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高熵合金、高溫合金、鎂合金頂刊成果近期匯總！

2022-03-09 11:29:43 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

成果匯總

1、納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金

據(jù)中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院官網(wǎng)報(bào)道，中科院合肥研究院固體所內(nèi)耗與固體缺陷研究部與中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院合作在高性能鉬合金研究方面取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)粉末冶金法和高溫旋鍛制備了室溫及高溫下均具有優(yōu)異力學(xué)性能的納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金。納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)928MPa、延伸率為34.4%，比工業(yè)中廣泛應(yīng)用的TZM合金分別提高26%和一倍以上；在1000℃時(shí)，Mo-ZrC合金的抗拉強(qiáng)度（562MPa）比純鉬、納米結(jié)構(gòu)Mo-La2O3、La2O3-TZM等合金提高50%以上；在1200℃高溫下，Mo-ZrC合金的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)更為顯著，其抗拉強(qiáng)度比氧化物彌散強(qiáng)化鉬提高一倍以上，同時(shí)保持優(yōu)良塑性。此外，該合金的再結(jié)晶溫度比純Mo提高約400°C，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。上述結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)Mo-ZrC合金在室溫及高溫下均具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，與已報(bào)道的同類材料相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。研究成果以“Excellent high-temperature strength and ductility of the ZrC nanoparticles dispersed molybdenum”為題發(fā)表于Acta Materialia上。

2、新變形機(jī)理使鎂合金在軸方向上獲得超高塑性

單智偉教授，李巨教授以及馬恩教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鎂合金單晶在TEM下進(jìn)行原位壓縮實(shí)驗(yàn)，其中<c>軸與壓縮軸平行。研究表明：鎂單晶首先通過(guò)錐面位錯(cuò)滑移主導(dǎo)的滑移進(jìn)行塑性變形，產(chǎn)生了明顯的加工硬化行為。隨著加工硬化的不斷加劇，當(dāng)流變應(yīng)力升高到1 GPa水平時(shí)，材料的塑性已消耗殆盡。但令人意外的是，鎂單晶不但沒(méi)有斷裂失效，反而被壓為扁平狀，且沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。此時(shí)，合金的塑性變形機(jī)理發(fā)生了劇烈變化，被壓扁的樣品已不再是單晶，而是轉(zhuǎn)變成多個(gè)具有共<a>軸取向關(guān)系的小晶粒，小晶粒內(nèi)部有大量的基面和非基面位錯(cuò)，促進(jìn)了材料的進(jìn)一步變形。該論文將這種由變形誘導(dǎo)的在基體晶粒中形成新晶粒的過(guò)程稱為“deformation graining（形變轉(zhuǎn)晶）”。該過(guò)程與再結(jié)晶晶粒的形成完全不一樣，其不依賴于擴(kuò)散，可在室溫下快速發(fā)生。形成的新晶粒與基體晶粒具有特定的晶體學(xué)取向關(guān)系，可繼續(xù)發(fā)生由位錯(cuò)和孿生協(xié)調(diào)的塑性變形，使得樣品重新具有了塑性變形能力。該研究豐富了對(duì)塑性變形機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為鎂的變形加工提供了新的啟發(fā)：在高應(yīng)力或高應(yīng)變速率下加工，可由高應(yīng)力引發(fā)新的變形機(jī)制，進(jìn)而提高鎂的變形加工能力。相關(guān)研究以“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Communications上。

