形状记忆晶相强韧化Ti基非晶复合材料的组织和力学性能

设计了具有形状记忆效应和较强非晶形成能力的(Ti50Ni50-yMy)100-xCux合金,采用悬浮熔炼-水冷铜模吸铸法,通过组元调控制备具有组织连续梯度的形状记忆合金/非晶基复合材料,并研究其组织和力学行为。结果表明:B2-Ti(Ni,Cu)过冷奥氏体相和B19'-Ti(Ni,Cu)热诱发马氏体相析出在铸态非晶基体上,加载断裂应力诱发马氏体相变,马氏体衍射峰比铸态增强且马氏体择优取向。凝固过程的温度梯度决定了复合材料的组织梯度,由表及里,主要为非晶相、马氏体相和奥氏体树枝晶相。加载时形变诱导相变对非晶基体同时增强增韧,复合材料的综合力学性能优异,以连续屈服和强烈的加工硬化为主要特征,(Ti0.5Ni0.48Co0.02)80Cu20断裂强度高达2464 MPa,塑性应变达到13.6%。复合材料断裂表面存在大量密集均匀的脉络纹,析出相周围形成的多重剪切带和玻璃基体上剪切带,扩展方向分别与加载方向呈90°和45°角。     

热压法制备Zr基非晶颗粒增强聚苯硫醚复合材料的摩擦磨损性能

用氩气雾化法制备的Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)非晶粉末作为填充材料,采用热压工艺制备非晶/聚苯硫醚(PPS)树脂复合材料,对材料的摩擦磨损性能进行检测,分析磨损机理,并与Al_2O_3颗粒作为填料的PPS树脂基复合材料进行对比。结果表明:以Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)非晶颗粒作为填充物,可降低PPS的摩擦因数,减小磨损量,对于PPS树脂材料抗磨性能的提升效果优于传统无机填料Al_2O_3。随非晶颗粒含量(体积分数)从0增加到40%,复合材料的摩擦因数与磨损量均逐步降低而后略有增加,磨损机理则从粘着磨损过渡到磨粒磨损,最终转为疲劳磨损。30%Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)/PPS复合材料的质量磨损仅为纯聚苯硫醚的20.4%。Zr_(50)Cu_(40)Al_(10)非晶颗粒与摩擦副发生化学反应,参与转移膜的形成,并提高转移膜与摩擦副的结合强度,减少摩擦副表面的微凸体,从而降低摩擦副对复合材料基体的磨损。     

半固态处理对(Cu_(0.7)Fe_(0.3))_(88-x)Al_(12)Zr_x非晶复合材料组织和力学性能的影响

对Cu-Fe非晶合金基复合材料进行了成分设计,研究了半固态处理工艺对(Cu0.7Fe0.3)88-xAl12Zrx组织和力学性能的影响。结果表明,Zr含量增加能够提高(Cu0.7Fe0.3)88-xAl12Zrx的非晶形成能力,x=50时试样为全非晶结构,过热吸铸试样其过冷液相区宽度ΔTx为92.4 K,约化玻璃转变温度Trg和γ参数分别为0.415和0.361,试样具有良好的热稳定性和非晶形成能力,且其断裂强度显著高于复合材料,压缩断裂强度高达1734 MPa。x=10的试样中马氏体相对塑性的提高有一定效果,但是缺乏非晶基体的强度。随着Zr的添加,Fe的比例降低,试样中塑性相消失,析出脆性金属间化合物较多,试样脆性大。半固态处理试样的非晶热稳定性降低,有利于晶体相的析出,且母合金经半固态处理过后试样的组织更加均匀,力学性能得到明显改善。     

高温结构弛豫对非晶复合材料力学性能的影响

采用铜模吸铸法制备了Cu40Zr44Al8Ag8非晶复合材料(BMGCs),在玻璃转变温度(Tg)退火不同时间(5,10,15,20,25,40,60,85min)后,采用单轴压缩实验测试了试样退火前后的力学性能,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和同步差示扫描量热仪(DSC)等手段对退火前后试样的显微结构和断口形貌进行分析。结果发现:所制备铸态试样主要为非晶结构,非晶基体中弥散分布着少量的纳米级及微米级的Al3Zr金属间化合物。随着退火的进行,非晶复合材料中微米级晶体相的尺寸和形貌并不发生变化,这些晶体相是裂纹形成的源泉;但是纳米级晶体相不断增加,最终析出产物相为Al3Zr,Cu10Zr7和Ag3Al相。非晶复合材料中自由体积与析出晶体相共同控制着该BMGCs的力学性能。退火初期,试样的强度和塑性缓慢增长,至退火15 min时达到极值,最高强度达到1.77 GPa,最大塑性应变量达到1.67%;但是继续退火,试样内自由体积大量减少,强度和塑性均迅速下降;其断裂方式也由单一剪切面断裂转变为多剪切面断裂,最后发生脆性劈裂。     

