二元互不固溶金属合金化的研究进展

发布时间：2020-12-22 05:15

　　基于二元互不固溶金属体系的材料在航天、核聚变工程、电子封装以及反装甲武器等领域中有着广泛的应用,但由于反应热为正、组元性质差异较大,其直接合金化以及相应的材料制备都十分困难。针对于此,国内外开发了多种用于二元互不固溶金属直接合金化的方法,并对合金化过程的热力学和扩散机制进行了研究。本文首先综述了机械合金化、物理气相沉积和离子束混合3种已有合金化方法的原理、热力学机制及其在二元互不固溶金属粉末合金和纳米多层膜等材料中的应用。然后,介绍了近些年来本研究组提出并发展的辐照损伤诱发合金化、高温结构诱发合金化等新型互不固溶金属合金化方法,详细阐述了这2种方法的原理、合金化界面显微结构、热力学机制、扩散机制和应用。最后,展望了二元互不固溶金属体系合金化研究的发展趋势。 

【文章来源】：金属学报. 2020年06期 北大核心

【文章页数】：20 页

【部分图文】：

大塑性变形的工艺示意图：高压扭转、等通道转角挤压、累积叠轧

此外，张欣等[58]通过单轴拉伸实验并结合原位电阻测量法，研究了恒定调制比(组元各层厚度之比)下调制周期(相邻2种不同组元厚度的和)对物理气相沉积所制备的Nb/Cu纳米多层膜金属延性和断裂韧性的影响，通过该项研究来说明合金化界面的力学特性。结果表明，延性和断裂行为均对调制周期的尺寸有明显的依赖性：随着调制波长的减小，延性和断裂韧性均呈现非单调演变趋势，即当调制比小于0.5时，随着调制周期减小，延性增加；当调制比大于0.5时，随着调制周期减小，延性减小。Zhang等[59]采用直流磁控溅射制备调制周期为5～300 nm的Nb/Cu纳米多层膜，发现在此调制周期范围内，Nb发生bcc-fcc结构的相转变，从而与Cu形成fcc/fcc界面，实现了Nb/Cu合金化。研究结果也表明，由于fcc/fcc界面处产生了较大的晶格错配度和较高的位错密度，与上述具有<111>bcc/<110>fcc合金化界面的Nb/Cu纳米多层膜材料相比，具有fcc/fcc合金化界面的Nb/Cu纳米多层材料的强度和硬度更高。通过物理气相沉积直接合金化制备的Ag/Cu[60,61]、Mo/Cu[62,63]、Nb/Cu[64,65]、W/Cu[66～68]和Nb/Ag[69]等二元互不固溶金属纳米多层膜的力学和电学性能也被广泛研究。例如，Fenn等[64]和Lima等[65]研究发现，Nb/Cu纳米多层膜的电阻率随Cu层减薄或Nb层增厚而增加，其中Cu层影响最显著。同时，电阻率随调制周期减小而增加，电输运性质的层厚依赖性较强。Monclús等[66]采用直流磁控溅射制备了单层厚度为5～30 nm的W/Cu纳米多层膜，发现W/Cu纳米多层膜的硬度不依赖于单层厚度，并在200℃以上温度退火时硬度急剧下降。Wen等[67]则发现W/Cu纳米多层膜的硬度随着调制周期的减小而增大，并且由于Cu和W的相互混合引起W外延平面间距的减小，从而导致W/Cu弹性模量的增加。郭中正等[68]分析了调制周期和调制比对W/Cu多层膜力学和电学性能的影响，结果表明，多层膜裂纹萌生临界应变总体上随调制周期增大或调制比减小而下降，屈服强度、显微硬度和电阻率总体上均与调制周期和调制比呈负相关。郭中正等[63]也分析了Mo/Cu纳米多层膜的力学和电学性能的影响因素，发现随着调制周期的增加，Cu层变厚，晶粒尺寸增加、界面度减小，使Cu层位错运动阻力减小，塑性变形能力增强，裂纹萌生临界应变增加。调制波长的增加也会使Mo/Cu层间界面数量减小，减弱了层内和层间的电子散射，使电导率得以提高。Lai等[69]研究发现，在Nb/Ag纳米多层膜中，当单层膜厚度为4 nm时，某些区域尺寸为3～8 nm的晶粒被非晶合金包围，使其位错变形机制无法实现，从而使硬度得到极大提高。可见，通过物理气相沉积直接合金化制备的二元互不固溶金属纳米多层膜的力学和电学性能与多层膜的调制周期、合金化界面结构有着密切的关联。

利用辐照损伤合金化方法，本研究组成功地制备了W/Ag[100]、Mo/Ag[10,101]和Mo/Cu[102]层状复合材料。通过对层状复合材料截面的TEM和元素成分线扫描分析发现(如图5～7[100～102]所示)，W/Ag,Mo/Ag和Mo/Cu体系中的元素均呈梯度分布，意味着互不固溶的金属原子之间发生了扩散，扩散层厚度分别为16、79和12 nm。上述扩散的发生表明互不固溶金属成功地实现了直接合金化，构建出了冶金结合界面。拉伸强度测试结果证明，采用辐照损伤合金化制备的互不固溶金属层状复合材料具有良好的力学性能，其中W/Ag、Mo/Ag和Mo/Cu层状复合材料的拉伸强度分别达到107 MPa[103]、150 MPa[10]和87 MPa[102]。本研究组[101]认为，互不固溶金属层状复合材料具有高强度的根本原因在于：辐照损伤合金化方法能够诱导互不固溶金属元素的相互扩散，实现互不固溶金属直接合金化，并构建出了真正的冶金结合界面。

【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure Evolution and Pore Formation Mechanism of Porous TiAl3 Intermetallics via Reactive Sintering[J]. Xinyang Jiao,Xiaohong Wang,Peizhong Feng,Yanan Liu,Laiqi Zhang,Farid Akhtar.  Acta Metallurgica Sinica(English Letters). 2018(04)
[2]Cu/Ni和Cu/Nb纳米多层膜的应变率敏感性[J]. 王尧,朱晓莹,刘贵民,杜军.  金属学报. 2017(02)
[3]熔体金属铜凝固过程中原子团簇结构的形成与生长特性[J]. 易学华.  材料导报. 2015(24)
[4]机械合金化制备Ag-Cu纳米晶过饱和固溶体[J]. 吴志方,周帆,程钊.  粉末冶金工业. 2015(05)
[5]机械合金化制备Co-Cu纳米晶过饱和固溶体[J]. 吴志方,周帆.  中国粉体技术. 2015(02)
[6]溅射沉积Cu/W纳米多层膜结构与性能[J]. 郭中正,孙勇,段永华,彭明军,吴大平,朱雪婷.  稀有金属材料与工程. 2014(04)
[7]辐照损伤合金化制备Mo/Ag层状复合材料[J]. 黄远,孔德月,何芳,王玉林,刘文西.  金属学报. 2012(10)
[8]磁控溅射Cu/Mo纳米多层膜的结构与性能[J]. 郭中正,孙勇,段永华,彭明军,吴大平,刘国涛.  稀有金属. 2012(01)
[9]金属纳米多层膜力学性能研究进展[J]. 朱晓莹,潘峰.  中国材料进展. 2011(10)
[10]Cu/Nb纳米多层膜延性及其断裂行为[J]. 张欣,张金钰,牛佳佳,雷诗莹,刘刚,孙军.  中国有色金属学报. 2011(06)

硕士论文
[1]辐照损伤合金化制备互不固溶层状金属基复合材料的研究[D]. 刘贞贞.天津大学 2012



本文编号：2931198