金属/高熵合金纳米多层膜的制备、微观结构及力学性能研究进展

通过表面防护涂层技术制备综合力学性能与摩擦性能优异的涂层材料,对降低构件因碰撞摩擦磨损所引起的损伤失效问题十分重要。相较于单层膜结构防护涂层,金属纳米多层膜涂层材料由于其微观组织结构的独特性与可控性,表现出优异的服役特性,且其综合性能可通过结合新组元或界面调控得到进一步提高,因此该类材料受到了广泛关注。新颖的成分设计理念使得高熵合金具有独特的四大效应,即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和性能鸡尾酒效应,进而呈现出良好的综合性能。因此,在传统的双金属纳米多层膜结构材料中引入高熵合金组元,形成金属/高熵合金纳米多层膜,有望突破传统金属纳米多层膜的性能局限,极大地提高多层膜结构材料的力学性能。从功能基元序构的视角,围绕近几年金属/高熵合金纳米多层膜的相关研究,首先介绍了其制备方法和工艺原理,针对功能基元微观结构特征,从晶粒形貌、界面结构、组元成分等方面进行了阐释,在此基础上论述了其力学行为以及相应的内在机制,并提出了调控金属/高熵合金纳米多层膜力学性能的优化策略,最后对金属/高熵合金纳米多层膜的未来研究方向和面临的挑战进行展望。     

纳米晶NbMoTaW难熔高熵合金薄膜力学性能及其热稳定性

目的研究高熵合金薄膜的形貌、结构、力学性能和热稳定性,并探究其潜在的应用价值。方法选取不同厚度的纳米晶NbMoTaW难熔高熵合金薄膜作为研究对象,通过直流磁控溅射制备薄膜样品,采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)进行薄膜形貌观测,利用能谱分析仪(EDS)和X射线衍射(XRD),对薄膜成分和结构进行分析,采用高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)观测内部结构,利用纳米压痕仪和真空退火炉进行力学性能和热稳定性的检测。结果 NbMoTaW高熵合金薄膜为单相BCC结构,表面形貌和晶粒尺寸随薄膜厚度的变化而变化,随着薄膜厚度的减小,其硬度先增加后减小,在膜厚为250 nm时出现最大值(16.0 GPa)。薄膜经过800℃、2 h的真空退火后,晶粒尺寸没有明显长大,同时硬度也没有明显下降,呈现出良好的热稳定性。结论成功制备出热稳定性优异的纳米晶NbMoTaW难熔高熵合金薄膜,并通过调控薄膜的厚度来改变晶粒尺寸,从而研究高熵合金薄膜结构与性能之间的联系。     

高熵合金涂层的研究进展

高熵合金涂层由于具有优于块体高熵合金和传统金属涂层的综合性能,在航空航天、核反应堆等极端服役环境下表现出了巨大的应用潜力。涂层低维形态产生的尺寸效应与高熵合金独特的多主元特征效应相耦合,使高熵合金涂层具有成分均匀、组织致密、结构稳定、性能优异等特点。概述了近年来高熵合金涂层的主要制备技术,简述了不同制备方法的原理、优势及工艺参数对涂层组织性能的影响。探讨了高熵合金中主要组元元素的作用、相结构的调控准则、多相转变行为等微观组织结构的特征与影响机制。论述了高熵合金涂层的服役性能特点,包括力学性能、抗氧化、耐腐蚀、抗辐照及耐磨损性能,并分析了成分/工艺-组织-性能的关联及相关作用机理。最后,总结了目前研究工作中存在的关键科学难题与挑战,对高熵合金涂层的研究方向与应用前景进行了展望。     

Cu/X(X=Cr,Nb)纳米多层膜力/电学性能的尺度依赖性

利用纳米压痕实验以及四探针法,系统研究了相同层厚Cu/X(X=Cr,Nb)纳米金属多层膜的力学性能(强/硬度)和电学性能(电阻率)的尺度依赖性.微观分析表明:Cu/X多层膜调制结构清晰,Cu层沿{111}面择优生长,X层沿{110}面择优生长.纳米压入结果表明,Cu/X多层膜的强度依赖于调制周期,并随调制周期的减小而增加.多层膜变形机制在临界调制周期(λ~c≈25 nm)由Cu层内单根位错滑移转变为位错切割界面.多层膜的电阻率不仅与表面/界面以及晶界散射相关,而且在小尺度下受界面条件显著影响.通过修正的FS-MS模型可以量化界面效应对多层膜电阻率的影响.Cu/X纳米多层膜可以通过调控微观结构实现强度-电导率的合理匹配.     

