Al-Cr-Fe-Mn-Ni高熵合金中的L2_(1)相的相稳定性及其性能研究

为开发兼具良好强度与塑性的BCC基高熵合金,可引入与基体共格的B2或L2_(1)相。L2_(1)相具有更好的抗蠕变性能,有望在高温环境中得到应用。但是,目前对BCC型高熵合金中L2_(1)相的存在规律、相稳定性及其对合金性能的影响还缺乏深入的研究。为此,本工作研究了电弧熔炼制备的铸态Al_(0.5)Cr_(2.5-x)FeMn_(x)Ni(x=0.5~1.75)、Al_(0.75)Cr_(2.25-y)FeMn_(y)Ni(y=0.25~1.5)、AlCr_(2-z)FeMn_(z)Ni(z=0.5~1.5)高熵合金的相组成,及800℃或1000℃真空退火120 h对合金组织和相组成的影响。研究表明,这些合金中L2_(1)相的成分特征由40%~50%(原子分数)Ni和15%~20%(原子分数)Al、Mn组成。L2_(1)相只存在于Al含量为10%~15%(原子分数)的合金中,且多以BCC+L2_(1)两相共存,获得的组织为编织网状的调幅分解组织。当Al含量达到20%(原子分数)后,合金则由BCC+B2两相构成。L2_(1)相的存在会使BCC型XRD特征峰出现明显的峰分裂。经过800℃或1000℃退火后,合金中L2_(1)相仍能稳定存在,合金显微组织发生粗化并会形成σ或FCC相。铸态合金的硬度随Mn含量的增加而降低,含L2_(1)相的合金的硬度在463HV~558HV范围内。800℃退火会使含5%~15%(原子分数)Mn的合金硬度降低70HV~100HV,但由于硬质σ相的析出,含20%~30%(原子分数)Mn的合金硬度提高200HV以上;1000℃退火后,由于软质FCC相的形成,合金的硬度略有降低,这些结果将为BCC型高熵合金的设计奠定基础。

基于阴极沉积Mg(OH)_(2)薄膜的镁合金超疏水表面改性及其耐蚀性研究

为延长镁合金的使役寿命,通过阴极沉积和超疏水改性在ME20M稀土镁合金表面制备超疏水涂层,采用硬脂酸乙醇基溶液对阴极沉积Mg(OH)_(2)薄膜的镁合金进行化学修饰,通过单因素试验分别考察硬脂酸浓度、溶液温度、浸泡时间对表面润湿性的影响规律,确定最优修饰工艺。对典型试样,采用点滴实验、全浸腐蚀实验及现代电化学测试技术评估其耐蚀性,采用划格法评价膜/基结合力,采用SEM、FT-IR及XRD分析试样表面微观形貌及成分。结果表明:阴极沉积Mg(OH)_(2)薄膜经低浓度硬脂酸溶液短暂浸泡即可获得超疏水性,蒸馏水静态接触角SCA高达151.5°,滚动角SA低至1.0°,呈低黏性。阴极沉积/疏水改性复合处理可显著改善镁合金的耐蚀性,与空白试样相比,复合处理试样的点滴液变色时间延长近25倍,在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电流密度Jcorr降低3个数量级,特征阻抗模值|Z|_(0.1 Hz)提高4个数量级。经疏水处理的阴极沉积Mg(OH)_(2)薄膜呈刀片状微纳结构,试样的红外光谱中出现明显的-CH_(3)和-CH_(2)-吸收峰。

基于第一性原理研究H_(2)O分子在双相TiAl合金表面的吸附行为

为研究电场作用对H2O分子在γ-TiAl和α_(2)-Ti_(3)Al表面的吸附行为影响,采用第一性原理方法对H_(2)O分子在γ-TiAl(111)和α2-Ti_(3)Al(0001)表面不同吸附位置的吸附能、态密度、几何结构、电荷布局进行分析。结果发现,H_(2)O分子在γ-TiAl(111)和α_(2)-Ti_(3)Al(0001)表面上的top Ti位置吸附最为稳定,但电场更容易促进H_(2)O分子与α_(2)-Ti_(3)Al(0001)表面的相互作用,即α_(2)-Ti_(3)Al更易与H_(2)O分子发生反应,从而优先形成Ti的致密氧化膜,致使α_(2)-Ti_(3)Al被保护。探究γ-TiAl和α_(2)-Ti3Al单相具有相同溶解速度的条件,对提升双相(γ-TiAl和α_(2)-Ti_(3)Al相)TiAl合金电解加工表面质量具有十分重要的意义。

