基于裂纹扩展的涡轮叶片热障涂层寿命预测模型

热障涂层在高温热循环的服役环境中会出现性能退化,最终剥离失效.本文以等离子喷涂的YSZ涂层为研究对象,基于亚临界裂纹扩展模型,引入临界能量释放率指数模型,结合改进的热生长氧化层增厚模型,推导了涂层循环失效预测模型.通过和公开的实验数据对比,验证了本文方法的准确性.之后将该模型应用于国内某型燃气轮机涡轮导叶热障涂层的寿命预测.结果表明,随着热生长氧化层的增厚,当达到临界厚度时在陶瓷层和黏结层界面会出现应力反转.陶瓷层和黏结层界面出现的拉伸应力会诱导附近微小裂纹扩展.此时热生长氧化层进一步增厚,将会加速裂纹的扩展速度,直至裂纹贯通,界面出现剥离失效.涂层寿命与服役温度呈指数递减规律,在一定范围内提高陶瓷层和黏结层界面粗糙度可以延长涂层服役寿命.本文模型对预测等离子喷涂的YSZ涂层寿命具有很好的应用价值.     

Ni62.5Al37.5合金马氏体相变的计算机模拟研究

利用嵌入原子类型的势函数，进行了Ｂ２结构Ｎｉ６２．５Ａｌ３７．５单晶中热诱发马氏体相变的分子动力学模拟，通过分析形核和非形核区域内晶格振动，应变分布等的差异，探讨了马氏体形核长大的微观机理。此外，还讨论了Ｎｉ原子和Ａｌ原子振动性质的差异对相变的影响。     

Mg和Ag元素对二元Al-Cu合金时效析出的影响

研究了微量Mg和Ag元素对二元Al-Cu合金时效析出的影响. 研究表明, 单独加入Mg或Ag元素没有显著地改变合金的时效析出相, 但影响了析出相的形核速率和生长速率. 然而, 当Mg及Ag元素共存于二元Al-Cu合金时, Mg和Ag元素相互吸引强烈, 在Al基体{111}面形成原子簇. 这种原子簇促进了Cu原子沿基体(111)面的偏聚与非均匀形核, 降低了给基体带来的晶格畸变能, 从而使得Mg原子簇成为Ω相的优先形核区域, 抑制了θ′相的形核.     

串联电脉冲沉积Ni20Cr弥散Y2O3微晶涂层及其高温氧化性能

提出了一种把脉冲电源的输出两极均作为沉积电极、被处理试样作为一种感应电极、利用产生的串联脉冲放电沉积金属涂层的新技术. 通过“针-板-针”电极系统的放电电压-放电间隙测量实验证实了上述串联脉冲放电的物理过程. 采用振动式串联电脉冲沉积设备在Ni20Cr合金基体上成功地制备出了Ni20Cr微晶涂层和Ni20Cr弥散Y₂O₃微晶涂层. 950℃空气中的高温氧化实验结果表明, Ni20Cr合金微晶涂层极大地提高了基体合金的抗高温氧化性能, 同时还证实在微晶涂层中施加细小弥散Y₂O₃颗粒有助于进一步降低涂层的氧化速率及提高氧化膜的抗剥落性能.     

310不锈钢中氢致纳米空洞导致断裂的机理

对充氢的 31 0不锈钢薄膜进行TEM原位拉伸表明 ,当CH 较高时 ,氢致断裂通过纳米空洞形核 ,然后沿 {1 1 1 }面准解理扩展的方式进行 ;当CH 较低时 ,氢促进纳米空洞形核、长大和连通 ,进而导致韧断 .在此实验基础上 ,提出了一个新的模型 .该模型认为 ,位错挣脱缺陷气团的钉扎 ,并运动离开无位错区 (DFZ) ,结果沿 {1 1 1 }面产生许多空位团和氢原子簇 .氢趋于和空位团结合 ,导致纳米空洞沿 {1 1 1 }面形核 ,高密度纳米空洞来不及长大便互相连通 ,进而导致脆性扩展 ;而稀疏纳米空洞可以长大成微空洞甚至宏观空洞 ,最终导致韧性扩展 .     

