界面调控合金性能研究

作     者：杜文玉 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：界面调控 钨基合金 多主元合金 低能有序界面 强化机理 

摘      要：对金属材料中的界面进行调控已经成为增强合金性能的一个有效方法。合金中存在着诸如晶界界面、相界界面、表面和接触界面等缺陷,这些缺陷的物理化学状态与合金的性能有着密不可分的联系。随着合金中界面数量的增加,合金的一些性能在一定程度上甚至由合金的界面决定。因此,我们可以通过调控合金中界面的物理化学状态来调控合金性能。在本文中,我们以钨合金和CoCrNi合金为研究对象,系统研究了基于界面物理化学状态调控合金的力学性能、热稳定性和抗辐照性等。第一,基于界面吸收辐照缺陷以及第二相颗粒弥散钉扎界面,提高合金热稳定性及抗辐照性的原理,通过高能球磨技术和放电等离子烧结技术制备了一种超细纳米ZrC和Ti颗粒弥散协同强化合金热稳定性及抗辐照性的纳米晶W-Ti-ZrC合金。所制备的纳米晶W-Ti-ZrC合金的平均晶粒尺寸为65nm,第二相颗粒平均粒径为5.6nm,在该纳米晶合金中构建了大量的晶界和相界吸收辐照缺陷,并且通过第二相颗粒与钨基体形成共格相界同时使得Ti颗粒在晶界处偏聚,钉扎界面,稳定合金晶粒尺寸。系统研究了合金的微结构,热稳定性、抗辐照性能及抗热负荷性能。纳米晶W-Ti-ZrC合金晶粒结构随温度的变化表明,W-Ti-ZrC合金晶粒的再结晶温度为1600℃-1700℃,比粗晶钨合金及细晶W-ZrC合金的再结晶温度高出300-400℃,并且晶粒能在1200℃环境下长时间保持稳定。同时,由于纳米晶W-Ti-ZrC合金内存在高密度的晶界和相界界面,可以有效吸收辐照缺陷,降低晶粒内的位错和点缺陷,合金具有较好的抗辐照硬化、脆化能力,相对较好的抗氧化能力以及与大多数碳化物弥散钨合金相当的抗瞬态热冲击开裂阈值。第二,基于晶界、相界和孪晶界对合金的性能具有显著影响的原理,在多主元CoCrNi合金中引入位错,构建纳米孪晶界和FCC-HCP相界来改变合金的力学性能。对等原子多主元CoCrNi合金在发生严重塑性变形后（SPD）和变形后退火（PDA）引起的位错、孪晶和HCP相的变化进行研究。通过对其微观结构和磁性能的分析,确定了合金中位错,孪晶和HCP相的演变。研究发现,CoCrNi合金经过三道次等通道角压技术（ECAP）加工,在500℃或600℃退火后,合金中的位错、孪晶和HCP相相对较多且晶粒再结晶程度低;而当退火温度提高到再结晶温度以上,即700℃或800℃时,位错和HCP相逐渐消失。此外,还通过纳米压痕法研究了PDA过程中CoCrNi合金的硬度和蠕变行为,在CoCrNi合金再结晶前后观察到不同的硬度变化和蠕变行为。讨论了孪晶和HCP相的形成对合金蠕变性能的影响以及这种相转变的可能形成机理。本论文根据两种合金不同的结构特征,通过不同的方法在合金中构建界面,实现了对合金性能的调控。