高熵复合材料微观结构、力学性能及耐磨性研究进展

自2004年以来,高熵合金因其独特的成分设计理论、微观结构以及优异的力学性能、高温稳定性、耐磨性和抗辐照性能等引起越来越多学者的关注,有望应用于核电站、航空航天等重要领域及重大装备。而在高熵合金中加入适量的增强相,或者将高熵合金作为增强相添加到金属基体中制备的高熵复合材料可以进一步提高材料的性能。与传统复合材料相比,高熵复合材料不仅克服了界面稳定性差的问题,还显示出优异的强塑性结合,因此近年来高熵复合材料逐渐成为复合材料领域研究的热点。基于此,本文简要介绍了近年来高熵复合材料的研究进展,分别从高熵复合材料的制备方法、微观结构、力学性能和耐磨性等方面进行了讨论,最后总结了高熵复合材料目前存在的一些问题,并对其未来的发展进行了展望。

Fe-Al金属间化合物的第一性原理研究综述

Fe-Al金属间化合物具有密度低、比强度高、抗高温氧化和耐腐蚀性良好等优点,且成本低廉,成为镍基高温合金潜在的替代结构材料。综述了利用第一性原理计算研究元素掺杂/微合金化对Fe-Al金属间化合物及涂层的室温脆性、高温强度、界面结合、抗高温氧化及耐腐蚀性能影响的研究进展,设计了第一性原理研究B2型Fe-Al合金耐氯化盐腐蚀机理的理论计算方案,展望了第一性原理计算应用于Fe-Al合金及涂层材料研究的发展方向。

TiC/Ni固液界面异质形核行为的第一性原理分子动力学模拟

本文借助第一性原理分子动力学方法和密度泛函理论,针对四种TiC/Ni固液界面,从原子的异质形核行为与界面的电子性质两方面综合分析,进一步研究TiC促进Ni异质形核的机制。结果表明:TiC(100)、[Ti]-TiC(111)、[C]-TiC(111)基底均可诱导出Ni的预形核层(Pre-nucleation layer,PNL),且界面PNL的层间及面内有序度排序均为:[Ti]-TiC(111)/Ni>[C]-TiC(111)/Ni>TiC(100)/Ni。[Ti]-TiC(111)与PNL的Ni原子之间的强相互作用及化学键合使得其诱导出的PNL有序度最高。而TiC(110)基底无法诱导液体Ni原子形成预形核层,相较于上述三种基底,其促进Ni原子形核的能力最弱。在降温过程中,液相中剩余的Ni原子通过在TiC(100)、[Ti]-TiC(111)及[C]-TiC(111)基底诱导出的PNL作为过渡层的基础上,随温度的降低在PNL外侧聚集成簇,形成稳定的晶核。

铝合金自冲铆疲劳性能及寿命预测

随着“双碳”政策的提出,轻量化已成为各行业发展的重要课题,铝合金轻量化及其连接技术研究在机械各领域备受青睐并推广。为研究铝合金自冲铆接头的力学性能,使用自冲铆连接工艺连接了6061铝合金自冲铆接头和5754铝合金自冲铆接头,对比了两种铝合金接头的几何参数、显微硬度、静力学性能和疲劳性能。结果表明,两种铝合金接头成形的几何参数相近,5754接头搭接区域的硬度和低疲劳载荷下的连接力学性能优于6061接头,但在高疲劳载荷下6061接头的连接力学性能反而更优。通过结合失效接头中黑色氧化物和疲劳载荷下的微动损伤分析结果,建立了两种铝合金接头基于Paris公式的疲劳寿命预测模型,预测结果与实验数据吻合良好。