一种孔隙率可控薄膜材料快速生长成形方法及过程模拟

提出采用等离子喷涂技术, 通过改变喷涂参数来生成具有孔隙以及孔隙率可控薄膜的方法. 首先建立了熔融粒子的扁平化模型和扁平粒子堆积模型, 在模型中考虑用涂层内的小缝孔隙和台阶孔隙来模拟喷涂角度对孔隙率的影响. 对孔隙生成的机理以及喷涂角度对孔隙率的影响的模拟和实验研究结果表明: 所提出的方法可以生成孔隙率可控的薄膜, 薄膜层的孔隙率随着喷涂角度的减小而增加. 生成涂层的孔隙率可以达到49%. 当喷涂角度小于30°时, 大量粒子累积的遮蔽效应导致涂层内形成遮蔽孔隙, 使涂层的孔隙率迅速增加; 粉末粒度和粒子速度等参数对孔隙率也有影响. 通过连续改变喷涂角度的方法还可以获得孔隙呈梯度分布的薄膜材料.     

腐蚀促进位错的发出和运动导致应力腐蚀裂纹的形核

利用特殊设计的恒位移装置，可以在透射电子显微镜中原位观察腐蚀前后裂尖前方位错组态的变化以及应力腐蚀裂纹的形核过程，结果表明，黄铜在水中以及Ｔｉ－２４Ａｌ－１１Ｎｂ在甲醇中ＳＣＣ时，在裂纹形核前腐蚀过程能促进位错从裂尖发出，增殖和运动，并形成无位错区，随着腐蚀促进位错从裂尖发出，增殖和运动，并形成无位错区，随着腐蚀促进位错发射和运动的进行，弹性ＤＦＺ不均匀减薄，当某处的应力达到原子键合力时，纳米级的     

高温应变下的亚晶界湮没与位错旋转机制的晶体相场模拟

采用先进的晶体相场模型,分别模拟了不同高温条件下的小角对称倾侧晶界,在施加应变下的晶界分解和亚晶界湮没的过程.研究表明:对于不靠近固-液共存温度的高温(T1)预熔化样品,施加应变下的晶界位错发生滑移运动,生成亚晶界和新的晶粒.随后,具有相反Burgers矢量的位错亚晶界相向运动,新晶粒不断吞噬旧晶粒而长大,最后发生亚晶界相遇湮没,亚晶界和预熔化区域消失,双晶转变为完整单晶.对于靠近固-液共存温度的高温(T2)预熔化样品,在应变作用下,生成的亚晶界相向运动,当接近到一定距离时,形成位错对偶极子,发生亚晶界位错结构二次转换,之后亚晶界运动反向,往回迁移运动,最后与另一列返回的亚晶界相向靠近,相互作用转变成"之"字形的亚晶界,然后湮没消失,整个体系转变为单晶.对于高温T2预熔化亚晶界,在应变作用下,形成位错对偶极子的过程中,偶极子的2个位错对的预熔化区域开始扩张、连通,形成近似棒状区域.这一过程的实质是高温预熔化区内部的原子晶格变软,使得在应变作用下,原子排列可以较容易的发生滑移和扭转变形,发生了不同类型的位错相互作用,出现了位错萌生、形核和增殖,位错分解和湮没等一系列位错反应,由此引起了位错的Burgers矢量方向的改变和亚晶界位错类型交换.     

Cu在非晶合金Fe—Zr—B结晶过程中的作用

利用场离子显微镜－原子探针和透射电子显微镜研究了Ｃｕ在非晶合金Ｆｅ－７Ｚｒ－３Ｂ－１Ｃｕ初晶转变过程中的行为，结果表明，结晶前有富Ｃｕ的原子团簇形成，结晶过程中富Ｃｕ的原子团簇为α－Ｆｅ相提供形核位置，有效提高了α－Ｆｅ的形核密度。     

等离子体辅助原子层沉积过渡金属及其碳化物

过渡金属及其碳化物薄膜现已广泛应用于微电子、能源及催化等领域.等离子体辅助原子层沉积能够产生高活性的反应粒子,具有沉积温度低、反应充分等特点,能在复杂3D结构基底上制备连续、保形的高质量过渡金属及其碳化物薄膜.本文首先介绍了等离子体辅助原子层沉积技术的基本原理,然后综述了当前等离子体辅助原子层沉积制备金属及其碳化物的研究进展,重点论述了等离子体辅助原子层沉积在降低沉积温度、缩短成核周期、增强反应活性、提高薄膜沉积速率及纯度等方面的优势,最后对该技术未来的发展进行了展望.     