高强度Ti-Cu-Fe-Si-Nb树枝晶-超细晶复合材料的结构与力学性能

通过合金成分设计和铜模铸造开发出了不含高生物毒性元素Ni且具有高强度和良好室温塑性的Ti_(64)Cu_(25-x)Fe_(10)Si_1Nb_x(x=1,3,5,7;%,原子分数)树枝晶-超细晶结构复合材料,并研究了Nb元素含量对该系合金微观结构和力学性能的影响。研究结果表明, Ti_(64)Cu_(25-x)Fe_(10)Si_1Nb_x(x=1, 3, 5, 7)合金由β-Ti相、亚微米级CuTi_2和CuTi_3相组成。随着Nb元素含量的增加,合金中β-Ti相的体积分数增大,且当Nb含量为5%和7%时,β-Ti相呈枝晶状且分布较均匀。该系合金表现出高压缩断裂强度和硬度,分别为2125～2230 MPa和HV 505～520;压缩塑性应变为3.4%～14.3%,随着Nb含量的提高而增大。因此,通过Nb元素合金化能够有效调控Ti-Cu-Fe-Si-Nb系合金的相组成和力学性能,所开发的Ti-Cu-Fe-Si-Nb合金具有作为手术器械材料在生物医用领域应用的前景。     

Au对Al-1.7Cu合金均匀化的影响

分别对Al-1.7Cu和Al-1.7Cu-Au(摩尔分数,%)合金铸锭在530℃/24 h条件下进行均匀化处理,采用X线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X线能谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)等对合金的形貌与结构进行观察与分析,研究微合金化元素Au对该合金均匀化过程的影响以及Au在铸态和均匀化态合金中的存在形式。结果表明:铸态Al-1.7Cu和Al-1.7Cu-Au合金均析出大量Al_2Cu相,但Al-Cu-Au合金还析出一定量的Al-Cu-Au相,该相主要沿晶界分布,其形貌与初生Al_2Cu相明显不同,为白色骨头状组织,化学计量比为Al_2(Cu_(0.5),Au_(0.5))均匀化后初生Al_2Cu相大部分回溶,而Al_2(Cu_(0.5),Au_(0.5))相为难溶相,只发生熔断球化,其中的部分Cu回溶,化学计量配比转变为Al_2(Cu_(0.25),Au_(0.75)):均匀化后Al-Cu合金的Cu完全固溶到Al基体中,而Al-Cu-Au合金中只有约90%的Cu固溶到Al基体中,约10%的Cu仍偏聚在Al_2(Cu_(0.25),Au_(0.75))相中。可见添加微量Au影响Al-Cu合金中Cu原子的扩散和偏聚情况。     

Ti基大块金属玻璃的研究与应用

阐述了Ti基大块金属玻璃(BMG)的成分设计原则及制备方法，并对Ti基非晶合金及其部分晶化复合材料的力学性能及断裂机理进行了评述。结果表明：Ti基大块金属玻璃具有较高的断裂强度、弹性延伸率及一定的塑性延伸率，而经过部分晶化获得的非晶合金基纳米颗粒复合材料，其室温塑性获得很大的改善。在此基础上探讨了该合金目前所存在的问题、研究热点以及其应用前景。     

Fe74Al4Sn2P10Si484C2合金的堆焊层组织和性能

Fe74Al4Sn2P10Si4B4C2合金具有良好的非晶形成能力.研究了Fe74Al4Sn2P10Si4B4C2母合金棒堆焊层的组织和性能.结果表明在非晶纳米晶基体上分布着α-Fe固熔体以及析出的Fe3P、Fe2B、Fe3B、Fe3C相,堆焊层具有很高的硬度.     

