On the thermophysical and structural properties of the Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 bulk metallic glass-forming alloy and their connection to the liquid-liquid transition in the deeply supercooled liquid

Abstract

Liquid-liquid transitions (LLTs) between two liquid phases with different structures but identical compositions have been found in all types of liquids. In this work a liquid-liquid transition in the Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 bulk metallic glass-forming alloy is revealed using a quasi-static cooling protocol in the ultra-viscous state. The slow cooling lowers the glass transition of the liquid which at standard cooling rates obscures the LLT. The LLT shows a structural, dynamical and thermodynamic signature. The structure is investigated in situ using high energy synchrotron x-ray diffraction (XRD). The dynamical cross-over from a highly temperature dependent liquid to a liquid which is less affected by temperature is observed in situ by x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) and ex situ through laboratory-based techniques like dynamical mechanical analysis (DMA), thermomechanical analysis (TMA) and differential scanning calorimetry (DSC). The thermodynamic signature is measured ex situ using DSC.

Phasenübergänge in der Flüssigkeit zwischen zwei flüssigen Phasen mit unterschiedlicher Struktur aber identischer chemischer Zusammensetzung wurden in vielen verschiedenen Flüssigkeiten nachgewiesen. In dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde ein Flüssig-Flüssig-Phasenübergang in der hochviskosen unterkühlten Schmelze der metallisches massivglasformenden Legierung Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 mit Hilfe eines quasistatischen Kühlprotokolls entdeckt. Das quasistatische Kühlen verschiebt den Glasübergang, der den Flüssig-Flüssig-Phasenübergang bei höheren Raten verdeckt, zu niedrigeren Temperaturen und ermöglicht so die Beobachtung des Phasenüberganges. Der Übergang zeigt Signaturen in der Struktur, der Dynamik und der Thermodynamik. Die Struktur wurde durch Röntgenbeugungsexperimente mit Hilfe hochenergetischer Synchrotronröntgenstrahlung untersucht. Die dynamische Signatur des Übergangs wurde in situ mittels synchrotronbasierter Röntgenkorrelationsspektroskopie und ex situ mittels verschiedener laborbasierter Techniken wie dynamisch mechanischer Analyse (DMA), thermo-mechanischer Analyse (TMA) und Kalorimetrie (DSC) nachgewiesen. Die thermodynamische Signatur wurde mittels DSC untersucht.