新型輕質(zhì)超高強NiTi-Al結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為及強韌化機制結(jié)題摘要

項目完成了超高強定向凝固NiTi-Al基金屬間化合物的制備及取向優(yōu)化控制，并揭示其微觀力學(xué)行為和強韌化機制。[001]取向合金具有高強度和超線彈性，彈性極限最高可達4%，但其斷口組織處未見位錯和孿晶等塑性變形特征。[102]取向合金應(yīng)力應(yīng)變曲線展現(xiàn)出塑性，彈性極限下降為2%左右，有明顯屈服現(xiàn)象，斷口處存在{112}<111> 變形孿晶。SEM原位拉伸結(jié)果發(fā)現(xiàn)[102]取向合金裂紋源首先在脆性強化相Ti2Ni相或Nb /Ti2Ni共生組織中萌生，裂紋擴展緩慢，當(dāng)應(yīng)力積累到1500N時，裂紋擴展開裂。斷口表面基體組織中發(fā)現(xiàn)較為密集的變形跡線，對變形跡線進一步分析表明，它們包括滑移帶和孿晶，主要是（-211）<111>位錯滑移和（12-1）<-111>變形孿晶。TEM原位拉伸結(jié)果進一步證實，在裂紋擴展前未發(fā)現(xiàn)位錯和孿晶，裂紋擴展同時在裂尖前方應(yīng)力誘發(fā)形變孿晶，釋放應(yīng)力，裂紋沿孿晶界呈鋸齒狀繼續(xù)擴展，引發(fā)裂尖位錯形成，應(yīng)力不斷集中與釋放的過程，使裂尖形態(tài)不斷重復(fù)由尖銳變鈍過程。TEM高分辨發(fā)現(xiàn)在部分變形孿晶界上發(fā)現(xiàn)了ω相析出，與基體的取向關(guān)系為[-113]B2//[2-1-1-3]ω, (110)B2//(1-101)ω和 (2-11)B2//(0-110)ω，ω相晶格常數(shù)與bcc基體關(guān)系如下：a_ω=√2 a_bcc，c_ω=√3?2 a_bcc，c_ω?a_ω ≈0.612，空間群為D_6h^1 (P6?mmm)，其慣習(xí)面位于bcc基體相的{112}面。高溫拉伸時富Nb相和Ti2Ni相動態(tài)球化，大量納米級β-Nb相析出，800℃拉伸時納米相對位錯有一定的釘扎作用。隨著拉伸溫度增加至900℃，有再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，納米級β-Nb粗化，Nb的固溶強化作用和對位錯釘扎作用減弱，高溫強度取決于納米Nb析出相與位錯交互強化作用，Nb析出后引起固溶強化效果弱化以及高溫再結(jié)晶軟化幾方面共同作用。在NiTi-Al基合金中發(fā)現(xiàn)了一種含20%Nb的新強化相，具有孿晶或非孿晶兩種形態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)確定為底心單斜結(jié)構(gòu)：a = 0.987 nm, b = 0.504 nm, c = 1.172 nm, α = γ = 90°, β = 130.18°，空間群為C2/c。NiTi-Al金屬間化合物通過取向優(yōu)化和成分優(yōu)化可獲得塑性、高強度、高彈性極限的良好匹配。完成了項目的研究內(nèi)容，并達到研究目標(biāo)。 2100433B

NiTi-Al金屬間化合物是有望滿足先進航空發(fā)動機中溫區(qū)使用的超高強新型結(jié)構(gòu)材料。申請者前期采用定向凝固和微合金化法獲得了拉伸強度超過2000MPa，斷裂韌性為35 MPaom^1/2以上的B2型NiTi-Al金屬間化合物，其力學(xué)特性表現(xiàn)為超線彈性變形及韌性斷裂特征，既不同于B2結(jié)構(gòu)NiAl和FeAl的脆性斷裂行為，也不同于NiTi形狀記憶合金馬氏體相變引起的偽彈性行為。TEM表明，NiTi-Al超高強度和韌性斷裂與其形變孿晶與位錯、析出相及微裂紋萌生均發(fā)生了相互作用有關(guān)。本項目擬以定向凝固NiTi-Al結(jié)構(gòu)材料為研究對象，闡明其宏觀力學(xué)行為，確定高強度和高韌性的關(guān)鍵可控因素，明確孿晶形成機理，孿晶與位錯、共格析出相、以及微裂紋萌生與擴展之間相互作用機制，建立宏觀力學(xué)行為和微觀形變機制內(nèi)在聯(lián)系，揭示NiTi-Al金屬間化合物力學(xué)行為和強韌化機理，為發(fā)展新型輕質(zhì)高性能超高強結(jié)構(gòu)材料奠定基礎(chǔ)。

