2020年第49卷第8期文章目次
2020, 49(8):2549-2556.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190378
摘要:
采用准密封箱冲击超压实验,研究了W骨架/Zr基非晶合金复合材料的在不同冲击速度下和靶板厚度下的冲击释能特性。并根据温度控制含能结构材料冲击诱发化学反应的热动力学理论,拟合了材料反应的表观活化能Ea和反应系数n,分析了材料的热化学反应特性。结果表明,材料冲击超压峰值与冲击速度正相关,其激发反应阈值为766m/左右,在相同速度下,有使破片靶后释能效率最大化的最优靶板厚度,但在8mm厚钢靶范围内,前板厚度对冲击释能特性影响不大。材料冲击激发化学反应的冲击压力阈值Pc=18.37GPa,对应的理论温度阈值Tc=3736.6K。材料反应效率随着冲击压力和击波温度的增加而增加,在40GPa冲击压力范围内,材料并未完全反应,其理论反应效率达到61.5%。
采用准密封箱冲击超压实验,研究了W骨架/Zr基非晶合金复合材料的在不同冲击速度下和靶板厚度下的冲击释能特性。并根据温度控制含能结构材料冲击诱发化学反应的热动力学理论,拟合了材料反应的表观活化能Ea和反应系数n,分析了材料的热化学反应特性。结果表明,材料冲击超压峰值与冲击速度正相关,其激发反应阈值为766m/左右,在相同速度下,有使破片靶后释能效率最大化的最优靶板厚度,但在8mm厚钢靶范围内,前板厚度对冲击释能特性影响不大。材料冲击激发化学反应的冲击压力阈值Pc=18.37GPa,对应的理论温度阈值Tc=3736.6K。材料反应效率随着冲击压力和击波温度的增加而增加,在40GPa冲击压力范围内,材料并未完全反应,其理论反应效率达到61.5%。
2020, 49(8):2557-2566.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190437
摘要:
微合金化是强化铝合金的重要手段，Sc作为铝合金有效的细化剂而引起广泛关注。实验研究表明，在铝基体中同时添加Zr和Sc，在铝基质中形成Al3(Zr,Sc)细化相，可以实现更好的晶粒细化。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法，系统地研究了不同Sc/Zr配比下形成的Al3(Zr,Sc)细化相的能量和弹性性质。结果表明，当Sc/Zr不高于1/3时，Al3(Zr,Sc)相具有较大的形成焓绝对值，细化相将优先于Al3(Zr,Sc)相析出。同时，Sc元素的加入有利于界面的形成，提高界面的结合强度和润湿效果，但高于1/3的Sc/Zr比对界面性能的提高并无积极作用。并且，Zr的加入可以有效提高细化相的弹性性能，并削弱Al3Sc的弹性各向异性特征。此理论研究指出，微合金化Zr和Sc的共同添加时Sc/Zr不高于1/3时，可以保证细化效果并大大降低合金的成本。
微合金化是强化铝合金的重要手段，Sc作为铝合金有效的细化剂而引起广泛关注。实验研究表明，在铝基体中同时添加Zr和Sc，在铝基质中形成Al3(Zr,Sc)细化相，可以实现更好的晶粒细化。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法，系统地研究了不同Sc/Zr配比下形成的Al3(Zr,Sc)细化相的能量和弹性性质。结果表明，当Sc/Zr不高于1/3时，Al3(Zr,Sc)相具有较大的形成焓绝对值，细化相将优先于Al3(Zr,Sc)相析出。同时，Sc元素的加入有利于界面的形成，提高界面的结合强度和润湿效果，但高于1/3的Sc/Zr比对界面性能的提高并无积极作用。并且，Zr的加入可以有效提高细化相的弹性性能，并削弱Al3Sc的弹性各向异性特征。此理论研究指出，微合金化Zr和Sc的共同添加时Sc/Zr不高于1/3时，可以保证细化效果并大大降低合金的成本。
