bcc结构下二元合金Fe-X(X=Cr,Co,Mo,W)低温低浓度下固溶软化行为的机制

采用第一性原理计算研究了体心立方(bcc)Fe的4种二元合金Fe-X(X=Cr,Co,Mo,W)低温低浓度下固溶软化行为的机制,发现低温低浓度下的固溶软化行为由双扭结形核控制,由溶质原子直接引起双扭结形核势垒降低为固溶软化的本征机制,而由溶质原子对间隙原子清除减少双扭结形核为固溶软化的外部机制.分别计算了bcc Fe的4种二元合金Fe-X(X=Cr,Co,Mo,W)中反映双扭结形核势垒的原子行位移(ARD)能和堆垛层错(GSF)能.计算结果表明,仅Cr可微弱降低ARD和GSF能,而Co,Mo,W均引起ARD和GSF能升高,因此,依据固溶软化的本征机制,仅Cr引起固溶软化,而Co,Mo,W均引起固溶强化.Cr,Mo,W与周围Fe原子均为反铁磁相互作用,Co与Fe为铁磁相互作用.尽管铁磁/反铁磁相互作用与价电子数(电子构型)具有一定相关性,双扭结形核势垒并不与价电子数(电子构型)明显相关.进一步的计算表明,双扭结形核势垒与其结合能呈现正相关关系,Cr与Fe结合能减弱,因此双扭结形核势垒降低,而Co,Mo,W与Fe结合能增强,因此双扭结形核势垒升高.而结合能并未表现出与原子半径、电子数(电子构型)的明显相关性,因此,双扭结形核势垒并不与原子半径、电子数(电子构型)明显相关.依据本征机制,Co,Mo,W与Fe的结合能增强引起双扭结形核势垒升高,因此为固溶强化,其二元合金低温低浓度下的固溶软化行为无法用本征机制解释,需要考虑外部机制(如间隙C原子的作用),而Cr二元合金的固溶软化行为可能为本征机制.

球磨工艺和合金元素Al对机械合金化制备NbVMoTa高熵合金粉末的影响

采用机械合金化制备NbVMoTa难熔高熵合金粉末,研究了球磨转速、球磨时间和合金元素Al对合金化过程中粉末相结构和形貌等的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、附带能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对粉末进行了分析。结果表明:随着球磨转速的提高,粉体颗粒间有效碰撞次数增加,相变能量增多,结晶速度加快,促进了Nb、V、Mo、Ta各元素粉末之间的固溶,转速由200 r/min提高至400 r/min后,不同粉末之间的固溶明显增强,在400 r/min条件下,随着球磨时间的延长,粉末间的固溶更加明显,球磨100 h,粉末之间实现合金化,形成具有单一BCC结构的细晶NbVMoTa难熔高熵合金粉末,粉末粒径在30~60 nm。添加的合金元素Al与其他元素之间形成较强的极性键,促进了系统的有序排列,混合焓为负值,可加快体系的合金化进度,(NbVMoTa)88 Al 12粉末在400 r/min下球磨60 h即可实现合金化,形成单一BCC结构的细晶难熔高熵合金粉末,粉末粒径在40~60 nm。

V-Ti-Cr-Fe合金的储氢性能研究

研究了V（30％）-Ti（15％～55％）-Cr（7％～43％）-Fe（2％～18％）（原子分数，下同）四元合金的储氢性能。结果表明：V-Ti-Cr-Fe四元合金的吸氢量与有效吸氢量主要由Ti／（Cr＋Fe）比决定，当Ti／（Cr＋Fe）=1时，合金具有最好的吸放氢性能。随着Ti／（Cr＋Fe）比升高，合金的晶格常数增大，氢化物的生成焓增大，放氢平台压力降低。在298K时，V30Ti35Cr25Fe10合金的吸氢量达到3．6％（质量分数，下同），有效吸氢量达到2．0％。

