Thermodynamic analysis and modeling of Pd-Ni-S novel ternary bulk metallic glass Forming system

Abstract

This study explores both experimental and computational aspects of the thermo-physical properties of the novel ternary Pd-Ni-S Bulk Metallic Glass (BMG)-forming system. Unlike other complex ternary and quinary BMG-formers, the simplicity of this ternary system in terms of equilibrium thermodynamics allows for the application of the CALPHAD approach to model the underlying thermodynamics governing glass formation. Experimental investigations include quantifying specific heat capacity and studying crystallization across various compositions in the glass forming range, critical for generating essential input data for CALPHAD calculations. Using a two-state model approach, initial modeling of the undercooled liquid and glass is conducted for individual elements and extended to the corresponding binary and ternary systems. Model predictions are validated against experimental findings and iteratively optimized. Assessment of the Pd-Ni-S system's glass-forming ability involves calculating the crystallization driving force for all the forming phases by applying the parallel tangent method to the Gibbs free energy of crystalline and liquid phases at different compositions. This method provides a more accurate estimation of the nucleation driving force of the first forming phase compared to the conventional thermodynamic approach. These calculated driving forces are then used to model the isothermal Time-Temperature-Transformation (TTT) diagrams, and finally for the estimation of the interfacial energy between liquid and crystal during primary crystallization, which plays an important role in the glass-forming ability of this system.

Diese Studie untersucht sowohl experimentelle als auch rechnerische Aspekte der thermophysikalischen Eigenschaften des neuartigen ternären Pd-Ni-S Bulk Metallglas (BMG)-Bildungssystems. Im Gegensatz zu anderen komplexen ternären und quinären BMG-Bildnern ermöglicht die Einfachheit dieses ternären Systems in Bezug auf das Gleichgewicht der Thermodynamik die Anwendung des CALPHAD-Ansatzes zur Modellierung der zugrunde liegenden Thermodynamik, die die Glasbildung steuert. Experimentelle Untersuchungen umfassen die Quantifizierung der spezifischen Wärmekapazität und die Untersuchung der Kristallisation über verschiedene Zusammensetzungen im Glasbildungsbereich, was entscheidend ist, um wichtige Eingabedaten für CALPHAD-Berechnungen zu generieren. Unter Verwendung eines Zweizustandsmodells wird eine erste Modellierung der unterkühlten Flüssigkeit und des Glases für einzelne Elemente durchgeführt und auf die entsprechenden binären und ternären Systeme erweitert. Die Modellvorhersagen werden mit experimentellen Ergebnissen validiert und iterativ optimiert. Die Bewertung der Glasbildungsfähigkeit des Pd-Ni-S-Systems umfasst die Berechnung der Kristallisationsantriebskraft für alle sich bildenden Phasen durch Anwendung der Methode des parallelen Tangenten an die Gibbs'sche freie Energie von kristallinen und flüssigen Phasen bei verschiedenen Zusammensetzungen. Diese Methode liefert eine genauere Schätzung der Keimbildungsantriebskraft der ersten sich bildenden Phase im Vergleich zum herkömmlichen thermodynamischen Ansatz. Diese berechneten Antriebskräfte werden dann verwendet, um die isothermen Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (TTT) zu modellieren und schließlich zur Schätzung der Grenzflächenenergie zwischen Flüssigkeit und Kristall während der Primärkristallisation, die eine wichtige Rolle in der Glasbildungsfähigkeit dieses Systems spielt.