极限超高强块体非晶合金材料的设计研制及其性能调控研究

It is always one of hottest topics in materials science, applied physics and engineering fields to find out the strength upper limit of metal materials. The applicants aim to develop a kind of advanced bulk metallic glasses (BMGs) with extremely ultrahigh strength derived from our reported ternary BMG modeling systems. Plenty of "strong-bonding" elements, i.e. the metalloid elements with strong covalent bonds, the platinum-group elements and the refractory-metal elements with high elastic moduli and melting point will be introduced in the ternary modeling systems through our developed method of similar element substitution so as to improve elastic moduli and thermal stability in the resulting alloys. A family of novel ultrahigh-strength BMGs with the good physical properties of ultrahigh hardness, high elastic moduli, ultrahigh thermal stability, large glass-forming ability etc. will be developed, stronger than the former strength-record holder (Co-Ta-B BMGs with 6 GPa) in bulk metallic materials so far we known. The successful development of this kind of BMGs can provide superior candidates for the replacement of traditional metallic materials with low specific strength. Moreover, the possible correlation between atomic structure/bonding characters and elastic moduli/mechanical properties will be clarified by the combination of both the experimental data by in-situ high-pressure synchrotron diffraction and the theoretic ones by ab initio molecular dynamics (AIMD) calculation. The developed BMG materials with extremely ultrahigh mechanical properties and thermal stability can provide novel potential applications in the fields of advanced manufacture of aircraft and spacecraft, radiation protection of nuclear devices, etc..

探究金属材料的强度极限一直以来是材料、物理和工程领域的热点问题，申请人基于前期研制的简单三元块体非晶合金模型体系，以提高弹性模量和热稳定性为合金组分设计导向，利用相似元素替换的方法大量引入具有强价键结合元素，即强共价键的类金属元素和高模量的铂系金属元素及难熔金属元素，拟获得一系列具有自主知识产权的超高强度、硬度和热稳定性以及优异综合物理性能（高玻璃形成能力和模量等）的块体非晶合金，突破现有块体金属材料的强度极限记录（6 GPa），为解决传统金属材料比强度低的瓶颈问题提供解决方案；进一步，通过高压同步辐射和第一性原理分子动力学模拟的实验理论相结合的研究手段，揭示该类非晶合金的原子结构和价键特征，并建立其微观结构与弹性模量和力学性能的关联，从而为该类材料的性能优化设计提供有效指导。这类具有极限力学性能和超高热稳定性的块体非晶合金将为航空航天先进制造、核辐射防护屏蔽等应用领域提供全新的候选材料。

探究金属材料强度极限一直以来是材料、物理和工程领域的热点问题。本项目的实施主要针对Co-Ta-B和Fe-P-C等三元模型非晶合金体系，采用项目负责人先前发展的基于相似元素替代的非晶合金组元高熵化方法，选取与基体元素相似的周期表中可利用的各类元素（特别是高模量铂系元素、难熔过渡金属元素和强共价键类金属元素），将其大量替代引入至三元模型基体合金中，利用熔体旋淬、铜模铸造等快速凝固技术制备相应的非晶合金样品，考察元素替代前后合金的玻璃形成能力、热稳定性、弹性模量、综合力学性能等性能的变化规律。并利用高压同步辐射、第一性原理分子动力学计算方法，研究制备获得的典型超高强度块体非晶合金的原子结构排列特征，统计不同非晶合金组分的团簇结构和价键特征，从而揭示了强价键结合元素替代对该类非晶合金的玻璃形成、弹性性能和力学性能的影响机制。通过本项目的研究，获得了130余个高玻璃形成能力的高温块体非晶合金新组分，并系统测定并建立了该类合金的热学、弹性模量、硬度和力学性能数据库；获得超高强高温块体非晶合金样品的压缩断裂强度最高可达6.5GPa，创造了现今块体金属材料强度最高世界纪录；该类材料的比强度范围在352-728 Nm/g，杨氏模量范围在213-290GPa，维氏硬度范围在13.4-18.9GPa，均为已经公开报道的块体非晶合金的比强度、弹性模量和硬度的最高值。基于数据分析和计算模拟揭示了其组成元素和结构特征与高强度、高热稳定性、高模量和高硬度等一系列优异物理性能的组分性能关联性，并将该类材料作为核辐射防护屏蔽涂层、超耐磨涂层、先进高韧软磁合金材料以及电解水催化材料进行初步应用验证。.基于上述相关研究成果发表基金标注的SCI论文10篇，获批国家发明专利2项；培养了相关领域的优秀硕士生3名，博士生3名，很好的达成了本项目的预期成果。