【摘要】：合金作為結(jié)構(gòu)與功能材料在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來,隨著多組元復(fù)雜成分合金的發(fā)展,高熵合金(HEAs)逐漸引起研究者們的注意。高熵合金一般定義為由五種或以上元素以等原子比或近等原子比形成固溶體結(jié)構(gòu)的一類合金。已有的研究報道發(fā)現(xiàn),高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無法比擬的力學(xué)與物理性能,如高強(qiáng)度、低溫韌性、良好熱穩(wěn)定性性以及抗輻照性等,優(yōu)異的綜合性能使得高熵合金具有廣闊的應(yīng)用前景。相比單相高熵合金,雙相高熵合金兼具良好的韌性與較高的強(qiáng)度,以及高溫下高強(qiáng)度等優(yōu)異性能。因此,作為性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料,雙相高熵合金的強(qiáng)化機(jī)制一直是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn),然而目前仍然缺少相關(guān)的系統(tǒng)研究。另外,如何設(shè)計并制備出具有雙相結(jié)構(gòu)的高硬度高熵合金薄膜也是成為了目前高熵合金領(lǐng)域中的巨大挑戰(zhàn)。本文選擇具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)(FCC)的3d過渡族金屬高熵合金CoCrCuFeNi與具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)(BCC)的難熔金屬高熵合金MoNbTaW兩組高熵合金,利用磁控濺射設(shè)備制備了CoCrCuFeNi/Al與MoNbTaW/Al多層膜,并對薄膜進(jìn)行了550℃C的退火處理。采用X射線衍射和透射電子顯微鏡等方法表征了樣品的微結(jié)構(gòu)特征,并利用納米壓痕技術(shù)測量了薄膜的硬度。本文提出了一種可調(diào)控的雙相高熵合金薄膜制備方法,并研究了雙相高熵合金的硬度與微觀結(jié)構(gòu)、尺度效應(yīng)之間的關(guān)系,并探討了其強(qiáng)化機(jī)理。主要結(jié)論如下:1.界面合金化是一種有效的可調(diào)的雙相高熵合金薄膜制備方法。CoCrCuFeNi/A1多層膜經(jīng)過退火處理后,A1原子擴(kuò)散進(jìn)入CoCrCuFeNi層并形成新的BCC相,從而得到FCC/BCC雙相結(jié)構(gòu)的薄膜;CoCrCuFeNi/Al雙相高熵合金的強(qiáng)化效果表現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng)。當(dāng)調(diào)制周期?λ=10nm,調(diào)至比η=2時,薄膜合金化效果最好,其最高硬度達(dá)到10.44 GPa;2.Al原子顯著較大的原子半徑增加了晶格畸變,從而帶來顯著的固溶強(qiáng)化。因此,CoCrCuFeNi/Al雙相高熵合金薄膜的主要強(qiáng)化機(jī)制為A1原子產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化與兩相間的相界面強(qiáng)化共同作用。3.與CoCrCuFeNi/Al相比,MoNbTaW/Al具有完全不同的強(qiáng)化機(jī)制。不同于CoCrCuFeNi/Al之間的FCC/FCC界面,MoNbTaW/Al之間的BCC/FCC界面對位錯運(yùn)動的阻礙作用更大,因此MoNbTaW/Al中界面的強(qiáng)化作用更顯著。退火后薄膜硬度的提升主要由于A1原子擴(kuò)散產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。MoNbTaW/Al的強(qiáng)化現(xiàn)象中存在臨界尺度,當(dāng)MoNbTaW厚度為50 nm時,異質(zhì)界面的強(qiáng)化作用與固溶強(qiáng)化作用均達(dá)到最大,使得薄膜的硬度高達(dá)14.8 GPa。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TG139
【圖文】：