L1_(2)-γ′相共格析出强化Cu_(y)(Ni_(3/4)Al_(1/4))_(100-y)合金显微组织与性能研究

纳米球状L1_(2)-γ′相(Pm~-3m,a=0.3572 nm)的共格析出强化Cu-Ni-Al合金兼具优异的力学性能及一定的导电性能,被广泛应用于轨道交通、海洋运输等领域。目前缺乏纳米球状L1_(2)-γ′相共格析出的Cu-Ni-Al显微组织演变及性能关联的系统研究。本文锁定Ni∶Al原子比3∶1,制备了系列Cu_(y)(Ni_(3/4)Al_(1/4))_(100-y) (y=75.00,80.00,85.71,90.00,93.75;原子分数)合金,并详细探讨了合金性能(硬度、电导率及软化温度)、合金成分及显微组织之间的关联。结果表明,低温时效后样品出现大量的退火孪晶并析出纳米球状L1_(2)-γ′相。低温时效后Cu-Ni-Al合金的强化机制包括细晶强化和析出强化,随着Cu含量增加(Ni+Al含量减少),退火孪晶含量减少且L1_(2)-γ′相的析出含量逐渐增加,合金硬度、屈服强度及极限抗拉强度也随之降低。而合金导电性能与固溶在Cu基体中的溶质含量相关。最后,通过软化温度测试衡量了合金在高温下的应用潜力。本研究为高性能Cu-Ni-Al合金成分设计提供了有效的实验及理论依据。

α_2-Ti-25Al-xNb合金力学性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法计算了D0_19结构的α_2-Ti-25Al-xNb(x=O—12,原子分数,%)晶体的弹性模量(B, G和E)和抗拉强度(σ_b),并利用Cauchy压力(c_(12)-C_(44))与G/B比值表征和评判了不同浓度Nb合金化时α_2一Ti-25Al- xNb合金的韧脆化倾向.结果表明:在x=2—12时,α_2-Ti-25Al-xNb晶体的抗拉强度(σ_b)与σ_2相合金的弹性模量(B, E和G)随x增加而增大;在x=0—6时,α_2-Ti-25Al-xNb合金脆性有一定改善,且x值越大韧化效果越好;但在x=7—9时,相对于α_2-Ti_3Al,合金脆性不但没有得到弱化,反而随x增加而加剧;随后,当x进一步增大时,合金脆性又随x增加再次得到改善,至x=12时,α_2-Ti-25Al-xNb合金的韧化效果最好.通过电子态密度(DOS)和投影电子态密度(PDOS)等电子结构的分析,初步解释了Nb的这种强化与韧化作用.

γ-TiAl基双相合金中初生α_2/γ片层的界面分析

利用金相法及TEM研究了γ-TiAl基（γ十α2）双相合金初生（α2／γ）片层形成过程中的界面特征及形成方式．发现合金中初生α2／γ片层组织是通过α→αss2→α2＋γ或α→α＋γ→α2＋γ相变方式形成的．γ片层的析出是通过在原α或αss2晶界处形核，以体积扩散控制的台阶机制生长，1000℃时γ片层的伸长速度约为（1．0—3．33）×10(-7)m／γ．并确定初生α2／γ界面为半共格，估算α2／γ界面能约为0．274J／m2．

高性能新型Mg_(3)(Sb,Bi)_(2)基热电材料的发展现状

热电材料能够实现热能与电能的相互转换,是一种可以应用于余热回收及半导体制冷等相关领域的功能性材料。传统热电材料的发展目前已趋于成熟,但仍然面临着高昂的原料成本及较低的热电转换效率等问题。Mg_(3)(Sb,Bi)_(2)基热电材料自被发现以来就以其低成本的元素组成和作为Zintl相具备的本征低热导率受到广泛关注。其中n型传导样品由于高能带简并度的优势更是有着较高的塞贝克系数,相较于传统中低温热电材料具备更大的发展潜力。然而,较大的带隙使得Mg_(3)(Sb,Bi)_(2)基热电材料载流子浓度整体偏低,同时还存在着由Mg空位引起的热稳定性较差的问题。为此,在保证该材料低热导率的同时,研究者们尝试了不同的制备工艺,并通过组分优化和结构优化来不断改善其电输运性能及热稳定性。目前Mg_(3)(Sb,Bi)_(2)基热电材料的最大ZT值已经达到1.8以上,同时其器件化后的热电转换效率也可媲美于传统Bi_(2)Te_(3)基热电器件。本文总结了Mg_(3)(Sb,Bi)_(2)基热电材料的基础物理性能与制备方法,从不同的优化手段出发依次介绍了现阶段该材料的研究成果,并展望了其在未来可行的发展方向。

