双相高熵合金薄膜的制备及其力学行为

发布时间：2020-07-14 00:48

【摘要】：合金作为结构与功能材料在众多领域有着广泛的应用。近年来,随着多组元复杂成分合金的发展,高熵合金(HEAs)逐渐引起研究者们的注意。高熵合金一般定义为由五种或以上元素以等原子比或近等原子比形成固溶体结构的一类合金。已有的研究报道发现,高熵合金具有一些传统合金所无法比拟的力学与物理性能,如高强度、低温韧性、良好热稳定性性以及抗辐照性等,优异的综合性能使得高熵合金具有广阔的应用前景。相比单相高熵合金,双相高熵合金兼具良好的韧性与较高的强度,以及高温下高强度等优异性能。因此,作为性能优异的结构材料,双相高熵合金的强化机制一直是研究者们关注的焦点,然而目前仍然缺少相关的系统研究。另外,如何设计并制备出具有双相结构的高硬度高熵合金薄膜也是成为了目前高熵合金领域中的巨大挑战。本文选择具有面心立方晶体结构(FCC)的3d过渡族金属高熵合金CoCrCuFeNi与具有体心立方晶体结构(BCC)的难熔金属高熵合金MoNbTaW两组高熵合金,利用磁控溅射设备制备了CoCrCuFeNi/Al与MoNbTaW/Al多层膜,并对薄膜进行了550℃C的退火处理。采用X射线衍射和透射电子显微镜等方法表征了样品的微结构特征,并利用纳米压痕技术测量了薄膜的硬度。本文提出了一种可调控的双相高熵合金薄膜制备方法,并研究了双相高熵合金的硬度与微观结构、尺度效应之间的关系,并探讨了其强化机理。主要结论如下:1.界面合金化是一种有效的可调的双相高熵合金薄膜制备方法。CoCrCuFeNi/A1多层膜经过退火处理后,A1原子扩散进入CoCrCuFeNi层并形成新的BCC相,从而得到FCC/BCC双相结构的薄膜;CoCrCuFeNi/Al双相高熵合金的强化效果表现出明显的尺度效应。当调制周期?λ=10nm,调至比η=2时,薄膜合金化效果最好,其最高硬度达到10.44 GPa;2.Al原子显著较大的原子半径增加了晶格畸变,从而带来显著的固溶强化。因此,CoCrCuFeNi/Al双相高熵合金薄膜的主要强化机制为A1原子产生的固溶强化与两相间的相界面强化共同作用。3.与CoCrCuFeNi/Al相比,MoNbTaW/Al具有完全不同的强化机制。不同于CoCrCuFeNi/Al之间的FCC/FCC界面,MoNbTaW/Al之间的BCC/FCC界面对位错运动的阻碍作用更大,因此MoNbTaW/Al中界面的强化作用更显著。退火后薄膜硬度的提升主要由于A1原子扩散产生的固溶强化效应。MoNbTaW/Al的强化现象中存在临界尺度,当MoNbTaW厚度为50 nm时,异质界面的强化作用与固溶强化作用均达到最大,使得薄膜的硬度高达14.8 GPa。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TG139
【图文】：

晶格畸变,晶格,合金,布拉格衍射

及价电子浓度［１７Ｌ逡逑从结构上来看，多种不同尺寸的原子随机占据晶格格点必然会导致明显的晶逡逑格畸变效应。如图１．２所示，布拉格衍射能体现出高熵合金的严重晶格畸变效应，逡逑一些研究也通过高分辨透射电子显微镜，Ｘ射线衍射以及中子衍射等表征手段证逡逑实了高熵合金中的晶格畸变效应［１４，邋１８－２０］。值得一提的是，晶格畸变效应能通逡逑过固溶强化的方式提高高熵合金的强度与硬度，并且由于增强了对电子与声子的逡逑散射，使高熵合金与纯金属和传统合金相比通常具有高电阻，高热阻等性能。逡逑图１．２高熵合金晶格畸变对布拉格衍射的影响：（ａ）同种原子组成的完美晶格；（ｂ）多种逡逑不同尺寸原子组成的晶格畸变较大的晶格［２］］逡逑晶格畸变导致的另一个结果是，从动力学上来说，高熵合金内的扩散速率通逡逑常较慢，即迟滞扩散效应。此效应可以解释高熵合金中纳米颗粒沉淀相的形成，逡逑９逡逑

合金,微结构,次数,模量

１．１．４氋熵合金的性能逡逑根据１．１．２中提到的鸡尾酒效应，高熵介金可以通过增减、替换元素、改变元逡逑素含量等方法在很大的范围内调Ｗ其性能。例如图１．４［２３］所小？，不同高熵合金的逡逑硬度差异极人，最高的ＭｏＴｉＶＦｅＮｉＺｒＣｏＣｒ维氏硬度超过８００邋ＨＶ，而最低的逡逑ＣｏＣｒＣｕＦｅＮｉ不到２００邋ＨＶ。另外，通过加入Ａｌ、Ｔｉ等轻质金属元素降低密度，逡逑高熵合金能获得高于传统合金的比强度，如图１．５。在图中可以发现，在获得高逡逑比强度的同时，高熵合金的杨氏模量能在极大的范围内变化，这也是除非品合金逡逑外其他合金材料难以实现的。逡逑在高熵合金中，决定强度和硬度的主要因素是晶体结构，ＦＣＣ结构ＨＥＡＡ逡逑丫ｆ低强度和高塑性［２４］，而ＢＣＣ结构的ＨＥＡ在室温下表现出高强度和低塑ｔ＇ｌ：逡逑［２５］。对于传统合金，其杨氏模量主要由主元决定，例如Ｆｅ基合金模量／Ｉ：邋２００逡逑ＧＰａ左右；Ｔｉ基合金模量在ｌｌＯＧＰａ左右；Ａ１基合金模量在７５ＧＰａ左右。而高逡逑熵介金的模１｜丨：则／Ｉ：很人范丨彳彳内变化

合金硬度,合金,晶格畸变

２０逦４０逦６０逦８０逦１００逦１２０逦１４０逦１６０逦１８０逦２００逦２２０逦２４０逡逑Ｙｏｕｎｇ＇ｓ邋ｍｏｄｕｌｕｓ邋（ＧＰａ）逡逑图１．５各种高熵合金与常见合金的模量与比强度的关系［２７］逡逑另外，由于高熵合金的晶格畸变效应增加了对电子和声子的散射，使得高熵逡逑合金通常具有高电阻、高热阻的特点。由于晶格畸变也导致再结晶的驱动力减小，逡逑所以高熵合金的再结晶温度一般明显高于传统合金，因此高熵合金通常具有良好逡逑的热稳定性。逡逑１２逡逑

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