高熵合金、高温合金、镁合金顶刊成果近期汇总！

2022-03-09 11:29:43 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

成果汇总

1、纳米结构Mo-ZrC合金

据中科院合肥物质科学研究院官网报道，中科院合肥研究院固体所内耗与固体缺陷研究部与中国核动力研究设计院合作在高性能钼合金研究方面取得新进展。研究团队通过粉末冶金法和高温旋锻制备了室温及高温下均具有优异力学性能的纳米结构Mo-ZrC合金。纳米结构Mo-ZrC合金的室温抗拉强度达928MPa、延伸率为34.4%，比工业中广泛应用的TZM合金分别提高26%和一倍以上；在1000℃时，Mo-ZrC合金的抗拉强度（562MPa）比纯钼、纳米结构Mo-La2O3、La2O3-TZM等合金提高50%以上；在1200℃高温下，Mo-ZrC合金的强度优势更为显著，其抗拉强度比氧化物弥散强化钼提高一倍以上，同时保持优良塑性。此外，该合金的再结晶温度比纯Mo提高约400°C，具有优异的高温稳定性。上述结果表明，纳米结构Mo-ZrC合金在室温及高温下均具有优异的强韧性，与已报道的同类材料相比具有明显优势。研究成果以“Excellent high-temperature strength and ductility of the ZrC nanoparticles dispersed molybdenum”为题发表于Acta Materialia上。

2、新变形机理使镁合金在轴方向上获得超高塑性

单智伟教授，李巨教授以及马恩教授研究团队对镁合金单晶在TEM下进行原位压缩实验，其中<c>轴与压缩轴平行。研究表明：镁单晶首先通过锥面位错滑移主导的滑移进行塑性变形，产生了明显的加工硬化行为。随着加工硬化的不断加剧，当流变应力升高到1 GPa水平时，材料的塑性已消耗殆尽。但令人意外的是，镁单晶不但没有断裂失效，反而被压为扁平状，且没有裂纹产生。此时，合金的塑性变形机理发生了剧烈变化，被压扁的样品已不再是单晶，而是转变成多个具有共<a>轴取向关系的小晶粒，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错，促进了材料的进一步变形。该论文将这种由变形诱导的在基体晶粒中形成新晶粒的过程称为“deformation graining（形变转晶）”。该过程与再结晶晶粒的形成完全不一样，其不依赖于扩散，可在室温下快速发生。形成的新晶粒与基体晶粒具有特定的晶体学取向关系，可继续发生由位错和孪生协调的塑性变形，使得样品重新具有了塑性变形能力。该研究丰富了对塑性变形机制的认识，为镁的变形加工提供了新的启发：在高应力或高应变速率下加工，可由高应力引发新的变形机制，进而提高镁的变形加工能力。相关研究以“Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。

3、Co-Al-Nb 系高温合金

2006年， Co-Al-W三元合金中L12型 γ′-Co3（Al，W）有序沉淀相的发现为在富钴合金体系中开发下一代高温结构材料提供了新的机遇。为了获得更优的沉淀强化效果，这要求沉淀增强相在工作温度下保持足够优越的热力学稳定性。然而，据报道，L12-Co3（Al，W）相在高温下是亚稳的，在900°C下长期服役后分解为脆性的B2相和D019-Co3W相。此外，大多数添加到三元Co-Al-W合金中的四元合金也倾向于诱导脆性沉淀相的形成。在拉伸变形过程中，这些有害的脆性相可能会导致严重的脆化和灾难性的脆性断裂。此外，这种脆性相的形成也会耗尽基体中的耐火元素，大大降低固溶强化的有效性。L12沉淀相的粗化速度也会因耐火元素的消耗而大大加快。如何有效提高L12相的相稳定性成为了开发高承温能力、使用寿命长的高温结构材料。值得注意的是，除了相稳定性外，在评估其工程应用潜力时还应充分考虑材料的质量密度。为了稳定Co-Al-W基合金中的L12相，人们通常需要添加大量的高密度的钨元素，导致这类合金的质量密度通常过高（例如，Co-9Al-9.8W合金的密度高达9.82 g/ cm3，将严重降低能量损耗和转换效率。因此，开发高热稳定、密度较低的无钨Co基高温合金最近受到了学术界的极大关注。香港城市大学材料科学与工程系的杨涛教授团队着重于在充分保障Co基合金系统内FCC- L12双相结构稳定性的前提下设计了新型高性能的Co-Al-Nb基高温合金，显示出了优越的高温热稳定性、强韧性和较低的质量密度；并系统研究了其合金化元素对微观组织演化、相稳定性和机械性能的影响。这些发现不仅为L12强化合金的合金设计与变形行为提供了基本的理解，而且还向人们展示了基于多组分富钴合金系统开发下一代高温结构材料的巨大潜力。相关研究成果以 “L12-strengthened multicomponent Co-Al-Nb-based alloys with high strength and matrix-confined stacking-fault-mediated plasticity”为标题发表在Acta Materialia期刊。