7系铝合金η′→η_(2)相转变过程中主元素的作用

基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了7系铝合金亚稳η′相→稳定η_(2)相转变过程中主元素的行为和作用。计算结果表明:η′→η_(2)相转变过程伴随Al原子的排出,主要源于基体中Cu和过剩Mg原子对η′相中Al原子的固溶置换。Cu和Mg固溶可以提高η′相的稳定性,但过量固溶可能会抑制η′→η_(2)相转变,甚至形成其他富Cu/Mg析出相。实验表征的η_(2)/Al界面应为Zn终端型结构。基体中的Cu、过剩Mg和Zn均会偏析到界面上的间隙位,促使η_(2)相长大。

近α型高温钛合金长期时效过程中的组织演化行为

利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜研究了Ti600高温钛合金在550℃长期时效至2000 h过程中的微观组织演化行为与机理。结果表明:Ti600合金在550℃长期时效下稀土相较为稳定,但α_(2)相和硅化物S_(2)相析出并逐渐长大。0~500 h的时效初期,随时效时间的增加,与基体共格的球状α_(2)相的尺寸和数量增加,但当时效至500 h后,α_(2)相的析出与长大趋于稳定,时效至2000 h,α_(2)相的尺寸仍保持在10 nm以内。硅化物S_(2)相在α片层与β相界面或α相内析出,且当时效时间超过200 h后其长大逐渐明显,并且沿着长轴方向生长使其形状逐渐向棒状转变。时效至2000 h,合金中S_(2)相的平均尺寸已经达到约175 nm。经计算,550℃长期时效S_(2)相的长大速率K=2.69×10^(3) nm^(3)·h^(-1)。其中Zr的扩散主要控制S_(2)相的长大。

(Pr-Nd-La-Ce)_(2)Fe_(14)B基混合稀土永磁合金磁性能的机器学习预测

目的:找到内禀矫顽力(H_(cj))、剩磁(B_(r))、最大磁能积((BH)_(max))和配方成分、工艺参数之间的内在关联性。方法:我们从相关论文收集了140余条数据,使用配方成分、工艺参数作为数据特征,使用内禀矫顽力、剩磁、最大磁能积作为目标属性,采用随机森林算法和梯度提升树的机器学习算法构建预测模型,最后通过我们实验室的数据来测试模型的预测能力。结果:3个模型的平均绝对误差(MAE)分别为91.8 kA/m、0.047 T和6.583 kJ/m^(3)。H_(cj)的预测值与实验室测得数据的MAE为78.0 kA/m。预测数据与实际数据基本一致。结论:使用梯度提升树构建的预测模型在配方成分和工艺参数对磁性能的映射上有良好的预测性,可以为寻找低成本高性能的磁体提供指导,有利于从根本上提高混合稀土永磁合金的研究速度。

加氢热化学处理对Super－α2合金中O相形成及形态的影响

利用ＳＥＭ，ＸＲＤ，ＴＥＭ研究了加氢热化学处理条件下Ｓｕｐｅｒ－ａ２合会的组织变化规律，探讨了合金中Ｏ相的形成以及Ｏ相形态、分布、数量与氢含量的关系。结果表明：氢的加入不仅明显地调整和细化组织及形态，同时促进了Ｏ相的形成。研究发现，Ｓｕｐｅｒ－ａ２台主中的Ｏ相由基体Ｂａ相中析出，二者之间具有特定的位相关系。

ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结电子输运性质研究

Ga_(2)O_(3)是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga_(2)O_(3)为主,并且已经对β-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/Ga_(2)O_(3)异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)作为势垒层对ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。

