液相分离诱发晶体/非晶自包裹复合材料的设计、组织控制与形成机理研究

本项目以设计和制备一体化为主要学术思想，研究利用液相分离制备晶体/非晶自包裹复合材料的成分设计、组织控制与形成机理。基于本研究实验测定的相平衡结果与文献报道的相图信息，建立Cu-(Co, Fe)-Zr-Si-B多元合金系的热力学数据库，有效地预测稳定液相分离存在的成分和温度范围，并考虑液相分离后两液相的非晶形成能力，设计Cu基晶体/(Co, Fe)-基非晶复合材料的合金成分。在此基础上，采用铜模吸铸和雾化制粉技术，制备Cu基晶体/(Co, Fe)-基非晶自包裹复合材料，考察合金成分、液相的体积分数、粘度、冷却速度等因素对凝固组织形态的影响。并结合微观组织结构的晶体学解析结果，阐明合金设计-凝固工艺条件-凝固组织形态与微观组织结构之间的关系。同时建立凝固过程的相场模型，从理论上解明该类复合组织的形成机理和组织控制方法，为液相分离诱发晶体/非晶自包裹复合材料的设计与制备提供精确的理论指导。

该项目按原计划完成。本研究实验测定了Cu-Co-X (X: Si, Zr)、Cu-Zr-X (X: Fe, Si,)、Zr-Si-X (X:Co, Fe)以及部分含B体系共11个三元系在1000℃, 1100℃与1200℃时的相平衡，完善了Cu-(Co, Fe)-Zr-Si-B 多元系的实验相图信息。基于本研究相平衡的实验结果及已有的热力学性质，利用CALPHAD方法，对Cu-(Co, Fe)-Zr-Si-B合金系中多元系相图进行了热力学计算。利用本研究建立的Cu-(Co, Fe)-Zr-Si-B多元系相图的热力学数据库，计算了上述多元系的纵截面相图。计算结果表明，在多个体系中均存在成分和温度范围均较宽的稳定的液相两相分离区域(L1 + L2)，并基于计算结果设计了具有液相分离型的Cu基晶体/(Co, Fe)基非晶的合金成分。通过气雾化制粉技术，在Cu-(Co, Fe)-Zr-Si-B体系中制备了一系列Cu基晶体/(Co, Fe)基非晶复合粉体，其中晶体相为fcc结构的富Cu相，非晶相为富Co或富Fe或富Fe-Co相。同时，制备了Cu基晶体/NiNb-基非晶复合薄带材料。通过EPMA、XRD、DSC TEM和VSM等表征方法对复合材料的结构和软磁性能进行表征。研究结果表明：上述晶体/非晶复合粉体均具有自包裹型复合结构，其软磁性能良好。.本研究基于热力学设计系统评估的原子间相互作用能和Becker界面能模型，计算了两液相的界面能。建立了液体在凝固过程中的热力学、动力学和流体力学模型，并计算了液滴运动的规律，预测了在冷却过程中析出的第二相液滴的运动速度。并利用相场理论，模拟其自包裹过程，探明了具有自包裹核/壳结构的Cu基晶体/(Co, Fe)-基非晶复合粉体的形成机理和组织控制方法。同时，通过第一性原理分子动力学方法研究了溶质元素对Fe-B基合金熔体非晶形成能力的影响。本项目的研究结果为具有自包裹型晶体/非晶复合材料的研发建立了理论基础，为其合金成分的设计和组织控制提供了重要的理论指导。.本项目在研究期间，已在Acta Materialia、Journal of Alloy and Compounds和Intermetallics等国际学术期刊上发表论文20篇，申请国家发明专利2项，其中1项授权，1项公开。