核结构材料用多主元合金辐照损伤的研究进展

开发具有优异综合性能的核反应堆结构材料是核能发展的基础,并且是长期以来制约核能推广的难点之一。多主元合金(multiprincipal element alloys,MEAs)因具有良好的抗辐照性能、力学性能而被认为是先进反应堆结构材料的候选材料,为新型抗辐照材料的设计开辟了广阔空间。近年来,有关多主元合金在辐照损伤方面的研究多试图揭示多主元合金一些因素和特性对辐照过程中缺陷形成与演变的影响。例如:主元种类和数目、主元浓度、晶格畸变、化学短程序等。尽管现有的一些研究结果表明以上因素可以提高多主元合金抗辐照损伤能力,但是在不同辐照条件下,以上因素对多主元合金中缺陷形成和演变的影响机制存在较大差异,难以得出普适性的结论。本文围绕FCC和BCC系两类多主元合金的辐照肿胀、氦泡形成、辐照诱导元素偏析和相变、辐照硬化四方面内容,综述了近年来多主元合金在辐照损伤方面的研究进展,总结了多主元合金提高抗辐照性能的作用机制,并在此基础上对核电结构用多主元合金的未来研究方向做出了展望,包括短程序调控、高熵陶瓷、增材制造、高通量结合机器学习加速材料开发等。最后指出必须从合金成分设计的角度出发,基于材料服役的实际环境来设计新型抗辐照多主元合金。

基于分子动力学模拟的多主元合金滑动摩擦学行为研究

随着高性能多主元合金被相继开发并在摩擦学领域的应用迅速扩展,研究并揭示多主元合金的摩擦学行为至关重要。采用分子动力学模拟,构建多主元合金原子尺度滑动摩擦模型,研究FeCoCrNiCu(M1)、FeCoCrNi(M2)、FeNiCr(M3)3种多主元合金的表面形貌、磨损原子、摩擦力、位错及应力的演变。结果表明:M2合金在相同的划痕深度下表面变形最小、磨损粒子数最少、法向力最大,这是由于Co元素的加入使得合金的硬度增强;M1合金展现出更剧烈的塑性变形以及更复杂的位错变形,这是由于Cu元素的加入降低了合金的硬度;M1和M2合金中产生了棱柱位错环,M3合金中却没有观察到,这是由于M3合金的堆垛层错能较低难以形成棱柱位错环。研究结果对多主元合金的开发和应用提供了参考。

TiVTa系低活化多主元合金的微观结构及相稳定性

制约可控核聚变堆商业化运用的关键问题之一是面向等离子体材料(plasma facing materials,PFMs),难熔多主元合金因其高温高强度、高熔点及良好的耐辐照性有望满足PFMs的需求。本工作设计并采用电弧熔炼制备了(TiVTa)_(95)X_(5)(X=Cr,Zr,W)低活化多主元合金,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能量色散X射线谱仪(EDS)研究了Cr,Zr和W的添加对铸态、匀质TiVTa系合金的微观结构及900℃下相稳定性的影响。结果表明,铸态合金均为具有体心立方(BCC)结构的简单固溶体,经1200℃匀质化处理后(TiVTa)_(95)Cr_(5)合金发生相分解,基体内出现少量C15_Laves第二相。900℃下TiVTa系合金相稳定性不佳,均分解为一个BCC主相和沿晶界分布的C15_Laves第二相,TiVTa和(TiVTa)95 W 5合金中第二相体积分数较小,Cr,Zr的添加加剧相分解。经相结构及元素分析发现,(TiVTa)_(95)X_(5)(X=Cr,Zr,W)合金中析出的C15_Laves相晶格常数及元素组成均与二元合金体系中可能存在的Laves相不一致,差异主要来源于Laves相的元素组成。

Cu40Ni30Fe20Sn5Ti5多主元合金/金刚石复合材料界面反应行为

采用放电等离子烧结方法制备Cu40Ni30Fe20Sn5Ti5多主元合金/金刚石复合材料,通过热力学计算和实验研究黏结相和金刚石的界面反应,分析界面反应对复合材料力学性能及磨损性能的影响。研究结果表明:烧结过程中,多主元合金黏结相中的Ti元素与金刚石在界面处发生了化学反应,生成TiC,且TiC层的厚度随着烧结温度和压力的升高而增加。在950℃烧结的复合材料中,TiC层较厚且致密,黏结相与金刚石界面结合良好,材料的硬度和横向断裂强度最高,此外,金刚石出露良好,能发挥较好的磨损作用,耐磨损性能也最好。当烧结温度高于950℃时,金刚石受到热损伤导致石墨化程度增加,多主元合金黏结相和金刚石的界面结合强度减弱,复合材料的横向断裂强度和磨损性能均降低。因此,适当的界面反应可提升金刚石复合材料的服役性能。

