Al3M（M=Ti,Zr,Hf）亚稳相和平衡相的价电子结构分析

本文运用固体与分子经验电子理论（EET）计算了Al₃M（M=Ti,Zr,Hf）的3种晶体结构(L1₂,D0₂₂,D0₂₃)的价电子结构和最强键键能,并依此对各种结构的相稳定性及相变顺序做半定量分析.结果显示:各平衡相,即D0₂₂-A1₃Ti,D0₂₃-Al₃Zr和D0₂₂-Al₃Hf,其最强键键能分别为57.7,71.6和75.6 kJ/mol,与对应平衡相的熔点高低次序一致,确认了EET计算结果的可靠性.使用这一方法计算获得Al₃Ti,Al₃Zr和Al₃Hf的最强键键能,依此得出各亚稳相向平衡相的转变顺序与实验结果及第一性原理计算的结果相同.EET计算的最强键键能可作为评价亚稳相稳定性的一个判据.据此,由计算获得L1₂型Al₃M最强键键能推论各相的稳定性次序为Al₃Ti3 Zr3Hf,与实验所得的相稳定性次序一致,表明最强键键能作为亚稳相稳定性判据的正确性.     

基于DFT方法的Al3X(X= Nb,V, Y)原子尺度研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究方法，考察了DO₂₂-Al₃Nb、L1₂-Al₃Y和DO₂₂-Al₃V等3种金属间化合物的热力学稳定性、电子结构和力学性能。计算结果表明，Al₃X(X=Nb, V, Y)金属间化合物的生成焓均为负值，表明三者均为热力学稳定态，且DO₂₂-Al₃Nb的生成焓最负，其热力学稳定性最高，L1₂-Al₃Y和DO₂₂-Al₃V次之。杨氏模量E和剪切模量G由大到小排序为DO₂₂-Al₃Nb>DO₂₂-Al₃V>L1₂-Al₃Y,可见三者中DO₂₂-Al₃Nb强度较高。体模量(B)和剪切模...     

L12-Al3Zr/Al合金的界面行为、电子性质和微观力学性质

使用第一性原理模拟研究L1₂-Al₃Zr/Al合金的微力学、热力学和电学特性。计算结果显示，具有类体材料原子堆叠方式的界面具有最好的粘附性和最高的界面强度。在加工过程中，界面系统更倾向于在Al一侧发生解离。非驰豫拉伸测试结果表明，L1₂-Al₃Zr(001)/Al(001)界面系统表现出最高的拉伸应力(16.78 GPa)，而对于驰豫拉伸，L1₂-Al₃Zr(110)/Al(110)界面系统的拉伸应力最高(10.18 GPa)。此外，电子云密度和电子局域化函数表明界面上的原子形成了共价键和金属键。界面原子轨道的共振峰表明，界面Al和Zr原子产生了s-p-d或s-p杂化轨道。     

热处理对Al2O3f/Mg-6Al-1Nd-1Gd复合材料组织演变与蠕变性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、EDS能谱分析等手段研究了不同热处理态Al₂O_3f/Mg-6Al-1Nd-1Gd复合材料在200℃、70 MPa条件下压缩蠕变前后金属间化合物的变化情况以及蠕变性能差异。结果表明：Al₂O_3f/Mg-6Al-1Nd-1Gd复合材料中的金属间化合物主要可分为β-Mg₁₇A1₁₂、Al₂(Nd,Gd)、Al₁₁(Nd,Gd)₃和Mg₂Si四种。复合材料经420℃+24 h固溶处理后,β-Mg₁₇A1₁₂相和Al₁₁(Nd,Gd)₃相几乎完全消失,而经T6处理后,又会重新析出。其中,β-Mg₁₇A1₁₂相呈针状或块状弥散分布于晶内,而Al₁₁(Nd,Gd)₃相则呈...     

热处理对Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-0.5Gd复合材料组织及硬度的影响

采用金相显微镜、维氏硬度测试仪及扫描电镜等,研究热处理工艺对Al₂O_3f /Mg-6Al-0.5Nd-0.5Gd复合材料微观组织及硬度的影响。结果表明,固溶处理后β-Mg_l7A1₁₂相大部分固溶于α-Mg基体中,而稀土化合物Al₂Nd、Al₂Gd相因其高熔点,在试验温度下不能分解与固溶,Al₂O_3f纤维变得细小均匀,Mg₂Si相呈一定的分解、球化趋势。时效处理使β-Mg_l7A1₁₂相再次析出,呈层片状或弥散颗粒状分布,优化了其铸态时粗大的网状结构,此时,复合材料硬度达到最大值,比铸态时提高了47.5%。     

