基于团簇加连接原子模型的一种工业微晶玻璃成分优化初探

本团队提出的团簇加连接原子模型从结构根源上揭示了硅酸盐玻璃的成分载体,即硅酸盐玻璃的成分式由总数为16个的三价单元{M_(2)O_(3)}和四价单元{Si_(2)O_(4)}构成。本工作引入该模型,对一种工业微晶玻璃MT3A进行了成分优化,并进行玻璃制备和晶化,最后对样品进行结构和性能表征。在获得的新的透明微晶玻璃中,MT3C的透过率为89%,抗弯强度和硬度分别为155 MPa和652 HV;MT3D的透过率为92%,抗弯强度和硬度分别为134 MPa和655 HV。

基于团簇加连接原子模型对TC21钛合金的成分优化

运用源自最成熟Ti-6Al-4V合金的双团簇成分式,解析了高损伤容限的双相TC21(Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Nb-1.5Cr)钛合金成分,指出其成分式由13个α-Ti和4个β-Ti结构单元构成。与Ti-6Al-4V相比,β-Ti结构单元从5减少到4,但是引入了更多的β稳定元素,使得该合金具有更好的强塑性。在此基础上,本工作将TC21的β-Ti团簇式内各β稳定元素原子等比例配比以增加混合熵,大量增加Zr含量以进一步提升β相稳定性,设计了团簇式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(13)+β-{[(Al-(Ti_(12)Zr_(2))]Sn_(0.75)Mo_(0.75)Nb_(0.75)Cr_(0.75)}_(4)(原子分数)的新合金TC21Z2,相应质量分数为Ti-5.9Al-5.4Zr-2.6Sn-2.1Mo-2.0Nb-1.1Cr。采用真空铜模倾铸工艺进行样品制备,进而研究了合金的铸态组织和拉伸力学性能。研究发现,TC21Z2铸态组织为α+少量细针状α'马氏体+少量β相,其抗拉强度约为1289 MPa,屈服强度约为1181 MPa,伸长率约为1.4%,强度和塑性均高于同样状态下TC21合金。

面心立方固溶体合金的团簇加连接原子几何模型及典型工业合金成分解析

工业合金牌号的成分选择体现了固溶体合金的化学短程有序结构,满足由最近邻两层原子组成的"团簇加连接原子"模型,例如对于置换型面心立方固溶体Cu-Zn,其合金牌号成分可以表述为[Zn-Cu_(12)]Zn_(1-6)和[Zn-Cu_(12)](Cu,Zn)_6,其中方括号内为第一近邻配位多面体团簇.基于此,本文赋予团簇式以具体原子结构的含义,对置换型面心立方固溶体结构中团簇的可能存在形式进行了穷尽,得出团簇式所对应的所有"团簇加连接原子"结构单元模型,给出团簇和连接原子之间的比例和空间排列的所有可能,并对Cu-Zn和Cu-Ni合金常用牌号对应的团簇式给出了三维结构模型,进一步验证了前期关于合金团簇式解析的正确性.用这些模型中原子化学序描述合金的成分,赋予团簇式以具体的原子结构意义,为进一步开发新的合金提供了理论依据.

