清華大學(xué)設(shè)計(jì)出全自動(dòng)結(jié)構(gòu)超滑材料轉(zhuǎn)移測試系統(tǒng)

近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士研究組在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究設(shè)計(jì)了全自動(dòng)的結(jié)構(gòu)超滑材料轉(zhuǎn)移測試系統(tǒng)，通過結(jié)合人工智能算法、精確位移平臺(tái)和力傳感器，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)超滑材料的自動(dòng)轉(zhuǎn)移技術(shù)，以及石墨–三維材料異質(zhì)結(jié)的摩擦性能測試。

該系統(tǒng)能夠以15倍人工轉(zhuǎn)移的速度完成大量的材料篩選、轉(zhuǎn)移、測試，極大地推進(jìn)了結(jié)構(gòu)超滑材料組裝的研究進(jìn)展。同時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化石墨–Si3N4異質(zhì)結(jié)的摩擦性能的批量測試，顯示超滑材料邊緣和面內(nèi)的摩擦占比。該研究是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模結(jié)構(gòu)超滑應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)之一，同時(shí)有望應(yīng)用于材料的基因工程或高通量試驗(yàn)等材料篩選測試任務(wù)。

該研究以Fully automatictransferand measurementsystemfor structuralsuperlubricmaterials為題，在線發(fā)表于NatureCommunications上。

下圖為自動(dòng)化系統(tǒng)核心組件的設(shè)計(jì)原理圖，除手動(dòng)顯微鏡軸外，所有組件均由軟件控制。

（本刊記者 大漠）

西安交大首次表征一種孿晶界分布特征

共格孿晶界由于其共格特性具有極低的界面能，對金屬材料的抗腐蝕性能等表面使役性能有顯著的影響。而金屬切削加工過程中，在力熱載荷條件作用下，零件的已加工表面發(fā)生劇烈塑性變形，微觀組織也會(huì)隨之發(fā)生顯著變化，其中之一就是孿晶的生成與演化。因此，研究切削加工誘導(dǎo)零件表面孿晶的演化和分布規(guī)律，對于零件表面使役性能服役失效及主動(dòng)預(yù)測具有重要意義。

然而，目前已有的研究多采用多相工程材料對表面多種微觀組織進(jìn)行定性表征，各相微觀組織演化機(jī)制強(qiáng)烈耦合，難以有效地對孿晶機(jī)制進(jìn)行解耦分析。因此，如何綜合考慮機(jī)械載荷和熱載荷，對切削誘導(dǎo)生成的孿晶進(jìn)行定量的解耦分析，成為亟待解決的難點(diǎn)。

近日，西安交通大學(xué)張俊教授團(tuán)隊(duì)采用EBSD和TEM方法表征了高導(dǎo)無氧銅受金屬切削作用誘導(dǎo)產(chǎn)生的微觀組織，首次報(bào)道了一種已加工表面反常的孿晶界分布特征，結(jié)合數(shù)值模擬和解析模型，分析計(jì)算了梯度載荷條件下退火孿晶的演化機(jī)理。相關(guān)論文以Multimechanism-basedtwinning evolutioninmachined surfaceinducedbythermalmechanicalloadswith increasingcuttingspeeds為題發(fā)表在International JournalofMachineTools andManufacture上。

研究結(jié)果表明，在切削力熱梯度載荷作用下，已加工表面的孿晶及晶粒尺寸形態(tài)等均出現(xiàn)顯著分層現(xiàn)象，其中力熱載荷最強(qiáng)的表面細(xì)晶層產(chǎn)生了大量退火孿晶，且切削速度的提高對于共格孿晶界密度、孿晶形貌、該細(xì)晶層厚度均有顯著影響。該層材料表現(xiàn)為熱機(jī)制主導(dǎo)的退火孿晶和再結(jié)晶協(xié)同發(fā)生機(jī)制。而在力熱載荷水平較低的亞表面變形層，則出現(xiàn)了孿晶界密度顯著低于基體的異?，F(xiàn)象，通過提出一種孿晶系分解剪應(yīng)力的計(jì)算方法，結(jié)合數(shù)值仿真和解析模型，計(jì)算了切削多軸時(shí)變應(yīng)力載荷條件下孿晶系統(tǒng)上的分解剪應(yīng)力演化，從而證實(shí)了該層材料發(fā)生了應(yīng)力誘導(dǎo)的退孿晶。該研究有助于揭示FCC金屬切削零件表面服役性能的變化及其失效機(jī)制。

