内生非晶复合材料组织与力学性能调控研究进展

非晶合金因其独特的短程有序、长程无序原子结构特征, 使其具有了一系列优异的力学、物理、化学等性能, 在先进金属结构材料领域具有巨大的潜在应用价值。但非晶合金在室温承载变形时, 原子团簇发生剪切转变形成的大量自由体积会演化为高度局域化剪切带, 局域化剪切带由于缺乏介质的阻碍会发生失稳扩展, 导致非晶合金极易发生室温脆断, 特别单轴拉伸时基本无塑性。为克服这个缺憾, 研究者们提出将微米级尺寸的晶体相引入非晶来抑制剪切带的失稳扩展, 使得内生第二相增韧非晶复合材料具有了明显的拉伸塑性能力, 因此倍受材料学界的关注。近年来, 研究者们陆续通过成分设计、制备技术、热处理工艺等方法来实现非晶复合材料的塑性变形能力的提升, 使得非晶复合材料有望走向实际的工程应用。本文围绕内生第二相增韧非晶复合材料的微观组织调控这一关键科学问题, 从影响非晶复合材料微观组织结构的因素(合金成分设计、制备工艺参数、微观结构构筑等)到微观组织对其室温力学性能的影响机制两方面的研究成果进行了系统总结, 重点阐述了近10年来内生第二相增韧非晶复合材料领域组织调控及其室温力学性能关联性方面的研究进展, 并且对内生非晶复合材料研究领域目前的存在的问题和挑战进行了展望, 以期为高强高韧内生第二相增韧非晶复合材料的设计与制备提供理论参考。     

高熵非晶合金设计、制备及性能的研究进展

高熵非晶合金是一种新兴的合金材料,兼具高熵合金成分特征与非晶合金结构特征,因具有优异的机械物理性能与巨大的应用潜力而受到了广泛的关注.目前高熵非晶合金的研究处于起步阶段,本文介绍了高熵非晶合金成分设计的基本依据,着重分析了高熵非晶合金的关键物理参量(混合熵△Smix、混合焓△Hmix、原子错配度δ)等对高熵非晶材料组织结构的影响.当前已开发的高熵非晶合金材料体系有限,制备方法继承了非晶合金与高熵合金的制备特征,其制备手段大致可以分为:液相法、气相法以及固相法.由于其优异的热力学性能,高熵非晶合金有望通过热喷涂手段突破尺寸限制,实现大规模应用.高熵非晶合金性能的研究主要集中在力学性能、耐腐蚀性能、磁性能、非晶形成能力与热稳定性等方面.其中高熵效应对非晶形成能力的影响、高熵非晶合金的结构与热力学特性及高熵非晶合金的异常热稳定性等科学问题亟待解决.本文还展望了基于材料基因工程理念的高熵非晶合金材料体系研究及该类材料的应用前景.     

全金属组元铁基块体非晶的制备与性能研究

为了获得良好的玻璃形成能力,通常在铁基非晶合金中添加类金属元素(P、C、B、Si等),但这些铁基非晶合金大多室温塑性很差,且其脆性与其类金属元素的种类、含量以及分布有密切关系,因而本文选取全金属组元铁基非晶合金(Fe_(0.52)Co_(0.3)Ni_(0.18))_(73)Cr_(17)Zr_(10),通过旋淬甩带与铜模喷铸的方法分别制备了条带与块体试样,并采用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、万能试验机等进行了相关性能研究.研究表明:(Fe_(0.52)Co_(0.3)Ni_(0.18))_(73)Cr_(17)Zr_(10)的临界尺寸在1～2 mm,玻璃转变温度为482℃,过冷液相区达到70℃;直径为1 mm的非晶棒材的屈服强度为2 190 MPa,断裂强度达到2 800 MPa,塑性应变量为3.6%.全金属成分中更多的金属-金属键合方式可能是其拥有较好塑性的原因.     