基于团簇加连接原子模型定量分析阳离子掺杂ZnO电子载流子浓度

目的定量分析阳离子掺杂ZnO材料中最优化阳离子掺杂量及电子载流子浓度。方法基于团簇加连接原子模型,解析并建立阳离子掺杂ZnO材料的团簇式结构,计算最优阳离子掺杂量条件下的电子载流子浓度。根据理论分析结果,设计Sn掺杂ZnO材料,并利用磁控溅射方法制备Sn掺杂ZnO薄膜。通过紫外可见分光光度计、霍尔效应测试仪等分别评价Sn掺杂ZnO薄膜的透光率和电子载流子浓度。结果以纤锌矿ZnO为研究体系,基于团簇加连接原子模型,建立纤锌矿ZnO的团簇式{[Zn-O4]Zn3}。在此基础上,建立纤锌矿ZnO超团簇结构:{中心团簇式}-{第一近邻团簇式}6-{连接团簇式}={[Zn-O4]Zn3}-{[Zn-O4]Zn3}6-{[Zn-O4]Zn3}=Zn32O32。基于纤锌矿ZnO超团簇结构,建立阳离子掺杂ZnO的超团簇结构{[M-O4]Zn3}-{{[M-O4]Zn3}{[Zn-O4]Zn3}5}-{[M-O4]Zn3}=M3Zn29O32,给出最优化元素配比AM︰AZn=10.34%。根据阳离子掺杂ZnO的超团簇结构M3Zn29O32,定量计算出Al3Zn29O32的最优化电子载流子浓度为3.935×10^21 cm^–3,并分析实际应用的AlZn31O32薄膜的电子载流子浓度仅为最优化理论值1/10的原因。最终,设计并制备SnZn31O32薄膜,其在可见光波段(450~800nm)的平均透光率为80.25%±1.74%,电子载流子浓度为(7.72±1.68)×10^20 cm^–3。结论团簇加连接原子模型能够定量解析阳离子掺杂ZnO材料体系中掺杂量与电子载流子浓度,可为设计高性能阳离子掺杂ZnO材料提供理论指导。基于团簇加连接原子模型设计的SnZn31O32薄膜,具备透明导电性质,通过进一步的研究,有望成为具有高电子载流子浓度的新型透明导电氧化物材料。

以团簇加连接原子模型解析Cr-C共晶成分

Cr-C体系材料是重要硬质防护涂层的代表,具有共晶特征.我们的前期工作指出,共晶合金满足双团簇近程序结构模型,由两种稳定液体亚单元构成,各自满足理想非晶团簇成分式,这里的第一近邻团簇来自相关共晶相.显然共晶成分解析的关键在于获得团簇,而相结构中往往存在多种团簇,进入到非晶/共晶团簇成分式的主团簇定义是关键环节.本文通过应用Friedel振荡理论及原子密堆,以团簇分布的球周期性及孤立度为判据,以Cr-C共晶相为例,进一步细化了共晶相中的主团簇选择流程,再搭配以2,4或6个连接原子,获得了描述共晶成分Cr_(86)C_(14)和Cr_(67.4)C_(32.6)的双团簇成分式:[Cr-Cr_(14)+C-Cr_9]Cr C_3和[C-Cr_9+C-Cr_8]C_6,其中四种团簇分别来自共晶相Cr,Cr_(23)C_6,Cr_7C_3和Cr_3C_2.该工作进一步证实了团簇加连接原子模型在共晶点解析中的普适性,并从理论上支持了相关的材料设计.

Ni-Al-Cr合金中团簇加连接原子模型的第一性原理计算

通过团簇加连接原子模型研究了Ni-Al-Cr合金的近程序结构和物理特性.以Al原子为中心,其周围第一近邻的12个Ni原子作为壳层原子,位于次近邻的Al原子和Cr原子作为连接原子,即[Al-Ni_(12)]Al_(x)Cr_(3-x),其中x=0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5.形成能表明团簇加连接原子模型对应的结构比其他结构更稳定.差分电荷密度显示了Ni,Al,Cr原子间的电荷密度转移主要聚集在Ni-Al和Ni-Cr之间,说明Ni-Al和Ni-Cr之间比AlCr和Ni-Ni更容易成键.能带结构显示了Ni-Al-Cr合金材料均具有导体性质,且Ni-3d,Al-3p和Ni-3d,Cr-3d之间发生了明显杂化效应,验证了Ni-Al和Ni-Cr之间存在较强的相互作用.

