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Ta-Nb-Hf-Zr-Ti系高熵合金中有序氧复合体的形成和调控机制研究

批准号:
52101194
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
雷智锋
依托单位:
学科分类:
金属低维与亚稳材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
雷智锋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
难熔高熵合金具有高的强度和优异的抗高温软化性能,在航空航天领域具有巨大的应用前景。然而,难熔高熵合金通常具有室温脆性,加工性能不足。针对此问题,本申请拟在Ta-Nb-Hf-Zr-Ti系难熔高熵合金中通过氧掺杂引入有序氧复合体对其进行强韧化。采用实验结合计算模拟对难熔高熵合金氧掺杂前后原子尺度微观结构进行解析,阐明金属组元短程有序促使有序氧复合体形成的物理本质,揭示有序氧复合体的形成机制。进一步,依据平均价电子浓度理论调节Ta-Nb-Hf-Zr-Ti系难熔高熵合金相稳定性,研究其相稳定性对金属组元短程有序及氧掺杂后有序氧复合体形成的影响。同时,研究氧含量对难熔高熵合金中有序氧复合体形成及力学性能的影响。综合难熔高熵合金相稳定性和氧含量的调控,建立基于有序氧复合体强韧化难熔高熵合金的成分设计原则,并将这一强韧化机制应用于钛合金。本项目的完成为利用间隙原子设计高强度高塑韧性金属材料提供理论指导。
英文摘要
Refractory high-entropy alloys (RHEAs) have attracted considerable attention for aerospace applications owing to their unique properties, such as high yield strengths and large softening resistance at elevated temperatures. However, RHEAs are normally brittle at room temperature, resulting in insufficient processing capability. To address this challenge, this project will introduce ordered oxygen complexes (OOCs) into Ta-Nb-Hf-Zr-Ti RHEAs via alloying oxygen and investigate the toughening mechanism. Firstly, the atomic-scale microstructure of RHEAs before and after doping oxygen will be deciphered through experimental and computational investigations. On basis of this, the physical essence of short-range orders of metallic elements promoting the formation of OOCs will be expounded, and then the formation mechanism of OOCs will be disclosed. Secondly, based on the average valence electron concentration theory, the phase stability of Ta-Nb-Hf-Zr-Ti RHEAs will be tuned, and then the effects of phase stability on the short-range orders of metallic elements and the formation of OOCs after doping oxygen will be explored. Also, the effects of oxygen contents on the formation of OOCs and the corresponding mechanical properties of RHEAs will be studied. Finally, via tuning the phase stability and oxygen contents of RHEAs, a universal alloy design criterion based on OOCs for strengthening and toughening RHEAs will be established, and the OOC-mediated strain hardening mechanism will be extended to titanium alloys. The implement of the proposed research will provide theoretical guidance for designing advanced metallic materials with high strength and ductility via doping interstitial atoms.
难熔高熵合金兼具高的熔点和高熵合金结构特点,展现出一系列突出的性能优势,如室温及高温强度高、抗高温软化能力强及高温抗蠕变性能佳,有望应用于航空航天等关键领域。然而,难熔高熵合金常表现出明显的室温脆性,拉伸性能严重不足,因而难以机械加工,极大限制了其广泛应用。本项目在Ta-Nb-Hf-Zr-Ti系难熔高熵合金中通过氧掺杂引入有序氧复合体对其进行强韧化,解决了难熔高熵合金室温脆性难题,实现了其拉伸强度和塑性的同步提升。首先,通过实验与计算模拟相结合的研究手段,对TiZrHfNb合金在氧掺杂前后的原子尺度微观结构进行了深入分析,阐明了金属组元短程有序在有序氧复合体形成中的关键作用,揭示了氧原子与金属原子间相互作用的物理本质及有序氧复合体的形成机制。进一步,基于平均价电子浓度理论,对合金体系的相稳定性进行了优化调控,研究了相稳定性对金属组元短程有序及氧掺杂后有序氧复合体形成的影响规律。此外,系统研究了氧含量对合金微观结构及力学性能的调控作用,发现适量氧掺杂不仅能有效促进有序氧复合体的形成,还显著提高了合金的强度与塑性。在此基础上建立了基于有序氧复合体的难熔高熵合金强韧化设计原则,并成功将该机制应用于钛合金的强韧化改性中,进一步拓展了其实际应用价值。项目执行过程中,严格按照计划完成各项研究任务,取得了一系列重要成果。截至目前,已发表SCI论文11篇,包括Nature Communications 1篇、Materials Today 1篇、Acta Materialia 2篇;申请发明专利3件,其中2件已获授权。此外,项目负责人荣获教育部“长江学者奖励计划”青年学者及湖南省“芙蓉学者奖励计划”青年学者等荣誉称号,并培养硕士研究生2人,博士研究生1人。
轻质高强难熔高熵合金的沉淀析出行为及变形机理
  • 批准号:
    2025JJ30017
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    雷智锋
  • 依托单位:
基于Snoek弛豫效应的难熔高熵合金设计及阻尼机理研究
  • 批准号:
    52371153
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    51万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    雷智锋
  • 依托单位:
国内基金
海外基金