基于纳米活性结构的不互溶W-Cu体系直接合金化及其热力学机制

利用纳米多孔活性结构诱导和促进W和Cu直接合金化，主要包括3步骤：首先，通过两步阳极氧化和还原退火在W表面制备纳米多孔结构；然后，在纳米多孔W上电沉积Cu层；最后，在近Cu熔点温度(980℃)下退火，得到W/Cu层状复合材料/连接件。W/Cu界面的表征结果表明，2种金属间的扩散距离约为27 nm,W和Cu之间成功实现直接合金化。同时，针对此前建立的不互溶金属直接合金化热力学模型存在的问题，改进了表面能和压力能的计算方法，解决了表面原子层数选用导致表面能结果具有随意性的问题和热力学计算中的单位尺度问题，实现了基于纳米活性结构的不互溶W-Cu直接合金化的热力学计算。热力学计算结果表明，W表面纳米多孔化之后W-Cu体系的表面能大幅提升，可以作为W和Cu直接合金化的热力学驱动力。分析认为，除具有高表面能的晶面增多之外，纳米结构形状也是W表面纳米化后表面能提高的主要原因之一。     

晶界非平衡偏聚研究的回顾与展望

溶质晶界非平衡偏聚现象已在大量合金系中发现,它对材料的性能,相转变、界面化学。界面结构及运动均有重要影响。本文综述了连续冷却与高速淬火等温过程静止晶界上溶质非平衡偏聚研究已获得的主要实验规律,分析评述了已有的主要理论模型,讨论了当前存在的问题。同时还评述了近年来移动界面溶质反常偏聚研究的实验研究和理论研究现状。     

磷元素的非平衡晶界偏聚对A690M海洋环境用钢耐海水腐蚀性能的影响

采用俄歇能谱分析了A690M海洋环境用钢在600℃回火过程中磷元素的晶界偏聚行为,结合极化曲线和腐蚀锈层的微观分析探讨了P元素晶界偏聚对A690M钢耐海水腐蚀性能的影响。研究表明:A690M钢中P元素的晶界偏聚符合空位-溶质原子复合扩散导致的非平衡偏聚机制;P的晶界偏聚含量越高,锈层内部越易形成层状磷疤坑,使板坯耐海水腐蚀性能降低。     

金合金中Ce和Lu晶界偏聚的第一性原理研究

元素在晶界的偏聚通常会引起材料性能的变化。基于第一性原理研究了Ce和Lu元素在纯金晶界的偏聚行为,计算得出Ce和Lu的最小晶界偏聚能分别为-0.89和-0.28 eV,这表明Ce在晶界的偏聚倾向较大,而Lu的偏聚倾向较小;同时,在此基础上进一步研究了Ce和Lu在金合金中的原子结构和电子结构,揭示了晶界偏聚的物理成因。     

活化烧结制备W-Cu复合材料及其性能

研究添加元素Ni对W-Cu复合材料组织和性能的影响。利用预混粉、机械球磨和活化液相烧结法制备不同Ni含量W-Cu复合材料,采用电子扫描显微镜、X射线衍射仪、激光导热仪等对复合材料的显微组织、物相、热导率、热膨胀系数和硬度进行检测与分析。结果表明:当W-Cu复合材料中不添加Ni元素时,W颗粒团聚形成闭合孔隙,液相Cu无法有效填充孔隙,导致W-Cu组织分布不均匀。随着Ni含量逐渐增加,钨颗粒尺寸不断增大,Cu相将W颗粒包覆;当Ni含量增至5%时,Cu相分布呈网状结构,复合材料组织的均匀分布。在性能方面,随着Ni元素含量的增加,W-Cu复合材料的致密度从83.91%提高到95.59%,硬度由229HV提升至304HV,各温度下热导率和热膨胀系数均有所下降。     