非晶合金的相变韧塑化

块体非晶合金因其独特的原子结构而具有许多优异的力学性能,成为近年来材料领域的研究热点之一,但是由于其在变形过程中的室温脆性和应变软化等关键问题,一直制约其大规模工程应用。为解决此问题,块体非晶合金领域的研究者们提出了多种方案,其中利用"相变诱导塑性"概念制备块体非晶合金复合材料来韧塑化非晶合金成为卓有成效的方案之一,通过此方法成功地制备出同时具有拉伸塑性和加工硬化能力的非晶合金复合材料。然而,该类块体非晶合金复合材料要求的形成条件更严格,同时具有更复杂的多相协调变形过程和更独特的性能优化方案。从该类块体非晶合金复合材料的形成、性能特点、韧塑化机理及性能优化等方面进行综述,并对其未来发展进行了简要展望。     

铝基非晶材料研究与再制造应用前景

发现于20世纪60年代的铝基非晶合金作为一种低密度材料拥有着较高的比强度,而且与传统晶态材料相比,呈现出长程无序、短程有序的原子排列特点,其内部不存在晶界、位错等较易引发失效的缺陷结构,表现出高硬度和优异的防腐、耐磨等性能,受到了国内外众多学者的广泛关注.起初,这类材料由于受到制备工艺的限制,表现为非晶与纳米晶共存的结构.随着科技发展,科学家们开发了一系列具有完全非晶结构的铝基合金体系.这些材料在具有较高的机械强度的同时能够表现出良好的韧性,使人们对其非晶形成能力、制备方法及应用推广等方面产生了较大的兴趣.对铝基非晶合金非晶形成能力的研究,学者们通常基于块体非晶合金非晶形成能力的经验判据,以及其他一些新提出的判定方法,如蒸发焓、费米层电子态密度、原子扩散以及析出相熔点等.但是,由于铝基非晶合金过冷液相区间较窄以及Al元素化学活性较强,因此铝基非晶合金的非晶形成能力普遍较弱.虽然人们在元素种类及含量变化对铝基非晶合金非晶形成能力的影响等方面做了大量的研究工作,但是目前仍未形成具有普适性的或更加精确的铝基非晶形成能力判定方法,未来仍需借助高性能材料模拟计算和机器学习等技术来进行完善.铝基非晶合金非晶形成能力较弱,以及其对外界条件的影响较为敏感,导致其在制备过程中易发生晶化,从而使获得的材料尺寸维度普遍较低.目前,铝基非晶合金的常见制备方法可按照其形态(粉状、块体、涂层等)来进行划分.粉状铝基非晶合金的制备方法主要为气雾化法和机械合金化法;块体铝基非晶合金的制备方法主要为直接凝固法和粉末冶金法;涂层类铝基非晶合金的制备方法主要包括激光熔覆、爆炸喷涂、冷喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂.相对而言,铝基非晶涂层制备技术不会受到工件尺寸的限制,工艺简单、操作方便,且适合于户外大面积施工,在表面防护与再制造工程领域更具应用潜力.尤其是在大型舰船、飞机、海洋设施等高附加值零件的再制造领域里,铝基非晶涂层制备技术的大规模推广应用将会带来巨大的经济效益.本文介绍了铝基非晶合金的发展过程、非晶形成能力、制备方法等内容,总结了铝基非晶涂层在再制造领域的应用前景,并展望了铝基非晶合金的未来研究方向.     

大体积非晶态合金材料

综述了大体积非晶合金的形成原理以及合金的结构和成分特点；介绍了几种主要的大体积非晶合金的制造工艺；简要介绍了几类大体积非晶合金的力学性能及磁性能。     

铁基非晶涂层的研究进展

综述铁基非晶涂层的研究进展,介绍典型的铁基非晶涂层合金体系及分类,重点讨论热喷涂和激光熔覆制备铁基非晶涂层技术的现状、进展和发展趋势,阐述铁基非晶涂层的主要力学性能特点及目前的应用概况。在综述铁基非晶涂层目前存在主要问题的基础上,指出今后的发展方向应体现开发高非晶含量铁基涂层的制备工艺与技术,研制新型低成本高性能铁基非晶涂层材料以及拓宽铁基非晶涂层的应用领域等趋势。     

非晶钢研究进展

为了系统地介绍和了解非晶钢这一新型的铁基大块非晶合金,结合国外最新的有关非晶钢的报道,综述了非晶钢的发展历史、非晶成分设计、内在机制和应用前景等.通过实验优化合金成分使得非晶钢尺寸取得了突破,达到厘米级,减少使用贵金属降低成本,同时机械强度、硬度、抗腐蚀能力等性能远远优于同类晶态钢材.非晶钢的性能经过进一步的改善,将是极具发展潜力的结构材料和特殊功能材料.     