Fe74Al4Sn2P10Si4B4C2合金的堆焊层组织和性能

 Fe74Al4Sn2P10Si4B4C2合金具有良好的非晶形成能力。研究了Fe74Al4Sn2P10Si4B4C2母合金棒堆焊层的组织和性能。结果表明：在非晶纳米晶基体上分布着α Fe固熔体以及析出的Fe3P、Fe2B、Fe3B、Fe3C相,堆焊层具有很高的硬度。     

Ce对Al-Ni-Zr合金的非晶形成能力及力学性能的影响

加入Ce部分取代Al84Ni10Zr6合金中的Zr,用单辊旋淬法制备Al84Ni10Zr6-xCex(x=0~6,%)合金,利用X射线衍射、差示扫描量热和纳米压痕等试验分析方法研究Ce取代Zr对Al84Ni10Zr6合金的非晶形成能力及力学性能的影响。结果表明,用Ce代Zr可有效抑制α-Al、Al3Ni等初生晶体的形成,提高合金的非晶形成能力、显微硬度和弹性模量。x=0时,Al84Ni10Zr6合金具有完全晶体结构,显微硬度和弹性模量都较低。x=1~5时,合金具有晶体+非晶复合结构,增加Ce含量,则初生晶体相减少,合金的显微硬度和弹性模量提高。x=6时,Al84Ni10Ce6合金具有完全非晶态结构,显微硬度和弹性模量最高,分别达到4.29和94.99 GPa。x≥3时,合金出现明显的玻璃转变现象,过冷液相区ΔTx为11~16 K,约化玻璃转变温度Trg为0.46~0.48。     

球磨Mg_(22)Y_2Ni_(10)Cu_2+x%Ni复合材料储氢性能研究

采用不同球磨时间(10,20,30,40 h)制备了Mg_(22)Y_2Ni_(10)Cu_2+x%Ni(x=0,50,100,150;质量分数)复合材料,并对材料的结构、形貌、电化学及动力学储氢性能进行了系统的研究。分析了球磨时间和镍添加量对Mg_(22)Y_2Ni_(10)Cu_2合金储氢性能的影响。结果表明,球磨可以改善合金的显微结构,促进合金中非晶、纳米晶的形成,而镍的加入显著促进了该过程的进行,使复合材料中非晶、纳米晶的含量大幅度升高;随球磨时间和镍复合量的增加,合金放电比容量显著增加,当复合镍为x=100、球磨时间为40 h时,其值已达到最大的669.7 mAh·g~(-1)。循环稳定性的改善也较为明显,复合镍x=150、球磨20 h试样的S_(20)已经达到了80%。此外,球磨和镍的添加还可以明显优化合金的高倍率放电、交流阻抗和动电位极化等动力学性能。此外,包覆于合金表面的镍不但对合金性能起到催化作用,提高了合金的表面活性,还有效地提高了合金的综合储氢性能。     

L1_2型Al_3(Yb,Zr)相结构的第一性原理计算和实验研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势从头算量子力学方法,对L1_2结构的Al_3Zr,Al_3Sc,Al_3Yb,以及Zr替代部分Sc或Yb的Al_3(Sc_(0.5),Zr_(0.5))和Al_3(Yb_(0.5)Zr_(0.5))化合物的晶格常数和形成焓进行计算。计算结果表明,L1_2结构Al_3(Yb_(0.5),Zr_(0.5))化合物是热力学稳定的,在铝中易以共格态形式析出。通过透射电镜观察发现,Al-Zr-Yb合金经热处理后析出大量尺寸为20～80 nm的L1_2结构Al_3(Yb,Zr)弥散相,芯部富Zr的Al_3(Yb,Zr)和芯部富Yb的Al_3(Yb,Zr)相均为明显的壳核结构。L1_2结构Al_3(Yb,Zr)相的高温析出硬化作用及稳定性和抑制再结晶效果均优于L1_2结构Al_3Zr相。     

铌对纳米晶Nd2Fe14B合金组织结构与磁性能的影响

采用熔体快淬及晶化退火工艺制备了单相Nd2Fe14B纳米晶合金。研究了添加Nb对Nd12.3Fe81.7-xNbxB6.0(x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)系列合金的微观组织、磁性能和晶化行为的影响规律。结果表明:添加Nb可提高晶化温度并稳定非晶相;在退火晶化过程中,加入Nb后形成的析出相可以抑制晶粒长大,使晶粒细化且分布均匀,进而提高了材料的综合磁性能。通过对系列合金磁性能分析可知:Nd12.3Fe81.2Nb0.5B6.0合金在600℃退火处理10min后的磁性能最佳,磁能积(BH)m=141.13kJ.m-3,矫顽力Hci=867.95kA.m-1,剩磁Jr=1.02T。     