及價電子濃度［１７Ｌ逡逑從結(jié)構(gòu)上來看，多種不同尺寸的原子隨機(jī)占據(jù)晶格格點(diǎn)必然會導(dǎo)致明顯的晶逡逑格畸變效應(yīng)。如圖１．２所示，布拉格衍射能體現(xiàn)出高熵合金的嚴(yán)重晶格畸變效應(yīng)，逡逑一些研究也通過高分辨透射電子顯微鏡，Ｘ射線衍射以及中子衍射等表征手段證逡逑實了高熵合金中的晶格畸變效應(yīng)［１４，邋１８－２０］。值得一提的是，晶格畸變效應(yīng)能通逡逑過固溶強(qiáng)化的方式提高高熵合金的強(qiáng)度與硬度，并且由于增強(qiáng)了對電子與聲子的逡逑散射，使高熵合金與純金屬和傳統(tǒng)合金相比通常具有高電阻，高熱阻等性能。逡逑圖１．２高熵合金晶格畸變對布拉格衍射的影響：（ａ）同種原子組成的完美晶格；（ｂ）多種逡逑不同尺寸原子組成的晶格畸變較大的晶格［２］］逡逑晶格畸變導(dǎo)致的另一個結(jié)果是，從動力學(xué)上來說，高熵合金內(nèi)的擴(kuò)散速率通逡逑常較慢，即遲滯擴(kuò)散效應(yīng)。此效應(yīng)可以解釋高熵合金中納米顆粒沉淀相的形成，逡逑９逡逑

１．１．４氋熵合金的性能逡逑根據(jù)１．１．２中提到的雞尾酒效應(yīng)，高熵介金可以通過增減、替換元素、改變元逡逑素含量等方法在很大的范圍內(nèi)調(diào)Ｗ其性能。例如圖１．４［２３］所�。�，不同高熵合金的逡逑硬度差異極人，最高的ＭｏＴｉＶＦｅＮｉＺｒＣｏＣｒ維氏硬度超過８００邋ＨＶ，而最低的逡逑ＣｏＣｒＣｕＦｅＮｉ不到２００邋ＨＶ。另外，通過加入Ａｌ、Ｔｉ等輕質(zhì)金屬元素降低密度，逡逑高熵合金能獲得高于傳統(tǒng)合金的比強(qiáng)度，如圖１．５。在圖中可以發(fā)現(xiàn)，在獲得高逡逑比強(qiáng)度的同時，高熵合金的楊氏模量能在極大的范圍內(nèi)變化，這也是除非品合金逡逑外其他合金材料難以實現(xiàn)的。逡逑在高熵合金中，決定強(qiáng)度和硬度的主要因素是晶體結(jié)構(gòu)，ＦＣＣ結(jié)構(gòu)ＨＥＡＡ逡逑丫ｆ低強(qiáng)度和高塑性［２４］，而ＢＣＣ結(jié)構(gòu)的ＨＥＡ在室溫下表現(xiàn)出高強(qiáng)度和低塑ｔ＇ｌ：逡逑［２５］。對于傳統(tǒng)合金，其楊氏模量主要由主元決定，例如Ｆｅ基合金模量／Ｉ：邋２００逡逑ＧＰａ左右；Ｔｉ基合金模量在ｌｌＯＧＰａ左右；Ａ１基合金模量在７５ＧＰａ左右。而高逡逑熵介金的模１｜丨：則／Ｉ：很人范丨彳彳內(nèi)變化

２０邐４０邐６０邐８０邐１００邐１２０邐１４０邐１６０邐１８０邐２００邐２２０邐２４０逡逑Ｙｏｕｎｇ＇ｓ邋ｍｏｄｕｌｕｓ邋（ＧＰａ）逡逑圖１．５各種高熵合金與常見合金的模量與比強(qiáng)度的關(guān)系［２７］逡逑另外，由于高熵合金的晶格畸變效應(yīng)增加了對電子和聲子的散射，使得高熵逡逑合金通常具有高電阻、高熱阻的特點(diǎn)。由于晶格畸變也導(dǎo)致再結(jié)晶的驅(qū)動力減小，逡逑所以高熵合金的再結(jié)晶溫度一般明顯高于傳統(tǒng)合金，因此高熵合金通常具有良好逡逑的熱穩(wěn)定性。逡逑１２逡逑

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本文編號：2754224