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西南交大徐轶团队《MSEA》:基于高熵化思路构筑多尺度阻尼界面,利用协同内耗行为提升阻尼性能!

 材料科学网 2022-09-28 发表于江西
减振降噪一直以来都是轨道交通、航空航天、海洋工程等领域致力于解决的重要问题。本文采用真空熔炼法制备了一种阻尼性能优异的FeMnCrCo双相高熵阻尼合金。研究了合金元素含量对其微观结构、阻尼行为以及磁性能的影响。着重分析了合金阻尼行为与孪晶界面、磁性能以及相界面的依赖性。结果表明,随着合金元素调控,ε马氏体(HCP)逐渐向γ奥氏体(FCC)转变,且孪晶数量逐渐增加。阻尼峰值(Q-1)0.0442增加到了0.0595,增幅达34.6%。磁机械滞后、孪晶界面运动以及相界面运动的耦合作用提供了合金优异的阻尼性能。通过相以及孪晶等结构调控,实现多种阻尼机制协同,从而显著提高阻尼性能。

阻尼合金,是一种能够吸收振动机械能并将之转化为热能而耗散掉的功能性结构材料。目前具有高阻尼性能的合金,可分为铁磁型、位错型、孪晶型以及复相型等。如何控制振动、冲击和噪声在工程应用中造成的危害一直以来都是亟需解决的问题。特别是在轨道交通、航空航天、精密仪器等领域,均先后开展了大量关于减振降噪技术的研究。高熵合金是一种化学长程无序、短程有序的新型多主元合金,因其具有高混合熵而具有独特的组织特征和良好的综合性能。相较于传统合金,其在结构材料和功能材料方面具有更为广阔的发展潜力。因此,利用高熵化的多主元合金设计思路,以期引入更多的阻尼界面,从而提升合金在阻尼方面的性能是一种有意义的探索和尝试。

为此,西南交通大学徐轶特聘研究员和核动力研究设计院的科学家们密切合作,联手提出了一种高熵合金多尺度阻尼界面的构筑策略。利用FeMnCrCo高熵合金中对Co元素的有效调控,降低层错能以诱发纳米孪晶生成。纳米孪晶与合金两相的多尺度界面构筑,为材料内部的能量耗散提供了更多的阻碍,从而产生了阻尼效应。研究发现,随着纳米孪晶的增加,阻尼内耗峰值增大,且阻尼内耗特征更倾向于孪晶型阻尼机制。同时,合金阻尼行为与孪晶界面、磁性能以及相界面具有明显的依赖关系。相关论文以题为“Twinning Damping Interface Design and Synergistic Internal Friction Behavior in FeMnCrCo High-entropy Alloys”发表在Materials Science and Engineering A。论文第一作者与通讯作者均为西南交通大学徐轶特聘研究员。

论文链接:
/10.1016/j.msea.2022.144040


1 FeMnCrCo高熵合金EBSD

1(a)中黑色粗线为大角度晶界,黑色细线为小角度晶界,红色的线为孪晶界。随着Co含量增加,晶粒尺寸不断减小,合金基体中的孪晶界不断增加,其值分别为1.35%3.29%4.60%9.56%Co元素的增加降低了合金体系的层错能。在图3a中,孪晶数量的增加就是层错能随Co含量增加而降低的标志。从EBSD相分布图(图1(b))可知,随Co含量的增加,ε马氏体含量逐渐减少,γ奥氏体含量逐渐增加。值得注意的是,Co20合金两相分布较为均匀,细化后的ε板条马氏体与γ奥氏体基体错落排列,两相含量几乎各占一半。与此同时,随着Co含量的增加,合金基体中的大角度晶界逐渐减少,小角度晶界逐渐增加(图1(c))。