基于团簇加连接原子模型设计Mg-7.1Al-3.0Ce高强铸造合金

采用了团簇加连接原子模型描述了Mg-Al-Ce固溶体中的近程有序结构,构建了该类合金的理想成分式[(Al,Ce)_1-Mg_(12)]Mg_1,并据此设计了成分为[(Al_(0.925)Ce_(0.075))-Mg_(12)]Mg_1(Mg_(92.86)Al_(6.61)Ce_(0.54),at%;Mg-7.1Al-3.0Ce,mass%)的ACe73合金,通过永久模重力铸造(PM)工艺获得铸态合金。结果表明:合金显微组织为α-Mg基体中均匀分布着大量不连续的β-Mg17Al11相和针状Al_(11)Ce_3相,拉伸实验测得该合金抗拉强度为210 MPa,屈服强度为99.3 MPa,伸长率为9.0%,相比于其他PM工艺制备的Mg-Al-Ce铸态合金,强度最高。

合金相的“团簇+连接原子”模型与成分设计

以最近邻配位多面体为基元描述复杂合金相的结构特征,总结出合金相的常见团簇类型,并建立了合金相的"团簇+连接原子"模型。以此为基础解析准晶和非晶合金为代表的团簇合金的结构与团簇成分式特征,提出复杂合金相成分设计的团簇式方法,并以块体非晶合金和稳定固溶体合金为例说明多组元合金相团簇成分式的建立与运用过程以及团簇基元及连接原子种类与数目的确定原则。前期研究工作表明,基于"团簇+连接原子"模型的团簇成分式方法为多元复杂合金相定量设计提供了新的有效途径。

基于团簇结构模型的镍基高温合金成分设计

应用"团簇加连接原子"结构模型对镍基高温合金成分进行了解析,指出了这些合金均源自基础团簇式[Cr-Ni12]Cr3,其中[Cr-Ni12]为在FCC结构中以Cr为心的立方八面体团簇,搭配以3个Cr作为连接原子。根据合金化组元与基体Ni的混合焓大小确定其在团簇式中的位置,最终形成多元合金化后的团簇式[(Al/Ti/Nb)-(Ni/Fe/Co)12](Cr/Al)3。采用铜模吸铸快冷技术制备10 mm的合金棒,并对其在1373 K保温2 h后空冷。结果表明团簇式中含有一个Al时会有细小的γ'相析出,含有两个Al时[Al-(Ni10Fe2)](Cr2Al)合金中γ'相球形析出,粒子尺寸为30～60 nm;硬度测试表明前者强化效果不明显,后者由于γ'粒子长大使得合金硬度提高。当Al/Ti/Nb等比例占据团簇心部时,[(Al1/3Ti1/3Nb1/3)-(Ni10Fe2)]Cr3合金的硬度最高,为2.86 GPa。

团簇式方法设计具有高比强度的Ti-7Al-2V合金

基于团簇式设计方法,采用激光增材制造工艺制备一种近α型Ti-7Al-2V合金,其比强度优于Ti-6Al-4V合金的比强度。该合金的成分式为α-{[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))}_(15)+β-{[Al-Ti_(14)](V_(3))}_(2):其特征在于α结构单元比例提高为15/17(相对于Ti-6Al-4V的12/17),使合金成分偏向α-Ti;通过V元素合金化,提高了β-Ti结构单元稳定性。该合金具有良好的激光增材制造成形性。沉积态下,该合金的显微组织由细网篮组织区、粗网篮组织区和超细α魏氏组织区构成。其中,粗网篮组织区的表面粗糙度明显低于细网篮组织区和超细α魏氏组织区的表面粗糙度。细网篮组织区的α相分布相比于粗网篮组织区更加均匀。该合金的抗拉强度为971~1005 MPa,屈服强度为891~921 MPa,伸长率为4.5%~6.6%,均与Ti-6Al-4V的相近,尤其是该合金的比强度为224~232 kN·m/kg,优于Ti-6Al-4V合金的比强度。

