Monel400不銹鋼板現(xiàn)貨針對LIBS光譜儀研制過程中所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題,通過有限元模擬和實驗相結(jié)合的方法,深入研究了合金元素對材料熱穩(wěn)定性的影響以及如何設(shè)計低膨脹合金來滿足光譜儀對材料的要求;通過分子動力學(xué)模擬的方法,探討了金屬液滴在不同基底上的潤濕和融合行為,為鍍膜工藝提供理論指導(dǎo),并應(yīng)用于離子刻蝕光柵制造。后將改進的技術(shù)應(yīng)用于儀器,并進行了測試。主要內(nèi)容如下:(1)使用低膨脹材料可以滿足光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。研究表明,對于低膨脹鑄鐵和鑄鋼,選取35%Ni,進行1050℃淬火和300℃×2h回火處理的低膨脹鑄鐵具有相對優(yōu)異的性能,當(dāng)A1含量為5.5%時,合金具有較高的強度和較低的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)鈷含量在30%左右時,膨脹系數(shù)達到低。少量的Ti元素能夠細(xì)化Fe-Ni-Co合金的組織,減少合金中O、S等雜質(zhì)元素的含量,并能降低合金的熱膨脹系數(shù);過多的Ti元素反而會造成合金熱膨脹系數(shù)的升高。Mn對合金低膨脹性能有有害作用,但可以提高合金的強度。通過以上原則設(shè)計的合金材料,經(jīng)過ANSYS熱變形仿真模擬與原材料對比分析可得,扇形板在0 ℃-50℃范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)變形為±5μm,光學(xué)系統(tǒng)縱向(衍射方向)變形為36μm,羅蘭園圓弧切線方向變形為19μm,滿足了儀器甚至制造領(lǐng)域的材料匹配和系統(tǒng)設(shè)計的問題。
鍍膜工藝作為離子刻蝕光柵制造技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一,與材料表面潤濕性問題有關(guān)。因此,我們用分子動力學(xué)模擬的方法研究了金屬液滴的表面潤濕現(xiàn)象和融合行為。結(jié)果表明,Ag液膜在粗糙基底上會發(fā)生反潤濕現(xiàn)象,并終脫離基底,這一現(xiàn)象受到液膜的形狀、尺寸和表面的粗糙度等因素的影響。金屬液滴在不同種類的金屬基底表面潤濕性差異巨大,這主要是由液體-基底之間的相互作用決定的。進一步研究異種元素液滴的融合時,發(fā)現(xiàn)存在“水平融合”或“垂直融合”兩種融合機制,這與基底表面的粗糙度所控制的潤濕性有關(guān)。因此,可以通過改變材料表面的粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整液滴的潤濕性,從而使得液滴在基底表面能夠較好的鋪展,有利于改進鍍膜工藝。通過實驗驗證,發(fā)現(xiàn)減小基底粗糙度,提高蒸鍍溫度,減小基底溫度,采用二次鍍膜技術(shù),均有利于提高膜層的均勻性和穩(wěn)定性。(3)使用由新的鍍膜技術(shù)開發(fā)的光柵以及由低膨脹鑄鐵合金作為支架的光學(xué)系統(tǒng),設(shè)計了全新的光譜儀。其光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性達到±5μm,譜線中心位置漂移不超過1個像元,不加恒溫的情況下仍能進行較穩(wěn)定的分析;其衍射效率超過進口光柵,在紫外波段元素N、P、S、C仍能夠獲得較好的分析;它還*突破了相態(tài)的局限性,可對粉末狀的樣品,如土壤中的元素N、P、K、Pb、Sb、Cd、As、Sn進行分析,為儀器進入環(huán)保領(lǐng)域奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
Zr及其合金作為廣泛應(yīng)用于核工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的重要材料,具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能,如Zr具有良好的抗輻照性能和中子吸收截面積小,Zr及合金所具有的耐腐蝕性和優(yōu)異抗氧化性能等。隨著科技的迅猛發(fā)展,Zr合金在空、天、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸增多,以應(yīng)對更為苛刻的應(yīng)用環(huán)境。本文以Zr及其合金為研究對象,探索高溫高壓處理條件對其相變和組織演化以及性能的影響規(guī)律,并系統(tǒng)研究了相組分和顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系;結(jié)合性原理計算方法,探討了鋯金屬ω相的增強機制以及相應(yīng)的形變行為,為進一步設(shè)計性能優(yōu)異的Zr合金奠定理論基礎(chǔ)。通過合理調(diào)控高溫高壓處理工藝條件,制備出了具有α′馬氏體和高壓ω相的高強韌性Zr金屬塊體,其屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率分別達到~616 MPa、~734 MPa和14.9%,與粗晶Zr相比強度提升了一倍;制備獲得了具有針狀馬氏體組織的Ti金屬塊體,其屈服強度、抗拉強度和斷后延伸率分別達到455.5 MPa、495.2MPa和36.2%,較粗晶Ti塊體相比強度提升了53%。