高强耐火钢中合金元素在焊接热循环作用下的偏聚行为

焊接热循环中合金元素的偏聚行为决定了热影响区粗晶区(CGHAZ)组织的演变。采用原子探针层析成像技术测定了高强耐火钢在模拟焊接热循环后基体和晶界的合金元素浓度。定量分析了C、Mn、Cr、Mo、Nb、V、Ti等元素在原奥氏体晶界附近的浓度。根据富集因子计算结果,得出元素偏聚程度大小顺序为C Ti Mo V Nb Mn Cr,且Mn和Cr在晶界处存在共偏聚现象。950℃时,晶界偏聚能为111.22 kJ/mol。合金元素在晶界偏聚降低了奥氏体的分解温度,抑制了晶界迁移。     

TEM+EDX技术分析铈和磷在α-Fe晶界的偏聚

提出了用TEM+EDX技术分析溶质在晶界的偏聚所必需的近似处理方法。用该技术分析了Fe-0.3％P-0.16％Ce合金中铈和磷的晶界偏聚,并将结果与AES在同一合金中的结果进行比较。结果表明,TEM+EDX结合所提出的近似处理方法研究溶质的晶界偏聚现象是可行的。在Fe-0.3％P-0.16％Ce合金中测得铈和磷在晶界上有较高浓度的共偏聚。本文还研究了铈在α-Fe晶界平衡偏聚的规律。     

从电子学到军械的钨系合金

2000年，在美国纽约举行了粉末冶金技术会议(PM2TEC)。顾问编辑Ken Brooks对这次会议钨方面的论文作了重点报道。W-Cu合金 美国霍普金斯大学在会上介绍了“机械合金化在球磨法制造W-Cu合金材料中的作用”。W-Cu合金可在电子学领域用作散热件，在核聚变堆中用作换向板，在军械中用作弹头(药形罩)。采用机械合金化和烧结工艺，可制取晶粒细、密度高(理论密度 的97%)的W-Cu复合材料(80W/20Cu wt%，58W/42Cu at%)。由于W与Cu在固相和液相完全不互溶，所以常规工艺不能采用。尽管二者不互溶，但通过强力研磨可获得纳米级粉末，从而降低…     

钨丝／Zr基金属玻璃复合材料的界面反应与扩散

采用渗流铸造工艺制备了钨丝增强不同Nb含量的Zr基金属玻璃复合材料，利用X-Ray衍射、扫描电镜以及电子探针考察了复合材料界面反应和界面扩散情况，研究了基体合金中的Nb含量对复合材料界面反应和界面扩散的影响。结果表明：对Zr55Al10Ni5Cu30基复合材料，渗流时，钨丝与液相中的Zr发生界面包晶反应，生成W5Zr3界面相，并使界面位置向液相方向移动。在Zr55Al10Ni5Cu30合金的基础上添加Nb，发现Nb优先在钨丝界面偏聚，降低了Zr在钨丝界面的偏聚和活度，抑制钨丝与液相中的Zr包晶反应的发生，没有生成W5Zr3界面相，界面处只存在简单的扩散层。同时发现Zr元素在钨丝中的扩散系数降低，此时界面位置向钨丝方向移动。     

磁控溅射法制备W-Cu薄膜的研究

采用W70Cu30单靶磁控溅射与纯W、纯Cu双靶磁控共溅两种工艺,在多种基材上制备W-Cu薄膜,分析了薄膜的宏观形貌和组织结构.分析结果表明:单靶磁控溅射时,控制靶电压520 V,溅射电流0.8～1.2A,Ar气流量25 mL/min(标准状态),可在玻璃基体上镀得W-Cu薄膜,但退火时如温度过高,会使W和Cu两种元素原子偏聚加重;双靶磁控溅射时,控制Ar气流量20 mL/min(标准状态),Cu靶电流0.7A,W靶电流1.2A,溅射时间3600 s,可在硅基和玻璃基上镀得W-Cu薄膜,但在石墨基体、陶瓷基体及45钢基体上的镀膜效果不理想.     