左圖為變形層材料孿晶分解剪應(yīng)力的計(jì)算方法。（本刊記者 大漠）

大連理工大學(xué)利用激光-電弧復(fù)合增材制造提升Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學(xué)性能

作為可沉淀強(qiáng)化的輕質(zhì)材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比強(qiáng)度、高損傷容限和優(yōu)異的可加工性能而被廣泛應(yīng)用航空航天領(lǐng)域。

近日，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院馬廣義、吳東江教授在不改變合金化學(xué)成分的情況下，利用“激光-電弧復(fù)合增材+熱處理”方式實(shí)現(xiàn)Al-Zn-Mg-Cu合金高溫力學(xué)性能提升。相關(guān)論文以Enhancedhigh-temperature mechanicalpropertiesof laser-archybridadditive manufacturingofAl-Zn-Mg-Cualloyvia microstructurecontrol為題，發(fā)表在Journal ofMaterialsScience&Technology上。

基于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，研究計(jì)算了析出相溶解、形核生長臨界條件，并探討高溫拉伸后微觀組織與力學(xué)性能演變機(jī)理。Zn和Mg元素?cái)U(kuò)散速率與溫度呈指數(shù)正相關(guān)，473 K下擴(kuò)散速率約是室溫的108倍。因此，熱處理態(tài)樣件暴露在473 K高溫拉伸條件下，原有的η′相發(fā)生溶解和粗化。另外，位錯(cuò)可借助高溫環(huán)境提供的熱激活能和空位擴(kuò)散克服障礙，易產(chǎn)生位錯(cuò)滑移與攀移，故熱處理態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫強(qiáng)度顯著低于室溫強(qiáng)度。相較于沉積態(tài)樣件，熱處理態(tài)樣件高溫力學(xué)性能提升的原因包括： HAGB由交替的無序和規(guī)則原子陣列組成，防止了位錯(cuò)轉(zhuǎn)移到相鄰的晶界，故HAGB產(chǎn)生位錯(cuò)攀升的障礙；亞穩(wěn)態(tài)η′沉淀相產(chǎn)生晶格畸變和應(yīng)變場，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并增加抗滑移變形能力。沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫（473 K）抗拉強(qiáng)度為240 MPa±15 MPa，而熱處理態(tài)高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到362 MPa±20 MPa，斷后伸長率為6.8%±0.3%，該合金的綜合高溫力學(xué)性能優(yōu)于大多數(shù)LBPF制備和WAAM制備的AlSi10Mg、Al-Cu及Al-Mg-Sc合金。

上圖為通過熱處理調(diào)控微觀組織示意圖。

（本刊記者 大漠）

上海光機(jī)所3D打印激光照明透明陶瓷研究取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所紅外光學(xué)材料研究中心在增材制造（3D打?。┘す庹彰魍该魈沾裳芯糠矫嫒〉眠M(jìn)展。該工作通過數(shù)字光處理打印技術(shù)（DLP）實(shí)現(xiàn)了3D打印用于激光照明的高密度鈰活化镥鋁石榴石（LuAG:Ce）陶瓷，通過3D打印技術(shù)制造具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的激光照明透明陶瓷，突破了傳統(tǒng)陶瓷成型工藝的限制。相關(guān)研究成果以3DPrinting ofLuAG:Cetransparent ceramicsforlaser-driven lighting為題，發(fā)表在CeramicsInternational上。

