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東莞理工多物理譜儀首篇用戶實驗成果發表

  • 發布單位:機械工程學院
  • 發布時間:2021-08-22
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近日,東莞理工學院中子散射技術工程研究中心在冶金材料領域的TOP期刊《Scripta Materialia》上發表題目為《Nano-precipitation leading to linear zero thermal expansion over a wide temperature range in Ti22Nb》的研究論文。論文介紹了在寬溫域線性零膨脹鈦合金特殊熱膨脹性能形成機理方面取得的最新進展。論文的中子衍射實驗依托東莞理工多物理譜儀完成,是多物理譜儀建成以來的首篇用戶實驗成果。多物理譜儀由東莞理工學院投資8000萬元,與中國散裂中子源及香港城市大學共同研發建設,是國內首臺中子全散射譜儀,也是中國散裂中子源第一臺合作譜儀,其性能達到國際先進水平。

論文第一作者為東莞理工學院機械工程學院王皓亮博士,通訊作者為機械工程學院孫振忠教授,共同通訊作者為比利時魯汶大學Matthias B?nisch博士。合作作者中國散裂中子源殷雯研究員和徐菊萍博士為研究提供了有力的技術支持。其他合作作者機械工程學院的宋成浩博士、趙愈亮博士、聯合培養博士生DanielLai等提供了有益的協助。

(圖1.Ti22Nb合金通過析出納米尺寸第二相獲得的寬溫域零膨脹性能)

在航空航天、微電子器件、光學儀器等精密儀器設備中應用的結構部件,對尺寸穩定性有極為嚴苛的要求。由于溫度升高或降低而導致的材料形狀變化對其功能特性和可靠性有著很大影響。因此,具有近零熱膨脹性能的鈦合金在需要高尺寸穩定性的結構中具有極高的應用價值。例如,美國國家航空航天局已針對太空望遠鏡所需的超高穩定性支撐結構,使用這類鈦合金制造了鏡體支架。在激光加工領域,已有使用這種材料制造的光學透鏡筒體,解決了透鏡焦點熱漂移的問題。這類材料特殊的熱膨脹性能與其內部α?馬氏體物相的各向異性熱膨脹行為有關。但是,現有的通過冷加工工藝獲得的低熱膨脹系數僅限于單相馬氏體相區,即使用溫度上限通常小于~100℃,限制了其在工程領域的廣泛應用。

研究人員利用中子衍射技術表征材料微觀結構的巨大優勢,精確鑒定了線性零膨脹Ti22Nb鈦合金中的物相組成,證實了依靠溶質元素擴散遷移形成的等溫α?iso相也具備調控熱膨脹系數的功能。相對于冷加工材料,該研究中通過機械+熱循環處理獲得的雙相復合材料,其低熱膨脹行為的作用范圍被拓寬至300℃。結合其他原位X-ray衍射和EBSD/TKD電子顯微表征技術,在納米到微米尺寸范圍內全面分析了材料微結構要素,澄清了熱循環過程中納米尺寸α?iso相的形成路徑,揭示了微觀晶格畸變/相變應變、晶體學取向參量和宏觀熱膨脹系數的之間的定量關系,為設計具有較寬使用溫度范圍的低/負熱膨脹鈦合金提供了新的途徑,是從理論研究向技術和產品層面躍進的重要依據和前提。

(圖2.(a)不同狀態Ti22Nb合金中子衍射譜線,(b)原位升降溫XRD譜線,

(c)母相及析出相衍射峰強度隨溫度演化規律)

(論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646221005029

(撰稿:王浩亮;一審:孫振忠;二審:徐滋琪;三審:郭建文)

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