合金原子对L1_(2)型Al-Zr-X三元铝合金表面电偶腐蚀影响的第一性原理研究

本文在AlZr二元合金的基础上,利用第一性原理计算方法,全面计算19种L1_(2)-Al_(x)Zr_(y)X_(z)(X=Pd、Pt、Au、K、Rb、Sr、Ba、Ca、Yb、La、Ce、Y、Er、Sc、Zr、Ti、Cd、Hf、In)三元析出相的(100)、(110)和(111)三种晶面作为表面时的功函数,并分析其与掺杂原子电负性之间的关系,从电子层面阐明掺杂原子对L1_(2)型Al-Zr-X三元铝合金表面电偶腐蚀性能影响的根本原因。通过计算发现不同掺杂晶面暴露为表面时,由于功函数各异,与基体的本征电位差也各不相同。Hg、Cd、Zr、Ti和Hf等掺杂原子能增加析出相(100)表面的功函数,Hg、Cd、In、Ti和Hf等原子能增加析出相(110)面的功函数,而Pd、Pt、Au、In、Sc、Rb、Sr、Yb、Y、Er、K、Ba、La、Ce和Ca原子能降低(111)面的功函数,这些均导致析出相与铝基体的本征电位差进一步减小。此外,结果揭示了掺杂原子电负性与其化合物功函数之间的线性正相关规律。相较而言,电负性与Al接近且替代Al的In、Cd和Hg原子,以及电负性与Zr接近且替代Zr的Ti和Hf原子对析出相功函数影响较小,且其化合物与铝基体的电势差较小,对提升材料抗腐蚀能力有益,其他掺杂原子则对析出相功函数有较大影响。研究解释了部分耐蚀性实验结果,为优化合金成分设计、提升铝合金材料耐腐蚀性提供了理论参考。

Ce(NO_(3))_(2)浓度及硅酸盐封孔处理对高铁枕梁用Mg-Zn-Y-Ca合金表面钙系磷化膜的影响

通过点滴实验、全浸泡实验、电化学测试、扫描电镜及XRD分析,研究了稀土添加剂Ce(NO_(3))_(2)浓度及硅酸盐封孔处理对枕梁用Mg-Zn-Y-Ca合金表面钙系磷化膜的影响。结果表明:Ce(NO_(3))_(2)的加入和封孔处理都会改善膜层结构,提高膜层耐蚀性,且Ce(NO_(3))_(2)的最优添加量为0.8 g/L。经封孔处理后膜层耐蚀性最优,其平均点滴时长为1002 s,浸泡腐蚀速率为0.0372 mg/(cm^(2)·h),腐蚀电流密度为4.971×10^(-6)A/cm^(2),致密层电阻Rf为4854Ω·cm^(2)。通过磷化及封孔处理可大幅度提高镁合金防腐蚀性能,满足高铁枕梁服役要求。

Ga-Cd-O的电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了Cd掺杂对β-Ga_(2)O_(3)物理性能的影响。通过建立β-Ga_(2)O_(3)模型,用Cd原子替代部分的Ga原子后构建了不同Cd掺杂量模型(Cd_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)(x=12.5%、25%、50%),然后对不同的掺杂模型进行了几何结构优化,获得了稳定的晶格结构和晶格参数,并对它们的能带结构、态密度以及光学性质等进行了分析。计算结果表明,Cd掺杂会导致β-Ga_(2)O_(3)晶胞体积增大,稳定性减小。随着Cd掺杂浓度的增加,(Cd_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)体系的带隙表现出先减小后增大的趋势;并且随着Cd掺杂量的不同(12.5%、25%、50%),掺杂体系(Cd_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)的材料性质发生了变化,由β-Ga_(2)O_(3)的间接带隙材料先变为直接带隙材料(Cd浓度为12.5%、25%),然后又变回到间接带隙材料(Cd浓度为50%)。此外,掺入Cd后降低了体系在一定能量范围内(6~25 eV)的吸收系数和反射率,从而提高了透光率。以上研究表明,选择合适的掺杂浓度可以实现光电性质丰富可调的(Cd_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)合金材料。

TiA1合金表面激光重熔纳米陶瓷涂层热腐蚀性能

为了进一步提高TiA1金的耐热腐蚀性能,分别采用等离子喷涂和等离子喷涂一激光重熔复合工艺在TiA1合金表面制备了纳米A1_2O_3-13%TiO_2(质量分数)陶瓷涂层,研究了两种涂层在850℃C下 75%Na_2SO_4+25%NaCl(质量分数)熔融盐中的热腐蚀行为,用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对腐蚀后试样的微观组织以及物相进行了分析,并讨论了激光重熔处理对涂层耐热腐蚀性能的影响。结果表明,等离子喷涂陶瓷涂层的腐蚀情况较为严重,经过激光重熔后可以有效提高其耐热腐蚀性能。激光重熔试样具有较高抗热腐蚀性能的原因是:一方面激光重熔消除了喷涂层的层状结构和大部分孔隙,形成了均匀致密的重熔层,减少了热腐蚀过程中的腐蚀扩散通道;另一方面归因于激光重熔使亚稳相γ-A1_2O_3转变为稳定相α-A1_2O_3。