3、Co-Al-Nb 系高溫合金

2006年， Co-Al-W三元合金中L12型 γ′-Co3（Al，W）有序沉淀相的發(fā)現(xiàn)為在富鈷合金體系中開(kāi)發(fā)下一代高溫結(jié)構(gòu)材料提供了新的機(jī)遇。為了獲得更優(yōu)的沉淀強(qiáng)化效果，這要求沉淀增強(qiáng)相在工作溫度下保持足夠優(yōu)越的熱力學(xué)穩(wěn)定性。然而，據(jù)報(bào)道，L12-Co3（Al，W）相在高溫下是亞穩(wěn)的，在900°C下長(zhǎng)期服役后分解為脆性的B2相和D019-Co3W相。此外，大多數(shù)添加到三元Co-Al-W合金中的四元合金也傾向于誘導(dǎo)脆性沉淀相的形成。在拉伸變形過(guò)程中，這些有害的脆性相可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的脆化和災(zāi)難性的脆性斷裂。此外，這種脆性相的形成也會(huì)耗盡基體中的耐火元素，大大降低固溶強(qiáng)化的有效性。L12沉淀相的粗化速度也會(huì)因耐火元素的消耗而大大加快。如何有效提高L12相的相穩(wěn)定性成為了開(kāi)發(fā)高承溫能力、使用壽命長(zhǎng)的高溫結(jié)構(gòu)材料。值得注意的是，除了相穩(wěn)定性外，在評(píng)估其工程應(yīng)用潛力時(shí)還應(yīng)充分考慮材料的質(zhì)量密度。為了穩(wěn)定Co-Al-W基合金中的L12相，人們通常需要添加大量的高密度的鎢元素，導(dǎo)致這類合金的質(zhì)量密度通常過(guò)高（例如，Co-9Al-9.8W合金的密度高達(dá)9.82 g/ cm3，將嚴(yán)重降低能量損耗和轉(zhuǎn)換效率。因此，開(kāi)發(fā)高熱穩(wěn)定、密度較低的無(wú)鎢Co基高溫合金最近受到了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。香港城市大學(xué)材料科學(xué)與工程系的楊濤教授團(tuán)隊(duì)著重于在充分保障Co基合金系統(tǒng)內(nèi)FCC- L12雙相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下設(shè)計(jì)了新型高性能的Co-Al-Nb基高溫合金，顯示出了優(yōu)越的高溫?zé)岱€(wěn)定性、強(qiáng)韌性和較低的質(zhì)量密度；并系統(tǒng)研究了其合金化元素對(duì)微觀組織演化、相穩(wěn)定性和機(jī)械性能的影響。這些發(fā)現(xiàn)不僅為L(zhǎng)12強(qiáng)化合金的合金設(shè)計(jì)與變形行為提供了基本的理解，而且還向人們展示了基于多組分富鈷合金系統(tǒng)開(kāi)發(fā)下一代高溫結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力。相關(guān)研究成果以 “L12-strengthened multicomponent Co-Al-Nb-based alloys with high strength and matrix-confined stacking-fault-mediated plasticity”為標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia期刊。

4、提升高熵合金耐磨性能以及熱穩(wěn)定性

東南大學(xué)孫文文教授團(tuán)隊(duì)在FeCoNiTi基高熵合金中提出了一種通過(guò)經(jīng)典共析轉(zhuǎn)變（A→B+C）而形成的珠光體結(jié)構(gòu)，用以提升珠光體組織在室溫以及一系列高溫環(huán)境下的耐磨性能以及熱穩(wěn)定性。與鋼鐵材料的相變相似，高熵合金中也可以發(fā)生共析反應(yīng)而產(chǎn)生珠光體結(jié)構(gòu)，共析轉(zhuǎn)變發(fā)生于500°C至650°C，共析反應(yīng)為FCC→BCC+Ni3Ti，片層結(jié)構(gòu)由BCC相和Ni3Ti相片層交替排列而成。由于高熵合金中的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致高熵珠光體的片層狀結(jié)構(gòu)比鋼中珠光體更精細(xì)，因此珠光體高熵合金的硬度更高且在500°C和550°C時(shí)具備良好的熱穩(wěn)定性。同時(shí) ，與鋼中的珠光體結(jié)構(gòu)類似，多主元珠光體的片層間距也隨共析轉(zhuǎn)變溫度的升高而增大，同時(shí)硬度隨片層間距的增大而降低。該珠光體高熵合金不僅在室溫下具備優(yōu)異的耐磨性能（磨損率~2×10-5mm3/Nm），在550℃與600℃的環(huán)境下耐磨性能依然良好（磨損率<3×10-5mm3/Nm），多主元珠光體在室溫及高溫下磨損率低于相同溫度下一系列高速鋼或已開(kāi)發(fā)的耐磨多主元合金。磨料磨損是該高熵合金在室溫下的主要磨損機(jī)制，磨損速率與硬度呈典型的負(fù)相關(guān)關(guān)系，符合Archard定律。氧化和剝層磨損是該合金在高溫下的主要磨損機(jī)制，這是因?yàn)樵谀ズ郾砻嫘纬闪酥旅艿谋Ｗo(hù)性氧化層，以及具有足夠熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的高加工硬化納米再結(jié)晶層。因此，高熵合金中的珠光體結(jié)構(gòu)是一種值得進(jìn)一步研究和優(yōu)化的具有極端環(huán)境應(yīng)用前景的高性能結(jié)構(gòu)，同時(shí)該研究為耐磨多主元合金的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。研究成果以“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”為題發(fā)表在Acta Materialia。

