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深冷循环处理对激光选区熔化AZ91D力学性能的影响

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有色金属工程 2024年

作者：戴相龙周燕宋波李学王晓强武练梅文世峰华中科技大学材料科学与工程学院华中科技大学土木与水利工程学院北京电子工程总体研究所

本研究聚焦于激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术制造的AZ91D镁合金部件，探讨深冷循环处理对其微观结构和力学性能的影响。通过深冷循环处理显著改善了AZ91D镁合金的微观结构和力学性能。研究发现，经过四次深冷循环处... 详细信息

本研究聚焦于激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术制造的AZ91D镁合金部件，探讨深冷循环处理对其微观结构和力学性能的影响。通过深冷循环处理显著改善了AZ91D镁合金的微观结构和力学性能。研究发现，经过四次深冷循环处理后，生成细小且弥散的β-Al12Mg17沉淀相，显著提高了材料的力学性能，延伸率提高了73.0%，屈服强度提高了14.0%，抗拉强度提高了15.4%。然而，十次深冷循环处理后，β-Al12Mg17相消失，导致材料强度降低。实验结果表明，适当的深冷循环处理次数能有效提升SLM成形AZ91D镁合金的力学性能，而过多的循环可能导致材料性能下降。研究为SLM成形镁合金的后处理提供了重要手段，对于航空航天和现代工业领域中高性能镁合金部件的应用具有重要参考意义。

关键词： AZ91D镁合金激光选区熔化深冷循环处理力学性能

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非晶合金深冷循环处理研究进展

材料热处理学报 2020年第7期41卷 1-13页

作者：殷更刘辉许永康龚攀华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 深圳华中科技大学研究院广东深圳518057

非晶合金具有高强度、高硬度、大弹性极限等优异性能,是一种很有应用前景的先进金属材料,但较差的室温塑性严重制约其广泛应用。深冷循环处理作为一种简单有效的非晶合金室温塑韧性改善方法,受到学者们广泛关注。本文主要综述了非晶合... 详细信息

非晶合金具有高强度、高硬度、大弹性极限等优异性能,是一种很有应用前景的先进金属材料,但较差的室温塑性严重制约其广泛应用。深冷循环处理作为一种简单有效的非晶合金室温塑韧性改善方法,受到学者们广泛关注。本文主要综述了非晶合金深冷循环处理相关研究成果,总结了不同深冷循环处理参数和样品因素对于非晶合金深冷循环处理效果的影响,并对非晶合金深冷循环处理技术的发展进行了展望。

关键词：非晶合金深冷循环处理处理参数尺寸效应力学性能

深冷循环处理对Zr基及高熵非晶合金室温力学性能的影响研究

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深冷循环处理对Zr基及高熵非晶合金室温力学性能的影响研究

作者：殷更华中科技大学

学位级别：硕士

块体非晶合金具有许多良好的性能,例如:高强度,高硬度等,有望应用在航天军事等领域,但室温条件下缺乏塑性严重限制了其实际应用。研究发现深冷循环处理能够使非晶合金发生回春,从而有效改善其室温塑性,但现有研究局限于少数非晶合金体系... 详细信息

