深圳大學劉志遠團隊Sci. Rep.：超快速超聲振動壓結制備塊體納米晶鈦合金

【引言】

納米晶材料具有有優異的物理和化學性能，因而具備廣泛的應用前景。長久以來人們一直在探尋塊體納米晶材料的高效制備方法，然而納米晶粒對加工參數（如溫度和時間）的敏感性依然是制約其制備的一大難題。針對此，我們開發了一種超快速壓結方法–––超聲振動壓結（Ultrasonic Vibration Consolidation, UVC），利用非晶合金粉末顆粒之間相互摩擦產生的閃熱快速加熱粉末越過過冷液相區，粘性流動將粉末緊密結合在一起，額外熱量使其發生晶化。超聲振動壓結給我們提供了一種塊體納米晶材料高效制備途徑。

【成果簡介】

深圳大學劉志遠團隊基于非晶合金低玻璃轉變溫度（約為熔點1/2）和過冷液相區粘性流動特點，利用自然界普遍存在的摩擦熱，開發了一種新型燒結方法，超聲振動壓結。以非晶合金粉末為原料，成功在2秒內制備出塊體納米晶鈦合金，晶粒尺寸為10~70nm，致密度幾乎可達100%。通過實驗分析和理論計算確認摩擦閃熱為超聲振動主要熱源，升溫速率高達10⁷ K/min。分析還表明非晶合金粉末超聲振動壓結過程致密化機制為玻璃態材料的加速粘性流動機制。結果在《Scientific Reports》上以“?Ultrafast consolidation of bulk nanocrystalline titanium alloy through ultrasonic vibration” 為題發表，深圳大學機電學院劉志遠副教授為論文通訊作者。

【圖文導讀】

圖1. 鈦基非晶合金粉末形貌結構照片和超聲振動壓結示意圖

(a) 球磨鈦基非晶合金粉末粗糙表面結構形貌圖；

(b) 超聲振動壓結示意圖；

(c) 鈦基非晶合金粉末透射電鏡照片；

(d) 鈦基非晶合金粉末透射電鏡選區衍射圖。

圖2. ?超聲振動壓結過程

(a) 500KPa氣壓下，應力-時間-溫度曲線圖；

(b) 不同氣壓下，最大應力和最高測量溫度圖；

(c) 500Kpa氣壓下，沖頭位移-時間-樣品高度曲線圖；

(d) 不同應力下，壓結塊體鈦合金密度。

表1. 超聲振動壓結參數和壓結塊體樣品結構信息

圖3. 納米晶Ti合金的微觀結構

(a) 壓結得到鈦合金XRD圖譜；

(b) 壓結鈦合金結合界面SEM照片；

(c) 壓結鈦合金透射電鏡照片；

(d) 界面和內部區域晶粒大小的分布柱狀圖。

圖4. 超聲振動壓結摩擦加熱機制

(a) 實驗測量和理論計算超聲振動過程溫度升高；

(b) 粉末表面不同粗糙凸起摩擦造成的溫度升高。

圖5. 超聲振動壓結致密化機理

(a) 壓結致密化過程曲線；

(b) 壓結過程致密化不同階段示意圖，Ⅰ.粉末重新排列，Ⅱ.摩擦生熱，Ⅲ.閃熱引起粘性流動，Ⅳ.試樣晶化。

【小結】

作者團隊開發了超聲振動壓結方法制備塊體納米晶材料，將制備時間縮短到幾秒量級。與大塑性變形加工塊體納米晶相比，此方法適用材料范圍更廣，制備納米晶粒更小。這種新穎的壓結方法為我們制造塊體納米晶材料提供了一種通用和高效的途徑。

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

本文由深圳大學劉志遠團隊供稿。

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