5、鋰基超薄合金

武漢理工大學(xué)趙文俞、趙焱和華中科技大學(xué)黃云輝課題組合作，提出通過(guò)在銅箔表面沉積Bi、Al或Au金屬與鋰進(jìn)行原位合金化，制備具有電子局域化和高表面功函數(shù)的鋰基超薄合金。本工作發(fā)現(xiàn)電子局域化可以誘導(dǎo)鋰離子的自平滑效應(yīng)，從而顯著抑制枝晶鋰的生長(zhǎng)。同時(shí)，高表面功函數(shù)可以有效緩解電解質(zhì)與鋰之間的副反應(yīng)。以所獲得的鋰金屬超薄合金作為負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能。S||Bi/Cu-Li全電池在200次循環(huán)后提供736 mAh g-1的比容量。這項(xiàng)工作為制造長(zhǎng)壽命和高容量鋰電池提供了新的策略。本工作證明了這種由電子局域化引起的自平滑機(jī)制為金屬鋰負(fù)極的設(shè)計(jì)原理提供了新的啟示，并為保護(hù)其他堿金屬負(fù)極（如鈉和鉀）開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。相關(guān)論文以題為：“Electronic Localization Derived Excellent Stability of Li Metal Anode with Ultrathin Alloy”發(fā)表在Adv.Sci.上。

6、超彈抗極溫高熵艾林瓦合金

香港城市大學(xué)楊勇教授課題組與內(nèi)地，臺(tái)灣，法國(guó)以及美國(guó)的課題組合作，通過(guò)熔煉-銅模鑄造和定向凝固等方法設(shè)計(jì)并制備了成分為Co25Ni25（HfTiZr）50（原子比）的復(fù)雜成分合金。盡管這種合金的平均原子尺寸差達(dá)到了11%，應(yīng)當(dāng)形成多相或非晶結(jié)構(gòu)，然而結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這種合金為單相B2結(jié)構(gòu)。根據(jù)DFT模擬結(jié)果與STEM結(jié)果，這是由于原子尺度的化學(xué)有序性吸收了原子尺寸差異的影響。由于晶格畸變阻礙了位錯(cuò)移動(dòng)，使得該合金在不發(fā)生相變的前提下表現(xiàn)出高強(qiáng)度，超高彈性極限（~2%），與超低能量耗散。相比于其他合金材料，該合金表現(xiàn)出獨(dú)特的艾林瓦效應(yīng)：隨著溫度升高，該合金的楊氏模量不但沒(méi)有下降，反而有微幅提高。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，Co25Ni25（HfTiZr）50的艾林瓦效應(yīng)來(lái)自于一種新的非相變機(jī)制：即熱膨脹和結(jié)構(gòu)無(wú)序性下降效應(yīng)的相互抵消。該成果以題為“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”發(fā)表在Nature上。

7、加壓合金化方法合成高質(zhì)量銻烯

單質(zhì)銻烯作為二維材料家族中的新成員，近年來(lái)引起了人們的極大關(guān)注，但較高的化學(xué)活性和較窄的層間通道已經(jīng)影響了將其從塊體材料剝離出來(lái)的產(chǎn)物質(zhì)量。為了克服這些固有缺陷，在液相剝離法（LPE）的基礎(chǔ)上，南京理工大學(xué)曾海波團(tuán)隊(duì)提出了一種加壓合金化方法：在正丁基鋰和內(nèi)壓的作用下，在塊體β相銻的邊緣區(qū)域預(yù)鋰化形成Li3Sb合金中間體。質(zhì)子化過(guò)程將液態(tài)溶液中的Li3Sb轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的銻化氫（SbH3）），使其具有向上的浮力，同時(shí)層間通道的吸熱張開(kāi)有利于后續(xù)的LPE。結(jié)果表明，β相銻被有效地剝離成銻烯納米片，基底平面結(jié)構(gòu)保持良好（橫向尺寸約為3 µm，厚度小于2 nm）。最后，高質(zhì)量的銻烯經(jīng)HCl簡(jiǎn)單處理后，使得Na+沿基面擴(kuò)散，從而表現(xiàn)出良好的電容去離子性能，在超低NaCl濃度（135 mg L-1）下，其吸附鹽量為31.4 mg g-1。該工作的提出有望推動(dòng)高質(zhì)量銻烯在能源、電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