激光照明系統(tǒng)能夠在較高的功率密度下實(shí)現(xiàn)高輸出效率（100～1000倍于發(fā)光二極管），促使激光驅(qū)動(dòng)的照明系統(tǒng)為未來的固態(tài)照明提供優(yōu)勢，如高亮度、緊湊尺寸和定向照明。然而，傳統(tǒng)制備工藝只能制造簡單幾何形狀的結(jié)構(gòu)器件，無法滿足具有復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)的激光驅(qū)動(dòng)固態(tài)照明器件的需求。三維打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速無模制造，所有組件均可進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，為發(fā)光透明陶瓷制造領(lǐng)域帶來了重要的可能性。

科研人員開發(fā)了用于DLP的光固化陶瓷墨水，用于制造具有高印刷分辨率的激光驅(qū)動(dòng)照明鈰活化LuAG:Ce發(fā)光透明陶瓷組件。用于DLP印刷的墨水，具有體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%的固含量和優(yōu)異的剪切減薄性能。本研究在DLP墨水中引入了發(fā)光染料，以減少陶瓷粉末對紫外線的散射所產(chǎn)生的過量固化寬度效應(yīng)。并且利用DLP三維打印方法，制造出具有可定制的厘米級復(fù)雜三維幾何形狀的LuAG:Ce陶瓷坯體。經(jīng)過燒結(jié)工藝后，3D打印陶瓷組件的相對密度達(dá)到96.4%，并展現(xiàn)出優(yōu)秀的透光率（約40%）。

試驗(yàn)證實(shí)，三維打印的LuAG:Ce透明陶瓷具有很高的激光通量閾值（19.22 W·mm-2），這與其表面獨(dú)特的微通道結(jié)構(gòu)有關(guān)。具有自由幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高激光通量閾值的LuAG:Ce LTCs三維打印技術(shù)的應(yīng)用，為大功率激光驅(qū)動(dòng)照明提供了更高效、更可靠的解決方案。

（本刊記者 大漠）

上海交大探究近α鈦合金“微織構(gòu)帶”消除機(jī)制與調(diào)控

近日，上海交通大學(xué)崔振山教授團(tuán)隊(duì)研究了近α鈦合金“微織構(gòu)帶”的消除方法和機(jī)制，以及近α鈦合金熱機(jī)械加工過程中的微觀組織調(diào)控方法。兩項(xiàng)工作以Mechanisms ofmacrozoneelimination andgrainrefinementof nearαTialloyviathe spheroidizationofthe widmannst?ttenstructure和Sensitivityofheterogeneous microstructureevolution andpreferential variantselectionto thermomechanical conditionsina nearαtitaniumalloy為題分別發(fā)表于Acta Materialia和Journalof AlloysandCompounds上。

第1項(xiàng)研究工作，提出了“β相區(qū)熱處理+α相區(qū)熱壓縮”的兩步法晶粒細(xì)化與“微織構(gòu)帶”消除工藝，并借助全場晶體塑性模擬揭示了其背后的機(jī)理。對含“微織構(gòu)帶”的初始等軸組織進(jìn)行β相區(qū)熱處理并冷卻，得到α片層取向較為隨機(jī)的熱處理魏氏組織（HT-WS）。魏氏組織中豐富的缺陷使其無須很大的變形（30%變形量）即可通過充分幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，細(xì)化后的晶?？梢酝ㄟ^發(fā)生晶界滑動(dòng)而實(shí)現(xiàn)晶粒剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)隨機(jī)性較大，可有效削弱原始組織中的“微織構(gòu)帶”缺陷。

第2項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在α+β兩相區(qū)或β單相區(qū)變形時(shí)，β相極易發(fā)生立方取向晶粒的異常長大，且隨著應(yīng)變速率的降低和變形溫度的升高愈發(fā)明顯，這種動(dòng)態(tài)退火行為使得變形后形成大量粗大的、晶粒內(nèi)部鮮有小角度晶界等缺陷的、具有立方取向的β晶粒。

