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高熵合金、高溫合金、鎂合金頂刊成果近期匯總！

2022-03-09 11:29:43 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

成果匯總

1、納米結構Mo-ZrC合金

據中科院合肥物質科學研究院官網報道，中科院合肥研究院固體所內耗與固體缺陷研究部與中國核動力研究設計院合作在高性能鉬合金研究方面取得新進展。研究團隊通過粉末冶金法和高溫旋鍛制備了室溫及高溫下均具有優異力學性能的納米結構Mo-ZrC合金。納米結構Mo-ZrC合金的室溫抗拉強度達928MPa、延伸率為34.4%，比工業中廣泛應用的TZM合金分別提高26%和一倍以上；在1000℃時，Mo-ZrC合金的抗拉強度（562MPa）比純鉬、納米結構Mo-La2O3、La2O3-TZM等合金提高50%以上；在1200℃高溫下，Mo-ZrC合金的強度優勢更為顯著，其抗拉強度比氧化物彌散強化鉬提高一倍以上，同時保持優良塑性。此外，該合金的再結晶溫度比純Mo提高約400°C，具有優異的高溫穩定性。上述結果表明，納米結構Mo-ZrC合金在室溫及高溫下均具有優異的強韌性，與已報道的同類材料相比具有明顯優勢。研究成果以“Excellent high-temperature strength and ductility of the ZrC nanoparticles dispersed molybdenum”為題發表于Acta Materialia上。

2、新變形機理使鎂合金在軸方向上獲得超高塑性

單智偉教授，李巨教授以及馬恩教授研究團隊對鎂合金單晶在TEM下進行原位壓縮實驗，其中<c>軸與壓縮軸平行。研究表明：鎂單晶首先通過錐面位錯滑移主導的滑移進行塑性變形，產生了明顯的加工硬化行為。隨著加工硬化的不斷加劇，當流變應力升高到1 GPa水平時，材料的塑性已消耗殆盡。但令人意外的是，鎂單晶不但沒有斷裂失效，反而被壓為扁平狀，且沒有裂紋產生。此時，合金的塑性變形機理發生了劇烈變化，被壓扁的樣品已不再是單晶，而是轉變成多個具有共<a>軸取向關系的小晶粒，小晶粒內部有大量的基面和非基面位錯，促進了材料的進一步變形。該論文將這種由變形誘導的在基體晶粒中形成新晶粒的過程稱為“deformation graining（形變轉晶）”。該過程與再結晶晶粒的形成完全不一樣，其不依賴于擴散，可在室溫下快速發生。形成的新晶粒與基體晶粒具有特定的晶體學取向關系，可繼續發生由位錯和孿生協調的塑性變形，使得樣品重新具有了塑性變形能力。該研究豐富了對塑性變形機制的認識，為鎂的變形加工提供了新的啟發：在高應力或高應變速率下加工，可由高應力引發新的變形機制，進而提高鎂的變形加工能力。相關研究以“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”為題發表在國際著名期刊Nature Communications上。

3、Co-Al-Nb 系高溫合金

2006年， Co-Al-W三元合金中L12型 γ′-Co3（Al，W）有序沉淀相的發現為在富鈷合金體系中開發下一代高溫結構材料提供了新的機遇。為了獲得更優的沉淀強化效果，這要求沉淀增強相在工作溫度下保持足夠優越的熱力學穩定性。然而，據報道，L12-Co3（Al，W）相在高溫下是亞穩的，在900°C下長期服役后分解為脆性的B2相和D019-Co3W相。此外，大多數添加到三元Co-Al-W合金中的四元合金也傾向于誘導脆性沉淀相的形成。在拉伸變形過程中，這些有害的脆性相可能會導致嚴重的脆化和災難性的脆性斷裂。此外，這種脆性相的形成也會耗盡基體中的耐火元素，大大降低固溶強化的有效性。L12沉淀相的粗化速度也會因耐火元素的消耗而大大加快。如何有效提高L12相的相穩定性成為了開發高承溫能力、使用壽命長的高溫結構材料。值得注意的是，除了相穩定性外，在評估其工程應用潛力時還應充分考慮材料的質量密度。為了穩定Co-Al-W基合金中的L12相，人們通常需要添加大量的高密度的鎢元素，導致這類合金的質量密度通常過高（例如，Co-9Al-9.8W合金的密度高達9.82 g/ cm3，將嚴重降低能量損耗和轉換效率。因此，開發高熱穩定、密度較低的無鎢Co基高溫合金最近受到了學術界的極大關注。香港城市大學材料科學與工程系的楊濤教授團隊著重于在充分保障Co基合金系統內FCC- L12雙相結構穩定性的前提下設計了新型高性能的Co-Al-Nb基高溫合金，顯示出了優越的高溫熱穩定性、強韌性和較低的質量密度；并系統研究了其合金化元素對微觀組織演化、相穩定性和機械性能的影響。這些發現不僅為L12強化合金的合金設計與變形行為提供了基本的理解，而且還向人們展示了基于多組分富鈷合金系統開發下一代高溫結構材料的巨大潛力。相關研究成果以 “L12-strengthened multicomponent Co-Al-Nb-based alloys with high strength and matrix-confined stacking-fault-mediated plasticity”為標題發表在Acta Materialia期刊。

