科研进展 | 超声对合金玻璃形成能力的影响机制研究取得新进展

2023-01-09
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液体过冷是指在液体在其通常认为的融点温度以下,仍保持为液态并不发生晶化的现象,这在自然界非常普遍,如生物利用过冷状态能够很好在低温下存活,玻璃态材料可以通过过冷状态避免结晶而形成等。当合金液体经过快速冷却避免结晶后将形成非晶合金,因其具有良好的加工性能及物理特性,是新一代的热门合金材料。然而一般非晶合金的玻璃形成能力较差,导致其生成的临界尺寸往往不能满足结构设计的需求,这一直是困扰非晶合金大规模工业应用的主要瓶颈。

目前,科研工作者一方面在积极寻找具有好的玻璃形成能力合金成分的同时,另一方面又在利用新技术来提高非晶合金的临界尺寸,如利用超声焊接、激光加工、3D打印,烧结等技术手段来通过增材的方式来提高合金的玻璃形成能力。这就带来了新的科学问题即玻璃的加工稳定性问题。合金在过冷或玻璃态下受到超声、激光、挤压变形等外场作用情况下,对其玻璃形成能力的影响,是目前亟待解决的关键科学问题。

近日,松山湖材料实验室粤港澳交叉科学中心尚宝双博士同实验室汪卫华院士、北京计算科学研究中心管鹏飞研究员、法国Grenoble-Alpes大学 Jakse教授及Barrat教授合作,利用分子动力学模拟,系统研究了超声变形模式下对不同合金玻璃形成能力的影响,并利用修正的经典形核理论,从定量上给出了超声参数对玻璃形成能力影响的理论关系。该研究成果在线发表在金属结构材料类顶级期刊Acta Materialia 上,题为Influence of oscillatory shear on nucleation in metallic glasses: A molecular dynamics study。

研究者发现,尽管超声对玻璃形成能力的影响复杂,控制参数众多,如超声频率、振幅、温度等对不同合金体系均有不同,但研究表明,其对玻璃形成能力调控方式可以通过组合成一个无量纲参量。研究者通过修正经典形核理论,可以从定量上来理解其对合金玻璃形成能力的影响,发现调控该无量纲参数,可以实现两种不同的晶化模式如图1所示,当无量纲参数小于1时,其晶化行为在深过冷液相区,由扩散项控制,增加振幅及频率将会加速晶化; 而当无量纲参数大于1时,其晶化行为由成核控制,增加振幅及频率将会抑制晶化。因此,该研究工作揭示了在合理的超声参数调控下即无量纲参数大于1时,合金体系可以通过超声作用,即提高玻璃形成能力又提高加工成型能力,该发现对于提高非晶合金加工稳定性,特别是对3D打印、热塑成型等加工过程中的应用,具有重大的参考价值及指导意义。

图1 超声参数对玻璃形成能力的影响,当无量纲参数大于1时为形核控制,当无量纲参数小于1时为长大控制

该工作得到了审稿人充分的肯定,认为该研究在模拟及实验上对玻璃形成能力及加工行为的理解具有重要意义,“The results presented in this work are novel and important to understand the glass-forming behavior under an oscillator force field, which are under intense research both in experiments and simulations. ”尚宝双博士为该论文的第一作者及共同通信作者,松山湖材料实验室为第一单位。上述研究工作得到了广东省重大基础与应用基础项目(编号:2019B030302010)及自然科学基金重点项目(编号52130108)等基金支持。该研究计算部分在松山湖材料实验室材料计算与数据平台的“天工”超算集群上完成。

粤港澳交叉科学中心卓越青年学者尚宝双博士自2020年底加入松山湖材料实验室以来,已在Acta Materialia上以第一作者身份发表论文3篇,分别在非晶合金冷热循环年轻化机理(Acta Materialia (2021), 213, 116952)及循环加载调控非晶合金性能(Acta Materiali (2022), 225, 117557)等方面取得进展,目前的研究方向为外场作用下的非晶合金加工稳定性及玻璃形成能力。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118668

撰稿:粤港澳交叉科学中心