大块非晶合金数据库的开发

近年来，国际上关于大块非晶合金的研究取得了巨大的进展，积累了大量的研究数据及资料。大块非晶材料的研制及应用的关键在于寻求具有极大玻璃形成能力的大块非晶合金系统，以便可采用常规技术模铸成型。以计算材料科学和数据库为基础，开展计算机辅助合金成分设计将逐渐取代传统合金系统“试差”的研究方法。大块非晶合金数据库使大量繁杂凌乱的数据呈现系统化，规律化，涵盖大量有关大块非晶合金领域的研究数据资料及文献全文，具     

非晶复合材料的研究现状

非晶基复合材料可以改善非晶合金的一些性能缺陷,尤其是可以提高非晶合金的室温塑性,近年来已经成为材料研究领域的热点。综述了近几年非晶复合材料制备工艺与性能研究方面的进展,并展望了今后的发展趋势。     

超高强钴基块体非晶合金的组成设计

块体非晶合金是一类具有高强度、高硬度和大弹性极限的无序金属材料,其优异的力学性能是目前先进金属材料领域研究热点之一,如何提高材料的强度是材料研究领域永恒的主题。系统地总结了已知具有超高强度的一类块体非晶合金材料——钴基块体非晶合金的成分、热学稳定性及力学性能;同时研究了不同非晶合金的断裂强度与其弹性常数、硬度和特征温度的关联。研究结果表明:在非晶合金体系中杨氏模量、维氏硬度、玻璃转变温度与断裂强度之间都存在较好的线性变化关系。基于以上结果,本课题组提出了超高强钴基块体非晶合金的组成设计方法,即选取具有强共价键特性的非金属元素和高模量、高熔点过渡金属元素与钴元素进行组合。     

添加Nd对Mg-Zn-Ca合金非晶形成能力和耐蚀性的影响

采用真空铜模喷铸法制备了直径为2 mm的Mg68-xZn28Ca4Ndx(x=0,0.5,1,1.5)合金,研究了Nd添加量对合金的非晶形成能力以及耐腐蚀性能的影响。利用SEM、EDS能谱分析了模拟体液中浸泡不同时间后非晶合金的显微组织与成分,利用XRD和DSC分析了合金的相组成和非晶形成能力,利用电化学工作站对合金在模拟体液中的电化学性能进行了测试。结果表明,随着Nd添加量的增加,合金的非晶形成能力下降,当Nd元素的添加量为1.0%和1.5%时,α-Mg相在非晶基体上析出,试样由纯非晶结构转变为晶体和非晶的复合结构。Mg67.5Zn28Ca4Nd0.5非晶试样展现了最好的抗腐蚀性能。     

非晶合金泡沫材料的研究进展

非晶合金泡沫是结合金属泡沫与非晶合金两者优点而发展起来的一类新型结构材料。作为轻质与强韧的完美统一,非晶合金泡沫材料近年来受到国内外学者越来越多的关注。本文简要综述了非晶合金泡沫的发展、制备以及力学性能的研究进展,提出当前工作中存在的问题,并就本领域今后值得关注的问题进行展望。     

稀土元素在非晶合金中的应用

概括了稀土元素在非晶合金中的主要作用,包括脱氧、净化合金液体、提高非晶形成能力、改善软磁性能等.阐述了金属钇、铈、铒、钕、钪等稀土元素分别在铁基、锆基、铝基和镁基等主要非晶合金体系中的应用情况.通过分析稀土元素的物理与化学特性,有助于合理选择和综合搭配稀土元素,改善非晶合金的性能.     

高Bs铁基纳米晶合金研究进展及发展趋势

高B_S铁基纳米晶合金(high B_S nanocrystalline alloys, HBNAs)具备高磁导率、低高频铁损和近零的磁致伸缩,是制备高性能小型电子元器件的理想材料。一直以来,铁基纳米晶合金的B_S受限于合金成分中Fe含量的高低,而如何掌控非晶前驱体的非晶形成能力(glass forming ability, GFA)和后端的电磁性能之间的平衡点,是推动HBNAs进一步发展的关键难题。在回顾Fe基纳米晶软磁合金发展历程的基础上,系统阐述了纳米晶的晶化热力学与动力学、晶化机制和高B_S铁基纳米晶合金非晶形成能力改善方法的现有认识。通过分析高B_S铁基纳米晶合金制备的研究现状及亟待解决的问题,以期为高B_S铁基纳米晶软磁合金成分的开发、退火工艺的设计提供一定的启发和技术思路。     

Ti基大块非晶合金研究进展

钛合金由于具有高的比强度，在许多领域中得到广泛应用。Ti基大块非晶合金具有更高的比强度，是极具发展潜力的机构材料。本文综述了Ti基大块非晶合金的成分设计、玻璃形成能力、制备技术及机械性能，介绍了目前该领域的研究现状。     