飞秒激光脱附的随机运动模型的研究

以飞秒脉冲激光的非平衡态传热和原子分子激发态的微观机理为基础, 建立了飞秒激光对微纳米结构中基体表面层的杂质进行脱附的随机运动物理模型. 由脱附过程的数值模拟结果, 获得了脱附概率随激光辐射时间的演化规律以及不同激光参数对脱附概率的影响.     

调制周期、比沉积温度对ZrB2/W纳米多层膜微结构和机械性能的影响

利用离子束辅助沉积方法(IBAD)在室温和400℃下制备出了单质的ZrB₂和W薄膜以及不同调制周期和调制比的ZrB₂/W纳米超晶格多层膜. 通过XRD, SEM, 表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了沉积温度和调制周期对纳米多层膜生长、织构、界面结构、机械性能的影响. 研究结果表明: 在室温条件下, 调制周期为13 nm时, 多层膜的硬度最高可达23.8 GPa, 而合成中提高沉积温度则有利于提高薄膜的机械性能. 在沉积温度约为400℃时合成的6.7 nm调制周期的ZrB₂/W多层膜, 其硬度和弹性模量分别达到了32.1和399.1 GPa. 同时, 临界载荷也增大到42.8 mN, 且残余应力减小到约?0.7 GPa. 沉积温度的提高不仅使具有超晶格结构的ZrB₂/W纳米多层膜界面发生原子扩散, 增强了沉积原子迁移率, 导致其真实的原子密度提高, 起到位错钉扎的作用, 同时晶粒尺度也被限制在纳米尺度, 这些均对提高薄膜的硬度起到作用.     

高定向石墨表面一维金纳米粒子链

利用真空沉积方法在高定向石墨(HOPG)基底上直接制备了粒径分布较小的金纳米粒子.超高真空扫描隧道显微镜(STM)研究发现,在74℃退火后,金纳米粒子在HOPG基底上形成了排列均匀的准一维纳米粒子链.与以往研究不同之处在于,金纳米粒子链并非沿基底台阶排列.其中一些金纳米粒子能够穿越基底表面的单原子台阶;另外金纳米粒子链的取向决定于金纳米粒子的尺寸.这一发现为制备由金粒子组成的有序纳米结构开辟了探索途径.     

高定向石墨表面一维金纳米粒子链

利用真空沉积方法在高定向石墨(HOPG)基底上直接制备了粒径分布较小的金纳米粒子. 超高真空扫描隧道显微镜(STM)研究发现，在74℃退火后，金纳米粒子在HOPG基底上形成了排列均匀的准一维纳米粒子链. 与以往研究不同之处在于，金纳米粒子链并非沿基底台阶排列. 其中一些金纳米粒子能够穿越基底表面的单原子台阶；另外金纳米粒子链的取向决定于金纳米粒子的尺寸. 这一发现为制备由金粒子组成的有序纳米结构开辟了探索途径.     

人体颈椎黄韧带中二羟焦磷酸钙和碳羟磷灰石的矿物学成因探讨

从晶体形貌、矿物物相和化学成分等角度表征颈椎黄韧带钙化,并结合病理学探讨其病因、形成机制和钙化进程.研究对2例颈椎黄韧带钙化样品进行了显微红外、拉曼、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和同步辐射X射线衍射(XRD)测试,结果表明,钙化物有柱状、粒状、絮状和球状4种形态;柱状和粒状钙化呈单晶体,晶形较好、边界明显,为三斜晶系二羟焦磷酸钙;絮状和球状钙化呈纳米多晶集合体,主要由B型取代的碳羟磷灰石组成.显微红外和拉曼测试显示在钙化集合体中,二羟焦磷酸钙和碳羟磷灰石2种物相分布不均匀,由中央到外围呈现碳羟磷灰石不断减少,二羟焦磷酸钙不断增多的含量变化趋势.通过对钙化物晶体、集合体形貌、物相及不同物相分布关系的分析,本文认为,颈椎黄韧带的钙化初期,首先形成柱状和粒状二羟焦磷酸钙晶体;钙化后期,钙化集合体发生二羟焦磷酸钙的分解和碳羟磷灰石晶体的沉积,前者为后者提供物质来源;碳羟磷灰石沉积过程中,先由纳米级钙化物形成絮状钙化,后形成球状钙化.     

