纳米金属材料的多级结构制备及优异性能探索研究

项目名称： 纳米金属材料的多级结构制备及优异性

起止年限：依托部门：能探索研究

卢柯 中国科学院金属研究所 2012.1至2016.8 中国科学院

首席科学家：

一、关键科学问题及研究内容

本项目拟解决的关键科学与技术问题包括：多级纳米结构在金属材料中的形成演化规律和制备技术，多级纳米结构金属材料的本征力学性能、塑性变形机制、疲劳损伤机制及结构-性能关系，多级纳米结构金属材料的理化性能特征和综合性能调控途径，多级纳米结构金属材料的结构稳定性特征及其调控途径，多级纳米金属材料的规模化制备技术及工业应用。

针对上述关键科学问题，本项目拟主要针对以下四类典型多级纳米结构金属材料展开研究：

1）纳米孪晶结构：多晶体中所有晶粒或部分晶粒由纳米尺度孪晶结构组成； 2）表层梯度纳米结构：指晶粒尺寸自表及里在空间上呈梯度分布（纳米-亚微米-微米），梯度纳米结构层的厚度超过百微米。

3）纳米多孔结构：由纳米尺度（最小可至3-4 nm）的金属柱和纳米尺度的孔洞交互贯通而成的网络状结构；

4）复相纳米镶嵌结构：指由两种或多种纳米相复合或相互镶嵌而形成的纳米结构。

本项目拟分别选择两类材料作为研究对象，即具有典型结构特征的模型材料和具有普适性的典型工程材料。如表1所示，模型材料主要集中在纯金属和简单合金，如纯Cu、Ni、Fe、Au和单相合金材料Cu-Al合金及Al合金等，通过研究模型材料的微观结构形成和演化机制、微观结构和力学及理化性能、结构稳定性、强韧化机制和损伤机制等，建立多级纳米结构的结构-性能关系和提高综合性能的原理。实用材料主要包括Cu合金、Al合金、奥氏体不锈钢、奥氏体高锰钢、耐热钢、低合金钢等，利用多级纳米材料的结构-性能关系和综合性能优化原理，研究其综合力学及理化性能（如强度、塑性、韧性、导电性、导热性、耐腐性、耐磨性，低温表面合金化以及稳定性等），发展具有优异综合性能的多级纳米结构金属材料并推动其工业应用。主要开展以下工作：

表1： 本项目研究材料结构体系、材料类别及主要目标汇总表 多级结构

模型材料 目标 实用材料 (性能)目标

纳米孪晶结Cu, Cu-Al合金 强韧化机制，损Cu合金 高强、高导电/热； 构 伤机制 奥氏体不锈钢、奥高强、高耐腐性； 结构稳定性 氏体高锰钢 高强、高韧/塑 表层梯度纳米结构 Cu, Ni, Fe，结构形成机制、不锈钢（管材、棒高强、高韧、高疲Cu-Al合金 本征变形机理，材、板材）、碳钢、 劳性能；高耐腐蚀、疲劳及断裂机高Mn钢、耐热钢 耐磨性；低温表面理、扩散和化学合金化 反应机制 Au 微结构形成过Ag、Cu、Ni等金属表面诱发的功能效程，变形机理和以及相应合金 应 强韧化机制 Cu-Al合金 结构稳定性机Al合金 高强高韧 Al合金 制、强韧化机制 低合金钢 高热稳定性 Fe-Zr合金 复相形成机理不锈钢 及变形机制 纳米多孔结构 复相纳米镶嵌结构 1 金属材料多级纳米结构的设计、结构形成原理与演化规律

(1) 针对模型材料，研究金属材料的基本结构-性能关系和宏观性能调控原理，分别设计具有不同特征尺寸、不同空间和成分分布和不同体含量的纳米孪晶结构、表层梯度纳米结构、纳米多孔结构以及复相纳米镶嵌等多级结构，并通过发展制备技术、控制制备工艺，实现多级纳米结构的可控制备。利用多级纳米结构的性能特征，通过分别调控多级结构的特征参数实现对多个宏观性能的优化。 （2） 针对不同的制备方法，研究模型材料的制备原理及结构演化规律，如电解沉积过程中单质Cu的纳米孪晶结构生长热力学和动力学原理；研究塑性变形技术制备的多级纳米金属材料（纯金属、合金及各种钢材）的微观结构纳米化演变过程、组织结构及缺陷的演化规律及组织细化机制，变形孪生及纳米晶粒结构的动力学条件、变形组织中剪切带的形成与演变规律；研究控制相变制备复相纳米镶嵌结构过程中基体和析出相在时效过程中的结构和成分演化规律、析出反应热力学和动力学规律。

2 金属材料多级纳米结构的可控制备技术及工艺优化

针对宏观力学性能和理化性能研究工作的需要，发展各类多级纳米结构金属材料的制备技术和工艺过程。

（1）研究电解沉积过程中沉积参数和电解溶液参数等对纳米孪晶Cu中孪晶尺寸、孪晶密度、取向等的影响；研究动态塑性变形（DPD）过程中应变速率、变形温度及层错能对模型材料（Cu、Cu合金及不锈钢）中纳米孪晶及纳米晶粒组织尺寸、密度、含量和空间分布等的影响；

（2）研究表面机械碾磨处理（SMGT）及表面机械研磨处理（SMAT）过程中工艺参数对Cu、Ni、Cu-Al合金等模型材料表层梯度纳米结构的影响规律。优化工艺条件，研究工艺参数对奥氏体不锈钢和高Mn钢多级纳米结构的形成规律及对强度和韧性的影响。

（3)利用脱合金腐蚀法制备金、铂等贵金属，铜、镍等非贵金属高质量纳米多孔金属样品。研究脱合金腐蚀过程中结构形成和演变规律以及裂纹产生的原因，在非贵金属或合金体系中获得无裂纹、结构尺寸细小可控的高质量样品，并在此基础上构建多级结构。

（4）利用控制相变技术、动态塑性变形、剧烈塑性变形（如HPT等）及后续热/机械处理制备多相纳米复合镶嵌结构。研究纳米Cu-Al合金、 Fe-Zr合金、Al合金中的分解析出反应的规律，阐明纳米材料中高密度缺陷的形成规律以及由此导致的高扩散性和反应活性，研究原位析出反应时沉淀相的形核和析出相及其长大的热力学和动力学规律，实现复相纳米镶嵌结构结构的可控制备。 3 金属材料多级纳米结构的塑性变形机制及综合性能调控

（1）针对几种模型材料（如Cu, Cu-Al合金），系统研究纳米孪晶金属的力学性能（如强度、塑性、加工硬化、疲劳性能及断裂韧性等）、导电性、扩散性能、耐腐蚀性等，建立多级纳米孪晶模型材料的结构-综合力学性能、理化性能的关系。着重研究位错与孪晶界面的交互作用、孪晶界面结构与界面能量的关系，澄清多级纳米孪晶金属材料的塑性变形机理和断裂损伤机理。结合晶格位错理论和原子尺度模拟，系统研究不同结构金属中晶界孪生机制，揭示不同晶界孪生机制所对应的力学响应特征。

（2）针对表层梯度纳米金属模型材料（如Cu, Ni, Fe,Cu-Al合金等）， 研究其如强度、塑性、应变速率敏感性、裂纹萌生、扩展过程及疲劳性能，以及塑性变形所导致的微观结构变化、微区损伤演化、疲劳位错组态变化，揭示位错与晶