TiAl合金快速凝固的分子动力学模拟

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通过快速凝固技术使合金非晶化是提高TiAl合金性能的有效手段,在快速凝固过程中发生的“液体-过冷液体-非晶”转变过程中,体系中的热物理性质、结构和动力学性质均会发生持续的变化。本文通过分子动力学模拟方法,研究了TiAl合金快速凝固过程中的热物理性质、结构和动力学性质,为TiAl非晶合金的设计和开发提供了系统性的理论基础。首先,通过基于嵌入原子法(EAM)势的分子动力学模拟(MD)研究了不同成分的TiAl合金的液相线温度TL以及在从液体到过冷温度区间内的密度和比热。对过剩体积以及比热-成分曲线的分析表明,液态TiAl合金偏离理想溶液,Neumann-Kopp法则不适用于该二元合金体系。Ti25Al75和Ti50Al50合金分别对应于最强的体积效应和最大的比热。应用多种结构表征手段,研究了TiAl合金在快速过程中的微观结构演变。体积-温度曲线表明Ti100-xAlx(x=10,25,50,75,90)在300K时形成了非晶结构。合金成分对非晶形成能力有显著的影响,Ti25Al75具有最强的非晶形成能力。双体分布函数中第二峰出现明显的劈裂进一步证明了非晶的形成。HA键对指数和Voronoi指数分析表明,表征二十面体短程有序结构的键对和团簇数目随Al原子浓度的增大而增多并在Ti25Al75处达到最大值。Ti25Al75中具有数目最多的以Al原子为中心原子的二十面体结构。分析了Ti25Al75合金过冷熔体的动力学性质。随着温度降低,过冷熔体的结构弛豫时间τα在TA处偏离Arrhenius方程;体系逐渐偏离Stokes-Einstein关系式(SER),并在TS处开始遵循分数SER形式。同时,体系动力学各向异性在TS显著增大。Ti和Al的动力学性质并未出现脱耦,动力学各向异性在TS显著增大的现象不能用Ti和Al之间的动力学行为的差异进行解释。体系的五次对称性参数W在TS处异常增大,建立起Ti25Al75合金结构与动力学行为的相关性。
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