Al/Si原子在Cu基非晶中的扩散机制

摘要

本论文选择玻璃形成能力比较好的Cu基(Cu44.25Ag14.75Zr36Ti5)大块金属玻璃为研究对象，采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微(SEM)、热分析(DSC)、二次离子质谱仪(SIMS)等实验手段对比研究了Al和Si两种不同元素在Cu44.25Ag14.75Zr36Ti15块状非晶合金的过冷液相区和在晶态合金中的扩散行为，从微观上解释原子在过冷液相区的扩散机制。
　　 采用铜模吹铸法制备直径为3mm的棒状Cu44.25Ag14.75Zr36Ti5非晶，采用金刚石切割为厚度为1mm的圆片状试样，通过真空磁控溅射对非晶合金的圆截面镀上Al和Si薄膜，镀膜过程在非晶态合金的玻璃转变温度(Tg=623K)以下进行，保证了非晶合金不被氧化和晶化。通过一系列的实验来合理的选择非晶合金的扩散退火温度和保温时间，经过XRD检测在真空炉中经过扩散退火后的非晶试样仍保持非晶态，本实验选择的扩散退火温度和保温时间为573K(80min)、603K(60min)、633K(40min)和663K(20min)。
　　 采用二次离子质谱仪(SIMS)结合台阶仪，逐层剥离的方式检测Al和Si原子在Cu44.25Ag14.75Zr36Ti5块状非晶合金和在晶态合金中的扩散距离，发现Al和Si原子在非晶合金的过冷液相区的扩散系数和扩散温度之间的关系符合单一的Arrhenius关系式。扩散激活能的唯一性说明具有唯一的扩散机制，即以原子团整体迁移的方式协作式扩散。而Al和Si原子在晶态合金中的扩散则以空位扩散和沿晶界扩散为主。
　　 通过计算，Al原子和在Si原子在Cu44.25Ag14.75Zr36Ti5非晶的扩散激活能分别为Q=1.82×105J/mol，Q=7.92×104J/mol。虽然Al原子和Si原子的半径相差不大，但是从分析中可以看出，Si原子无论是在Cu44.25Ag14.75Zr36Ti5非晶中还是晶态合金中，扩散深度都大于同种条件下Al原子的扩散深度，这是由于Si原子作为非金属元素与基体中的金属元素结合力更强，因此扩散深度更大。