2020, 49(8):2567-2573.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200090
摘要:
本文系统地研究了粉末冶金态与铸态Ti-5553合金在温度为700 ℃~1100 ℃、应变速率为0.001 s-1~10 s-1条件下的高温不连续屈服行为和绝热温升效应,并对这两种同名义成分不同制备工艺的钛合金进行了对比研究。结果表明：两种合金不连续屈服的幅度均与应变速率呈正相关关系,并与温度呈近似负相关关系, 两种合金中出现的不连续屈服现象符合动态理论。在相同变形条件下,铸态合金中不连续屈服的幅度更大,其原因是相对于粉末冶金态合金,铸态合金中的起始位错密度低,这更有利于晶界处可动位错的突然增殖与扩展。两种合金在热变形中绝热温升的大小均随应变速率的升高而逐渐增大,并随着变形温度的升高而逐渐降低。在相同变形条件下,粉末冶金态合金的绝热温升效应相比与铸态合金较弱,这是因为粉末冶金态合金具有较低的变形抗力和较高的协调变形能力。
本文系统地研究了粉末冶金态与铸态Ti-5553合金在温度为700 ℃~1100 ℃、应变速率为0.001 s-1~10 s-1条件下的高温不连续屈服行为和绝热温升效应,并对这两种同名义成分不同制备工艺的钛合金进行了对比研究。结果表明：两种合金不连续屈服的幅度均与应变速率呈正相关关系,并与温度呈近似负相关关系, 两种合金中出现的不连续屈服现象符合动态理论。在相同变形条件下,铸态合金中不连续屈服的幅度更大,其原因是相对于粉末冶金态合金,铸态合金中的起始位错密度低,这更有利于晶界处可动位错的突然增殖与扩展。两种合金在热变形中绝热温升的大小均随应变速率的升高而逐渐增大,并随着变形温度的升高而逐渐降低。在相同变形条件下,粉末冶金态合金的绝热温升效应相比与铸态合金较弱,这是因为粉末冶金态合金具有较低的变形抗力和较高的协调变形能力。
2020, 49(8):2574-2582.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190406
摘要:
利用SEM、EDS、磨损试验机及硬度测试仪等设备对铝合金表面激光熔覆层的组织与磨损性能开展了研究。结果表明当扫描速度为5mm/s时，熔覆层气孔、裂纹等缺陷相对较少；在熔覆层顶部生成了许多块状及网状的Ni-Al金属间化合物，中部生成了(Ni, Cr, Fe)XCy金属间化合物，底部存在大量具有明显生长方向性的柱状α-Al枝晶。熔覆层顶部及中部保持着高硬度值，中部硬度最高值达820HV，是熔覆层底部硬度值的5倍以上。硬度值在熔覆层中部的末端开始显著下降。熔覆层的摩擦系数根据载何不同其值在0.37-0.43间，并随着载荷增加而有所降低。主要原因是Ni-Al和(Ni, Cr, Fe)XCy金属间化合物等强化相在熔覆层中生成及其均匀分布在熔覆层的中上层改善了材料的硬度及磨损性能。
利用SEM、EDS、磨损试验机及硬度测试仪等设备对铝合金表面激光熔覆层的组织与磨损性能开展了研究。结果表明当扫描速度为5mm/s时，熔覆层气孔、裂纹等缺陷相对较少；在熔覆层顶部生成了许多块状及网状的Ni-Al金属间化合物，中部生成了(Ni, Cr, Fe)XCy金属间化合物，底部存在大量具有明显生长方向性的柱状α-Al枝晶。熔覆层顶部及中部保持着高硬度值，中部硬度最高值达820HV，是熔覆层底部硬度值的5倍以上。硬度值在熔覆层中部的末端开始显著下降。熔覆层的摩擦系数根据载何不同其值在0.37-0.43间，并随着载荷增加而有所降低。主要原因是Ni-Al和(Ni, Cr, Fe)XCy金属间化合物等强化相在熔覆层中生成及其均匀分布在熔覆层的中上层改善了材料的硬度及磨损性能。
2020, 49(8):2583-2590.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190430
摘要:
