高稳定Fe基纳米晶的可控制备及其热稳定机制研究

从纳米材料的制备到实际的工程应用存在一个非常重要的中间阶段-稳定化阶段。本项目研究如何在制备过程与稳定化过程之间建立本征物理联系，指导高稳定纳米晶体材料的可控制备。通过深过冷非平衡凝固方法制备纳米晶单相固溶体。建立一个综合考虑晶粒长大热力学（晶界能效应）和动力学（移动性效应）的热-动力学模型精确量化纳米材料的晶粒演化及热稳定机制。通过提取非平衡凝固起始状态参量、凝固组织本征状态量和高稳定态纳米晶状态参量，以纳米晶初始状态参量（晶粒尺寸、溶质浓度、界面驱动力等）为纽带建立初始凝固状态-凝固终止状态-纳米晶最终稳定状态的显性/隐性关系，建立一体化模型，预测并指导高稳定纳米晶体材料的可控制备。

纳米晶体材料表现出常规材料难以具备的高强度、高韧性、高硬度以及良好的耐磨性等优异性能。然而，一旦纳米晶长大为常规粗晶，其特殊性能将显著减弱或消失。从纳米材料的制备到实际的工程应用存在一个非常重要的中间阶段−稳定化阶段。本项目主要内容为：1、通过深过冷/激冷非平衡凝固方法制备纳米晶/微晶单相固溶体；2、通过建立热-动力学模型精确量化纳米材料的晶粒演化及热稳定机制；3、通过提取非平衡凝固起始状态参量、凝固组织本征状态量和高稳定态纳米状态参量，建立一体化模型。针对第一部分的研究成果为：通过悬铸法极冷快速凝固技术成功制备出30-50nm Fe-B单相纳米晶。通过对不同溶质浓度Fe-B合金单相过饱和固溶体进行不同时间的热处理，揭示了溶质偏聚导致晶界能降低引起的纳米热稳定机制。通过熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法制备了过冷Ni-Fe微晶，其细化机制分别为重熔导致的枝晶碎断和应力积累导致的再结晶。第二部分研究成果为：建立了综合考虑晶粒长大热力学（晶界能效应）和动力学（激活能效应）的完整热-动力学模型并精确量化了纳米材料的晶粒演化及热稳定过程，提出了晶粒生长/稳定的本征控制机制。该原创性成果发表在了材料类权威期刊Acta Mater.（IF：3.9）上。建立了动态偏聚条件下晶粒二次生长及稳定模型，提出溶质偏聚/沉淀形成关联过程中导致纳米晶粒稳定的本质原因仍为晶界能而非第二项沉淀。第三部分研究成果为：过冷Ni-B微晶生长机制中的过冷度、溶质拖拽和溶质截留的本征关联效应的研究和预测。Ni-Fe合金中固态晶粒交替生长机制对深过冷凝固组织演化的影响。深过冷Fe-Cu合金中亚稳相形成、转变及残余过程的相关研究成果。纳米材料形成过程中的非平衡效应必将影响其随后的晶粒演化及最终的热稳定性，进而影响材料的性能和用途。遗憾的是，无论是国际上还是国内对于纳米晶体材料从制备初始状态到最终达到高稳定状态的一体化研究却始终是空白。本项目的研究提出了制备过程与稳定化过程之间的本征物理参量，建立了两个过程之间的本征物理联系，有助于推动高稳定纳米晶/微晶材料一体化生产的实现，对高稳定、高性能纳米晶/微晶材料的制备提供有效的指导。