均匀化退火工艺对Al-Zn-Mg-Cu-Zr高强合金第二相的影响

研究了不同工艺均匀化退火过程中Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中组织、低熔点结晶相和弥散相的演变规律。结果表明：铸态Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金中主要结晶相为AlMgZnCu四元相,均匀化退火后该相部分消除。均匀化退火过程中,随着温度的提高及时间的延长,合金中的非平衡结晶相逐渐溶解,未溶结晶相的体积分数降低。弥散相Al₃Zr的尺寸及分布取决于均匀化退火过程中的升温速度,在缓慢升温条件下,弥散相Al₃Zr的尺寸细小,分布比较弥散,密度高,合金的电导率最低;随着升温速度提高,Al₃Zr相的析出数量减少,尺寸增加,析出相的密度降低,合金的电导率升高。二段均匀化退火后,弥散相Al₃Zr的尺寸更加细小,密度更高,平均直径为15 nm,密度为1.27×10¹⁵/cm³。     

Al3Ti/A356复合材料微观组织及力学性能研究

采用原位铸造法将Al₃Ti颗粒与铝基体复合可制备出高比强度的Al₃Ti/Al复合材料。原位Al₃Ti相易生成大尺寸长杆状颗粒且易团聚，降低熔体铸造性能并造成铸造缺陷。将超声处理工艺与原位铸造法结合，借助超声的空化和声流效应可有效分散并细化Al₃Ti颗粒，从而制备出组织均匀及性能优异的Al₃Ti/Al复合材料。本文以Al和K₂TiF₆为反应体系，通过超声辅助熔盐法制备出10%Al₃Ti/Al(质量分数)中间合金，在此基础上采用超声辅助重熔稀释法可制备出组织均匀及力学性能良好的5%Al₃Ti/A356(质量分数)复合材料，并对其微观组织和力学性能进行分析。结果表明，向A356基体中加入5%(质量分数)Al₃Ti，能够显著细化晶粒，α-Al平均晶粒尺寸从250μm细化为135μm，降低了46%;T6热处理态复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为232MPa、287MPa、...     

铝镁合金等离子喷涂复相陶瓷涂层微观组织

为解决铝镁合金表面耐磨性差的问题,利用机械球磨法和PVA造粒技术制备复合陶瓷粉末,采用等离子喷涂技术在XGFH-3铝镁合金表面制备了反应复相陶瓷涂层,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析了喷涂复合粉末和复相陶瓷涂层的形貌及组成.结果表明,复合粉末随着球磨时间的延长明显趋于扁平化和均匀化,并且生成了Al₃Ti,Ni₄Ti₃等新相.而在喷涂过程中Al₃Ti和Ni₄Ti₃中间相又会消失,涂层中出现了MgAl₂O₄和Ti₅Si₃等新相,基体和涂层之间有元素扩散,这使得涂层有良好的结合强度.     

Tix(AlNbZr)100-x系多主元合金力学性能的第一性原理研究

通过对合金的固溶体参数以及相比例图进行计算,研究了Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金的固溶体相形成规律,运用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Ti含量变化对Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金结构稳定性以及力学性能的影响。结果表明,Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金可以形成稳定的固溶体相,且合金主要由BCC相和Al₃Zr₅相组成,随Ti含量增加,合金的液相线降低,Al₃Zr₅相的相形成温度减小,直到Ti含量为60%~70%时,Al₃Zr₅相消失,合金由单一BCC相组成;Ti含量增加可以提高合金的结构稳定性,当Ti含量为25%~70%时,合金具有良好的力学稳定性,合金的体积模量、剪切模量以及杨氏模量随着Ti含量的增加呈上升趋势。Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金的基态能量和形成热随着Ti含量的增加而降低,表明增加Ti含量可以增加该合金系的热力学稳定性,使合金更易形成固溶体相。     

强磁场下Ni-Co-Mn-Sn合金近平衡凝固的组织调控

利用先进材料处理技术持续优化Ni-Mn-Co-Sn记忆合金(Heusler合金)性能是智能材料领域的研究热点，其磁控记忆性能和机械性能的协同提升强烈依赖于合金凝固得到的微观结构。本文探究了磁场强度对Ni₄₂Co₈Mn₃₉Sn₁₁合金近平衡条件下凝固组织演变的影响规律。结果表明，在无磁场条件下，合金凝固组织主要由D0₃型粗大枝晶及L2₁枝晶间Heusler相组成，在枝晶间上还析出蠕虫状γ相，其中γ相富Co贫Sn,D0₃相富Sn贫Co,L2₁相的成分接近名义配比；D03结构由L2₁结构产生的成分偏析区域形成，析出γ相并非低温下L2₁相的固态反应得到。施加10 T强磁场后，合金的相组成、成分及其形貌未发生明显变化，各相间由于热流作用大于磁场引起的取向排列作用而未产生明显择优分布特征，但因偏析产生的D0₃相含量减少，L2₁相含量增加，...     