Cu/Nb纳米多层膜延性及其断裂行为

通过单轴拉伸试验研究恒定调制周期的聚酰亚胺基体Cu/Nb纳米金属多层膜的延性对调制比的依赖性,并采用聚焦离子束／扫描电子显微镜(FIB/SEM)截面定量表征技术深入分析多层膜的异质约束效应对断裂行为的影响.结果表明随着调制比的增加,多层膜的延性单调减小,出现由剪切型向张开型断裂模式的转变.当调制比小于某一临界值时,调制周期越小,多层膜延性越高;反之,则多层膜延性越差.这是由于软相Cu层对脆相Nb层中萌生的微裂纹扩展的约束作用.     

亚稳β钛合金的设计方法及室温变形机制的研究进展

本文介绍了当前亚稳β钛合金中的一些设计方法,包括合金元素法、[Mo]当量、d电子合金设计和e/a电子浓度等,概述了当前亚稳β钛合金中变形机制的一些研究进展,如滑移、机械孪晶和应力诱发相变,并对其变形机制之间的相互联系以及变形机制和合金力学性能之间的关系进行总结,最后讨论了不同因素对变形机制的影响,包括β相稳定性、变形过程、晶粒取向与尺寸以及第二相等.     

铝合金中的溶质原子团簇及其强韧化

得益于先进表征技术的快速发展,已经可以初步实现在时间和空间上高精度、大范围地定量表征金属材料中的溶质原子团簇,这极大地促进了溶质原子团簇的深入研究.对于广泛应用的铝合金而言,溶质原子团簇不仅是作为时效析出的前驱体而得到重视,更成为了一种新型的强韧化手段,在强塑性匹配上显示出了一定的调控潜力和自由度.本文针对铝合金近年来...     

含石墨烯润滑油多孔聚酰亚胺摩擦学行为研究

多孔聚酰亚胺（PI）可以在孔隙中储存润滑油,当多孔PI作为摩擦壁面时孔隙内的润滑油会渗出实现润滑。为实现更优异的润滑效果,将石墨烯润滑油渗入多孔PI中,制备含石墨烯润滑油多孔PI。以氮化硅（Si3N4）为摩擦副,基于分子动力学原理建立Si3N4-多孔PI-Si3N4层结构以及多孔含油聚酰亚胺（PI/C）-润滑油膜-Si3N4层结构,模拟多孔PI与Si3N4之间的范德华能、剪切应力、相对浓度分布以及温度分布,分析石墨烯润滑油渗入后形成的含石墨烯润滑油多孔PI结构(PI/CG)对多孔PI润滑性能的影响,并通过试验验证了仿真结果。研究发现：在PI孔隙中浸入石墨烯润滑油后,PI材料的吸附能力变强、剪切应力减小、摩擦副间温度降低以及耐磨性提高;PI/CG可明显改善润滑效果,在摩擦磨损试验过程中的摩擦学性能优于PI/C。     

金属纳米叠层材料的力学性能与辐照损伤容限

金属纳米叠层材料由于不仅可以调整其组元几何尺寸和微观结构尺度?而且可以引入具有不同本征性能的组元材料和不同结构的层间异质界面?在获得高强韧与高辐照损伤容限金属结构材料方面具有潜在的能力?结合当前国内外有关金属叠层材料力学性能与辐照特性尺寸效应研究的最新进展?分别阐述了晶体/晶体Cu/Mo与晶体/非晶Cu/Cu￣Zr金属叠层材料He+辐照前后的结构演变与力学特性?揭示了上述两类金属叠层材料的强化与损伤机制的异同?并对高辐照损伤容限纳米叠层材料研究的发展趋势进行了展望?     

纳米金属多层膜微观结构及其力学性能研究进展

纳米金属多层膜由于其微观结构的可调控性和优异的力学性能受到广泛关注,而建立微观结构与力学性能的内在联系则是设计制备高性能纳米金属多层膜的基础。结合当前国内外关于纳米金属多层膜微观结构和力学性能的最新研究进展,总结了晶体/晶体和晶体/非晶纳米金属多层膜的微观结构特征及其对力学性能的影响,基于位错强化模型,阐述了微观特征尺寸与力学性能之间的关系。现有研究结果表明,由于组元材料本征特性的差异以及强烈的尺寸与异质约束效应,不同组元材料构成的纳米金属多层膜具有不同的晶粒形貌和界面类型与结构,这对其强度/硬度、拉伸延性和变形行为具有显著影响。金属多层膜的力学性能表现出明显的尺寸效应和组元依赖性,而晶体/晶体纳米金属多层膜体系呈现出与晶体/非晶体系截然不同的塑性变形力学和组织结构稳定性。最后,探讨了目前纳米金属多层膜相关研究存在的不足之处及其未来研究的主要方向。