Ti60合金热变形行为与应变补偿型本构模型

目的确定Ti60合金在高温下的应变行为,促进材料性能的优化和工程应用的发展。方法在变形温度为900、950、990、1020、1050℃,应变速率为0.001、0.01、0.1、1、5 s^(-1),最大变形量为60%条件下,利用Gleeble-3800热模拟实验机对Ti60试样进行不同应变速率的热压缩实验。结果Ti60合金的高温流变应力-应变规律如下:当温度一定时,随着应变速率的升高,峰值应力上升,当温度和应变速率一定时,随着应变的升高,应力表现为先上升后下降的趋势,而在1020℃、0.01 s^(-1)条件下,表现反常,这可能与第二相的动态析出有关。不同真应变下的变形激活能Q=838.9962019 kJ/mol,相应的本构方程相关系数n=2.889582,α=0.013182009,A=1.3357×10^(33),建立了Ti60合金热变形Arrhenius本构关系模型Z=εexp(838.996×10^(3))=1.3357×10^(3)[sinh(1.3182×10^(-2)σ_(p))]^(2.889582),用于预测和优化Ti60合金在高温条件下的峰值应力。采用应变补偿方法计算了五次多项式的各个系数和其他应变对应的应力。通过比较由模型计算得到的流变应力结果和实际热模拟实验数据,发现实验结果与计算结果一致,不仅验证了应变补偿方法的合理性,而且为数值模拟等相关研究提供了数据支撑。结论通过实验和模拟,对Ti60合金的高温变形行为有了更全面和更准确的认识。

一种新型三代含锇镍基单晶高温合金的析出相演化规律

铼和钌在镍基单晶高温合金中的应用常受限于其含量和相稳定性,寻找能同时代替铼和钌的新元素具有重要意义。本研究设计了一种具有高含量锇的新型镍基单晶高温合金,采用传统Bridgman技术制备铸态单晶合金,并对合金进行固溶时效处理,通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究合金的析出相演化规律。结果表明:铸态合金中锇和钨偏析于枝晶干区域,而铝、钽、钛则偏析于枝晶间区域,即使经过长时间的固溶热处理,锇和钨仍有轻微的偏析。由于枝晶区域的元素偏析,一次时效处理后枝晶间的γ′相比枝晶干的γ′相更易转变为立方形,二次时效处理使析出相的尺寸和体积分数略微增大,形状从立方形向圆形转变。

亚共晶合金晶粒尺寸与相图变量相关双参数模型的检验

提出用于描述晶粒尺寸与工艺条件和相图变量相关联的简单双参数数学模型,然而,这些模型还没有通过良好的实验数据进行充分检验。采用精选的亚共晶合金实验数据检验这些模型,并提出实验数据的选择标准。采用这些双参数模型拟合被选择的实验数据,检查曲线的拟合质量和适用性,从而确定与实验数据吻合更好的数学模型。基于数据分析,探讨溶质元素细化晶粒尺寸的机理。结果表明,晶粒尺寸与合金凝固间隔之间存在明确的依赖关系,这种关系可采用P变量加以描述。晶粒尺寸对凝固间隔的这种明显依赖表明,在充型和凝固过程存在对流的铸锭和铸件中,与枝晶破碎有关的机理是控制溶质元素细化晶粒的主要运行机制。

第一性原理计算在高熵合金中的应用

第一性原理计算作为一种无需任何实验参数的理论计算方法,是现阶段解决实验理论问题和预测新材料结构性能的有力工具。由于高熵合金为无序固溶体合金,晶格中原子的排布是随机的,这给固溶体模型的构建带来了困难。基于第一性原理综述了高熵合金结构常用的构建方法(简单超胞法、特殊准无序超胞法、虚拟晶体近似法和相干势近似法)及其在高熵合金性能预测中的应用和局限性。