Zr含量对(Ti-Cr)_(45-x)V_(55)Zr_x(x=1～7)合金微结构及储氢性能的影响

系统研究了Zr含量对(Ti-Cr)_(45-x)V_(55)Zr_x(x=1,3,5,7；Ti／Cr=0.7～0.75)合金微结构及储氢性能的影响。XRD及SEM分析表明,当Zr含量x=1时,合金由体心立方(bcc)结构的钒基固溶体主相和微量α-Zr第二相组成；当zr含量增至x=3～7时,合金由bcc钒基固溶体主相和α-ZrCr_2第二相组成。储氢性能测试表明,随着Zr含量的增加,合金的活化性能得到改善；室温最大吸氢量和80℃有效放氢容量均先增后降,并在x=5时达到最高值；P-C-T曲线滞后减小,平台倾斜度增大。在所研究的合金中,(Ti-Cr)_(40)V_(55)Zr_5合金的综合性能最佳,经2次吸放氢循环就活化,室温最大吸氢量可达403 ml／g,80℃有效放氢容量达到230 ml／g。

Nb-Ti-Ni体系合金的结构及其氢渗透性能

以Ni30Ti31Nb39为成分基点,通过合金成分的规律性调整(5%,原子数分数),研究系列Nb-Ti-Ni体系合金的相结构与氢渗透性能。研究结果表明:制备的Nb-Ti-Ni合金有两相和三相共2种相结构;两相合金由bcc-Nb(Ni,Ti)固溶体和(bcc-Nb(Ni,Ti)+β2-NiTi)共晶相构成;三相合金除上述两相外,还有少量NiTi2相;两相结构合金的氢渗透性能优于三相结构合金性能,合金中Nb含量越多,bcc-Nb(Ni,Ti)固溶体相含量越大,合金的氢扩散系数(D)增大;Ni和Ti含量增大,则降低了固溶体相的比例,不利于合金氢扩散性能提高;Nb-Ti-Ni体系合金的氢扩散系数为10-9数量级,Nb49Ni25Ti26合金的氢扩散系数最大(5.260 5×10-9 m2/s)。

(Ti-Cr)_(100-x)V_x(x=30～60)合金的微结构及储氢特性

系统研究了(Ti-Cr)_(100-x)V_x(x=30,40,50,60;Ti/Cr=0.7～0.75)合金的微结构及储氢性能。XRD及SEM分析表明,当V含量x=30时,合金中由体心立方(bcc)结构的钒基固溶体主相和微量α-Ti第二相组成;当V含量增至x=40～50时,合金为单一的bcc相;当x=60时,合金中出现了C15型Laves第二相。储氢性能测试表明,随着V含量的增加,合金的活化性能下降;室温最大吸氢量和90℃有效放氢容量均先增加后降低,并在x=50时达到最高值。合金的P-C-T曲线平台比较宽,吸放氢压力滞后均较大。当V含量x=50时,合金的综合性能相对较佳,室温最大吸氢量可达393ml·g^(-1),90℃有效放氢容量为210ml·g^(-1)。

(V_(30)Ti_(35)Cr_(25)Fe_(10))_(97.5)Si_(2.5)合金的结构与吸放氢性能

采用XRD,SEM和PCT测试研究了(V30Ti35Cr25Fe10)97.5Si2.5(at%)合金的组织结构与吸放氢性能。结果表明:合金由BCC相和C14Laves相组成,BCC相含量为75%,晶胞参数为a=0.3021nm,Laves相含量为25%,晶胞参数为a=0.4920nm和c=0.7996nm。由于含有大量的Laves相,合金具有良好的活化性能,室温下不需孕育期就可以快速吸氢,5min内达到吸氢饱和状态,饱和吸氢量达到2.98%(质量分数,下同)。在一定氢压下,合金的容量可由合金中BCC相和Laves相的容量按组分的含量进行线性组合而成。