Y基非晶合金的形成及晶化动力学

利用单辊急冷法制备Y56-xZrxA124Co20(x=0,5,10)非晶合金,研究Zr含量对该非晶合金的形成能力及热稳定性的影响.研究结果表明,添加元素Zr可以提高Y56A124Co20合金的非晶形成能力和热稳定性,而且随着Zr含量增加,合金的非晶形成能力提高.通过示差扫描量热法(DSC)研究了Y56A124Co20和Y46Zr10A124Co20的晶化动力学,前者的玻璃转变激活能和晶化激活能分别为366.5 KJ/mol和259.7 KJ/mol,后者的玻璃转变激活能和晶化激活能分别为415.6 KJ/mol和319.5KJ/mol,从理论上说明添加元素Zr可以改善Y56A124Co20合金的非晶形成能力和热稳定性.     

锆/镍超声波焊接界面IMCs生长行为及其性能分析

锆/镍异种金属焊接结构在现代工业应用中日益广泛,但因母材热物理和化学性能存在较大差异,导致焊接难度大。超声波焊接作为一种固态连接工艺适应于异种金属焊接。研究不同焊接能量对锆/镍异质金属超声波焊接金属间化合物(IMCs)生长行为与机械性能的影响机制。以锆箔、镍箔为原材料,采用焊接功率1600 W,通过改变焊接时间300,～400,～500,～600 ms调控焊接能量设计异质金属超声波焊接试验。使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、 X射线衍射(XRD)、 3D景深显微分析、显微硬度仪及拉剪强度测试等研究微观组织形貌、相结构、景深及显微硬度的变化规律,确定焊接能量与接头拉剪强度之间的定量关系,理解其连接机理和IMCs生长历程。结果表明:接头触点区无明显宏观裂纹等缺陷;随焊接能量增大,触点区原子互扩散层迅速增厚并趋于稳态,过厚的IMCs层诱导产生新的焊接缺陷;在焊接能量640 J时高应变率加速连接界面析出厚度约3.2μm的Ni_7Zr_2, Ni_(10)Zr_7和NiZr_2 IMCs相层,析出顺序为:Ni_(10)Zr_7, Ni_7Zr_2, NiZr_2;塑性变形在整个薄板厚度间传播,剧烈塑性变形促进了位错增殖,形成了由纳米晶和非晶相组成的过渡层;工件连接强度取决于机械互锁、纳米晶和非晶相过渡层与互扩散的综合作用。所获得的最优焊接工艺参数对提升接头力学性能和分析其界面组织变化具有重要意义。     

Cu,Co置换Ni对Al-Ni-La非晶合金晶化行为的影响

通过单辊快淬制备了Al85Ni9-xMxLa6和Al86Ni9-xMxLa5(M=Cu或Co,x=0～9)合金的薄带,利用X射线衍射仪(XRD)研究了薄带快淬态和退火态的结构,利用差示扫描量热仪(DSC)研究了上述合金薄带的晶化过程。结果表明,过量Cu,Co置换Ni降低合金的非晶形成能力,形成非晶相和晶态相的混合结构;Cu,Co置换Ni分别促进fcc-Al和亚稳相作为初生相析出:Al85Ni9-xCuxLa6合金的初生相由单独亚稳相MP1逐渐向单独fcc-Al转变,而Al86Ni9-xCoxLa5合金的初生相由单独fcc-Al逐渐向fcc-Al、亚稳bcc-(AlNi)11La3-like相和MP1转变,并趋于析出单独MP1;Cu,Co置换Ni分别降低和提高热稳定性:Al85Ni9-xCuxLa6和Al86Ni9-xCuxLa5合金的晶化开始温度Tx1分别从x=0时的545.5和520.3 K逐渐减至x=8时的415.0 K和x=7时的390.1 K,而Al85Ni9-xCoxLa6和Al86Ni9-xCoxLa5合金的Tx1分别逐渐增至x=6时的592.2 K和x=9时的576.8 K;Cu,Co置换Ni分别减弱和增强玻璃转变:Al85Ni9-xCuxLa6合金的玻璃转变迅速减弱,过冷液相区宽度ΔTx从x=0时的16.5 K逐渐减至x=2时的14.6 K,并于x2时完全消失,Al86Ni9-xCuxLa5合金即使当x=1时玻璃转变也随之消失,而Al85Ni9-xCoxLa6和Al86Ni9-xCoxLa5合金的ΔTx分别从x=0时的16.5和15.4 K逐渐增至x=6时的26.0 K和x=5时的19.9 K。     