Ti基非晶合金及其SiC陶瓷骨架复合材料动态压缩力学行为研究

为了验证Ti基非晶合金和陶瓷两种材料三维连通网状结构的复合优势,制备出具有优良抗冲击性能的复合材料,本文采用铜模吸铸法制备了Ti基非晶合金,并用渗流铸造法制备出孔隙率分别为30.86%、18.14%和15.28%的Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料。采用X射线衍射仪对纯Ti基非晶合金以及SiC陶瓷骨架复合材料进行相分析,确认了试件材料的非晶状态;在不同应变速率下,用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对试样进行室温轴向动态压缩力学性能测试,并利用能谱型场发射扫描电镜(SEM)等设备观察了试件的微观组织和断面特征,对比分析了Ti基非晶合金和SiC陶瓷骨架复合材料的动态压缩力学性能和失效机理。研究表明,Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架复合材料内部的微裂纹最初萌生于应力集中的两相界面处,并在SiC相内部或两相界面处扩展,继续加载,SiC相失效后,Ti基非晶合金相在远超过其动态压缩强度的应力下迅速失效,复合材料整体失效。SiC相内的断裂形貌主要有微裂纹与解理台阶,Ti基非晶合金相内的断裂形貌有脉状花样、多重脊状条带、蜂窝状花样与光滑无特征区,其中以光滑无特征区为主。复合材料的抗压强度随Si...     

脱合金法制备Fe基纳米多孔材料及其催化性能

近年来,纳米多孔金属材料成为催化和传感器等领域的研究热点。本研究将铁基非晶合金和脱合金工艺相结合,制备具有催化性能的纳米多孔材料。采用真空感应熔炼装置和真空急冷甩带装置制备宽1mm×厚25μm的Fe_(60)Pd_(20)P_(20)非晶合金条带,并借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对非晶合金条带进行表征。将Fe60Pd_(20)P_(20)非晶合金作为电化学脱合金的前驱体材料,在25℃、1mol/L H_2SO4电解液中进行1h恒电位脱合金处理,成功制备出具有均匀三维连通孔道结构的纳米多孔金属材料。经电化学测试表明,恒电位0.72V获得的纳米多孔材料,在0.5mol/L H_2SO4+0.5mol/L HCOOH溶液的循环伏安曲线中,较原非晶合金的氧化峰电压负移约0.4V,氧化峰电流密度提高约15倍,该纳米多孔材料对甲酸的分解有明显的催化性能。     

Fe微合金化对Cu-Zr-Al非晶合金塑性变形行为的影响及其机理

用铜模喷铸法制备Cu_(47.8－x)Zr_46.2Al₆Fe_x(x=0, 0.8, 1.2, 1.6)系列合金,研究了Fe微合金化对其非晶形成能力和力学性能的影响。结果表明：随着微量元素Fe含量的提高合金的玻璃形成能力降低,而其室温塑性变形能力明显提高;随着Fe含量的提高基体中产生了更多的自由体积,且Fe与Cu的正混合焓使基体中成分/自由体积分布的不均匀性提高。这些因素,使高Fe含量的非晶合金具有更高的塑性变形能力。     

Fe基非晶涂层耐腐蚀性能的影响因素及提升措施综述

非晶合金的结构特点是短程有序,长程无序,不存在晶界和位错等晶体缺陷.Fe基块体非晶合金尽管具有超高的硬度和强度、出色的耐腐蚀和耐磨性,且成本低廉,但是也因非晶形成能力低及室温脆性而大部分以粉末、薄带、毫米棒等形式存在,使其推广和应用受到较大限制.将非晶合金制备成涂层,不仅能有效弥补上述不足,还保留了块体非晶合金固有的特性,已在石油化工、汽车机械、海洋工程等制造和再制造领域获得应用.超音速火焰喷涂(HVOF)、等离子喷涂(APS)等技术已被证实能够在钢材基体上制备Fe基非晶涂层.根据诸多研究结果可知,影响Fe基非晶涂层耐腐蚀性能的因素主要有:非晶成分(如Cr、Mo、Ni、Nb等元素)、孔隙率、晶化相、粉末粒径、氧化物、喷涂工艺及参数、外界环境等.同时,研究者们还在提高喷涂非晶涂层耐腐蚀性的工艺措施方面取得了一些成果,包括热处理、封孔处理、激光重熔、氧化处理、离子注入、极化处理等.这些努力极大地推动了Fe基非晶涂层在海洋装备腐蚀防护中的实际应用.本文总结了Fe基非晶涂层耐腐蚀性能的影响因素和提升措施方面的相关研究进展,并简要分析了研究中存在的不足以及未来发展前景.