Ti_(1.0)V_xMn_(2-x)(x=0.6～1.6)合金的微结构和储氢性能

系统研究了V替代Mn对Ti1.0VxMn2-x(x=0.6～1.6)合金的相结构及吸放氢性能的影响。研究结果表明:随着x的增加,合金由Laves和bcc两相结构逐渐变化到bcc单相结构,吸氢量也随之增加;当V含量增加到x≥1.2时,合金具有bcc单相结构,合金最大吸氢量达到3.5%(质量分数),但是由于缺少脆性的Laves相,合金的活化性能变差,饱和吸氢时间也有所延长;随着V含量的增加,合金主相bcc相晶胞体积增大,从而导致合金PCT曲线平台压力降低,滞后效应也逐渐增大,但平台趋向于平缓。

AlFeCuCrCoMo_x系高熵合金的组织性能

为了研究AlFeCuCrCoMo_x系高熵合金的组织性能,利用等离子弧堆焊方法制备了AlFeCuCrCoMo_x系高熵合金,并测试了其硬度、耐磨性与热膨胀性能.结果表明,高熵合金组织为枝晶和枝晶间组织.当Mo含量较低时,高熵合金主要组织为单一BCC结构.随着Mo含量的增加,其组织逐渐转变为BCC+FCC结构.当Mo含量为1. 5 mol时,高熵合金重新转变成简单BCC结构.随着Mo含量的增加,高熵合金的硬度和磨损量总体上呈现先升高后降低的趋势.当Mo含量为1. 5 mol时,高熵合金的硬度和磨损量达到最大.

Ti_(1.0)Mn_(0.9)V_(1.1)基合金的微观结构和电化学性能

“与Laves相相关的BCC固溶体”是一个新概念,由此发展起来的新型钛基BCC合金贮氢能力已经达到了2.2%(质量分数)。Akiba等用TEM(透射电子显微镜)方法观测TiMnV合金的BCC相和C14相的交界面,发现存在一个厚度为10 nm的薄层。通过EDX(电子探针X射线显微分析)方法观测,这个薄层物质的组成为Ti1.0Mn0.9V1.1,但是Ti1.0Mn0.9V1.1却不具备电化学活性。在此基础上,从Ti1.0Mn0.9V1.1出发,通过组成元素的部分取代,使储氢性能优良的Ti1.0Mn0.9V1.1具有电催化活性,对Ti1.0Mn0.9V1.1系合金的结构和电化学性能进行研究,Ti1.0Mn0.9V1.1系合金有可能成为MH-Ni蓄电池潜在的高温负极材料。

AlxMo_(_(0.5))Nb_(_(0.5))Ta_(_(0.5))Ti_(1.5)难熔高熵合金组织和性能研究

研究了AlxMo_(_(0.5))Nb_(_(0.5))Ta_(_(0.5))Ti_(1.5)难熔高熵合金的微观组织结构和力学性能,从Al元素在该体系合金中固溶强化作用以及Al和过渡族元素的强键合作用两方面对合金性能变化进行了分析。结果表明,Al含量在0~0.75范围内,合金均呈BCC结构类型,随Al含量增加,合金的树枝状凝固组织逐渐细化,硬度增加。在室温条件下,低Al含量(x≤0.3)合金在压缩应变达70%不发生断裂,高Al含量(x≥0.4)合金则表现出明显脆性。在高温条件下,随Al含量增加,合金体系理论熔点降低,合金高温下压缩强度降低程度越来越大。

体心立方固溶体合金中的“团簇＋连接原子”结构模型

为体现固溶体合金中的溶质原子产生的化学短程序,文章提出了配位数为14的团簇在体心立方(bcc)点阵中的堆垛模式,并建立了基于bcc结构的"团簇+连接原子"结构模型,用团簇成分式[团簇](连接原子)x表述.此模型中,与基体组元具有相对大的负混合焓的溶质原子占据团簇心部,其他原子作为连接或者替代团簇壳层基体原子.1:1结构模型[团簇](连接原子)1由于最大程度地保证了团簇与连接原子的近邻,构成了连接原子最有效的合金化方式.在两个实用bcc固溶体合金体系中,1:1模型指导设计了低V含量的储氢合金[Ti7Cr8]V1和低弹性模量高强度的[Mo(Ti,Zr)14]Nb1合金.