热处理对超高速激光熔覆制备TiC/IN625涂层组织与耐腐蚀性的影响

采用EHLA技术在45钢基材上制备TiC/IN625纳米复合涂层。分析不同热处理温度(800,1000℃和1200℃)对TiC/IN625涂层微观组织、表面形貌、残余应力和耐腐蚀性的影响。结果表明:随着热处理温度的提升,涂层偏析现象得到缓解。较HT0和HT800涂层,HT1000涂层中的Ti元素分布更加均匀。HT0涂层中的部分Laves相在HT1000涂层中开始溶解,释放出Nb元素,与C元素和Ti元素重新结合生成MC(M=Nb,Ti)碳化物。HT1200涂层表面微观组织中大尺寸的碳化物溶解,Ti元素和Ni等其他元素分布更加均匀,并向枝晶间区域扩散。HT0涂层表面残余应力主要表现为残余拉应力,其最大值为362 MPa。电化学腐蚀实验表明,开路电位由HT0涂层的-0.139 V提高到HT1200涂层的-0.132 V。HT800,HT1000,HT1200涂层的电荷转移电阻(R_(ct))比HT0涂层更大,相较于HT0涂层的4.785×10^(5)Ω·cm^(2)分别提高了46.2%,31.2%和64.3%。

VNbTa难熔多主元合金的低温力学性能研究

通过拉伸测试,研究了等原子比体心立方结构VNbTa中熵合金的低温变形行为。结果表明,该合金具有优异的低温应变硬化能力,这导致其有27%的断裂伸长率的同时抗拉强度高达1930 MPa。微观结构演化分析揭示,变形过程形成的扭折带及{112}<111>变形孪晶有效调节了剪切应变,促进了合金塑性和强度的提高。此外,螺型位错缠结、位错带及位错带的交互也对合金强度和加工硬化能力有重要贡献。因此,VNbTa中熵合金优异的低温力学性能归因于{112}<111>变形孪晶、扭折带、螺型位错滑移及交互的协同作用。

Mg-Al-Ca-Si合金中二元相的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Mg-Al-Ca-Si合金中主要强化相Al_(2)Ca、Mg_(2)Ca和Mg_(2)Si的晶体结构稳定性、电子性质、弹性常数及声子性质,计算所得的晶格常数、实验数据与文献值吻合。合金形成热和结合能计算结果表明:Al_(2)Ca具有最强的合金形成能力和稳定性。计算了Al_(2)Ca、Mg_(2)Ca和Mg_(2)Si的体模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比。结果表明:3种二元相均为脆性相。通过电子态密度、Muliken电子占据数和金属性计算分析结构稳定性机制,表明共价键强弱顺序依次为Al_(2)Ca、Mg_(2)Si、Mg_(2)Ca;声子性质表明Al_(2)Ca、Mg_(2)Ca和Mg_(2)Si分别在5.65、5.93和6.53 THz附近的晶格振动较强。

面心立方中熵合金强韧化及力学性能研究进展

中熵合金是由3种主要元素组成的新型金属材料,具有高强度、高硬度、良好的高温抗软化性能、较高的低温韧性和丰富的设计性等优异性能,在诸多领域均具有广泛的应用前景,受到国内外学者的高度重视。然而,为了满足高精尖领域对高性能材料日益增长的需求,面心立方中熵合金的强度仍有巨大的提升空间,需要通过合金设计和制备工艺来调控强韧化机制。中熵合金力学性能的提升已从单一的强韧化机制,转向综合运用多种强韧化机制的协同作用,中熵合金应用的温度范围也由室温拓展到高温和低温环境。为了研究设计兼具高强度与高塑韧性的中熵合金。首先归纳了面心立方中熵合金的强韧化机理(固溶强化、形变强化、细晶强化、第二相强化、异质形变诱导(HDI)强化)以及变形机制(位错、孪晶、短程有序)对力学性能的影响,同时概括了中熵合金独有的特性。其次总结了中熵合金与传统合金在极端环境(高温和低温)下的力学性能并进行对比。最后对未来面心立方中熵合金强韧化研究和发展方向进行了展望。