2195铝锂合金绝热剪切带内纳米结构的热稳定性

利用分离式Hopkinson压杆(split hopkinson pressure bar,简称SHPB)技术对T6时效态2195铝锂合金帽型试样进行动态加载获得绝热剪切带(adiabatic shear band,ASB),利用透射电镜(TEM)和光学显微镜(OM)观察动态加载前后剪切带的微观结构特征,利用电子背散射衍射(EBSD)分析合金在100~400℃温度下退火后绝热剪切带微观结构的变化,研究剪切带内纳米结构的热稳定性。结果表明:在动态加载过程中,帽型试样的剪切区域形成绝热剪切带,剪切带内的晶粒为50~100 nm左右的纳米等轴晶,在绝热剪切形变过程中析出相已完全溶解于基体中,纳米晶内部和晶界不存在析出相。在不同温度下退火时,剪切带内的晶粒随温度升高而长大,100~200℃温度下退火后晶粒未发生显著长大,在300℃退火后晶粒急剧长大到0.22μm,400℃退火后晶粒尺寸为1.77μm;在300℃左右温度下剪切带的硬度显著下降,此温度正是剪切带内纳米晶粒急剧长大的临界温度。     

铸造方法对ZL205A-0.1%Sc合金组织和力学性能的影响

采用砂型和水冷金属型铸造方法分别制备了含0.1%Sc的ZL205A合金试样,并通过力学性能测试,SEM、EDS和TEM等方法研究了铸造方法对合金组织和力学性能的影响。研究结果表明:通过水冷金属型铸造提高冷却速率能抑制脆性W(Al_(8-x)Cu_(4+x)Sc)相的生成。T6处理后,水冷金属型铸造试样的析出相尺寸稍微变大、数量更多;砂型和水冷金属型铸造条件下ZL205A合金的T6态抗拉强度分别为447.80 MPa和474.64 MPa,延伸率分别为1.60%和10.52%,水冷金属型铸造方法显著提升了合金的延伸率。     

Mg-TM-Ln型镁基纳米结构材料研究

讨论了Mg-Cu-Y、Mg-Ni-Y和Mg-Zn-Y等三种重要的Mg-TM-Ln型的多组元Mg基纳米结构材料的成分构成、制备过程、微观结构和力学性能以及它们的形成机制。其中,制备方法涉及非晶部分晶化法、机械合金化/粉末冶金法(MA/PM法)和快速凝固(原子雾化)/粉末冶金法(RS/PM法)。结果表明,在Mg-Cu-Y系合金中,分布于非晶相基体之上的纳米晶体相使非晶合金的断裂应力增加。而不同成分的旋淬Mg-Cu-Y非晶条带弯曲断裂韧性的不同,很可能是由于存在于它们之中的纳米晶颗粒的性质有别而造成;在Mg-Ni-Y系合金中,Y部分地置换Ni将严重地影响其晶化行为,使得Mg-Ni-Y三元非晶合金中的纳米晶体相颗粒变得更加细小,而合金晶化行为的改变则导致了其杨氏模量的明显变化;在所有的金属合金中,RS/PMMg97Zn1Y2合金的比强度是最高的。而在所有的Mg基合金中,RS/PMMg-Zn-Y合金具有最佳的综合性能。     

熔体过热度对Zr基非晶合金力学性能和热稳定性能的影响

采用吸铸法制备Zr70Cu13.5Ni8.5Al8非晶合金,采用同步差示扫描量热仪(DSC)和万能试验机对非晶合金显微结构进行表征和力学性能测试,并利用XRD和SEM对试样的相组成和的剪切带观察。研究发现：随着吸铸功率增加,热稳定性、玻璃形成能力不断提高;Zr70Cu13.5Ni8.5Al8非晶合金的锯齿流变现象越明显,综合力学性能越好,其中吸铸功率8 kW时,试样的屈服强度、抗压强度和塑性达到最值,室温综合力学性能最好,且剪切带分布情况最好,但是继续提高吸铸功率,力学性能反而变差。