基于团簇式设计的高温高强钛合金组织性能研究

现用于激光熔化沉积的钛合金,通常是已有的工业合金,并没有考虑到激光熔化沉积工艺的特殊性。此外,高端装备领域对钛合金的室温和高温综合性能要求也不断提高。本文基于Ti-6Al-4V合金α相团簇式[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))和β相团簇式[Al-Ti_(14)](AlVTi),通过Zr和V/Mo/Nb分别替代(相团簇式壳层和连接原子Ti的合金化,设计了一系列12[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))+5[Al-Ti_(14)-xZrx](AlV_(1.2)Mo)(0.6)Nb_(0.2))合金,并研究了激光熔化沉积Ti-Al-V-Mo-Nb-Zr系合金的微观组织和力学性能随Zr元素含量的演化规律。结果表明,Ti-Al-V-Mo-Nb-x Zr合金的液-固两相区较小,有利于保证激光熔化沉积的工艺性。此外,随Zr含量的增加,Ti-Al-V-Mo-Nb-x Zr合金外延生长β柱状晶的长度和宽度显著降低,室温和高温强度显著提高。其中,12[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))+5[Al-Ti_(12)Zr_(2)](AlV_(1.2)Mo)(0.6)Nb_(0.2))合金的室温抗拉强度为1427 MPa,伸长率为3.2%;600℃高温抗拉强度为642 MPa,伸长率为40%。该合金可以作为激光熔化沉积用高温高强钛合金的候选材料。

基于Ti-6Al-4V合金团簇式设计合金的组织性能研究

基于Ti-6Al-4V合金的团簇式12[Al-Ti_(12)](AlTi_(2))+5[Al-Ti_(14)](V_(2)Ti),通过替换β-[Al-Ti_(14)](V_(2)Ti)团簇式中连接原子的种类和比例,设计了Ti-6.07Al、Ti-6.06Al-1.97V、Ti-6.05Al-5.90V和Ti-7.16Al-1.99V 4种合金。结果表明,Ti-6.07Al、Ti-6.06Al-1.97V和Ti-7.16Al-1.99V合金为α单相组织,而Ti-6.05Al-5.90V合金为α+β两相组织。相比于Ti-6Al-4V合金,Ti-6.05Al-5.90V合金抗拉强度增加了165 MPa,达1053 MPa,延伸率仅降低了2%,为4.5%;Ti-7.16Al-1.99V合金抗拉强度降低了115 MPa,为773 MPa,延伸率提高了162%,达17%。因此,Ti-6.05Al-5.90V可作为高强钛合金候选材料,Ti-7.16Al-1.99V合金可作为高韧钛合金候选材料。

基于固溶体短程序结构的团簇式合金成分设计方法

合金成分设计对于研发高性能复杂合金材料至关重要,是实现新材料研发由经验指导实验的传统模式向理论预测、实验验证的新模式转变的关键环节.总结了合金研发中常用设计方法的应用领域及存在的局限性,包括Hume-Rothery规则、电子理论、当量法、计算机模拟等.详细介绍了我们提出的基于固溶体局域短程序结构的团簇成分式设计方法.该方法建立在团簇加连接原子稳定固溶体结构模型基础上,其在不同复杂合金体系中的成功应用表明了该方法的普适性,为多元复杂合金成分设计提供了一种简单、精确的途径.

Au-Cu合金的团簇成分式

运用描述近程有序结构的"团簇加连接原子"方法,建立了Au-Cu合金的稳定局域结构模型,进而解析了具有特殊性能的成分点,其中包括ASTM手册中列出的3种钎料BAu-11(50Au-50Cu)、BAu-1(37.5Au-62.5Cu)和BAu-2(80Au-20Cu)。结果表明,特殊性能成分金铜合金,具有简单的满足团簇式的成分规律,反映着固溶体近程有序本质结构。