多主元合金过冷快速凝固研究进展

颠覆传统合金设计理念的多主元合金由于其优异的强塑性匹配、耐腐蚀、耐辐照、耐磨损等性能受到了极大的关注,为开发具有特殊性能的新型金属材料提供了广阔思路。金属材料凝固过程的主动控制及其组织调控是保证和优化合金性能的重要一环,而过冷快速凝固是明晰合金生长动力学行为与组织转变机制、发展合金凝固控制理论的有效手段。本文主要论述了目前过冷多主元合金的枝晶生长动力学、非平衡凝固组织与其性能关联性的研究进展,并在此基础上对多主元合金过冷快速凝固的未来研究方向和挑战进行了展望。

硬质颗粒对等离子熔覆碳化钨/多主元合金复合硬面涂层组织与耐磨性能的影响

采用等离子熔覆技术制备分别以铸造WC颗粒和烧结WC-Co球粒为硬质颗粒、以多主元合金为黏结相的2种硬面复合涂层,采用X射线衍射仪、扫描电镜、摩擦实验等手段,研究不同硬质颗粒对硬面复合涂层组织和耐磨性能的影响。结果表明:FeCrNi/WC-Co复合涂层中M6C的体积分数为20.1%,低于FeCrNi/WC复合涂层中M6C的体积分数(28.4%)。烧结WC-Co颗粒的热力学稳定性高,其WC的溶解程度低于铸造WC颗粒,可有效减少脆性M6C碳化物的析出。FeCrNi/WC-Co复合涂层的耐磨性能优于FeCrNi/WC涂层。FeCrNi/WC-Co涂层中较少的M6C相可避免涂层因脆性断裂而过早剥落,保证硬质相颗粒的完整性,提升硬面涂层的耐磨性能。

氮含量对Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的影响

目的探究氮含量对MoTaW多主元合金薄膜的微观组织和力学性能的影响,并提高Mo-Ta-W多主元合金薄膜的力学性能。方法采用反应多靶磁控溅射技术在单晶硅片上制备出了具有不同氮含量的Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜,通过X射线光电子能谱仪、掠入射角X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、原子力显微镜对薄膜的成分、组织结构、表面及截面微观形貌、厚度和粗糙度进行了表征分析,并采用纳米压痕仪对薄膜的硬度和弹性模量进行了测试。结果Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜中的氮含量随着溅射过程中氮气流量的增加而增加,当氮气流量达到50%时,薄膜中的氮含量升至49%,而钽含量则随之降低至12%。形成氮化物后,Mo-Ta-W多主元薄膜由BCC结构转变成了单相FCC固溶体结构,表面由层片状结构转变为花椰菜状团簇结构,随着氮含量的增加,表面的粗糙度先降低后升高,厚度则不断降低。与Mo-Ta-W多主元合金薄膜相比,Mo-Ta-W多主元合金氮化物薄膜的力学性能有所提高,但随着氮含量的增加而下降,当氮气流量为10%时,Mo-Ta-W-N多主元合金氮化物薄膜的硬度和弹性模量分别为34.3 GPa和327.5 GPa。结论氮化物的形成对Mo-Ta-W多主元合金薄膜的相结构、表面形貌等有影响,可有效提高薄膜的力学性能。

多主元合金AlCrMnFeNiCu_x的组织与性能研究

利用真空管式高温炉制得AlCrMnFeNiCux(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)多主元合金试样。结果表明,Al-CrMnFeNiCu1.0的显微组织最简单,组成相数远低于平衡相率所预期的相数。在AlCrMnFeNiCu0.5和AlCrMn-FeNiCu1.0的晶内分布着大量微小颗粒,有的颗粒尺寸甚至达到纳米级。Cu在合金组织中起着粘结剂的作用。AlCr-MnFeNiCu1.0合金的硬度最高,增加Cu含量不利于提高合金硬度。等物质量比的多主元合金的耐蚀性优于非等物质量比的多主元合金,AlCrMnFeNiCu的耐蚀性优于AlCrMnFeNi。在非等物质量比的合金中,x越大,合金的耐蚀性越差。