本文通过在TC11钛合金上利用电弧离子镀技术制备了铬铝氮(CrAlN)涂层。采用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),能量色散X射线光谱(EDX),纳米压痕仪等对CrAlN涂层微观结构和机械性能(如硬度和弹性模量)的影响进行了分析。为了研究偏压对CrAlN涂层固体颗粒抗侵蚀性的影响,还进行了一系列固体颗粒侵蚀实验。结果发现,随着偏压从0V增加至200V,CrA1N涂层的择优生长取向逐渐从(200)转变为(111)晶面。硬度从15.1 GPa增加至接近20 GPa。同时,表面逐渐平整,大颗粒和针孔的数量减少,对CrAlN涂层的抗侵蚀性能均有一定影响。偏压150V时,CrAlN涂层获得最小侵蚀速率,其在30°时为0.032μm/ g,90°时为1.869μm/ g。这些结果表明,选择适当的偏压,CrAlN涂层能够获得更优异的固体颗粒侵蚀抗性。
本文通过在TC11钛合金上利用电弧离子镀技术制备了铬铝氮(CrAlN)涂层。采用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),能量色散X射线光谱(EDX),纳米压痕仪等对CrAlN涂层微观结构和机械性能(如硬度和弹性模量)的影响进行了分析。为了研究偏压对CrAlN涂层固体颗粒抗侵蚀性的影响,还进行了一系列固体颗粒侵蚀实验。结果发现,随着偏压从0V增加至200V,CrA1N涂层的择优生长取向逐渐从(200)转变为(111)晶面。硬度从15.1 GPa增加至接近20 GPa。同时,表面逐渐平整,大颗粒和针孔的数量减少,对CrAlN涂层的抗侵蚀性能均有一定影响。偏压150V时,CrAlN涂层获得最小侵蚀速率,其在30°时为0.032μm/ g,90°时为1.869μm/ g。这些结果表明,选择适当的偏压,CrAlN涂层能够获得更优异的固体颗粒侵蚀抗性。
2020, 49(8):2591-2598.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190435
摘要:
研究了铸态Mg-8Y-6Gd-1Nd-0.17Zn镁合金在应变量为50%、温度350℃~450℃、应变速率0.0001s-1~0.1s-1的范围内热压缩过程中的本构行为、组织演变和热加工性能。通过选用双曲正弦本构方程来描述合金的流变行为以及变形参数间的关系。实验结果表明，温度和应变速率对Mg-8Y-6Gd-1Nd-0.17Zn镁合金的流变应力行为有重要影响，其流变应力随温度的降低和应变速率的增加而增大，并且在温度高于400℃压缩时，合金的真应力应变曲线具有典型的动态再结晶特性。在本实验条件下，该合金变形期间的活化能（Q）和应力指数（n）分别为359.258 KJ / mol 和5.24，实验值与计算值之间的平均误差（ARE）为3.37％。最后基于动态材料模型加工理论，结合热加工图和压缩过程中的组织演变，确定了该合金的最佳热加工参数为：加热温度400~450℃，应变速率为0.0001s-1~0.001s-1。
研究了铸态Mg-8Y-6Gd-1Nd-0.17Zn镁合金在应变量为50%、温度350℃~450℃、应变速率0.0001s-1~0.1s-1的范围内热压缩过程中的本构行为、组织演变和热加工性能。通过选用双曲正弦本构方程来描述合金的流变行为以及变形参数间的关系。实验结果表明，温度和应变速率对Mg-8Y-6Gd-1Nd-0.17Zn镁合金的流变应力行为有重要影响，其流变应力随温度的降低和应变速率的增加而增大，并且在温度高于400℃压缩时，合金的真应力应变曲线具有典型的动态再结晶特性。在本实验条件下，该合金变形期间的活化能（Q）和应力指数（n）分别为359.258 KJ / mol 和5.24，实验值与计算值之间的平均误差（ARE）为3.37％。最后基于动态材料模型加工理论，结合热加工图和压缩过程中的组织演变，确定了该合金的最佳热加工参数为：加热温度400~450℃，应变速率为0.0001s-1~0.001s-1。