Hume-Rothery相的团簇式（英文）

Hume-Rothery相的电子浓度(e/a)一般为特定值1.50(=21/14)、1.62(=21/13)或1.75(=21/12),但相同电子浓度的相常基于布拉维格呈现不同晶体结构,因此,e/a并不能作为准确区分Hume-Rothery相结构类型的特征参数.为此需要一个更精细的结构参数对Hume-Rothery相进行更严谨的划分.运用团簇加连接原子模型分析常见的Hume-Rothery相,得到了各类Hume-Rothery相的团簇式和相关单位团簇电子数e/u,发现e/u能有效对具有相同e/a的Hume-Rothery相进行归类,是区分Hume-Rothery相结构类型的新参数.

合金团簇的径向分布函数分析

合金的成分设计必然依托合金的稳定结构,团簇是合金中最稳定的近邻原子结构,团簇的堆垛方式和稳定性的研究对合金的性能至关重要,在分析了团簇的径向分布函数和对称性的基础上,当连接原子为0~6时,得到对应比例下的相对稳定的模型,再从团簇的径向分布函数得出密堆度比较大的模型,这种方法较团簇的对称性进行比较,两者一致,在19种模型中最佳模型分别为1-0、1-1、1-3-1和1-6-4模型,这些模型的团簇稳定性反映了固溶体近程有序本质结构。

Co-Al-W基高温合金的团簇成分式

Co-Al-W基高温合金具有类似于Ni基高温合金的γ+γ'相组织结构.根据面心立方固溶体的团簇加连接原子结构模型,Ni基高温合金的成分式即最稳定的化学近程序结构单元可以描述为第一近邻配位多面体团簇加上次近邻的三个连接原子.本文应用类似方法,首次给出了Co-Al-W基高温合金的团簇成分式.利用原子半径和团簇共振模型,可计算出Co-Al-W三元合金的团簇成分通式,为[Al-Co_(12)](Co,Al,W)_3,即以Al为中心原子、Co为壳层原子的[Al-Co_(12)]团簇加上三个连接原子.对于多元合金,需要先将元素进行分类:溶剂元素——类Co元素Co (Co, Cr, Fe, Re, Ni,Ir,Ru)和溶质元素——类Al元素Al (Al,W,Mo, Ta,Ti,Nb,V等);进而根据合金元素的配分行为,将类Co元素分为Co~γ(Cr, Fe, Re)和Co^(γ')(Ni, Ir, Ru);根据混合焓,将类Al元素分为Al, W (W, Mo)和Ta (Ta, Ti, Nb, V等).由此,任何多元Co-Al-W基高温合金均可简化为Co-Al伪二元体系或者Co-Al-(W,Ta)伪三元体系,其团簇加连接原子成分式为[Al-Co_(12)](Co_(1.0)Al_(2.0))(或[Al-Co_(12)] Co_(1.0)Al_(0.5)(W,Ta)_(1.5)=Co_(81.250)Al_(9.375)(W,Ta)_(9.375) at.%).其中,γ与γ'相的团簇成分式分别为[Al-Co_(12)](Co_(1.5)Al_(1.5))(或[Al-Co_(12)] Co_(1.5)Al_(0.5)(W,Ta)_(1.0)=Co_(84.375)Al_(9.375)(W,Ta)_(6.250) at.%)和[Al-Co_(12)](Co_(0.5)Al_(2.5))(或[Al-Co_(12)] Co_(0.5)Al_(0.5)(W, Ta)_(2.0)=Co_(78.125)Al_(9.375)(W,Ta)_(12.500)at.%).例如,Co_(82)Al_9W_9合金的团簇成分式为[Al-Co_(12)]Co_(1.1)Al_(0.4)W_(1.4)(～[Al-Co_(12)]Co_(1.0)Al_(0.5)W_(1.5)),其中γ相的团簇成分式为[Al-Co_(12)]Co_(1.6)Al_(0.4)W_(1.0)(～[Al-Co_(12)]Co_(1.5)Al_(0.5)W_(1.0)),γ'相的团簇成分式为[Al-Co_(12)]Co_(0.3)Al_(0.5)W_(2.2)(～[AlCo_(12)]Co_(0.5)Al_(0.5)W_(2.0)).