在线连续退火对TA4箔带材性能的影响

采用氩气保护在线连续退火炉对冷轧变形后0.12 mm厚度TA4箔带材进行退火试验,并进行拉力试验和金相组织试验,分析不同退火温度下TA4箔带材的力学性能和金相组织变化。研究结果表明,在550~610℃范围内退火,随着温度的升高,TA4箔带材抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)连续下降,而伸长率(A50)持续升高;在此温度范围内TA4箔带材处于不完全再结晶状态,金相组织呈现变形组织和部分等轴晶的混合状态,回复和部分再结晶是引起强度降低、塑性提高的原因;得到满足3C电子产品对TA4箔带材性能需求的在线退火参数,TA4箔带材显现出良好的强度和塑性。

基于多元回归的Fe-Ni-Cu-C低合金强度误差预测

采用普通方法分析Fe-Ni-Cu-C合金中元素间相互作用时,若未考虑相互效应会导致预测精度偏低,鉴于此,提出多元化线性回归方法,目的在于减小预测误差。通过对多元回归概念的了解,进行模型相关性分析,确定影响Fe-Ni-Cu-C低合金抗拉强度的5项因素,建立多元线性回归模型,对比分析强度预测值和实测值,检验模型准确性。结果表明:基于多元线性回归的Fe-Ni-Cu-C低合金强度预测误差小,模型拟合效果良好,适用于复杂合金体系强度预测,预测结果可为材料强度特性研究及性能优化提供指导。

Laves-Co_(2)(HfTa)合金的相稳定性及热物性

基于第一性原理计算方法,在考虑磁效应的基础上,对不同温度下合金Co_(2)(HfTa)中的稳定结构、电子性质和热力学性质展开了研究.通过第一性原理计算形成能、弹性性质及声子色散关系,结果表明合金Co_(2)(Hf_(x)Ta_(1-x))在x≤0.75时基态是C36,当x>0.75时基态是C14.这一发现提示了合金成分对其基态结构的影响,并为合金的稳定性提供了重要线索.值得注意的是,考虑了振动熵和电子熵的贡献后,Co_(2)Hf相对稳定的结构变为C36,Co_(2)Ta变为C14,这表明温度会对合金结构稳定性的影响.Co_(2)(Hf_(x)Ta_(1-x))合金在弹性方面呈现出本征脆性.热力学分析表明其在高温下热容趋于稳定,德拜温度近似为常数,振动熵随温度递增且与压强负相关.电子态密度分析揭示了Co_(2)(HfTa)合金三个结构的相稳定性.

难熔高熵合金的成分设计及抗高温氧化性能研究进展

与传统镍基高温合金相比,难熔高熵合金具有更好的抗高温软化能力、更高的服役温度和更优异的高温结构稳定性等优点,有望克服传统高温合金在极端装备热端部件应用中的不足。目前报道的RHEAs主要类型包括:①由Nb、Mo、Ta、W、V、Hf、Re难熔元素组成的高熔点RHEAs,这类RHEAs通常室温强度低、脆性大、抗氧化能力差、成形困难,但在1600 ℃超高温下具有高强度;②由Hf、Ta、Ti、Zr等元素组成的高室温塑性RHEAs,其室温压缩应变超过50%,具有良好的加工性能,但其高温软化严重,高温强度远低于高熔点RHEAs。本文总结了难熔高熵合金成分设计思路及高温性能的研究现状,展望了其未来发展趋势及尚待解决的问题。