块体非晶合金具有许多良好的性能,例如:高强度,高硬度等,有望应用在航天军事等领域,但室温条件下缺乏塑性严重限制了其实际应用。研究发现深冷循环处理能够使非晶合金发生回春,从而有效改善其室温塑性,但现有研究局限于少数非晶合金体系,且不同合金体系的回春程度和塑性改善效果存在差异。为了考察深冷循环处理对不同体系非晶合金塑性改善效果的普适性,丰富对非晶合金深冷循环处理增韧机理的认识与理解,本文选择经典Zr基Vit-1非晶合金和TiZrHfCuBe高熵非晶合金作为研究对象,探究深冷循环处理对Vit-1非晶合金和TiZrHfCuBe高熵非晶合金结构与室温力学性能的影响规律。论文主要工作包括以下几个方面:对高纯度Vit-1非晶合金进行深冷循环处理,深冷循环处理后,仍保持非晶态,没有发生明显的回春现象。随着循环次数增加,Vit-1非晶合金的硬度先减少后增加;室温压缩塑性先增加后基本保持不变,在深冷循环10次时,室温压缩塑性最大,约为4.33%;冲击韧性基本保持不变。Vit-1非晶合金回春程度有限是由于其脆性指数(47-50)较大,初始结构相对致密,深冷循环过程中很难发生原子重排,从而对室温力学性能改善程度有限。进一步对低纯度原材料制备的Vit-1非晶合金进行深冷循环处理。深冷循环处理后,仍保持非晶态,但发生了明显的回春现象。随着循环次数的增加,硬度、室温压缩塑性和冲击韧性都是先增加后减少。在深冷循环5次时,具有最大的室温压缩塑性和冲击韧性,分别为5.02%和4.27 J/cm,与as-cast样品相比,冲击韧性提高了2.6倍。深冷循环处理后,不同纯度原材料制备的Vit-1非晶合金回春程度不同,导致室温力学性能出现差异。低纯度原材料制备的Vit-1非晶合金,由于大尺寸元素Y的作用,导致深冷循环处理过程中原子重排相对容易,因此发生了明显的回春现象。对TiZrHfCuBe高熵非晶合金进行深冷循环处理,深冷循环处理后,其仍旧保持非晶态,但发生了明显的回春现象。随着循环次数的增加,TiZrHfCuBe高熵非晶合金的硬度逐渐降低,室温压缩塑性和冲击韧性逐渐增加,经过20次深冷循环处理后,塑性达到5.38%,约为铸态样品塑性的9倍;冲击韧性约为2.71 J/cm,比铸态样品的冲击韧性提高了67.3%。基于剪切变形区模型,计算了高熵非晶合金剪切变形区的体积与尺寸,发现随着循环次数的增加,剪切变形区的体积与尺寸都逐渐增加,因此导致了塑性的增加。由于高熵效应和迟滞扩散的影响,理论上高熵非晶合金比Vit-1等单一主元非晶合金更难发生回春。但实际深冷循环过程中,高熵非晶合金发生了明显的回春,可能是因为具有较低的脆性指数(18.6),导致深冷循环处理过程中原子重排更加容易。

关键词：块体非晶合金高熵块体非晶合金深冷循环处理杂质回春力学性能剪切变形区

时效深冷循环处理7055铝合金的组织演变规律和性能特征

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稀有金属材料与工程 2013年第S2期42卷 251-254页

作者：李桂荣王宏明袁雪婷蔡云赵玉涛王俊杰江苏大学江苏镇江212013 中国科学院低温工程学重点实验室(理化所) 北京100190 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240

对挤压固溶处理后7055铝合金进行了4道次的时效深冷循环处理,研究了4道次时效-深冷处理过程中7055合金的析出相、位错特征、晶体结构和显微硬度等组织性能特征和变化规律。结果显示:随着循环次数增加,析出相尺寸从数百纳米减小到100 nm... 详细信息

对挤压固溶处理后7055铝合金进行了4道次的时效深冷循环处理,研究了4道次时效-深冷处理过程中7055合金的析出相、位错特征、晶体结构和显微硬度等组织性能特征和变化规律。结果显示:随着循环次数增加,析出相尺寸从数百纳米减小到100 nm,成分主要是AlZn和AlZnMg相,位错密度逐渐增加;且时效-深冷循环处理影响了衍射峰的位置、强度和晶格结构,循环处理3次后,出现65.1°衍射峰。显微硬度测试结果显示:当时效-深冷循环处理2次后,维氏硬度值达到2320 MPa,对应组织特征为:晶内有大量混杂尺寸析出相,尺寸在50～200 nm之间,位错密度高,此时44.7°方向的衍射强度最大。

关键词：深冷循环处理 7055铝合金组织演变显微硬度

深冷循环处理对铁基非晶涂层结构和摩擦磨损性能的影响

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材料保护 2024年第11期57卷 93-100,109页

作者：赵建华黄莉婷庄曙东田芳纪秀林河海大学材料科学与工程学院江苏常州213022 河海大学机电工程学院江苏常州213022 汕头大学机械工程系广东汕头515063

针对铁基非晶涂层塑韧性差的问题,对铁基非晶涂层进行了不同循环次数的深冷循环处理,研究了30次和60次深冷循环处理对涂层结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明:深冷循环处理后,涂层仍与基体结合良好,呈典型的层状结构。深冷循环处理没... 详细信息

针对铁基非晶涂层塑韧性差的问题,对铁基非晶涂层进行了不同循环次数的深冷循环处理,研究了30次和60次深冷循环处理对涂层结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明:深冷循环处理后,涂层仍与基体结合良好,呈典型的层状结构。深冷循环处理没有改变涂层的结构和非晶态本质,但提高了涂层的驰豫焓,涂层的自由体积含量增加,发生了回春现象。深冷循环处理的涂层在不同载荷(5,10,20 N)下的平均摩擦系数和磨损率均在30次时最低,H/E和H^(3)/E^(2)值最大,耐磨性最好。未处理涂层在不同载荷下的磨损机制以脆性剥落为主。深冷循环处理后,涂层的磨损机制由脆性剥落向磨粒磨损转变。深冷循环处理有助于提高铁基非晶涂层的耐磨性。