图2 FeMnCrCo高熵合金的TEM图

2a1-d1)为Co5-Co20高熵合金的TEM明场像图;图2a2-d2)为各成分合金的高分辨图;图2a3-c3)分别为Co20高熵合金中的孪晶组织、γ奥氏体相以及ε马氏体相的选区衍射斑点图。Co5Co10高熵合金仅由εγ两相组织组成,且两相相界原子排布取向夹角为70°;而Co15高熵合金中则出现少量的孪晶组织,且其孪晶组织较为细小。当Co含量提升至20at%,在Co20高熵合金中发现了大量的孪晶、层错以及位错(图2d2),其中孪晶组织呈平行排列。此外,通过对选区衍射斑点的标定,进一步佐证了合金中存在γ奥氏体相马氏体相两相组织以及大量的生长孪晶。

图3 应变幅度及频率对阻尼特性的影响

采用DMA法测定了高熵合金的阻尼随应变振幅(图3)及频率(图4)的变化关系。Co5~Co15 HEAs的内耗性能随应变振幅的变化趋势大致相同,也就是内耗(Q-1)在较小的应变幅度范围内(<0.02)迅速增加,在较大应变振幅范围(>0.02)增加相对缓慢,整体上随应变振幅的增加而单调地增加,然后逐渐变平,最终达到最高的阻尼峰值。而Co20合金的内耗在0.02~0.04的应变振幅范围内保持快速增长。在变频率的条件下(图4),总的变化趋势从Co5的随频率的增大阻尼逐渐增大到Co20的随频率的增大阻尼逐渐减少。然而,在频率变化范围之内,Fe65-xMn20Cr15Cox高熵合金体系几乎均能保持较好的阻尼性能,它们均属于高阻尼合金。Co20合金在低频(1~2Hz)时,阻尼性能相比另外三种成分的合金具有明显的优势,然而随着频率的增大这种优势逐渐下降,在高频率表现出阻尼与频率无关性。

图4 FeMnCrCo高熵合金的TG-DSC曲线

在加热过程中,各成分高熵合金没有明显的质量损失或氧化增重现象(图4)。而DSC曲线在加热过程都出现一个吸热峰和放热峰,其中吸热峰对应于从ε → γ的转变。Co元素的含量并没有改变Fe65-xMn20Cr15Cox高熵合金体系的相变类型。但相变特征温度却略有变化。总体上而言,该体系高熵合金的相变特征温度随着Co元素含量的增加整体向高温方向偏移。这可能是不同Co含量的合金内部磁性质的差异导致的相变温度的差异。

图5 FeMnCrCo高熵合金的阻尼温度曲线

各个成分的高熵合金的阻尼值随测试温度的变化趋势几乎一致(图5)。随着测试温度的上升,阻尼值先保持在一个稳定的数值,而当温度升至200 ℃左右时,四种合金均出现一个较高的阻尼内耗峰,并且Co20合金获得最大值(Q-1max = 0.1056)。值得注意的是,相比另外三个合金,Co20合金的阻尼高温稳定性更为出色,在保持高阻尼性能的同时,温度可达275℃左右,这极大地拓宽了合金的服役温度范围。

图6 FeMnCrCo高熵合金的磁滞回线

随着Co含量的增加,高熵合金的磁饱和强度(Ms)和剩余磁化强度(Br)显著降低(图6),合金也逐渐从铁磁型合金转变为顺磁型合金。Co的原子磁矩小于Fe的原子磁矩,Co元素的磁性弱于Fe元素,因此Co含量的增加和Fe含量的降低导致Fe65-xMn20Cr15Cox高熵合金体系磁性能的降低;其次,Co含量的增加使得体系混合熵的增大,使合金更倾向于形成高度无序的固溶体,原子间的随机键合也使得体系的平均原子磁矩减小,最终形成磁性更弱的无序固溶体结构。

该研究揭示了高熵化对于多尺度阻尼界面构筑的重要性,并且证明了通过合金元素来调控相组成和孪晶晶界,可以为探索阻尼合金的耦合内耗机制与阻尼协同作用提供新的思路。(文:熊王文)

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