Cu基大块非晶中添加元素对非晶形成能力及耐蚀性影响机理研究

摘要

大块非晶合金具有长程无序的独特结构，使其具有许多优于晶态金属合金的性能。文中综述了非晶合金的研究发展现状、性能特点及其应用。在诸多金属-金属体系的大块非晶研究中，有望作为结构材料的Cu基大块非晶合金，备受人们关注，从电子理论层次研究其非晶形成能力和耐蚀性的影响机理还较少，本文从电子层次对这两方面进行研究对非晶的制备和应用具有十分重要的指导意义。
　　 文中利用分子动力学方法模拟1500K温度下Cu-Al合金结构液相，然后以100K/次降温，当温度降低到300K时，双体分布函数第二波峰出现明显双峰状态，标志着Cu-Al合金非晶态已经形成。利用计算机编程建立非晶和非晶表面模型：非晶模型是通过Cu-Al非晶加Cu-M(Zr、Nb、Ta、V、Y、Sc)二十面体团簇形成Cu-Al-M非晶，将二十面体团簇平移到非晶表面构造出Cu-Al-M非晶表面模型，在非晶表面模型上加吸附氧原子构造成Cu-Al-M-O非晶表面模型。在非晶模型中选取一个二十面体团簇作为研究对象，运用实空间连分数递归方法(Recursion方法)研究了添加Nb、Ta、V、Y、Sc等元素对Cu基大块非晶合金非晶形成能力和耐蚀性的影响。研究结果发现：
　　 一、在Cu大块非晶二十面体团簇中添加Nb、Ta、V、Y、Sc等元素容易占据Zr原子位置，不容易取代Cu原子位置；
　　 二、通过添加元素与近邻Cu键级积分的计算，发现添加稀土元素Y可提高Cu基大块非晶的非晶形成能力，而添加Nb、Ta、V、Sc会降低其形成能力，其中Sc的影响较小；
　　 三、通过添加元素改变费米能级的计算，发现添加稀土元素Y可以使Cu基大块非晶容易钝化，提高其耐蚀性，而添加Nb、Ta、V、Sc则会降低；
　　 四、通过添加元素引起环境敏感镶嵌能变化的计算，发现添加元素Zr、Nb、Ta、V、Sc不向清洁氧的Cu基非晶表面偏聚，但向氧吸附表面偏聚，这些元素在表面形成氧化膜提高非晶的耐蚀性。稀土元素Y既不向清洁表面也不向氧吸附表面偏聚，Y提高Cu基非晶耐蚀性的可能是由于向合金与氧化膜界面偏聚，提高合金表面与氧化膜的结合力；
　　 五、通过添加元素与表面吸附氧键级积分的计算，发现添加元素处于非晶表面，均易和氧相互作用，形成氧化膜，提高Cu基大块非晶的耐蚀性。