关键词：铁基非晶涂层深冷循环处理结构摩擦磨损

冷热处理对ZrTiCuNbNiBe块体非晶复合材料组织和性能的影响

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冷热处理对ZrTiCuNbNiBe块体非晶复合材料组织和性能的影响

作者：李港斌南昌大学

学位级别：硕士

块状非晶合金（BMG）具有极高的断裂强度,但它们的剪切行为表现出局域化的特点。这意味着在BMG中,剪切变形主要集中在某些局部区域,而其他区域则几乎不发生变形。这种局域化的剪切行为导致BMG在没有明显的宏观塑性变形情况下就会直接断... 详细信息

块状非晶合金（BMG）具有极高的断裂强度,但它们的剪切行为表现出局域化的特点。这意味着在BMG中,剪切变形主要集中在某些局部区域,而其他区域则几乎不发生变形。这种局域化的剪切行为导致BMG在没有明显的宏观塑性变形情况下就会直接断裂,如果BMG中引入第二相得到非晶复合材料就能有效提高其塑性。本文以ZrTiNbCuNiBe、ZrTiNbCu9Ni5.6Be12.5、Zr58.5Ti14.3Nb5.2Cu6.1Ni4.9Be11.0、Zr60.0Ti14.7Nb5.3Cu5.6Ni4.4Be10.0四种内生块体非晶复合材料为研究对象,利用OM、SEM、EDS、XRD、DSC、显微硬度计、万能机械拉伸机、电化学工作站和热处理炉等,研究了半固态等温处理和深冷处理两种热处理方式对四种非晶复合材料微观组织和性能的影响。实验表明:铸态时,四种Zr基非晶复合材料的晶体相都是β-Zr相,呈树枝晶状,但随着Zr含量增加,晶体相的体积分数增加,分别为25.8%、58.72%、73.49%、89.41%,枝晶逐渐变得密集。半固态等温处理态的材料组织组成不变,β-Zr相呈球状或者类球状,晶体相体积分数分别为27.21%、33.39%、36.83%、45.5%。深冷处理后,β-Zr相大部分仍呈现球状或类球状,但出现部分针状,晶体相体积分数分别为30.3%、31.6%、33.1%、36.3%。三种不同状态（铸态、半固态等温处理态、深冷态）的材料,除ZrTiNbCuNiBe外,其它三种非晶复合材料的β-Zr相体积分数都呈现降低趋势。随着Zr含量增加,四种铸态Zr基非晶复合材料压缩屈服强度分别是1370MPa、1537 MPa、1745 MPa、1612 MPa,塑性逐渐增加,分别是6.4%、7.7%、11.6%、20.5%。半固态等温处理的四种非晶复合材料压缩屈服强度分别为1420MPa、1221 MPa、1167 MPa、1015 MPa,塑性分别为7%、10.6%、20%、26.3%,相比铸态,塑性都分别提升了9.3%、37.66%、72.41%、30.73%。深冷处理后,四种非晶复合材料屈服强度分别为1148 MPa、1300 MPa、1258 MPa、1116 MPa,塑性为14%、15.57%、18.08%、23.96%,相比铸态,四种Zr基非晶复合材料的塑性有所提升。四种铸态非晶复合材料腐蚀速率分别为5.47μm/y、2.42μm/y、5.04μm/y、9.76μm/y,随着Zr含量增加,腐蚀速率规律不明显。半固态等温处理后,四种Zr基非晶复合材料腐蚀速率为别为27.14μm/y、4.50μm/y、15.98μm/y、12.67μm/y,相比铸态,腐蚀速率增加。深冷循环处理后四种非晶复合材料腐蚀速率分别为2.34μm/y,2μm/y,3.31μm/y,3.51μm/y,相比铸态态,四种非晶复合材料的腐蚀速率降低,耐腐蚀性能增强。同时,腐蚀过程中Zr54表面都生成了以Zr O,Ti O,NbO为主的钝化膜。综上所述,深冷循环处理和半固态等温处理均可以改善材料的塑性,但对于材料的耐腐蚀性能,深冷循环处理起到一个提升作用,而半固态等温处理起到一个负面效果。