4、提升高熵合金耐磨性能以及热稳定性

东南大学孙文文教授团队在FeCoNiTi基高熵合金中提出了一种通过经典共析转变（A→B+C）而形成的珠光体结构，用以提升珠光体组织在室温以及一系列高温环境下的耐磨性能以及热稳定性。与钢铁材料的相变相似，高熵合金中也可以发生共析反应而产生珠光体结构，共析转变发生于500°C至650°C，共析反应为FCC→BCC+Ni3Ti，片层结构由BCC相和Ni3Ti相片层交替排列而成。由于高熵合金中的迟滞扩散效应导致高熵珠光体的片层状结构比钢中珠光体更精细，因此珠光体高熵合金的硬度更高且在500°C和550°C时具备良好的热稳定性。同时，与钢中的珠光体结构类似，多主元珠光体的片层间距也随共析转变温度的升高而增大，同时硬度随片层间距的增大而降低。该珠光体高熵合金不仅在室温下具备优异的耐磨性能（磨损率~2×10-5mm3/Nm），在550℃与600℃的环境下耐磨性能依然良好（磨损率<3×10-5mm3/Nm），多主元珠光体在室温及高温下磨损率低于相同温度下一系列高速钢或已开发的耐磨多主元合金。磨料磨损是该高熵合金在室温下的主要磨损机制，磨损速率与硬度呈典型的负相关关系，符合Archard定律。氧化和剥层磨损是该合金在高温下的主要磨损机制，这是因为在磨痕表面形成了致密的保护性氧化层，以及具有足够热强度和热稳定性的高加工硬化纳米再结晶层。因此，高熵合金中的珠光体结构是一种值得进一步研究和优化的具有极端环境应用前景的高性能结构，同时该研究为耐磨多主元合金的开发提供了新的思路。研究成果以“A new strong pearlitic multi-principal element alloy to withstand wear at elevated temperatures”为题发表在Acta Materialia。

5、锂基超薄合金

武汉理工大学赵文俞、赵焱和华中科技大学黄云辉课题组合作，提出通过在铜箔表面沉积Bi、Al或Au金属与锂进行原位合金化，制备具有电子局域化和高表面功函数的锂基超薄合金。本工作发现电子局域化可以诱导锂离子的自平滑效应，从而显著抑制枝晶锂的生长。同时，高表面功函数可以有效缓解电解质与锂之间的副反应。以所获得的锂金属超薄合金作为负极，实现了优异的循环性能。S||Bi/Cu-Li全电池在200次循环后提供736 mAh g-1的比容量。这项工作为制造长寿命和高容量锂电池提供了新的策略。本工作证明了这种由电子局域化引起的自平滑机制为金属锂负极的设计原理提供了新的启示，并为保护其他碱金属负极（如钠和钾）开辟了新的机会。相关论文以题为：“Electronic Localization Derived Excellent Stability of Li Metal Anode with Ultrathin Alloy”发表在Adv.Sci.上。

6、超弹抗极温高熵艾林瓦合金

香港城市大学杨勇教授课题组与内地，台湾，法国以及美国的课题组合作，通过熔炼-铜模铸造和定向凝固等方法设计并制备了成分为Co25Ni25（HfTiZr）50（原子比）的复杂成分合金。尽管这种合金的平均原子尺寸差达到了11%，应当形成多相或非晶结构，然而结构表征实验结果显示这种合金为单相B2结构。根据DFT模拟结果与STEM结果，这是由于原子尺度的化学有序性吸收了原子尺寸差异的影响。由于晶格畸变阻碍了位错移动，使得该合金在不发生相变的前提下表现出高强度，超高弹性极限（~2%），与超低能量耗散。相比于其他合金材料，该合金表现出独特的艾林瓦效应：随着温度升高，该合金的杨氏模量不但没有下降，反而有微幅提高。根据分子动力学模拟结果，Co25Ni25（HfTiZr）50的艾林瓦效应来自于一种新的非相变机制：即热膨胀和结构无序性下降效应的相互抵消。该成果以题为“A highly distorted ultraelastic chemically complex Elinvar alloy”发表在Nature上。