8、鎂合金雙重自修復(fù)腐蝕防護(hù)涂層

據(jù)中科院官網(wǎng)報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員梁軍團(tuán)隊(duì)基于負(fù)載緩蝕劑的MAO膜層和二硫鍵改性聚氨酯，在鎂合金表面構(gòu)筑了具有雙重自修復(fù)功能的復(fù)合涂層。研究以MAO膜層中的微孔為容器負(fù)載緩蝕劑，在此基礎(chǔ)上，噴涂二硫鍵改性的聚氨酯形成了復(fù)合涂層（MP-i）。研究表明，與未負(fù)載緩蝕劑的復(fù)合涂層（MP-0）以及負(fù)載緩蝕劑的改性聚氨酯單一涂層（P-i）相比，該復(fù)合涂層發(fā)生損傷后表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)能力及腐蝕防護(hù)效果，有望滿足在外部損傷情況下長(zhǎng)效腐蝕防護(hù)的應(yīng)用需求。復(fù)合涂層發(fā)生損傷后的自修復(fù)功能主要通過(guò)以下兩個(gè)過(guò)程的共同作用實(shí)現(xiàn)。在熱作用下，通過(guò)改性聚氨酯的動(dòng)態(tài)二硫鍵交聯(lián)反應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)使損傷實(shí)現(xiàn)修復(fù)。涂層損傷處多孔MAO膜層中緩蝕劑釋放到鎂合金基體表面形成屏障，遏制基體腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，從而為改性聚氨酯的有效自修復(fù)贏得“時(shí)間差”。此外，即使復(fù)合涂層損傷后并發(fā)生腐蝕，作為中間層MAO膜也可起到隔離腐蝕產(chǎn)物與聚氨酯涂層的作用，有助于聚氨酯鏈段自由移動(dòng)和涂層縫隙閉合，為二硫鍵動(dòng)態(tài)交聯(lián)反應(yīng)提供了有利條件，進(jìn)而提高了聚合物涂層的自修復(fù)能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。

9、鋁鎂硅合金中β″和β'析出相原位及離位研究

中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜勇教授團(tuán)隊(duì)楊明軍博士生、李凱副教授等在鋁合金針狀納米析出相的力學(xué)行為及其機(jī)制研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)原位透射電鏡納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)，清楚地觀察到β″析出相被位錯(cuò)切過(guò)的過(guò)程。由于該樣品只含β″相且其幾乎是所有文獻(xiàn)報(bào)道中最粗大的，故可以推斷β″相在全尺寸范圍內(nèi)均可被位錯(cuò)切過(guò)。通過(guò)在透射電鏡中對(duì)宏觀拉伸樣品斷口進(jìn)行離位觀察分析，發(fā)現(xiàn)β″相在樣品拉伸變形過(guò)程中還發(fā)生了破碎和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)耦合透射電鏡和原子探針層析（APT）技術(shù)對(duì)β″和β'兩種析出相共存的另一拉伸斷口樣品進(jìn)行分析，進(jìn)一步證實(shí)了β″相的破碎與旋轉(zhuǎn)，并發(fā)現(xiàn)β'相經(jīng)過(guò)類似的拉伸變形后仍有很大概率能保持較為完整的針狀形貌，或雖然部分破碎但其針狀形貌仍可辨認(rèn)。團(tuán)隊(duì)分析多方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)后指出析出相與基體的共格度影響其力學(xué)行為，共格度更低的析出相在位錯(cuò)一次切過(guò)后其界面能升高，因而難以在同一位置多次切過(guò)（更難破碎和旋轉(zhuǎn)），同時(shí)指出析出相旋轉(zhuǎn)的最可能機(jī)制為析出相與基體間的界面滑動(dòng)。該工作闡明了共格針狀析出相β″和半共格針狀析出相β'在合金拉伸變形過(guò)程中“易于破碎并可旋轉(zhuǎn)”及“較難破碎”的迥異力學(xué)行為，提出了“共格析出相被位錯(cuò)切碎 → 碎片在擴(kuò)散作用下通過(guò)界面滑動(dòng)而發(fā)生旋轉(zhuǎn)”的新機(jī)制，在不久的將來(lái)有望催生鋁合金抗拉強(qiáng)度模擬預(yù)測(cè)的新理論、新模型。相關(guān)研究成果以“Shearing and rotation of β″ and β' precipitates in an Al-Mg-Si alloy under tensile deformation: In-situ and ex-situ studies”為題，發(fā)表在Acta Materialia雜志上。

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