泡沫鋁由于其獨特的孔結(jié)構(gòu)及組合性能，在超輕結(jié)構(gòu)-功能應(yīng)用上受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。泡沫鋁獲得規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵在于發(fā)展高強韌泡沫鋁的高效連續(xù)制備技術(shù),為此，項目通過內(nèi)生少量微細第二相顆粒及低溫物理增粘共同作用下的熔體泡沫穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)均勻性控制機理、強韌化機制等科學(xué)問題研究，建立高強韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化制備基礎(chǔ)理論體系，為實現(xiàn)高強韌泡沫鋁的連續(xù)制備奠定基礎(chǔ)，促進泡沫鋁工業(yè)的發(fā)展。 在內(nèi)生少量微米第二相（Al-Si-Fe-Mg系）及低溫物理增粘（低于常規(guī)發(fā)泡溫度10-20℃）的共同作用下，實現(xiàn)了Al-Si系合金熔體泡沫的穩(wěn)定性控制。熔體泡沫的穩(wěn)定，一是通過降低熔體溫度提高粘度，通過粘度的提高穩(wěn)定熔體泡沫結(jié)構(gòu)；二是內(nèi)生少量微細第二相，通過第二相對粘度的作用、第二相空間網(wǎng)絡(luò)對熔體流動的阻礙作用、部分元素（如Mg）降低熔體表面張力的作用，提高熔體泡沫的穩(wěn)定性。另外，在Al-Fe-Si系合金中添加0.5%的稀土元素后，發(fā)現(xiàn)可泡沫化熔體的Fe含量可以從2%降低到0.2%。此現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為Al-Fe-Si-Mg系合金泡沫的強韌化奠定了成分基礎(chǔ)。 研究獲得了TiH2在鋁熔體中的分散性、氣泡的非均勻形核、TIH2的表面處理及其分解特性變化等規(guī)律，對二次發(fā)泡泡沫鋁的孔結(jié)構(gòu)控制規(guī)律有了深入的了解。 采用二次發(fā)泡法制備了平均孔徑3.5 mm、孔隙率80%的ZL111合金泡沫，研究了變質(zhì)處理、T6熱處理對ZL111合金泡沫組織及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：T6熱處理后，Y&Sr復(fù)合變質(zhì)的ZL111合金泡沫，其α-Al保持了原先的變質(zhì)效果，共晶硅呈球狀且分布均勻，并在晶界析出彌散分布的第二相CuAl2及Al9FeMg3Si5；Y&Sr復(fù)合變質(zhì)的ZL111合金泡沫，其屈服強度從未熱處理、未變質(zhì)的13.3MPa 增加到T6熱處理后的22.6 MPa、致密化應(yīng)變從59.3%增加到76.9%、能量吸收值從4.87 MJ/m3增加到13.77 MJ/m3。 本研究的意義在于，改變了傳統(tǒng)熔體發(fā)泡制備泡沫鋁的Ca增粘穩(wěn)定熔體泡沫模式，實現(xiàn)了在內(nèi)生少量微米第二相及低溫物理增粘條件下的熔體泡沫穩(wěn)定性控制，為泡沫鋁的連鑄-二次發(fā)泡連續(xù)制備奠定了基礎(chǔ)。研究表明，該設(shè)想是可行的。該研究對于開發(fā)高性價比泡沫鋁提供了科學(xué)、可行的方法和技術(shù)，對推動泡沫鋁的工業(yè)應(yīng)用有重要意義。

泡沫鋁由于其獨特的孔結(jié)構(gòu)及組合性能，在超輕結(jié)構(gòu)-功能應(yīng)用上受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。泡沫鋁獲得規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵在于發(fā)展高強韌泡沫鋁的高效連續(xù)制備技術(shù),為此，項目提出：在內(nèi)生少量微細第二相顆粒作用下獲得兼?zhèn)淇蛇B鑄、可泡沫化和可強韌化特征的鋁合金熔體，通過先驅(qū)體連鑄、先驅(qū)體二次泡沫化及泡沫鋁強韌化處理，實現(xiàn)高強韌泡沫鋁的連續(xù)制備。項目通過內(nèi)生少量微細第二相顆粒及低溫物理增粘共同作用下的熔體泡沫穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)均勻性控制機理、強韌化機制、連鑄溫度場和流場等科學(xué)問題研究，建立高強韌泡沫鋁的連鑄-二次泡沫化制備基礎(chǔ)理論體系，為實現(xiàn)高強韌泡沫鋁的連續(xù)制備奠定基礎(chǔ)，促進泡沫鋁工業(yè)的發(fā)展。