高熵非晶合金热塑性微成形能力及微尺度光栅表面性能研究

摘要

在大块非晶合金的开发历程中，人们都致力于寻找具有超高玻璃形成能力的合金。将高熵合金的高熵概念运用到非晶合金中，将有助于开发具有大玻璃形成能力的非晶合金，即高熵非晶合金。目前，人们已经开发出具有高玻璃形成能力的高熵非晶合金，并对其力学性能、生物及物理等性能进行了系统探索。然而，作为一种具有玻璃转变及过冷液态区的非晶材料，高熵非晶合金的热塑性微成形能力却鲜为人知；对具有微纳结构高熵非晶合金表面的研究也未见报道。这极大限制了高熵非晶合金在微纳尺度领域的应用。针对上述背景，本文选择TiZrHfNiCuBe高熵非晶合金作为研究对象，系统开展了以下研究： 首先，采用电炉熔炼铜模吸铸制备了高熵非晶合金样品并对其物性进行表征。通过等温晶化测试，获得不同温度下高熵非晶合金的孕育期，在此基础上建立了Time-Temperature-Transformation（TTT）曲线，据此获得其热塑性成形的时间—温度窗口。通过单向压缩实验建立起了高熵非晶合金的形变图，并与热压印试验结果对比，发现牛顿流变有利于高熵非晶合金的热塑性成形，但当成形尺寸减小到10微米级别时，过冷液态高熵非晶的成形变得非常困难。通过粘度测量和理论计算发现，高熵非晶合金在过冷液相区的高粘度与低脆度（mf=27）是限制其热塑性微成形能力的主要原因。为了突破这一困境，本研究通过有限元模拟，理论预测了超声振动可有效提高其热塑性微成形能力；并采用分子动力学模拟，探索了其物理机制。 鉴于TiZrHfNiCuBe高熵非晶合金低的热塑性微成形能力，本研究采用飞秒激光加工技术在其表面加工出具有不同尺寸的光栅结构。相比于亲水的高熵非晶合金表面，这些具有光栅结构的表面具有疏水性，且接触角随光栅宽增加而增大。理论分析表明，高熵非晶合金表面微结构中的空气袋，是使其具有疏水性的主要原因。对激光制备的高熵非晶合金表面进行摩擦磨损实验发现，这些具有微结构的表面较光滑表面（摩擦系数=0.5）具有低的摩擦系数。对槽宽为20μm的表面，当摩擦方向垂直于光栅结构时，摩擦系数减小至0.15；当摩擦方向平行于光栅结构时，摩擦系数减小到0.3。但当光栅结构槽宽增加到100μm时，摩擦系数反而大于光滑表面，增加到了0.55。理论分析表明，摩擦系数的减小主要源自摩擦副之间的接触面积减小。 本文系统评估了TiZrHfNiCuBe高熵非晶合金的热塑性微成形能力，探索了其微观机理，提出了采用高频振动加载提高其微成形能力，同时研究了微尺度光栅结构对高熵非晶合金表面润湿性和摩擦系数的影响。不仅从理论层面探究高熵非晶合金的微成形性及表面性能，更为其今后的研究与应用开辟了道路。

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