強度的提升源于高溫高壓處理后細(xì)小的針狀α′馬氏體和ω相的形成。研究結(jié)果表明高壓能夠顯著抑制原子地擴散,從而起到細(xì)化α相、促進細(xì)小針狀α′馬氏體和高壓ω相的形成。通過對Ti-30Zr-5Al-3V(TZ-30)合金進行等壓變溫和β相區(qū)變壓熱處理,研究高溫高壓處理方法對合金結(jié)構(gòu)、微觀組織以及力學(xué)性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果證明:在2 GPa壓力和15℃/s降溫速率下,由β相區(qū)“淬火”處理能獲得綜合力學(xué)性能較好的TZ-30合金塊體,其抗拉強度和斷后延伸率達到1387 MPa和7.9%,微結(jié)構(gòu)分析表明材料強度提升源于所形成的細(xì)小針狀馬氏體中含有大量位錯和層錯。TZ-30合金中α″馬氏體含量隨著處理壓力的升高而增加,高壓抑制TZ-30中α′馬氏體生成而促進α″馬氏體形成的效果非常顯著,5 GPa高壓和693℃處理后,合金組織全部由α″馬氏體所組成。
綜合分析認(rèn)為TZ-30合金中α″馬氏體是以亞穩(wěn)狀態(tài)留存在樣品中,其穩(wěn)定存在的原因是其內(nèi)部出現(xiàn)的位錯、層錯和孿晶等微結(jié)構(gòu)缺陷的釘扎作用所致。在α″馬氏體相TZ-30合金拉伸實驗過程中發(fā)現(xiàn),拉應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生的α″→α′相轉(zhuǎn)變使應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)雙屈服現(xiàn)象,且其楊氏模量也隨著α″馬氏體含量的增多而直線下降,α″馬氏體相TZ-30合金的楊氏模量僅為34 GPa?；谖覀兊膶嶒灁?shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)分析,提出了α″型Ti(Zr)合金的楊氏模量與合金平均價電子數(shù)呈線性減小的關(guān)系,該結(jié)果為發(fā)展新型低模量科研Zr(Ti)合金提供了新思路。通過性原理計算方法研究了Zr材料ω相的變形機制,結(jié)果表明ω-Zr的剪切模量是α-Zr的1.37倍,ω-Zr弱滑移系為,其理想剪切強度為3.25GPa,是α-Zr弱滑移系的1.62倍。ω-Zr強化作用源于其化學(xué)鍵中更加合理的電子局域構(gòu)型,導(dǎo)致其抵抗彈塑性變形的能力增大。結(jié)合多晶體發(fā)生均勻塑性變形的von Mises判據(jù),提出了多晶棱面滑移錐面滑移和棱面滑移錐面滑移兩種可能的形變機制。材料的凝固工藝對其微觀組織及使用性能有著重要影響。在快速凝固條件下,凝固過程*偏離平衡凝固條件,經(jīng)典凝固理論里面很多平衡條件下的假設(shè)都不再適用,且基于快速凝固所制備的磁性材料,如非晶軟磁材料和納米晶永磁材料等,其綜合磁性能、強度、塑性、耐磨性等相對傳統(tǒng)鑄造工藝制備的材料有所提高,廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)。因此,研究磁性材料快速凝固過程微觀組織演變對進一步優(yōu)化材料性能具有舉足輕重的作用。

在快速凝固過程中,如何提高合金的玻璃形成能力（Glass Forming Ability,GFA）,提出定量、通用的GFA判據(jù),以預(yù)測新的非晶材料體系并在更小的臨界冷卻速度（Rc）下制備出更大尺寸的大塊金屬玻璃（Bulk Metallic Glasses,BMGs）軟磁材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),解決目前現(xiàn)有GFA判據(jù)紛繁復(fù)雜且不具有普適性的問題,一直是非晶材料研究領(lǐng)域的重要難題。理論上,Rc應(yīng)該是合金GFA直接、通用的表征參數(shù),但對于快速凝固過程難于通過實驗直接準(zhǔn)確地測量。
Monel400不銹鋼板現(xiàn)貨如何快速、準(zhǔn)確地獲得合金的Rc,并研究影響合金GFA的深層次物理機制,如非晶本質(zhì)、玻璃轉(zhuǎn)變及晶相與非晶相競爭等,成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵。此外,基于銅?？焖倌谭ㄖ苽浯髩K非晶并輔以適當(dāng)晶化法為制備三維大塊、各向異性納米基復(fù)合材料提供了新的途徑,但樣品的GFA、凝固組織的均勻性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到理想要求,嚴(yán)重影響材料的終磁性能,限制了其進一步應(yīng)用。如何提高銅?？焖倌踢^程中樣品的GFA和優(yōu)化樣品的顯微組織,成為提升納米基復(fù)合永磁材料綜合磁性能的關(guān)鍵。并且,由于金屬材料在銅模快速凝固過程中,存在不透明、研究尺度小和溫度高等多重因素的限制,因此,僅僅通過實驗來研究和控制快速凝固過程中的眾多參數(shù)對凝固微觀組織的影響和觀測演變界面瞬時形貌困難較大。隨著計算材料學(xué)的發(fā)展,計算模擬輔助實驗成為材料研究領(lǐng)域新的方向。其中,相場法由于其具有統(tǒng)一的方程且無需跟蹤界面,已成為研究材料微觀組織演化過程及其內(nèi)在機理和規(guī)律的有力工具之一。但是,目前相場模擬主要針對平衡凝固過程組織演變研究,而通過相場法來提出定量、通用的GFA判據(jù),并研究不同外加工藝參數(shù)下,連續(xù)快速凝固過程中晶相與非晶相的競爭過程、微觀組織的演變等問題的文章尚在少數(shù)。