电弧堆焊轻质多主元合金熔覆层的组织和力学性能

轻质多主元合金是一种新型的轻质合金,拥有独特的晶体结构以及力学性能,在航空航天领域具有极大的发展潜力。本文采用电弧堆焊的方法在TC4钛合金表面制备Al-Ti-Cu轻质多主元合金熔覆层,堆焊材料为Al-Ti-Cu绞股焊丝,制备出的熔覆层与基体呈现出良好的冶金结合,进一步拓宽了轻质多主元合金的应用。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对熔覆层的组织和力学性能进行了研究。借助密度测试仪、维氏硬度仪、摩擦磨损测试仪、万能力学性能测试机对熔覆层的密度、硬度、耐磨性和强度进行研究。结果表明,熔覆层主要存在BCC结构的AlCu_(2)Ti相和少量的CuO相和Fe_(2)Ti_(3)O_(9)相。熔覆层枝晶形态整体呈现为花瓣状。在室温下,熔覆层的平均硬度为340.8 HV,熔覆层干摩擦磨损失效形式为粘着磨损和氧化磨损;熔覆层耐磨性强于45钢、磨损体积是45钢的85%。熔覆层密度为4.88 g/cm^(3),压缩率为26%,压缩强度为1187 MPa,比强度约为2.661×10^(5)(N·m^(-2))/(kg·m^(-3))。接近Ti合金的比强度,属于比强度较高的轻质合金。

FeCoNiCuMo_x多主元合金的组织与硬度研究

采用X射线衍射、扫描电镜和硬度测试等方法,研究了Mo含量对FeCoNiCuMox多主元合金微观组织和硬度的影响。结果表明,合金由简单的FCC相和BCC相组成,随Mo含量的增多,FCC相含量减少,BCC相含量增多,共晶组织的含量增加,硬度逐渐增大,当x=1时,FeCoNiCuMo合金的硬度值为478 HV。

多主元合金AlCrMnNiCuFe_x组织与性能研究

利用真空管式高温炉和真空电弧炉制得AlCrMnNiCuFex(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)多主元合金试样,并对其组织、耐蚀性和硬度进行研究。分析表明:AlCrMnNiCuFe2.0的组织最简单,组成相数远低于平衡相率所预期的相数。AlCrMnNiCuFe的晶内有纳米级颗粒析出。x由0增加到2.0,AlCrMnNiCuFex合金的硬度逐渐升高。由真空电弧炉熔炼所得铸态AlCrMnNiCuFe的晶粒比真空管式高温炉条件下所得的AlCrMnNiCuFe晶粒更细小,硬度也远高于后者。AlCrMnNiCuFe的耐蚀性优于AlCrMnNiCu。在非等摩尔比的AlCrMnNiCuFex合金系中,x越大,合金耐蚀性越好;AlCrMnNiCuFe2.0合金组织在600℃以下稳定。

耐热高熵多主元合金及其强韧化研究现状

航天、航空、船舶等工业的飞速发展对耐热合金提出了更高的要求。传统的耐热合金经长期深入发展,其高温性能已经挖掘至接近极限,亟待开发新的耐热合金体系。近年来提出的多主元高熵合金颠覆了传统固溶体合金的设计理念,显著拓宽了合金设计的成分范围,有望利用这一新的合金设计理念开发出性能更加优异的耐热合金体系。已提出的多种耐热多主元合金体系表现出各自独特的性能特点,也存在各自的不足。其中,体心立方结构的难熔多主元合金具有很高的高温强度,但室温韧性较差;而面心立方结构的多主元合金具有优异的韧塑性,但高温强度较低。针对这些问题,研究人员研究了多种强韧化方法,产生了显著的强韧化效果。本文总结了已有的耐热多主元合金体系,分析了不同合金的微观组织特点和强韧化机理,展望了耐热多主元合金的发展方向,以期为突破新型耐热合金体系开发的学术研究和工程应用提供一定的参考。

CrCoNi基多主元合金研究进展

总结了近期引起国内外众多学者关注的CrCoNi基多主元合金的研究现状。首先简要地介绍了CrCoNi基合金的发展历史,详细分析了该合金的变形机理,其中包括变形孪晶的形成原因及其对合金性能产生的影响。其次介绍了包括冷轧、热轧和增材制造在内的多种加工工艺对该合金显微组织及力学性能的影响。目前制备CrCoNi合金应用最广泛的方法是“铸造-冷轧-热处理”。但是有学者研究发现,通过增材制造制备的CrCoNi合金,其强度在不经过任何打印后热处理就与传统冷轧+热处理方式制备的合金相当,说明CrCoNi合金是一种非常适合于增材制造加工的合金。随后,分类讨论了多种合金元素对CrCoNi基多主元合金显微组织、相稳定性和力学性能的影响。其中Al和Ti的复合添加使面心立方(FCC)基体上析出了γ′相,对CrCoNi合金的强化效果最为显著,明显改善了合金的力学性能。最后,提出了CrCoNi基多主元合金的后续研究方向及其潜在应用背景。

多主元合金中的化学短程有序

大量的研究表明多主元合金中广泛地存在对其性能提升有重要影响的化学短程序.利用先进的透射电子显微成像技术可以在原子分辨率水平分析多主元合金中化学短程序的尺度、成分和构型.