4、提升高熵合金耐磨性能以及熱穩定性

東南大學孫文文教授團隊在FeCoNiTi基高熵合金中提出了一種通過經典共析轉變（A→B+C）而形成的珠光體結構，用以提升珠光體組織在室溫以及一系列高溫環境下的耐磨性能以及熱穩定性。與鋼鐵材料的相變相似，高熵合金中也可以發生共析反應而產生珠光體結構，共析轉變發生于500°C至650°C，共析反應為FCC→BCC+Ni3Ti，片層結構由BCC相和Ni3Ti相片層交替排列而成。由于高熵合金中的遲滯擴散效應導致高熵珠光體的片層狀結構比鋼中珠光體更精細，因此珠光體高熵合金的硬度更高且在500°C和550°C時具備良好的熱穩定性。同時，與鋼中的珠光體結構類似，多主元珠光體的片層間距也隨共析轉變溫度的升高而增大，同時硬度隨片層間距的增大而降低。該珠光體高熵合金不僅在室溫下具備優異的耐磨性能（磨損率~2×10-5mm3/Nm），在550℃與600℃的環境下耐磨性能依然良好（磨損率<3×10-5mm3/Nm），多主元珠光體在室溫及高溫下磨損率低于相同溫度下一系列高速鋼或已開發的耐磨多主元合金。磨料磨損是該高熵合金在室溫下的主要磨損機制，磨損速率與硬度呈典型的負相關關系，符合Archard定律。氧化和剝層磨損是該合金在高溫下的主要磨損機制，這是因為在磨痕表面形成了致密的保護性氧化層，以及具有足夠熱強度和熱穩定性的高加工硬化納米再結晶層。因此，高熵合金中的珠光體結構是一種值得進一步研究和優化的具有極端環境應用前景的高性能結構，同時該研究為耐磨多主元合金的開發提供了新的思路。研究成果以“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”為題發表在Acta Materialia。

5、鋰基超薄合金

武漢理工大學趙文俞、趙焱和華中科技大學黃云輝課題組合作，提出通過在銅箔表面沉積Bi、Al或Au金屬與鋰進行原位合金化，制備具有電子局域化和高表面功函數的鋰基超薄合金。本工作發現電子局域化可以誘導鋰離子的自平滑效應，從而顯著抑制枝晶鋰的生長。同時，高表面功函數可以有效緩解電解質與鋰之間的副反應。以所獲得的鋰金屬超薄合金作為負極，實現了優異的循環性能。S||Bi/Cu-Li全電池在200次循環后提供736 mAh g-1的比容量。這項工作為制造長壽命和高容量鋰電池提供了新的策略。本工作證明了這種由電子局域化引起的自平滑機制為金屬鋰負極的設計原理提供了新的啟示，并為保護其他堿金屬負極（如鈉和鉀）開辟了新的機會。相關論文以題為：“Electronic Localization Derived Excellent Stability of Li Metal Anode with Ultrathin Alloy”發表在Adv.Sci.上。

6、超彈抗極溫高熵艾林瓦合金

香港城市大學楊勇教授課題組與內地，臺灣，法國以及美國的課題組合作，通過熔煉-銅模鑄造和定向凝固等方法設計并制備了成分為Co25Ni25（HfTiZr）50（原子比）的復雜成分合金。盡管這種合金的平均原子尺寸差達到了11%，應當形成多相或非晶結構，然而結構表征實驗結果顯示這種合金為單相B2結構。根據DFT模擬結果與STEM結果，這是由于原子尺度的化學有序性吸收了原子尺寸差異的影響。由于晶格畸變阻礙了位錯移動，使得該合金在不發生相變的前提下表現出高強度，超高彈性極限（~2%），與超低能量耗散。相比于其他合金材料，該合金表現出獨特的艾林瓦效應：隨著溫度升高，該合金的楊氏模量不但沒有下降，反而有微幅提高。根據分子動力學模擬結果，Co25Ni25（HfTiZr）50的艾林瓦效應來自于一種新的非相變機制：即熱膨脹和結構無序性下降效應的相互抵消。該成果以題為“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”發表在Nature上。

