Rare Metals 深圳大学马将:超声振动辅助高熵合金毫秒级多尺度塑性成形

【内容简介】日前,深圳大学机电与控制工程学院马将教授课题组Rare Metals上发表了题为“Ultrasonic vibration-assisted multi-scale plastic forming of high-entropy alloys in milliseconds”的研究文章, 在室温条件下,运用超声振动辅助塑性成型的方式在高熵合金CoCrFeNiMn上快速制备出从宏观到纳观的多尺度结构。在低于10MPa、390K条件下,通过超声振动辅助塑性变形的方式在小于1s的时间内制备出具有不同尺度的结构,样品的力学性能也获得有效提升。另外,研究人员还通过对微观组织演化进行分析,观察到了位错、孪晶和层错等缺陷的存在,提出了超声振动辅助塑性成型的成型机理。

Rare Metals 深圳大学马将:超声振动辅助高熵合金毫秒级多尺度塑性成形
【文献链接】https://doi.org/10.1007/s12598-022-02171-2

【作者简介】
    马将,男,深圳大学机电与控制工程学院特聘教授,国家优秀青年科学基金获得者。2009年本科毕业于东南大学材料科学与工程专业,2014年在中国科学院物理研究所获得凝聚态物理博士学位。长期主要从事新型金属材料的微纳精密成型、高频动态加载变形及应用研究。在Science Advances,Materials Horizons,Acta Mater. ,Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文80余篇。担任Matter、Mater. Today、Sci. Rep.等学术期刊的审稿人及Materials Futures编委。

Rare Metals 深圳大学马将:超声振动辅助高熵合金毫秒级多尺度塑性成形
马将

【背景介绍】高熵合金以其优异的比强度、抗断裂、耐腐蚀、抗氧化等性能受到了广泛的关注。这类材料的加工成型,特别是从宏观到纳米的多尺度结构的快速构建,是实现其工业化应用的关键。深圳大学马将教授课题组在Rare Metals上提出了一种在高熵合金上实现多尺度结构制备的有效方法,即超声振动辅助的室温快速成型加工。在超声振动这种特殊的应力条件下,CoCrFeNiMn高熵合金的成型应力有效地从1.53 GPa降低到了6.87 MPa,且整个过程发生在几百毫秒内。利用透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)研究了位错与孪生协同的塑性变形机制。目前的研究结果不仅为高熵合金多尺度结构的加工成型提供了新方法,而且揭示了其在高频振动作用下塑性变形的机制。

Rare Metals 深圳大学马将:超声振动辅助高熵合金毫秒级多尺度塑性成形


【文章亮点】1. 提出了一种在毫秒内加工高熵合金的新方法。2. 采用超声振动辅助塑性成形技术(UAPF)可以实现HEAs的多尺度结构成型。3. 超声振动作用下,塑性变形机制为位错诱发塑性变形和孪晶诱导塑性变形。4. UAPF工艺具有成型压力低、温度低、成形质量好等优点。

【图文解析】

Rare Metals 深圳大学马将:超声振动辅助高熵合金毫秒级多尺度塑性成形
图1 (a) UAPF示意图;
(b) 具有凸的“HEA”字母结构的模具;
(c) 复制有图b中结构的HEA样品;
(d) CLSM图像表示b和c中蓝色和红色正方形区域的平面度;
(e) 具有凹的“HEA”字母结构的模具;
(c) 复制有图e中结构的HEA样品;
(d) CLSM图像表示e和f中橙色和黄色正方形区域的平面度。

图1a为超声振动辅助高熵合金塑性成型的工艺示意图,将高熵合金、结构模具依次放入限位模具中,通过调节参数对其施加高频循环动态加载既得带有复制结构的高熵合金。这些结果表明通过超声振动辅助高熵合金塑性成型,可以在高熵合金表面制备不同类型的宏观结构并保证复制结构的平面度。

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图2 (a) 复制有直槽结构HEA样品的SEM图像;
(b) 具有直槽结构模具的SEM图像;
(c) HEA样品复制的交叉槽结构的CLSM图像;
(d)具有交叉槽结构模具的CLSM图像;
(e)采用200 nm阳极氧化铝(AAO)模板制备的HEA纳米线的SEM图像;
(f)采用390nm AAO模板制备的HEA纳米线的SEM图像;
(g)SEM下直径为200 nm的纳米线的横向形貌。

通过类似的操作方法对直槽、交叉槽进行复制成型,并通过对AAO模板和高熵合金施加超声振动随后溶解AAO模板的方法实现了纳米线的成型。这些结果表明超声振动辅助塑性成型对高熵合金表面的微纳结构成型也提供了一种快捷有效的方法。

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图3 (a) 铸态HEA样品的HRTEM图像;
(b) UAPF处理HEA样品的HRTEM图像;
(c) 图b蓝色箭头的一维傅里叶滤波图像。位错以符号⊥的形式呈现;
(d) EBSD图像显示位错密小角度晶界;
(e) 低倍TEM图显示高密度缺陷;
(f) HRTEM图像显示堆叠层错(SFs);
(g) 图f中黄色正方形区域的HRTEM放大图像;
(h) HRTEM图像显示SFs;
(i) 图h内黄色正方形区域的HRTEM放大图像;
(j) TEM图像显示孪晶(DT)的特征;
(k) 在j区绿色正方形区域对应的HRTEM图像;
(l) 图k的FFT图像显示DT特征;
(m) EDS图像显示元素分布。

随后对施加超声振动前后的样品进行表征,通过TEM可以观测经过超声振动辅助塑性成型的高熵合金截面存在大量位错、层错、孪晶。不仅如此,EBSD分析也在结构处发现了大量小角度晶界。研究人员结合实验表征结果和以往研究人员的研究内容,对超声振动辅助塑性成型的机理进行了推测,即位错和孪晶协同诱导高熵合金塑性变形。

Rare Metals 深圳大学马将:超声振动辅助高熵合金毫秒级多尺度塑性成形

图4 (a) 铸态HEA与UAPF处理的HEA硬度对比;
(b) 凹凸结构成形过程的时间-应力曲线;
(c) UAPF过程中温度分布图像和温度数值分布。

而高频超声振动作用于金属表面使得晶粒细化和小角度晶界带来的强化使得处理后的样品表面硬度比未处理的高熵合金增强几乎一倍。通过压力传感器对过程中的应力进行测试,发现其应力(<10 MPa)远远小于之前我们对高熵合金进行冷压印所需的应力(1.53 GPa)。同时,通过红外成像仪采集温度信息表明高频超声振动施加的过程中温升最高只有100K,并且在15 s后就恢复至接近室温。这将极大避免材料因热效应而产生的不良影响。


【全文小结】1.通过超声振动辅助塑性成型极易制备宏观-纳观结构2.过程中应力低、温升不明显、时间短3.塑性成型的机理主要为位错诱导塑性变形和孪晶诱导塑性变形4.制备的结构表面硬度有所提升。

文章转自微信公众号“稀有金属RareMetals”,根据需要有所修改。

原创文章,作者:马将,如若转载,请注明出处:https://www.bmgforming.com/research-express/6047.html

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