2020, 49(8):2599-2606.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190077
摘要:
镁及其合金具有作为临床医学中的可吸收生物材料的巨大潜力，但镁合金的腐蚀速率过快，可能导致植入物失效。本研究使用层层自组装技术在WE镁合金表面构建具有药物的聚-β-羟基丁酸酯（PHB）涂层。研究了镁合金与药物涂层在模拟体液（SBF）中的腐蚀行为。通过观察降解过程中溶液浓度和微观结构的变化。从细胞迁移，细胞毒性和细胞凋亡来研究药物涂层对组织细胞的影响。结果表明，具有生物活性药物涂层有效降低了样品在SBF中的腐蚀速率，细胞毒性，凋亡，促进了细胞的迁移。
镁及其合金具有作为临床医学中的可吸收生物材料的巨大潜力，但镁合金的腐蚀速率过快，可能导致植入物失效。本研究使用层层自组装技术在WE镁合金表面构建具有药物的聚-β-羟基丁酸酯（PHB）涂层。研究了镁合金与药物涂层在模拟体液（SBF）中的腐蚀行为。通过观察降解过程中溶液浓度和微观结构的变化。从细胞迁移，细胞毒性和细胞凋亡来研究药物涂层对组织细胞的影响。结果表明，具有生物活性药物涂层有效降低了样品在SBF中的腐蚀速率，细胞毒性，凋亡，促进了细胞的迁移。
2020, 49(8):2607-2614.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190369
摘要:
本文对Co64V16Si20形状记忆合金中的硅元素用锗元素取代进行了研究。系统研究了Co64V16Si20-xGex (x = 2,4,6,8, at. %)系列合金在热循环过程中的组织、马氏体转变、热循环稳定性和微观结构演化。当x = 2时,合金为具有D022结构的单相马氏体组织。随着Ge含量增加到4 at. %和6 at. %,观察到(αCo)相和D022马氏体相的两相组织。当Ge含量达到8 at. %时,合金呈现(αCo)相 + D022马氏体相+ R相的三相组织。结果表明,与Co64V16Si20基体合金相比,加入锗元素进行合金化可使可逆马氏体转变温度提高近50℃。虽然在热循环过程中伴随着(αCo)相或R相的析出,但是可逆马氏体相变峰仍然出现在十次热循环中。结果表明,锗元素的添加可以改善Co-V-Si高温形状记忆合金的热循环稳定性。
本文对Co64V16Si20形状记忆合金中的硅元素用锗元素取代进行了研究。系统研究了Co64V16Si20-xGex (x = 2,4,6,8, at. %)系列合金在热循环过程中的组织、马氏体转变、热循环稳定性和微观结构演化。当x = 2时,合金为具有D022结构的单相马氏体组织。随着Ge含量增加到4 at. %和6 at. %,观察到(αCo)相和D022马氏体相的两相组织。当Ge含量达到8 at. %时,合金呈现(αCo)相 + D022马氏体相+ R相的三相组织。结果表明,与Co64V16Si20基体合金相比,加入锗元素进行合金化可使可逆马氏体转变温度提高近50℃。虽然在热循环过程中伴随着(αCo)相或R相的析出,但是可逆马氏体相变峰仍然出现在十次热循环中。结果表明,锗元素的添加可以改善Co-V-Si高温形状记忆合金的热循环稳定性。
2020, 49(8):2615-2622.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190444
摘要:
本文研究了添加细化剂和不同热处理工艺（过热处理和热速处理）对Al-Cu合金的改性。分析了Al-Cu-Ti合金的相组成、凝固微观组织和力学性能。此外，采用差示扫描量热法（DSC）研究了Al-Cu-Ti合金在不同熔体热处理工艺后的熔体结构转变行为。实验结果表明，热速处理极大地细化了Al-Cu-Ti合金晶粒，且力学性能得到有效改善。通过对热力学相变分析，发现Al-Cu-Ti合金经过热处理和热速处理后的熔化潜热随着界面能的增大而变小，从而在一定程度上细化了合金的微观组织。