7、加壓合金化方法合成高質量銻烯

單質銻烯作為二維材料家族中的新成員，近年來引起了人們的極大關注，但較高的化學活性和較窄的層間通道已經影響了將其從塊體材料剝離出來的產物質量。為了克服這些固有缺陷，在液相剝離法（LPE）的基礎上，南京理工大學曾海波團隊提出了一種加壓合金化方法：在正丁基鋰和內壓的作用下，在塊體β相銻的邊緣區域預鋰化形成Li3Sb合金中間體。質子化過程將液態溶液中的Li3Sb轉化為氣態的銻化氫（SbH3）），使其具有向上的浮力，同時層間通道的吸熱張開有利于后續的LPE。結果表明，β相銻被有效地剝離成銻烯納米片，基底平面結構保持良好（橫向尺寸約為3 µm，厚度小于2 nm）。最后，高質量的銻烯經HCl簡單處理后，使得Na+沿基面擴散，從而表現出良好的電容去離子性能，在超低NaCl濃度（135 mg L-1）下，其吸附鹽量為31.4 mg g-1。該工作的提出有望推動高質量銻烯在能源、電子領域的應用。

8、鎂合金雙重自修復腐蝕防護涂層

據中科院官網報道，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員梁軍團隊基于負載緩蝕劑的MAO膜層和二硫鍵改性聚氨酯，在鎂合金表面構筑了具有雙重自修復功能的復合涂層。研究以MAO膜層中的微孔為容器負載緩蝕劑，在此基礎上，噴涂二硫鍵改性的聚氨酯形成了復合涂層（MP-i）。研究表明，與未負載緩蝕劑的復合涂層（MP-0）以及負載緩蝕劑的改性聚氨酯單一涂層（P-i）相比，該復合涂層發生損傷后表現出優異的自修復能力及腐蝕防護效果，有望滿足在外部損傷情況下長效腐蝕防護的應用需求。復合涂層發生損傷后的自修復功能主要通過以下兩個過程的共同作用實現。在熱作用下，通過改性聚氨酯的動態二硫鍵交聯反應和形狀記憶效應使損傷實現修復。涂層損傷處多孔MAO膜層中緩蝕劑釋放到鎂合金基體表面形成屏障，遏制基體腐蝕的發生與發展，從而為改性聚氨酯的有效自修復贏得“時間差”。此外，即使復合涂層損傷后并發生腐蝕，作為中間層MAO膜也可起到隔離腐蝕產物與聚氨酯涂層的作用，有助于聚氨酯鏈段自由移動和涂層縫隙閉合，為二硫鍵動態交聯反應提供了有利條件，進而提高了聚合物涂層的自修復能力。相關研究成果發表在Chemical Engineering Journal上。

9、鋁鎂硅合金中β″和β'析出相原位及離位研究

中南大學粉末冶金國家重點實驗室杜勇教授團隊楊明軍博士生、李凱副教授等在鋁合金針狀納米析出相的力學行為及其機制研究方面取得進展。研究團隊首先通過原位透射電鏡納米力學實驗，清楚地觀察到β″析出相被位錯切過的過程。由于該樣品只含β″相且其幾乎是所有文獻報道中最粗大的，故可以推斷β″相在全尺寸范圍內均可被位錯切過。通過在透射電鏡中對宏觀拉伸樣品斷口進行離位觀察分析，發現β″相在樣品拉伸變形過程中還發生了破碎和旋轉。通過耦合透射電鏡和原子探針層析（APT）技術對β″和β'兩種析出相共存的另一拉伸斷口樣品進行分析，進一步證實了β″相的破碎與旋轉，并發現β'相經過類似的拉伸變形后仍有很大概率能保持較為完整的針狀形貌，或雖然部分破碎但其針狀形貌仍可辨認。團隊分析多方面的實驗證據后指出析出相與基體的共格度影響其力學行為，共格度更低的析出相在位錯一次切過后其界面能升高，因而難以在同一位置多次切過（更難破碎和旋轉），同時指出析出相旋轉的最可能機制為析出相與基體間的界面滑動。該工作闡明了共格針狀析出相β″和半共格針狀析出相β'在合金拉伸變形過程中“易于破碎并可旋轉”及“較難破碎”的迥異力學行為，提出了“共格析出相被位錯切碎 → 碎片在擴散作用下通過界面滑動而發生旋轉”的新機制，在不久的將來有望催生鋁合金抗拉強度模擬預測的新理論、新模型。相關研究成果以“Shearing and rotation of β″ and β' precipitates in an Al-Mg-Si alloy under tensile deformation: In-situ and ex-situ studies”為題，發表在Acta Materialia雜志上。

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