7、加压合金化方法合成高质量锑烯

单质锑烯作为二维材料家族中的新成员，近年来引起了人们的极大关注，但较高的化学活性和较窄的层间通道已经影响了将其从块体材料剥离出来的产物质量。为了克服这些固有缺陷，在液相剥离法（LPE）的基础上，南京理工大学曾海波团队提出了一种加压合金化方法：在正丁基锂和内压的作用下，在块体β相锑的边缘区域预锂化形成Li3Sb合金中间体。质子化过程将液态溶液中的Li3Sb转化为气态的锑化氢（SbH3）），使其具有向上的浮力，同时层间通道的吸热张开有利于后续的LPE。结果表明，β相锑被有效地剥离成锑烯纳米片，基底平面结构保持良好（横向尺寸约为3 µm，厚度小于2 nm）。最后，高质量的锑烯经HCl简单处理后，使得Na+沿基面扩散，从而表现出良好的电容去离子性能，在超低NaCl浓度（135 mg L-1）下，其吸附盐量为31.4 mg g-1。该工作的提出有望推动高质量锑烯在能源、电子领域的应用。

8、镁合金双重自修复腐蚀防护涂层

据中科院官网报道，中国科学院兰州化学物理研究所研究员梁军团队基于负载缓蚀剂的MAO膜层和二硫键改性聚氨酯，在镁合金表面构筑了具有双重自修复功能的复合涂层。研究以MAO膜层中的微孔为容器负载缓蚀剂，在此基础上，喷涂二硫键改性的聚氨酯形成了复合涂层（MP-i）。研究表明，与未负载缓蚀剂的复合涂层（MP-0）以及负载缓蚀剂的改性聚氨酯单一涂层（P-i）相比，该复合涂层发生损伤后表现出优异的自修复能力及腐蚀防护效果，有望满足在外部损伤情况下长效腐蚀防护的应用需求。复合涂层发生损伤后的自修复功能主要通过以下两个过程的共同作用实现。在热作用下，通过改性聚氨酯的动态二硫键交联反应和形状记忆效应使损伤实现修复。涂层损伤处多孔MAO膜层中缓蚀剂释放到镁合金基体表面形成屏障，遏制基体腐蚀的发生与发展，从而为改性聚氨酯的有效自修复赢得“时间差”。此外，即使复合涂层损伤后并发生腐蚀，作为中间层MAO膜也可起到隔离腐蚀产物与聚氨酯涂层的作用，有助于聚氨酯链段自由移动和涂层缝隙闭合，为二硫键动态交联反应提供了有利条件，进而提高了聚合物涂层的自修复能力。相关研究成果发表在Chemical Engineering Journal上。

9、铝镁硅合金中β″和β'析出相原位及离位研究

中南大学粉末冶金国家重点实验室杜勇教授团队杨明军博士生、李凯副教授等在铝合金针状纳米析出相的力学行为及其机制研究方面取得进展。研究团队首先通过原位透射电镜纳米力学实验，清楚地观察到β″析出相被位错切过的过程。由于该样品只含β″相且其几乎是所有文献报道中最粗大的，故可以推断β″相在全尺寸范围内均可被位错切过。通过在透射电镜中对宏观拉伸样品断口进行离位观察分析，发现β″相在样品拉伸变形过程中还发生了破碎和旋转。通过耦合透射电镜和原子探针层析（APT）技术对β″和β'两种析出相共存的另一拉伸断口样品进行分析，进一步证实了β″相的破碎与旋转，并发现β'相经过类似的拉伸变形后仍有很大概率能保持较为完整的针状形貌，或虽然部分破碎但其针状形貌仍可辨认。团队分析多方面的实验证据后指出析出相与基体的共格度影响其力学行为，共格度更低的析出相在位错一次切过后其界面能升高，因而难以在同一位置多次切过（更难破碎和旋转），同时指出析出相旋转的最可能机制为析出相与基体间的界面滑动。该工作阐明了共格针状析出相β″和半共格针状析出相β'在合金拉伸变形过程中“易于破碎并可旋转”及“较难破碎”的迥异力学行为，提出了“共格析出相被位错切碎 → 碎片在扩散作用下通过界面滑动而发生旋转”的新机制，在不久的将来有望催生铝合金抗拉强度模拟预测的新理论、新模型。相关研究成果以“Shearing and rotation of β″ and β' precipitates in an Al-Mg-Si alloy under tensile deformation: In-situ and ex-situ studies”为题，发表在Acta Materialia杂志上。

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