利用APT对RPV模拟钢中界面上原子偏聚特征的研究

核反应堆压力容器(RPV)模拟钢样品经过660℃调质处理和370℃时效3000 h后,用原子探针层析法研究了晶界和相界面上原子偏聚的特征.结果表明,Ni,Mn,Si.C,P和Mo在晶界处均有不同程度的偏聚,偏聚倾向由强到弱依次为:C,P,Mo,Si,Mn和Ni.Cu在晶界处会出现贫化现象.Si在晶界上的偏聚程度与晶界的特性有关.在这几种元素中,C在晶界上偏聚的宽度最大,如以成分分布图中浓度峰的半高宽来比较,C的偏聚宽度是Mn,Ni和M0的1.5倍.在富Cu相与α-Fe的相界面处,Ni和Mn有明显的偏聚,而C,P.Mo和Si倾向偏聚在相界面的α-Fe一侧,且偏聚的程度比晶界处的低.     

MECHANISM OF NON-EQUILIBRIUM SEGREGATION OF SOLUTE TO GRAIN BOUNDARIES

本文以空位-溶质原子拖曳机制为基础,并考虑了空位、溶质原子和复合体三者的反应平衡及晶界平衡偏聚的作用,得到了溶质原子的非平衡晶界偏聚动力学方程。对硼在奥氏体中等温及连续冷却时所产生的非平衡晶界偏聚现象进行了理论计算,得到了与实验较为一致的结果。     

Ti在bcc Fe晶界中的作用

在密度泛函理论框架下，用第一原理DMol团族方法，基于Rice-Wang热力学模型研究了合金化元素Ti对bccFe∑3[110](111)晶界结合的影响。结果表明：合金化元素Ti在晶界和自由表面的偏聚能之差为－0．372eV，Ti增强晶界结合，为韧性掺杂元素，Ti的化学效应起主要作用，贡献为－0．713eV，表现为较强的增强晶界结合作用。力学效应即掺杂引起的局域畸变贡献为 0．341eV，表现为减弱晶界结合的作用。同时分析了Ti对晶界键合的影响。当Ti原子占据晶界时，Ti使得距它较近的跨越晶界的键合加强，反映了Ti强化晶界的作用。     

镁合金应力腐蚀机理电子理论研究

利用大角重位点阵模型,建立了镁合金[0001]对称倾斜晶界原子集团,应用实空间的连分数方法计算了合金元素铝在晶界的偏聚能,晶界处铝原子间相互作用能和不同体系的费米能级,讨论了铝在晶界的偏聚行为,铝原子间的相互作用与有序化的关系及镁合金晶间应力腐蚀的物理本质。计算结果表明：铝原子偏聚于晶界,且主要偏聚于晶界的原子密集区;铝原子间相互排斥,因此在晶界区形成有序相;有序相的费米能级低于镁晶粒,其腐蚀电位较高,构成镁晶粒的腐蚀原电池的阴极,在应力作用下,使镁合金发生晶间应力腐蚀。     

在Ni3Al中硼的非平衡晶界偏聚

在１０２３～１３７３Ｋ的初始温度范围和０．０５～２６８．９１Ｋ／ｓ的冷速范围内，用俄歇剖层分析确定了含硼Ｎｉ３Ａｌ合金中硼的非平衡晶界偏聚行为。基于由空位在晶界湮灭所产生的体系自由能下降驱动可动的溶质－空位复合体向晶界迁移。从而产生溶质非平衡晶界偏聚的模型，导出了定量描述非平衡偏聚行为的解析表达式，理论计算结果与硼非平衡偏聚的试验数据相符，通过模拟实测确定Ｎｉ３Ａｌ－Ｂ合金中硼及硼－空位复合体的扩     

