摘要：高通量表征技术在金属材料分析领域具有重要应用价值,它能够实现对金属材料进行跨尺度的全域分析,评价材料表面宏观特性、微观不均匀性及局部缺陷。辉光放电溅射可沿样品表面的纵深方向,以大尺寸、平坦且快速的方式逐层剥蚀样品,再将暴露出真实显微组织的样品送至多种分析仪器中进行成分、性能、组织结构的分析,从而作为金属材料的高通量表征样品前处理环节的关键设备。在传统Grimm型辉光溅射源的基础上,本研究搭建了一种专为高通量实验设计的辉光放电溅射系统,该系统将辉光溅射尺度由mm级扩展至cm级,同时实验发现了大尺寸溅射会导致辉光放电强度及溅射速率降低这一现象。针对这一现象,结合通过COMSOL Multiphysics仿真计算的辉光放电电子运动轨迹、电子密度以及化学反应速率等结果,该研究提出了一种通过施加扫描磁场来增强辉光放电光谱(GD-OES)强度以及溅射速率的方法。实验选用T2紫铜样品来探究扫描磁场的增强效果,结果表明,应用扫描磁场增强装置可获得更强的光谱信号强度及更快的溅射速率。在保持放电电压和电流不变的前提下,Mo、Cu元素的光谱强度分别增至无磁场时的1.43~11.97倍和1.13~26.50倍。其中,Mo元素光谱强度最大值可达53421 Cts,Cu元素光谱强度最大值可达76948 Cts,分别是无磁场时的6.86倍、4.32倍。此外,该方法可以显著地提高溅射速率,当阳极筒孔径为?15 mm时,T2紫铜样品的溅射速率提高了4.35倍,最高可达2662.09 nm·min^(-1)。使用白光干涉仪和金相显微镜对溅射坑表面的平整度和显微组织图像进行了采集,结果显示磁场引入对溅射坑表面粗糙度未产生显著影响,同时能清晰地呈现样品的真实显微组织特征。综上,实验结果证实,应用扫描磁场增强装置可在确保溅射平整度不受影响的前提下,实现光谱信号强度和溅射速率的提升,为解决大尺寸溅射引起的低溅射速率问题提供了新方法。

摘要：铸&锻GH4096高温合金涡轮盘拥有高承温能力、高强度、低裂纹扩展速率、高抗疲劳性能等优异性能,是航空发动机的关键热端部件。但由于其合金化程度较高、零件尺寸大、制备工艺复杂等,不可避免会出现成分和组织分布不均匀,一定程度影响涡轮盘的服役性能。微区X射线荧光光谱(μ-XRF)具有微区分辨率高、分析速度快、多元素同步分析、非破坏性等优点,被广泛应用于考古、地质、生物等领域,但对大尺寸高温合金构件的成分分布的研究较少,对于材料各原始位置处的成分定量分布表征也未见报道。本试验通过选择合适的测量条件、优化仪器定量方法,建立了基于微束X射线荧光光谱的新型铸&锻GH4096合金涡轮盘成分分布定量分析方法,并引入了原位统计分析方法对涡轮盘中Cr, Co, Mo, W, Ti, Al, Nb和Ni八种主要元素进行了定量统计分布解析。发现涡轮盘厚度的中心区域内Co, Mo和Ti三种元素从轮毂至轮缘存在较明显的弧形负偏析带,而Ni和Cr两种元素存在弧形正偏析带。另外,涡轮盘径向也存在一定的成分梯度分布,Co, Cr和W三种元素含量从轮毂到轮缘的呈现逐渐降低的趋势,而Mo, Ti和Nb三种元素含量则呈现逐渐上升趋势。对各元素最大偏析度、统计偏析度、统计符合度计算分析后可知,Cr, Co, Mo, W, Ti, Nb和Ni七种元素测量区域内整体偏析程度较小、统计符合度大,在材料元素设计值允许范围内具有较好的成分均匀性。使用火花源金属原位分析仪(OPA-200)对相同测试区域的元素进行了线分布分析,其分析结果与微束荧光光谱得到的分析规律具有较好的一致性,说明大尺寸涡轮盘在热处理过程中存在温度场分布,导致了各元素扩散行为以及显微组织分布的差异,因此不同部位的成分也存在一定偏析。通过对大尺寸的涡轮盘成分进行定量统计分布解析,对于评价新型铸&锻变形GH4096高温合金涡轮盘的成分分布均匀性,解析制备工艺与大尺寸构件成分、组织结构分布的相关性具有重要意义。

摘要：提出基于热等静压工艺的高通量制备新方法,即采用纯Ni和Ti作为蜂巢结构骨架材料,内含不同组元合金粉末的成分梯度设计新思路,成功一次性制备出含有19种不同化学成分的Fe-Co-Ni组合块体合金。高通量成分与组织结构分析表明:蜂巢骨架内各区域成分均匀,含量符合设计要求;混粉均扩散形成合金相;块体合金内部致密度良好,无宏观缺陷。通过对高通量制备Fe-Co-Ni组合试样硬度的分析,探讨了合金化作用机理及其对力学行为的影响规律。铁基和镍基材料均是以固溶强化和第二相强化为主,钴基材料以双相固溶强化为主。对于铁基材料,Ni的强化效果优于Co;对于镍基材料,Fe的强化效果优于Co;对于钴基材料,Ni的强化效果优于Fe。

摘要：针对材料力学拉伸性能的高通量测试设备及方法缺失的问题,提出了一种并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统。首先,对测试系统的结构进行了设计,阐述了其工作原理;对测试系统的控制系统和软件进行了设计,阐述了其工作流程,并搭建了测试系统;然后,对测试系统的准确度进行了评价,并开展了实验研究;实验中,设计了3种不同尺寸的微小拉伸试样,从国家标准拉伸物质上进行了取样加工,并在测试系统上进行了测试;最后,对实验的结果进行了分析,并对测试结果的不确定度进行了评定。研究结果表明:并联式的微小试样力学拉伸性能高通量测试系统准确度等级为0.5级;被测试样的强度随着试样直径的减小,出现了减小的趋势;评定的测试结果不确定度可满足GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》的要求;测试系统的方案可行,能同时对多个微小拉伸试样的力学性能进行测试,且测试结果的离散度较小;相关研究可为微小试样力学性能的高通量测试及工程应用提供设计参考。

摘要：随着美国于2011年率先提出材料基因组计划(materials genome initiative,MGI),为了解决传统材料研发“试错法”耗时长、成本高、效率低的问题,加速新材料的研发及应用,降低材料研发成本,近年来世界各国均开展了大量材料基因组计划相关研究。作为材料基因组计划的三大重要组成部分之一,材料高通量实验(试验及表征)技术已成为各国研究学者的重点关注对象。首先对材料高通量试验设计原理、实现思路及发展现状进行了梳理,分析了高通量试验在金属、非金属等材料体系制备及试验评价中的发展;同时总结了材料高通量表征技术的发展,根据表征参量不同,分析介绍了多种高通量表征技术;最后根据材料高通量试验及表征技术现状,对当前高通量试验及表征技术进行了总结及展望。