基于二元互不固溶金屬體系的材料在航天、核聚變工程、電子封裝以及反裝甲武器等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,但由于反應(yīng)熱為正、組元性質(zhì)差異較大,其直接合金化以及相應(yīng)的材料制備都十分困難。針對于此,國內(nèi)外開發(fā)了多種用于二元互不固溶金屬直接合金化的方法,并對合金化過程的熱力學(xué)和擴散機制進行了研究。本文首先綜述了機械合金化、物理氣相沉積和離子束混合3種已有合金化方法的原理、熱力學(xué)機制及其在二元互不固溶金屬粉末合金和納米多層膜等材料中的應(yīng)用。然后,介紹了近些年來本研究組提出并發(fā)展的輻照損傷誘發(fā)合金化、高溫結(jié)構(gòu)誘發(fā)合金化等新型互不固溶金屬合金化方法,詳細(xì)闡述了這2種方法的原理、合金化界面顯微結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)機制、擴散機制和應(yīng)用。最后,展望了二元互不固溶金屬體系合金化研究的發(fā)展趨勢。 

【文章來源】：金屬學(xué)報. 2020年06期 北大核心

【文章頁數(shù)】：20 頁

【部分圖文】：

大塑性變形的工藝示意圖：高壓扭轉(zhuǎn)、等通道轉(zhuǎn)角擠壓、累積疊軋

此外，張欣等[58]通過單軸拉伸實驗并結(jié)合原位電阻測量法，研究了恒定調(diào)制比(組元各層厚度之比)下調(diào)制周期(相鄰2種不同組元厚度的和)對物理氣相沉積所制備的Nb/Cu納米多層膜金屬延性和斷裂韌性的影響，通過該項研究來說明合金化界面的力學(xué)特性。結(jié)果表明，延性和斷裂行為均對調(diào)制周期的尺寸有明顯的依賴性：隨著調(diào)制波長的減小，延性和斷裂韌性均呈現(xiàn)非單調(diào)演變趨勢，即當(dāng)調(diào)制比小于0.5時，隨著調(diào)制周期減小，延性增加；當(dāng)調(diào)制比大于0.5時，隨著調(diào)制周期減小，延性減小。Zhang等[59]采用直流磁控濺射制備調(diào)制周期為5～300 nm的Nb/Cu納米多層膜，發(fā)現(xiàn)在此調(diào)制周期范圍內(nèi)，Nb發(fā)生bcc-fcc結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變，從而與Cu形成fcc/fcc界面，實現(xiàn)了Nb/Cu合金化。研究結(jié)果也表明，由于fcc/fcc界面處產(chǎn)生了較大的晶格錯配度和較高的位錯密度，與上述具有<111>bcc/<110>fcc合金化界面的Nb/Cu納米多層膜材料相比，具有fcc/fcc合金化界面的Nb/Cu納米多層材料的強度和硬度更高。通過物理氣相沉積直接合金化制備的Ag/Cu[60,61]、Mo/Cu[62,63]、Nb/Cu[64,65]、W/Cu[66～68]和Nb/Ag[69]等二元互不固溶金屬納米多層膜的力學(xué)和電學(xué)性能也被廣泛研究。例如，F(xiàn)enn等[64]和Lima等[65]研究發(fā)現(xiàn)，Nb/Cu納米多層膜的電阻率隨Cu層減薄或Nb層增厚而增加，其中Cu層影響最顯著。同時，電阻率隨調(diào)制周期減小而增加，電輸運性質(zhì)的層厚依賴性較強。Monclús等[66]采用直流磁控濺射制備了單層厚度為5～30 nm的W/Cu納米多層膜，發(fā)現(xiàn)W/Cu納米多層膜的硬度不依賴于單層厚度，并在200℃以上溫度退火時硬度急劇下降。Wen等[67]則發(fā)現(xiàn)W/Cu納米多層膜的硬度隨著調(diào)制周期的減小而增大，并且由于Cu和W的相互混合引起W外延平面間距的減小，從而導(dǎo)致W/Cu彈性模量的增加。郭中正等[68]分析了調(diào)制周期和調(diào)制比對W/Cu多層膜力學(xué)和電學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，多層膜裂紋萌生臨界應(yīng)變總體上隨調(diào)制周期增大或調(diào)制比減小而下降，屈服強度、顯微硬度和電阻率總體上均與調(diào)制周期和調(diào)制比呈負(fù)相關(guān)。郭中正等[63]也分析了Mo/Cu納米多層膜的力學(xué)和電學(xué)性能的影響因素，發(fā)現(xiàn)隨著調(diào)制周期的增加，Cu層變厚，晶粒尺寸增加、界面度減小，使Cu層位錯運動阻力減小，塑性變形能力增強，裂紋萌生臨界應(yīng)變增加。調(diào)制波長的增加也會使Mo/Cu層間界面數(shù)量減小，減弱了層內(nèi)和層間的電子散射，使電導(dǎo)率得以提高。Lai等[69]研究發(fā)現(xiàn)，在Nb/Ag納米多層膜中，當(dāng)單層膜厚度為4 nm時，某些區(qū)域尺寸為3～8 nm的晶粒被非晶合金包圍，使其位錯變形機制無法實現(xiàn)，從而使硬度得到極大提高�？梢�，通過物理氣相沉積直接合金化制備的二元互不固溶金屬納米多層膜的力學(xué)和電學(xué)性能與多層膜的調(diào)制周期、合金化界面結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。

利用輻照損傷合金化方法，本研究組成功地制備了W/Ag[100]、Mo/Ag[10,101]和Mo/Cu[102]層狀復(fù)合材料。通過對層狀復(fù)合材料截面的TEM和元素成分線掃描分析發(fā)現(xiàn)(如圖5～7[100～102]所示)，W/Ag,Mo/Ag和Mo/Cu體系中的元素均呈梯度分布，意味著互不固溶的金屬原子之間發(fā)生了擴散，擴散層厚度分別為16、79和12 nm。上述擴散的發(fā)生表明互不固溶金屬成功地實現(xiàn)了直接合金化，構(gòu)建出了冶金結(jié)合界面。拉伸強度測試結(jié)果證明，采用輻照損傷合金化制備的互不固溶金屬層狀復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，其中W/Ag、Mo/Ag和Mo/Cu層狀復(fù)合材料的拉伸強度分別達到107 MPa[103]、150 MPa[10]和87 MPa[102]。本研究組[101]認(rèn)為，互不固溶金屬層狀復(fù)合材料具有高強度的根本原因在于：輻照損傷合金化方法能夠誘導(dǎo)互不固溶金屬元素的相互擴散，實現(xiàn)互不固溶金屬直接合金化，并構(gòu)建出了真正的冶金結(jié)合界面。

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：2931198