保护渣对铝钛系夹杂物溶解的吸收规律

以CaO-SiO₂-Al₂O₃-Na₂O-CaF₂-MgO为基础渣系,采用旋转动力学方法研究了不同碱度、BaO质量分数(0~15%)、B₂O₃质量分数(0~15%)对连铸保护渣吸收Al₂O₃或TiO₂速率的影响以及吸收前后矿相变化。结果表明,保护渣吸收TiO₂的速率要远大于吸收Al₂O₃的速率;添加BaO或B₂O₃后均能提高保护渣吸收Al₂O₃和TiO₂的能力;保护渣主要物相为钙镁黄长石(2CaO·MgO·2SiO₂)、钙铝黄长石(2CaO·Al₂O₃·2SiO₂)、枪晶石(3CaO·2SiO₂·CaF₂)及玻璃相(Na₂O·Al₂O₃·SiO₂);添加BaO后,钙镁黄长石转变为重硅酸钡钙镁(2CaO·MgO·2SiO₂·BaO),并抑制黄长石和枪晶石晶体长大;当添加B₂O₃的质量分数不低于10%,保护渣形成的物相为玻璃相。试验条件下,不同碱度的保护渣和添加B₂O₃的保护渣中TiO₂仍以TiO₂形式存在,而在添加BaO的保护渣中,TiO₂形成钙钛矿。     

依赖环境的氢化钛相稳定性：第一性原理预测（英文）

在充分考虑所有可能的H原子构型的条件下，构建各种TiH_x(x=1-2)相结构，并基于第一性原理能量学，计算评估各相的形成能力及其力学和热力学稳定性，进而构建稳定和亚稳TiH_x的相稳定性图。结果显示，很多稳定和亚稳TiHx相具有非常接近的形成能，可能同时共存。这些相的相对稳定性强烈依赖于环境温度(T)和氢分压(p(H₂))。在整个感兴趣的T和p(H₂)范围内，只可能存在γ-TiH和γ-TiH₂2种稳定相，以及ε-TiH、γ-TiH_1.5、ε-TiH_1.75、δ-TiH_1.75和ε-TiH₂ 5种亚稳相。这些亚稳相均满足力学稳定性，且在热力学上具有不断吸收或释放H，向平衡相γ-TiH₂或γ-TiH发生转化的趋势。     

Au-Cu系金属间化合物价电子结构及晶体结合能计算

运用固体与分子经验电子理论,计算Au-Cu系金属间化合物的价电子结构、共价键键能及晶体理论结合能。计算结果表明:金属间化合物Au3Cu、AuCu、AuCu3的最强键分别为Au—Au键、AuⅠ—AuⅡ键、Au—Cu键,最强键键能分别为10.7286、10.038和10.1630kJ/mol,晶体理论结合能分别为401.25、363.64和381.02kJ/mol。用EET理论计算的晶体结合能值与用特征晶体理论计算的晶体结合能值基本吻合。3种化合物中,Au3Cu的最强键键能和晶体理论结合能最大,因此其稳定性最好。     

DD3高温合金与Ti3AlC2陶瓷的真空钎焊

通过对比试验优选出了合适钎料,并进行了后续钎焊试验.在钎焊温度800~900℃,保温时间为10 min的条件下,采用Ag-Cu-Ti钎料实现了DD3镍基高温合金与Ti₃AlC₂陶瓷的真空钎焊连接.利用扫描电镜、能谱仪、XRD等对接头的界面结构进行了分析.结果表明,接头的典型界面结构为DD3/AlNi/Al₃(Ni,Cu)₅+Al(Ni,Cu)+Ag_ss/(Al,Ti)₃(Ni,Cu)₅/Al₄Cu₉+AlNi₂Ti+Ag_ss/TiAg/Ti₃AlC₂.接头的力学性能测试表明,在钎焊温度为850℃,保温时间为10 min的条件下,接头的最高抗剪强度可达135.9 MPa,断裂发生在靠近钎缝的Ti₃AlC₂陶瓷侧.降低和提高钎焊温度对接头界面组织影响不大,但接头强度有一定程度下降.     

基于第一性原理的CrCuFeNiTi高熵合金涂层的相及稳定性分析

采用等离子弧在45钢基体上熔覆了CrCuFeNiTi高熵合金涂层,经X射线衍射分析涂层中的物相有BCC、FCC和Fe₂Ti相,并对BCC、FCC和Fe₂Ti相进行了成分测试,采用CASTEP中的虚拟晶体近似方法建立了BCC、FCC和Fe₂Ti相的晶体结构模型,基于第一性原理计算了涂层中BCC、FCC和Fe₂Ti相的晶格常数,并与涂层中BCC、FCC和Fe₂Ti相的X射线测试结果进行了比较,另外计算了BCC和FCC相的弹性常数C_ij、体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E和泊松比ν。结果表明,涂层中BCC和FCC相以及Fe₂Ti的晶格常数计算值与试验值的误差为0.43%~3.05%,BCC、FCC和Fe₂Ti相的生成热均为负值且BCC和FCC相的弹性常数C₁₁、C₁₂和C₄₄满足立方结构高熵合金的力学稳定性限制条件,可知BCC、FCC和Fe₂Ti相是稳定的。另外由C₁₂-C₄₄>0,G/B<0.57,ν>0.26可知BCC和FCC相以金属键结合且呈现韧性的特征。     