面向极端载荷环境用高熵合金的研究进展

高熵合金作为一种合金设计新范式,近20年来受到研究人员的广泛关注。基于高熵准则的复杂合金颠覆了传统设计观念,展示出更加优异的力学性能与功能特性,成为未来重大工程应用的备选材料。尤其是近年来涌现出一批在低温断裂韧度、高温强度、抗冲击性、抗辐照性和抗疲劳性能等多种性能指标上表现突出的合金体系,是航空发动机、深空深海探测、低温超导和先进核能等重要领域中极具应用前景的重点研究材料。本文将简要介绍高熵合金的概念与发展,综述高熵合金在极低温至超高温、高速冲击以及高核能辐照等多种极端条件下的实验研究进展。梳理高熵合金的强韧性协同提升策略,提炼高熵合金在不同极端载荷下的变形机制和物理化学性质。可以预见,通过精细调整合金元素的选择与比例、优化热处理工艺等手段高效构筑多尺度序构进一步提升材料的综合力学性能将是高熵合金的主要发展方向。对于极端载荷环境用高熵合金的深入研究,一方面要继续深挖极端载荷下合金的微观变形机制,提出解决强度与塑韧性矛盾的新策略,利用机器学习等最新材料计算工具提升研发效率,结合先进表征技术了解微观结构。另一方面也要针对现有优势体系的不同强韧化机制设计优化策略,尤其关注能够激发位错、孪晶和相变等多种强韧化机制协同的体系和增材制造等新的加工方法。此外,进行更贴近极端服役环境的模拟实验,获取更多贴合实际情况的工程数据是加快高熵合金在极端环境中具体应用的重要环节。

螺纹短收尾表面折叠形成机理及滚压工艺参数仿真

短收尾螺纹螺栓具有结构紧凑、质量轻、连接可靠等优点,在航空航天领域中被广泛使用。然而在螺栓加工时,收尾区域容易产生折叠缺陷,严重影响螺栓的疲劳寿命。因此需要开展螺纹短收尾表面折叠形成机理及工艺参数影响的研究。首先,建立了螺纹及其收尾滚压的有限元数值仿真模型,分析了短收尾折叠缺陷的形成过程,揭示了螺纹短收尾表面折叠的形成机理。之后,探究了收尾滚压工艺对收尾折叠量的影响,构建了滚压工艺参数-折叠量数学回归模型,并对滚压工艺参数进行了优化。研究结果表明:螺纹短收尾表面折叠主要出现在加工后期,滚丝轮收尾对螺栓螺纹收尾圆弧过渡区域产生挤压作用是造成折叠的主要原因。随着滚压加工的进行,过渡部分厚度越来越小,材料剧烈变形,会进一步导致折叠缺陷的加重。基于构建的滚压工艺参数-折叠量数学模型,分析发现进给量对折叠量的影响显著,随着其取值的增加,收尾折叠呈现先减小后增大的变化趋势。

中国古代受热玉器无损鉴别方法研究

透闪石-阳起石是中国古代最重要的制玉材料,其在古代社会承载着装饰、礼仪、丧葬等多种功能。除了在自然状态下的应用之外,玉器也在非自然状态下被应用,如燎祭、热处理等。然而,当透闪石-阳起石玉器的受热程度低,现有的快速鉴别方法常无法有效鉴别。本文据此通过模拟加热实验对便携式红外反射光谱方法进行探讨,结果显示通过二阶导数的处理方法可以方便地鉴别出受热温度低的透闪石-阳起石玉器。该项研究既有助于玉器文物考古研究,也有助于从入土前的人类行为和入土后的自然作用两方面探讨玉器的劣化机制,进而有助于玉器文物保护研究。

二元铝锂合金析出相错配度的第一性原理计算

通过第一性原理计算结合准谐德拜模型系统研究了热膨胀系数、固溶度和空位浓度对Al/Al_(3)Li和Al/AlLi晶格错配度的影响规律,发现Al/Al_(3)Li晶格错配主要源于有序■无序相转变和热膨胀系数差异,而Al/AlLi的错配,除了晶体结构外,主要受两相中锂固溶成分的影响。通过与实验析出相的尺寸比较得出Al/Al_(3)Li之间为共格相界,而Al/AlLi为非共格相界。对热膨胀系数、固溶度和空位浓度的分析不仅确定了晶格错配的起源,而且也为相关实验现象提供了理论解释。