PDF《！＂#$% 合金在高压下的凝固 ！》

! #$% 合金在高压下的凝固! 王海燕!) 刘日平!) 马明臻!) 高明!) 姚玉书!) #) 王文魁!) #) !) (燕山大学亚稳材料制备技术与科学重点实验室, 秦皇岛 $%%$$&

) #) (中国科学院物理研究所, 北京 !$$$'

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日收到;

#$$( 年!! 月#) 日收到修改稿) 研究了压力对 *+,-# 合金凝固组织的影响.

与常压下凝固的典型共晶组织不同, 高压条件下的凝固组织为初生 !相树枝晶加离异共晶.高压下凝固组织的变化主要是与压力对相图的影响和对凝固过程中溶质原子扩散的影响 有关.通过引入压力参量, 推导了高压凝固过程中的成分过冷判据, 并应用该判据分析了高压凝固树枝晶组织的形 成机理. 关键词:高压,凝固,*+,-#

0 ! 国家高技术研究发展计划青年基金 (批准号: '

%(1#1#1!!1&

) 和国家自然科学基金 (批准号: )$!/!$)2 和 资助的课题 . 通讯联系人. 0134-5:6-7-89:8 !@ 引言凝固过程是制备绝大多数金属合金材料时都必 须经历的过程.金属合金的凝固相变过程直接决定 其凝固后的相结构、 显微组织特征和成分分布.因此 凝固过程研究对于开发新材料, 改善现有材料的性 能具有重要意义. 上世纪中期, 借助于物理化学、 金 属学和数学, 金属凝固理论得到了较大发展. 此后, 随着定向凝固、 急冷、 深过冷、 半固态凝固等技术的 不断发展, 凝固理论也逐步由平衡A近平衡凝固理论 向远离平衡凝固理论延伸. 纵观凝固理论与技术的 发展历史, 人们最为看重的是温度参量在其中的作 用, 而没有考虑另一重要参量― ― ―压力的影响.究其 原因, 主要是因为在压力较小时, 压力对凝固过程的 影响很小.但是在高压尤其是超高压条件下, 压力的 影响却十分显著. 超高压压力对合金的结晶温度有 十分显著的影响;

压力可以改变固溶体的溶解度;

压 力还通过影响原子扩散过程和相变驱动力而影响晶 体形核和长大, 即在超高压条件下, 压力通过影响液 A固相变热力学和动力学过程而对凝固过程产生显 著影响 [!] .但是迄今为止, 所有的晶体结晶形态及其 稳定性的理论, 如B=55-8<

和,+C+6C4 理论、 D-7EF8 理论、 G6-H+>

- 和I=6J 理论、 KJ-J 的溶质截获理论以及从 L4?C-, B498-8 和I=6J 的快速共晶生长理论到离异共晶形 成理论等均未考虑压力的影响 [#―%] . 因此, 研究高压 下晶体形核与长大、 高压下的液A固界面形态与稳定 性等问题对于完善凝固理论、 制备亚稳相和特殊物 理、 化学、 力学性能的新材料具有重要意义. *+1,- 合金是目前研究比较多的合金体系之一. 随着 ,- 含量的不同, *+1,- 合金呈现出多种不同的相 结构.这些不同的相结构具有不同的物理性能, 在磁 性、 热电、 高温材料等领域得到了广泛的应用. 本文 选择 *+O ,- P !O # (原子比) 的*+,-# 合金作为研究对 象.*+O ,- P !O# 成分的 *+,-# 合金具有三种可能的相 结构: 在2'

$Q以上时为四方的 1*+,-# , 表现为金属 相;

当温度低于 2'

$Q时为正交的# 1*+,-# , 为半导体 相;

另外还有一种亚稳的金属相$ 1*+,-# [/] . 在上述 三种相结构中最让科学家感兴趣的是# 1*+,-# , 主要 原因是它在室温具有一个直接禁带 ($@'

/ +R) , 而且 可以通过掺杂得到

8 型或

7 型半导体, 比如掺杂 S6 或K5 表现为