基于团簇式的GH2132高温合金成分协同变化关系

GH2132(A286)是析出强化型铁基高温合金,其含有多种合金化元素,为避免不合适的成分选择导致的综合性能失配,通过重点分析东北特钢提供的产品成分,解析国标成分区间的合理性,本文提出了一个更加合适的新成分标准形式。为此,引入“团簇加连接原子”结构模型,该模型将合金成分的结构载体表述为[中心-第一近邻](连接原子)的团簇成分式形式。首先将合金化元素分为基体Fe、稳定奥氏体的(Ni,Mn)、稳定铁素体的(Cr,Mo,V,Si,Ti,Al)、以及不进入团簇式的(C,P,S,B)。通过分析国标规定的成分区间和实际合金成分,指出合金的实际成分区间远小于国标范围,并由16原子的成分式限定:Fe_((8.5~9.0)±0.25)(Ni,Mn)_(4±0.25)(Cr,Mo,V,Si,Ti,Al)_(3~3.5)。进而揭示了同类元素内部的质量百分比协同变化关系,即24.6≤Ni+Mn≤28.0和17.4≤Cr+0.6Mo+V+1.7Si+1.1Ti+1.8Al≤20.4。由此更合理地限定Mn、Si元素成分区间,并对东北特钢的合金成分提供了改进建议。

基于“团簇加连接原子”模型设计的Ni_(3)Al基金属间化合物的显微组织和力学性能

Ni_(3)Al金属间化合物的室温脆性问题极大地限制了其应用。通过“团簇加连接原子”模型对Ni_(3)Al金属间化合物进行成分和结构解析及成分设计,通过Co、Fe部分取代团簇壳层上的Ni,Ti部分取代连接原子Al,设计出六种合金。并对其显微组织及力学性能进行了表征。结果表明:六种合金的显微组织均由NiAl相(γ′相)、NiAl相(BCC)和少量共晶析出的第三相所构成,且通过TEM分析证实了基体为Ni_(3)Al相。相比于Ni_(3)Al金属间化合物,合金的室温强度、硬度和塑性均有大幅度的提升。分析其原因是由于基体为Ni_(3)Al相,保持了合金基体的强度和硬度,当Ni_(3)Al基体中析出少量的BCC相时,进一步提高合金的强度和硬度,而当BCC含量过高时,合金的强度和硬度降低,塑性升高。

低弹bcc结构Ti-Mo-Nb-Zr固溶体合金的“团簇+连接原子”模型及其成分设计

利用"团簇+连接原子"结构模型研究了典型低弹bccβ-Ti固溶体合金的成分特征.对现有低弹β-Ti固溶体合金的成分分析表明它们均满足团簇式[CN14团簇](连接原子)_x.根据该式,设计了Ti-Mo-Nb-Zr系列合金[MoTi_(14)]Ti(质量分数表达时为Ti-11.8Mo),[MoTi_(14)]Nb(Ti-11.2Mo-10.8Nb),[MoTi_(14)]Nb_2(Ti-10.1Mo-19.5Nb)和[Mo(Ti_(13)Zr)]Nb_2(Ti-9.2Zr-9.6Mo-18.7Nb),并采用Cu模吸铸快冷技术制备直径为3和6 mm的合金棒.结果表明,吸铸制备的合金均为bcc结构;当连接原子由Ti变成更低弹的Nb时,合金弹性模量降低;低弹Zr替代Ti进一步降低了合金的弹性模量,[Mo(Ti_(13)Zr)]Nb_2合金的弹性模量E=72 GPa.铸态样品经过固溶和水淬处理后弹性模量降低.