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新材料国重张勇教授团队获批广东省联合基金重点项目

作者: 日期:2020-03-19 来源:
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北京科技大学新金属材料国家重点实验室张勇教授团队牵头主持的“块体非晶合金三维平衡增长理论与应用”项目,作为“2019年度广东省基础与应用基础研究基金联合基金重点项目”被正式立项。该项目基于大尺寸块体非晶合金结构性能特点,以应用于电子电力行业的块体铁基非晶合金的玻璃形成能力及晶化机制为研究对象,探索熵与合金体系相结构和性能之间的关系,利用熵调控的设计理念实现铁基块体非晶合金成分优化设计,建立熵调控块体非晶合金设计准则。通过优化和改进平衡凝固理论,采用3D打印技术、凝固控制(过冷控制、相变控制)等手段,构建块体非晶合金的平衡凝固模型,确立块体非晶合金相结构与凝固工艺流程的关系,实现平衡凝固过程在块体非晶合金中的应用。确立块体非晶合金的晶化机制,完善非晶合金与晶态材料的连接机制,实现非晶合金与晶态材料复合器件的制备。项目的成功实施将为快速高效开发的大尺寸块体非晶合金提供理论指导,为开发新型电子电力非晶合金提供新的研究思路,大大提升块体非晶合金的产业化应用进程。该项目的合作单位包括佛山科技学院和东莞宜安新材料研究院有限公司,三支团队已建立深入的学术交流,和良好的合作关系。

2020年3月18日,张勇教授团队“一种高通量筛选用Cr-Fe-V-Ta-W系高熵合金薄膜及其制备方法”发明专利获批授权。高熵合金在硬度、抗压强度、韧性、热稳定性等方面具有潜在的显著优于常规金属材料的特质,而高熵合金薄膜在耐腐蚀涂层、光热转化涂层以及耐辐照材料领域的应用前景受到广泛关注。以低活化元素作为主元的高熵合金薄膜材料在具备上述良好性能的基础上兼具低活化性,有望在辐照环境下得到应用。然而,高熵合金组元多、成分复杂多变,常规试错法成本高而效率低。该发明专利提出一种高通量筛选用Cr-Fe-V-Ta-W系高熵合金薄膜及其制备方法。薄膜成分为(CraFebVc)100-x(TadWe)x(其中6<x<100,a、b和c的取值满足Cr、Fe和V中任意两种元素的物质的量之差不超过各元素总物质的量的2%,d和e的取值满足Ta和W的物质的量之差不超过各元素总物质的量的3%)。CrFeV和TaW两个合金靶由电弧熔炼、感应熔炼或粉末冶金制备,使用两靶共溅射方法制备的高熵合金薄膜横向为相同成分,纵向上Cr、Fe和V的含量呈梯度下降分布,相应的Ta和W含量梯度上升,相组成由非晶态结构向体心立方结构转变。Cr、Fe和V的在基片中心位置±4cm范围内成分梯度变化率为2-3 %/cm,Ta、W的在该范围内成分梯度变化率为4-5 %/cm。实现了通过一次共溅射得到成分梯度分布的高通量筛选用Cr-Fe-V-Ta-W系高熵合金薄膜的制备。

近日,张勇教授团队在期刊《Intermetallics》上在线发表了题为《Sub-grain formation in Al-Li-Mg-Zn-Cu lightweight entropic alloy by ultrasonic hammering》(超声锤作用下Al-Li-Mg-Zn-Cu轻质多组元合金的亚晶形成)的文章。将高熵合金的设计方法与轻质合金相结合,利用高熵合金相形成规律,张勇教授团队设计Al80Li5Mg5Zn5Cu5多组元合金,它具有强度高、塑性好、精密成形性能好的优势。借助超声锤对样品表面的周期性锤击行为,对这一合金进行了表面改性,合金表层粗大的枝晶结构被破碎成分散分布的微米级颗粒,晶粒尺寸从大于200 μm显着细化到5 μm,并在动态回复过程中形成了亚晶。与没有超声锤击的粗晶粒合金相比,经过处理的合金表层显微硬度和模量分别提高了50%和22%。

图1 Al-Li-Mg-Zn-Cu轻质多组元合金中的亚晶形成

张勇教授团队长期致力于“锯齿行为、高通量技术和组合原理 (Serration behaviors, high throughput technology and collective phenomena)”的研究,提出了正则溶体构型熵和混合焓比值参量 Ω,用来评价材料的构型熵值,已被大量文献证明可以有效的预测固溶体和非晶相的形成;2007 年合成了第一个高强、高韧的体心立方高熵合金AlCoCrFeNiTix,超越了大多数大块非晶的力学性能。近年来,张勇教授团队在铝镁合金和太阳能光热技术领域潜心研究,利用高熵概念开发了新型 AlMgLi 系航空用轻质合金;开发了高温稳定的高性能光热转换太阳能选择吸收涂层,并在此基础上发展了基于共溅射的高通量筛选技术,成功使用一次溅射实现梯度成分合金的制备。

图2 高通量制备成分梯度高熵合金薄膜示意图。

目前,张勇教授已出版中/英文专著五部,参与两部教材的章节写作。取得了8项国家发明专利授权,其中转让一项。发表学术论文200多篇,SCI引用5000多次,在期刊《Progress in Materials Science》上发表了两篇文章。2016年接受Nature期刊就高熵合金方面进行专题采访(封面文章“Potent Mixture”)。曾参与组办材料研究学会的题为“高熵合金和非晶合金”、“高熵合金超高温材料”、“材料中的锯齿和噪声”、美国MRS秋季会议“High entropy alloys”、美国材料与技术MS&T“Large flunctuation and collective phenomena”的学术研讨会。获得国家自然科学二等奖一项,教育部自然科学一等奖一项,省部级二等奖两项。

图3 张勇教授出版或参与出版的中英文专著。

图4 张勇教授团队成员。