随着航空航天产业对于材料服役温度、比强度等性能的需求越来越高,轻质、难熔、高强的多元合金已经成为一种潜在的Ni基高温合金的替代品。为了设计并筛选得到一款轻质高强的多元体系合金,使用相图计算(CALPHAD)方法确定多元合金体系,通...随着航空航天产业对于材料服役温度、比强度等性能的需求越来越高,轻质、难熔、高强的多元合金已经成为一种潜在的Ni基高温合金的替代品。为了设计并筛选得到一款轻质高强的多元体系合金,使用相图计算(CALPHAD)方法确定多元合金体系,通过高通量磁控共溅射物理气相沉积法制备一系列Al Nb Ta Ti VZr多元合金涂层,以筛选出该体系下拥有良好性能的涂层成分。XRD测试和计算结果显示,随着涂层样品的原子尺寸错配度增加、混合焓变负以及混合熵变大,样品逐渐由体心立方(BCC)结构转变为非晶结构。纳米压痕测试结果表明,Ti元素含量更高的样品具有更大的硬度,而Al、Nb和Ta元素含量更高的样品具有更高的弹性模量。在摩擦磨损试验中,BCC结构表现出全程较低的摩擦因数(约为0.15),且拥有最低的磨损率和最小的最大磨损深度;部分结晶的涂层在摩擦过程中生成的自润滑氧化物剥落,没有起到很好的保护作用,而非晶样品由于未生成足够的自润滑氧化物,摩擦因数较高,这两种结构的涂层均被磨穿。筛选最终发现,成分为Al_(20.5)Nb_(27.6)Ta_(8.4)Ti_(27.3)V_(5.9)Zr_(10.3)的涂层Ti元素含量最高,该涂层具有本体系下最高的硬度,约为9.4 GPa,同时该样品的弹性模量也接近本体系下样品弹性模量的最高值,约为136.5 GPa。BCC结构的涂层中,成分为Al_(7.6)Nb_(41.8)Ta_(11.5)Ti_(20.5)V_(3.9)Zr_(14.7)的涂层具有本体系下最好的耐摩擦磨损性能。最终,通过相图计算与高通量试验结合的方法,成功设计一款轻质高强的多元合金体系,并分别筛选得到本体系下具有最高硬度和最好耐摩擦磨损性能的成分。研究结果解释了该体系下合金结构随成分变化的规律,并为该体系下合金性能的筛选提供一定的指导。展开更多
文摘随着航空航天产业对于材料服役温度、比强度等性能的需求越来越高,轻质、难熔、高强的多元合金已经成为一种潜在的Ni基高温合金的替代品。为了设计并筛选得到一款轻质高强的多元体系合金,使用相图计算(CALPHAD)方法确定多元合金体系,通过高通量磁控共溅射物理气相沉积法制备一系列Al Nb Ta Ti VZr多元合金涂层,以筛选出该体系下拥有良好性能的涂层成分。XRD测试和计算结果显示,随着涂层样品的原子尺寸错配度增加、混合焓变负以及混合熵变大,样品逐渐由体心立方(BCC)结构转变为非晶结构。纳米压痕测试结果表明,Ti元素含量更高的样品具有更大的硬度,而Al、Nb和Ta元素含量更高的样品具有更高的弹性模量。在摩擦磨损试验中,BCC结构表现出全程较低的摩擦因数(约为0.15),且拥有最低的磨损率和最小的最大磨损深度;部分结晶的涂层在摩擦过程中生成的自润滑氧化物剥落,没有起到很好的保护作用,而非晶样品由于未生成足够的自润滑氧化物,摩擦因数较高,这两种结构的涂层均被磨穿。筛选最终发现,成分为Al_(20.5)Nb_(27.6)Ta_(8.4)Ti_(27.3)V_(5.9)Zr_(10.3)的涂层Ti元素含量最高,该涂层具有本体系下最高的硬度,约为9.4 GPa,同时该样品的弹性模量也接近本体系下样品弹性模量的最高值,约为136.5 GPa。BCC结构的涂层中,成分为Al_(7.6)Nb_(41.8)Ta_(11.5)Ti_(20.5)V_(3.9)Zr_(14.7)的涂层具有本体系下最好的耐摩擦磨损性能。最终,通过相图计算与高通量试验结合的方法,成功设计一款轻质高强的多元合金体系,并分别筛选得到本体系下具有最高硬度和最好耐摩擦磨损性能的成分。研究结果解释了该体系下合金结构随成分变化的规律,并为该体系下合金性能的筛选提供一定的指导。