采用Au基钎料真空钎焊Al2O3陶瓷

首先选用AgCuTi活性钎料在880℃/10 min参数下对A1₂O₃陶瓷表面进行金属化处理,之后尽量去除金属化层中的AgCu共晶组织,然后选用两种Au基高温钎料在980℃/10 min参数下对金属化后的A1₂O₃进行了钎焊连接.结果表明,在Al₂O₃/Au-Ni/Al₂O₃接头中靠近Al₂O₃母材的界面处生成一层薄薄的扩散反应层,该反应层主要由TiO₂和Al₂O₃组成;在Al₂O₃/Au-Cu/Al₂O₃接头中同样存在扩散反应层,与前者不同的是,接头中检测到Ti-Au相的存在.分别对Au-Ni和Au-Cu两种钎料获得的Al₂O₃接头进行了抗剪强度测试,前者对应接头强度为95.5 MPa,后者对应接头强度达到102.3 MPa.     

Cr、Fe置换优化α-Al(MnCrFe)Si相稳定性、电子结构及力学性能

利用第一性原理计算了α-AlSiMnCrFe化合物稳定性、电子特性、力学性能及其弹性各向异性。AlSiMnCrFe化合物的形成焓以及结合能均不大于0,表明这些化合物都具有较好的热力学稳定性。Al₁₀₂Si₁₂Mn₁₆Cr₂Fe₆形成焓最低,说明此化合物比其他AlSiMnCrFe化合物稳定性好。AlSiMnCrFe化合物结合键主要种类有金属键、共价键以及离子键。Al₁₀₂Si₁₂Mn₁₆Cr₈体模量最高,达104.3 GPa;Al₁₀₂Si₁₂Mn₁₆Cr₈弹性模量和剪切模量最大,分别为156.9 GPa和63.6 GPa。根据弹性模量3D曲面图以及投影图可知,AlSiMnCrFe化合物具有弹性各向异性。     

烧结温度对Al3Zr/2024Al多孔复合材料的组织与压缩性能的影响

以NaCl为造孔剂,2024Al和Zr粉末为基体,通过造孔剂法制备了Al₃Zr/2024Al多孔复合材料,研究了不同烧结温度对复合材料组织与压缩性能的影响。结果表明:复合材料的孔隙率几乎不受烧结温度影响;烧结温度的升高可促进Al₃Zr在孔壁内生成、扩散和团聚长大;压缩试验结果表明Al₃Zr可明显提高复合材料的压缩性能,压缩强度随烧结温度的升高呈现先增大后减小的趋势,在650℃时屈服强度可达57.12 MPa,平台应力可达56.8 MPa,此时Al₃Zr/2024Al多孔复合材料具有最佳的压缩、吸能性能。     

成分和冷却速度对Al-xEr合金凝固组织的影响

用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了Al-xEr(x=10、20、30,质量分数,%)合金凝固组织的形貌和相结构。结果表明,在60 ℃/h的冷却速率下,Al-10Er合金中Al₃Er相为L1₂结构,尺寸约为200 μm,相与相之间以鱼骨状连接。当Er含量增大到30%时,初生Al₃Er相呈块状,尺寸约为1 mm。对Al-30Er合金,随冷却速率的降低,初生Al₃Er相由轮廓平直的L1₂结构转变为轮廓呈波浪状的hR20结构,同时共晶组织由絮状转变成条状。     

冷却速率对7050铝合金淬火析出行为的影响

基于末端淬火的高通量实验,结合扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)研究了7050铝合金的淬火析出行为。结果表明：随着冷却速率的降低,电导率增加,淬火析出相的种类和形核位置均增加。有利形核析出的位置顺序为大角度晶界、小角度晶界(亚晶界)、再结晶晶内(Al₃Zr粒子)、位错和亚晶内(Al₃Zr粒子)。淬火析出相的析出顺序为η相、S相、T相和Y相。随冷却速率的降低,η相依次在大角度晶界、小角度晶界、再结晶晶内(Al₃Zr粒子)和部分亚晶内析出;当冷却速率低于630℃/min时,S相在亚晶(界)析出,T相在再结晶晶内(Al₃Zr粒子)和高位错密度的亚晶(界)处析出;当冷却速率低于164℃/min时,Y相在亚晶的位错处析出,η相和T相也在亚晶内析出。