金化导致N(EF)降低是由于s和d电子态之间杂化效应的增加。4、利用CFD模拟和实验方法相结合，揭示了超音速火焰喷涂（HVOF）制备的Fe基非晶涂层过程中粒子尺寸和孔隙率的关联性。预测出制备低孔隙率的涂层所需的最佳粒子尺寸为20-30μm，利用该粒子尺寸范围，制备出的HVOF铁基非晶涂层孔隙率最低，达到0.95%。