含Re镍基单晶高温合金高温低应力蠕变初期γ/γ′界面结构研究

为了深入理解含Re镍基单晶高温合金高温低应力蠕变初期的蠕变行为和强化机制,本文利用电子显微学和能谱学等方法,从介观至原子尺度研究了DD6单晶高温合金在1100℃/140 MPa蠕变15 min后的界面位错组态、界面位错核心结构以及界面位错附近的合金元素分布情况.结果表明蠕变初期合金中的位错密度较低,只在局部形成位错网络,因此蠕变初期γ此蠕变界面形成的V形和台阶状凸起结构数量明显低于稳态蠕变初期(12h)时的,而且台阶状凸起结构(对应a/210160°混合型位错)明显多于V形凸起结构(对应a/2110刃型位错,由位错反应形成).蠕变初期形成的特殊形状的台阶状凸起结构是由于界面位错沿γ/γ′界面运动形成的,而Re等合金元素的共偏聚进一步验证了Re元素偏聚同界面位错的交互作用.     

层状二硫化钼纳米薄膜的制备及其光学特性

通过化学气相沉积法(CVD),以三氧化钼(MoO_3)粉末和硫(S)粉末作为反应物,将二硫化钼(MoS_2)纳米薄膜直接沉积到石英衬底上.通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面形貌进行了观察.发现所生长的MoS_2薄膜为纳米层状结构.通过拉曼光谱和光致发光光谱对生长的薄膜进行结构及光学性能分析.结果表明生长的纳米薄膜中有单层、双层和三层MoS_2薄膜的存在,同时在单层、双层和三层MoS_2薄膜中观察到了光致发光现象.并分析解释了MoS_2纳米薄膜从体材料向单层转变时能带结构的变化.     

超重力熔铸梯度材料制备饲草料收获机械自磨锐切刀

采用Fe_3O_4/Al铝热体系,在超重力场中熔铸出硬度呈梯度分布的复合材料,而后制备出饲草料收获机械的自磨锐切刀并进行了现场试验.结果表明,Fe_3O_4/Al铝热剂体系的绝热温度为3148.2 K(Fe的沸点温度),约2 mol%的产物Fe以气相存在.体系内添加约15 mass%的高硬铁基合金颗粒(钒铁、铬铁、锰铁、钼铁等)稀释剂,可使Fe产物全部以高温(3148 K)低黏度液相存在,这对于超重力场中梯度材料成型十分有利.梯度材料的基体是具有择优取向的柱状晶组织,高硬铁基合金颗粒沿超重力方向呈线性排列且与基体冶金结合,由于密度及熔点不同,不同颗粒在复合材料内的分布状况有较大差异,这是材料硬度呈梯度变化的主要原因.新材料制备的饲草料收获机械切刀刃面硬度呈梯度分布,工作过程中会均匀磨损而形成自磨刃,始终保持锋利的切割性能.现场试验结果表明,该自磨锐切刀具有良好的使用效果.     

Sb2Te3纳米薄膜的ECALE法制备

研究了利用电化学原子层外延法(electrochemical atomic layer epitaxy, ECALE)在Pt电极上生长Sb₂Te₃化合物半导体薄膜热电材料的过程. 采用循环伏安扫描分别研究了Te和Sb在Pt衬底上以及在覆盖了一层元素之上的电沉积特性, 在此基础上使用自动沉积系统交替电化学沉积了400个Te和Sb原子层. 采用XRD, FESEM和FTIR等多种分析测试手段对沉积薄膜的结构、形貌、禁带 宽等进行了表征. XRD结果表明, 沉积物是Sb₂Te₃化合物, 与EDX定量分析和 电量计算结果吻合; FESEM对薄膜表面及断面形貌检测表明沉积颗粒排列紧 密、大小均匀, 平均粒径约为20 nm, 薄膜均匀平坦, 膜厚约190 nm; 由于沉积薄膜的纳米结构, FTIR吸收谱出现蓝移, 测得Sb₂Te₃薄膜禁带宽为0.42 eV.     

局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热, 模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境, 研究热障涂层的可能破坏模式. 首先给出了YAG 激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌; 然后, 基于理论分析与有限元模型化研究, 计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场, 分析了热障涂层破坏的力学机制. 研究结果表明, 在这种局部迅速加热的载荷条件下, 热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效. 参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.