基于以上發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)給出了合適的工藝窗口，可有效避免粗大的立方取向的β晶粒產(chǎn)生，也可增加β相內(nèi)小角晶界含量，進(jìn)而削弱相變過程中的變體選擇和α生長時(shí)的各向異性，避免魏氏組織產(chǎn)生。下圖為含毫米級“微織構(gòu)帶”缺陷的近α高溫鈦合金初始微觀組織。

（本刊記者 大漠）

鈦合金塊狀相變機(jī)理研究取得新進(jìn)展

近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)馬前教授團(tuán)隊(duì)對鈦合金塊狀相變機(jī)理的研究取得新進(jìn)展，在ScriptaMaterialia發(fā)表了題為Massivetransformations intitaniumalloys:Role ofrelativeorientationof adjacentparentgrains的研究論文。

塊狀相變是金屬和合金中一類發(fā)生在中溫區(qū)的短程擴(kuò)散型相變，迥異于發(fā)生在低溫區(qū)的無擴(kuò)散型的馬氏體相變和發(fā)生在高溫區(qū)的長程擴(kuò)散型的各類相變。塊狀相變的典型特征是相變產(chǎn)物，即塊狀相可以跨越原始母相的晶界生長，觀察到的形態(tài)多為不規(guī)則的塊狀。此外，塊狀相與母相之間可不受晶體學(xué)位相關(guān)系的約束。鈦合金中塊狀相變的發(fā)生對冷卻速度有一定的要求（短程擴(kuò)散型），一般可認(rèn)為在20 ℃/s以上。

國外諸多學(xué)者對金屬合金中的塊狀相變機(jī)理研究做出了奠基性的貢獻(xiàn)。我國的徐祖耀院士團(tuán)隊(duì)也初步探索了塊狀相變，但該領(lǐng)域前期的工作多集中于探討相變產(chǎn)物和母相的晶體學(xué)關(guān)系，這也是固態(tài)相變研究的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。然而，在塊狀相變機(jī)理問題的研究上，前期的研究工作似乎忽略了相鄰母相晶粒的晶體學(xué)相對取向?qū)K狀相變過程和產(chǎn)物的影響。

為使研究發(fā)現(xiàn)更具有普遍性，該工作通過大量的電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)和原始β晶粒重構(gòu)分析了電子束粉末床（EB–PBF）打印的Ti–6Al–4V合金、傳統(tǒng)工藝制備的Ti–6Al–4V合金、激光粉末沉積打印(L–DED) 的ATi425鈦合金(Ti–3.9Al–2.5V–1.5Fe–0.21O)、L–DED Ti–0.35O–3Fe合金及L–DED Ti–4Al–2V合金等3類工藝制備的5種鈦合金內(nèi)跨晶界生長的塊狀相兩側(cè)相鄰原始β晶粒的相對晶體學(xué)取向，發(fā)現(xiàn)當(dāng)相鄰兩個(gè)β相晶粒的密排面{110}平行或者近平行時(shí)，可促進(jìn)塊狀相變的發(fā)生和αm相的跨晶界生長，并且αm相的{0001}極點(diǎn)與近平行的{110}極點(diǎn)重疊，但αm相的{11–20}極點(diǎn)發(fā)散（>15°），說明塊狀相的生長偏離了Burgers位相關(guān)系。這應(yīng)該是第1次明確確認(rèn)塊狀相變過程中，相鄰母相晶粒的晶體學(xué)相對取向?qū)K狀相變過程和產(chǎn)物有決定性的影響。

在α–β兩相鈦合金中，塊狀相是不穩(wěn)定的，可分解為超細(xì)的α–β兩相，這為優(yōu)化微觀組織以獲得高性能鈦合金提供了新的思路。

上圖為L–DED ATi 425合金中的跨晶界生長的塊狀αm相和周邊魏氏組織的EBSD掃描結(jié)果。

（本刊記者 大漠）