金属材料疲劳损伤的界面效应

总结了不同金属材料在低周疲劳过程中典型的晶界、孪晶界、相界和微电子互连界面的损伤开裂行为. 纯Cu中疲劳裂纹萌生的难易顺序为: 小角度晶界、驻留滑移带和大角度晶界. 对于纯Cu与铜合金中退火孪晶界, 是否萌生疲劳裂纹与合金成分有关, 随合金元素的加入降低了层错能, 退火孪晶界相对容易萌生疲劳裂纹. 对于Cu--Ag二元合金, 由于存在不同的晶界和相界面, 是否萌生疲劳裂纹取决于界面两侧晶体的取向差, 通常两侧取向差大的界面容易萌生疲劳裂纹. 在微电子互连界面中, 疲劳裂纹萌生位置与焊料成分和时效时间有关,对于Sn--Ag/Cu互连界面, 疲劳裂纹通常沿焊料与界面化合物结合处萌生; 对于Sn--Bi/Cu互连界面, 随时效时间增加会出现明显的由于Bi元素偏聚造成的界面脆性.     

AlN覆钨对AlN/W-Cu复合材料组织和性能的影响

采用溶胶凝胶法对AlN粉体进行表面覆W后，将其与适量W粉混合，经压制、预烧结，制得多孔AlN/W骨架，再熔渗Cu后制备出不同AlN含量(0～8%)的AlN/W-Cu复合材料。考察了AlN含量对于烧结体微观组织、力学性能和热学性能的影响，并与由未覆钨AlN粉体制备的AlN/W-Cu复合材料进行对比。结果表明，采用溶胶凝胶法可在AlN颗粒表面均匀制备覆W层，其界面结合良好。覆钨AlN/W-Cu复合材料的相对密度、硬度、抗拉强度以及热导率均优于未覆钨AlN/W-Cu复合材料的。AlN/W-Cu复合材料的相对密度、抗拉强度及热导率随AlN含量的增加而降低，而硬度随AlN含量的增加而上升。当AlN含量为2%时，覆钨AlN/W-Cu复合材料的综合性能最佳，相对密度达到97.69%，显微硬度达到277HV，热导率达到205.54 W/(m·K)。     

Ni-Cr钢中P的非平衡晶界偏聚现象

采用Auger电子能谱仪分析了经过1000℃淬火后600℃时效过程的Ni-Cr钢中元素磷的晶界偏聚浓度,得到晶界P的偏聚浓度随时效时间变化的动力学曲线。结果表明,Ni-Cr钢在600℃时效60 min时,P的晶界偏聚浓度出现极大峰值,与平衡晶界偏聚模型不符。利用溶质的非平衡晶界偏聚模型进行分析,证实这是由于钢中P的非平衡偏聚临界时间现象引起的。     

内氧化Cu/Al_2O_3界面热力学与杂质效应EI北大核心CSCD

基于第一性原理方法,研究温度、原子化学配比、Al活度、O活度和杂质偏聚对内氧化Cu/Al2O3界面的影响作用。计算得到的界面相图及相应能量学结果表明:界面平衡相结构随制备气氛的变化而变化;富O相界面的结合强度最高,富Al相界面的结合强度其次,它们均约3倍于理想化学配比相界面的结合强度;杂质S对界面的危害性明显,对富Al相和理想配比相界面具有强烈的偏聚能力,且严重削弱界面强度(约可达65%),并降低氧化铝颗粒尺寸的稳定性,但S不能向富O相界面偏聚;相较于S,另一种杂质P向富Al相和理想配比相界面的偏聚能力不强,偏聚后对界面的危害性也较S弱。但P能向富O相界面偏聚,使界面强度严重降低。     

ZL205A合金晶界偏析行为研究

利用SEM和XRD研究了ZL205A合金铸件Cu元素晶界偏析。结果表明:结晶过程中Cu元素自发往晶界偏聚,晶界偏析宏观形貌为弯曲条状,曲线条之间相互平行,偏析组织是Al2Cu共晶相,呈枝晶状、网状和散乱碎片状分布在粗化的晶界上;晶界偏析与热裂具有较大相关性。