含BCC/B2共格结构多主元合金研究进展

引入共格析出相是强化合金的重要方式。近年来发现在BCC结构多主元合金中引入共格B2相可有效提升其力学性能,形成了一类重要的合金体系。本文综述了含BCC/B2共格结构多主元合金的研究现状,重点讨论这一系列新型合金在成分、组织形貌、结构稳定性以及力学性能等方面的特征,并指出此类合金在宽温域下强度较高、塑性因成分差异而不同的变化特点。目前,这类合金在高于500℃时的结构稳定性较差,无法满足工程应用的需求,而成分设计是解决此问题较为简单易行的方法。本文旨在为含BCC/B2共格结构多主元合金的设计提供参考。

多主元合金的研究进展

从多组元非晶合金被发现到现在发展得如火如荼,花了将近半个世纪的时间。在这其间又有人发现多主元固溶体,被定义为高熵合金,而后几年高熵合金一跃成为材料科学领域研究的一大热点。本文结合国家基金资助情况,概述了多组元非晶态合金到多主元高熵合金的进展之路,对两种材料的定义、结构、性能及潜在应用作了对比研究及总结,并对多主元高熵合金领域的未来发展趋势进行了展望。

FeCoNiCu_xMo多主元合金的组织与压缩性能研究

采用X射线衍射、扫描电镜和压缩试验等方法,研究了Cu含量对FeCoNiCuxMo多主元合金微观组织和压缩性能的影响。结果表明,合金由简单的FCC相和BCC相组成,随Cu含量的增多,BCC相含量减少,FCC相含量增多;当x=0.8时,FeCoNiCu0.8Mo合金的抗压强度达到1700 MPa,塑性应变为12.6%,具有最佳性能。

热处理对CuFeNiCrAl多主元合金组织与力学性能的影响

采用非真空混杂熔炼方法对三类废金属进行重熔制备,获得一种CuFeNiCrAl多主元合金,研究了铸态以及退火态合金的组织结构与力学性能。结果表明:合金主要由bcc的α相和fcc的树枝状晶β相组成,多主元合金经热处理后,富Cr的α相尺寸减小且分布更为弥散,区域回熔的细小树枝状晶覆盖在整个合金上;退火后CuFeNiCrAl多主元合金塑性和强度得到提高,经800℃×10 h退火后抗拉强度由490.6 MPa提高到646.1 MPa,延伸率由5.0%提高到11.6%;拉伸试验应力应变曲线呈现异常的"下凹形";铸态断口属于脆性断口,800℃×10 h退火后属于韧性断口。

Si元素掺杂对AlTiV轻质多主元合金微结构及硬度的影响

采用真空感应熔炼技术制备了Al_(20)(TiV)_(80-x)Si_(x)(x=0、0.7)轻质多主元合金。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和显微硬度计等表征合金的微观结构与力学性能,研究了Si元素掺杂以及均匀化退火对合金微观组织结构及显微硬度的影响。结果表明:铸态合金为单相BCC结构,并且晶粒粗大;退火后,有序B2相从合金基体中析出,提高了合金的硬度;Si元素的加入,促使合金晶粒尺寸减小,抑制了B2相长大。合金显微硬度最高为587 HV,比强度达到430 MPa·cm^(3)·g^(-1)。分析表明,合金的高显微硬度主要来源于合金的固溶强化、第二相沉淀以及高点阵阻力。

纳米结构多主元合金的力学行为及强塑化机制

超强高塑性合金在基础设施、航空航天、国防军工等领域中有广泛的应用需求,然而,金属的塑性通常随着强度的增加而降低,即:强度-塑性相互掣肘。本文从纳米结构多主元合金的强塑化研究存在的挑战出发,综述了剧烈塑性变形、物理气相沉积、机械合金化等纳米结构制备方法对多主元合金力学性能的影响。阐述了相关合金的跨尺度变形机制及塑性变形起源,并对未来纳米结构多主元合金的研发及机制分析进行了展望。