关键词：块体非晶复合材料半固态等温热处理深冷循环处理力学性能耐腐蚀性能

不同能量状态的块体非晶合金多轴应力作用下变形行为

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不同能量状态的块体非晶合金多轴应力作用下变形行为

作者：褚月鑫沈阳工业大学

学位级别：硕士

块体非晶合金具有高强度、高硬度、大弹性应变极限等优异的力学性能,是一种极具应用前景的先进金属材料,但室温脆性问题却严重制约了其广泛应用。作为一种亚稳态物质,非晶合金内部的能量状态与其力学性能有着直接关联。最近的研究发现... 详细信息

块体非晶合金具有高强度、高硬度、大弹性应变极限等优异的力学性能,是一种极具应用前景的先进金属材料,但室温脆性问题却严重制约了其广泛应用。作为一种亚稳态物质,非晶合金内部的能量状态与其力学性能有着直接关联。最近的研究发现深冷循环处理法可以调控其结构不均匀性以达到改善其室温塑性。但目前针对该方向仍缺少足够的实验数据与机制研究,主要原因是缺乏精确表征非晶微观结构的实验手段和完善的理论模型。微纳米压痕技术由于具有极高的载荷和位移分辨率,可作为一种纳米尺度下的结构探针用于表征非晶合金内部流变单元和结构不均匀性。鉴于此,本文采用氢氩等离子电弧熔炼法制备了铸态ZrCuAlNi(Ro-Zr)、铸态ZrCuNiAlNi(Zr)、置氢态ZrCuAlNi(H-Zr)和置氢态ZrCuNiAlNi(H-Zr)四种典型块体非晶合金,利用深冷循环法对其能量状态进行调控,通过纳米压痕技术、热分析法、室温压缩以及电镜等手段,研究具有不同能量状态特征的非晶合金在多轴应力压下过程中的间歇性塑性变形行为以及蠕变行为,基于流变单元模型揭示冷循环处理后的非晶合金结构的演化规律。研究结果表明:(1)置氢加冷循环处理后非晶合金仍然保持着完全的非晶态结构,其玻璃转变温度T、晶化温度T在1～3K范围内变化,变化幅度很小。(2)未置氢非晶合金深冷循环处理诱导结构回春存在上限,对于Ro-Zr非晶合金,能量峰值出现在第50次深冷循环处理时,其能量从0.57KJ/mol上升到0.6KJ/mol;对于Ro-Zr非晶合金,能量峰值出现在第60次,其能量从0.62KJ/mol上升到0.78KJ/mol。置氢后的非晶合金能量随循环次数增加不断提高。进行70次循环后,H-Zr的能量从1.04KJ/mol上升到1.40KJ/mol,H-Zr的能量从1.07KJ/mol上升到1.53KJ/mol,接近于相同成份的条带状非晶合金。(3)Ro-Zr非晶合金深冷循环处理后压缩塑性得到增加,工程应变从0.17%上升到0.89%。峰值过后随着深冷循环次数增加,非晶合金的塑性下降,工程应变下降到0.31%。Ro-Zr非晶合金塑性随循环次数增加而增加,工程应变从0.33%上升到3.72%。而置氢样品随着能量回复,塑性不断增加,H-Zr的工程应变从0.38%上升到4.46%,H-Zr的工程应变从2.59%上升到6.86%。(4)通过纳米压痕试验研究了非晶合金载荷-位移(P-h)曲线中锯齿流变事件的动态行为。随着加载速率从0.5m N/s增加到10m N/s,锯齿流变现象逐渐减弱,当加载速率达到10m N/s时,锯齿状流变完全消失。统计分析表明,当温度和加载速度一定时,随着能量提升,锯齿流变动力学从混沌状态转变为自组织状态,自组织特征值逐渐降低。观察压痕周围剪切带时发现,自组织状态下的非晶合金生成了更多相互交互的剪切带。自组织动力学状态下的非晶合金,随着能量的提升自组织特征值逐渐降低。(5)基于协同剪切模型理论和流变单元模型,利用纳米压痕加载过程中的锯齿流统计分析和保载阶段的蠕变试验,研究了能量对非晶合金中流动单元的影响规律。随着能量的增加,非晶合金内部流动单元的密度增加。材料的塑性随剪切转变区的增大而增强。流变单元的数量及分布直接影响着剪切转变区的激活,数量越多剪切转变区越容易激活。范围小的流变单元,对塑性提升的贡献更大。在外力作用下氢原子可以辅助流变单元和剪切转变区生成。

关键词：块体非晶合金深冷循环处理锯齿流变流变单元塑性