深圳大学刘志远团队Sci. Rep.：超快速超声振动压结制备块体纳米晶钛合金

【引言】

纳米晶材料具有有优异的物理和化学性能，因而具备广泛的应用前景。长久以来人们一直在探寻块体纳米晶材料的高效制备方法，然而纳米晶粒对加工参数（如温度和时间）的敏感性依然是制约其制备的一大难题。针对此，我们开发了一种超快速压结方法–––超声振动压结（Ultrasonic Vibration Consolidation, UVC），利用非晶合金粉末颗粒之间相互摩擦产生的闪热快速加热粉末越过过冷液相区，粘性流动将粉末紧密结合在一起，额外热量使其发生晶化。超声振动压结给我们提供了一种块体纳米晶材料高效制备途径。

【成果简介】

深圳大学刘志远团队基于非晶合金低玻璃转变温度（约为熔点1/2）和过冷液相区粘性流动特点，利用自然界普遍存在的摩擦热，开发了一种新型烧结方法，超声振动压结。以非晶合金粉末为原料，成功在2秒内制备出块体纳米晶钛合金，晶粒尺寸为10~70nm，致密度几乎可达100%。通过实验分析和理论计算确认摩擦闪热为超声振动主要热源，升温速率高达10⁷K/min。分析还表明非晶合金粉末超声振动压结过程致密化机制为玻璃态材料的加速粘性流动机制。结果在《Scientific Reports》上以“Ultrafast consolidation of bulk nanocrystalline titanium alloy through ultrasonic vibration” 为题发表，深圳大学机电学院刘志远副教授为论文通讯作者。

【图文导读】

图1. 钛基非晶合金粉末形貌结构照片和超声振动压结示意图

(a) 球磨钛基非晶合金粉末粗糙表面结构形貌图；

(b) 超声振动压结示意图；

(c) 钛基非晶合金粉末透射电镜照片；

(d) 钛基非晶合金粉末透射电镜选区衍射图。

图2. 超声振动压结过程

(a) 500KPa气压下，应力-时间-温度曲线图；

(b) 不同气压下，最大应力和最高测量温度图；

(c) 500Kpa气压下，冲头位移-时间-样品高度曲线图；

(d) 不同应力下，压结块体钛合金密度。

表1. 超声振动压结参数和压结块体样品结构信息

图3. 纳米晶Ti合金的微观结构

(a) 压结得到钛合金XRD图谱；

(b) 压结钛合金结合界面SEM照片；

(c) 压结钛合金透射电镜照片；

(d) 界面和内部区域晶粒大小的分布柱状图。

图4. 超声振动压结摩擦加热机制

(a) 实验测量和理论计算超声振动过程温度升高；

(b) 粉末表面不同粗糙凸起摩擦造成的温度升高。

图5. 超声振动压结致密化机理

(a) 压结致密化过程曲线；

(b) 压结过程致密化不同阶段示意图，Ⅰ.粉末重新排列，Ⅱ.摩擦生热，Ⅲ.闪热引起粘性流动，Ⅳ.试样晶化。

【小结】

作者团队开发了超声振动压结方法制备块体纳米晶材料，将制备时间缩短到几秒量级。与大塑性变形加工块体纳米晶相比，此方法适用材料范围更广，制备纳米晶粒更小。这种新颖的压结方法为我们制造块体纳米晶材料提供了一种通用和高效的途径。

文章链接:Ultrafast consolidation of bulk nanocrystalline titanium alloy through ultrasonic vibration（Scientific Reports, 2018, doi:10.1038/s41598-018-19190-8）

本文由深圳大学刘志远团队供稿。

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