多级梯度结构中熵合金涂层的强韧性能及机理分析

Currently, industrial coatings used are principally ceramic-based compounds, which are susceptible to catastrophic failure and thus unsuitable for safety-critical applications. In this project, highly durable alloy coatings that combine highly controlled compositions and bio-inspired microstructural characteristics will be created to address this tough issue. Empowered by smart materials design, multi-scale modelling and novel fabrication technique, the new coatings allow for a unique combination of various strengthening modes at multiple length scales, thereby offering exceptionally high strength and toughness. The correlations between the deposition parameters and the microstructures will be revealed. The mechanisms governing the excellent mechanical properties and the improved performance of the coatings will be uncovered using the advanced in-situ nanomechanical tests inside scanning electron microscope. The relationship between the microstructures and properties will be built. The application of these coatings will deliver competitive advantages to a wide range of industrial sectors, where coatings are indispensable for improving the service life, performance and safety of critical components, and reducing associated costs. The new knowledge created in this project will also provide guidance in the quest of new generation alloys with excellent strength-ductility combination.

随着现代工业的迅速发展，日益苛刻的应用条件和环境对涂层的强度和韧性都提出了更高的要求。而目前普遍应用的陶瓷涂层韧性较差，在受到外力冲击时容易产生裂纹并引发突发性失效。合金涂层普遍韧性较好，但强度不高，且两者呈现出此消彼长的反向制约关系。本项目针对合金涂层强度与韧性的矛盾，通过成分设计和仿生结构设计，在单一涂层中实现多种强化机制、变形机制以及多级梯度纳米结构的结合，从而达到高强高韧的目的。采用磁控溅射沉积技术，设计并制备B掺杂CrCoNi涂层。研究工艺参数及成分对涂层的显微组织结构、相比例及层错能的影响规律。深入研究涂层的力学性能，揭示形变机理和强韧化规律。探索涂层结构梯度和层错能对其力学性能、变形机制及使役性能的影响规律及其内在机理。本项目的研究成果不仅为合金涂层在航空、制造加工等领域的应用奠定了坚实的基础，而且对新型强韧材料的研发具有重要的指导意义，具有潜在的经济效益和社会效益。

本项目针对结构材料强度与韧性的矛盾，通过成分和结构设计，在多主元合金薄膜中实现了多种强化、变形机制（包括相变及孪生）和多级纳米结构的结合，从而实现高强高韧。通过研究工艺参数以及成分对涂层的显微组织结构、相组成及层错能的影响规律，获得了多主元合金涂层制备的稳定工艺参数。采用多种实验手段结合理论模拟计算，揭示了涂层的显微组织结构对力学性能及变形机理的影响规律。本项目首先采用磁控溅射沉积技术，设计并制备了多级纳米结构CrCoNi基中熵合金薄膜。研究表明CrCoNi合金涂层的屈服强度高达 ~ 4 GPa，这主要归因于其独特的多级微观结构特征。原子尺度的结构分析和分子动力学模拟发现并解释了在CrCoNi中熵合金中的一种新的变形机制：双相变，这一变形过程可产生高达 70% 的持续剪切应变。这些结果不仅将增进我们对多主元涂层的变形机制和相变的认识，还将推动对双相变和多主元合金及陶瓷材料中其他非常规变形机制的进一步探索，从而进一步提高结构材料的性能。为了进一步提高CrCoNi中熵合金涂层的强度，我们制备了一种新型中熵氮化物涂层：Al 和 Ti 掺杂的 CrCoNiN。该氮化物涂层显示出超高硬度，同时表现出卓越的断裂韧性和抗损伤性。该氮化物中出现了多种强化和韧化机制。特别令人感兴趣的是在剪切带内发生的令人意外的剪切诱导非晶化。中熵氮化物中变形诱导非晶化和大量剪切带的发现，以及对高位错密度和严重晶格畸变在位错介导的晶粒细化和固态非晶化中的关键作用的机理理解，开辟了在结构材料应用中开发高强高韧材料的新前沿。