本文研究了添加细化剂和不同热处理工艺（过热处理和热速处理）对Al-Cu合金的改性。分析了Al-Cu-Ti合金的相组成、凝固微观组织和力学性能。此外，采用差示扫描量热法（DSC）研究了Al-Cu-Ti合金在不同熔体热处理工艺后的熔体结构转变行为。实验结果表明，热速处理极大地细化了Al-Cu-Ti合金晶粒，且力学性能得到有效改善。通过对热力学相变分析，发现Al-Cu-Ti合金经过热处理和热速处理后的熔化潜热随着界面能的增大而变小，从而在一定程度上细化了合金的微观组织。
2020, 49(8):2623-2629.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190449
摘要:
本文采用直流反应磁控溅射方法，通过溅射（CrMoTaNbV）镶嵌靶和纯Ti靶制备了(CrMoTaNbVTi)N多主元氮化物薄膜。研究了不同氮气流量比RN对(CrMoTaNbVTi)N薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明，当RN=0% 和10%时薄膜为简单的体心立方结构，当RN=20%、30% 和40%时为简单的面心立方结构。随着氮气流量比RN的增大，表面颗粒逐渐减小，断面柱状晶更为致密，同时(CrMoTaNbVTi)N薄膜的残余应力、膜基结合力、硬度和弹性模量逐渐增大，且当RN=40%时达到最大值，分别为-3.3 GPa, 352 mN, 25.6±1.2 GPa 和 278.8±11.2 GP。RN =40%制备的氮化物薄膜具有最小的比磨损率，相较合金薄膜降低了约1个数量级，表现出优异的耐磨损性能。
本文采用直流反应磁控溅射方法，通过溅射（CrMoTaNbV）镶嵌靶和纯Ti靶制备了(CrMoTaNbVTi)N多主元氮化物薄膜。研究了不同氮气流量比RN对(CrMoTaNbVTi)N薄膜的微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。结果表明，当RN=0% 和10%时薄膜为简单的体心立方结构，当RN=20%、30% 和40%时为简单的面心立方结构。随着氮气流量比RN的增大，表面颗粒逐渐减小，断面柱状晶更为致密，同时(CrMoTaNbVTi)N薄膜的残余应力、膜基结合力、硬度和弹性模量逐渐增大，且当RN=40%时达到最大值，分别为-3.3 GPa, 352 mN, 25.6±1.2 GPa 和 278.8±11.2 GP。RN =40%制备的氮化物薄膜具有最小的比磨损率，相较合金薄膜降低了约1个数量级，表现出优异的耐磨损性能。
2020, 49(8):2630-2635.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190450
摘要:
为了制备蒙乃尔合金多孔材料，本文以蒙乃尔粉为原料，以K2CO3为造孔剂，采用烧结-溶解法制备了不同孔隙率的蒙乃尔合金多孔试样。研究了造孔剂体积分数、压坯压力和烧结温度对试样孔隙率、孔径和透气度的影响。实验结果表明，当造孔剂的体积分数在20%~ 40%之间时，制备的样品孔隙率为31%~46%。当压坯压力在200~400MPa范围时，随压力的增大试样的孔隙率、孔径和透气度均减小；当烧结温度在850~1000℃范围时，随烧结温度升高，孔径和透气度先增大后缓慢降低，在950℃达到峰值。当造孔剂体积分数为30%，压制压力为200MPa，烧结温度950℃时，所制备的蒙乃尔多孔材料孔隙率为37%，最大孔径为21.5μm，透气度为76.77 m3/(h?kPa?m2)。
为了制备蒙乃尔合金多孔材料，本文以蒙乃尔粉为原料，以K2CO3为造孔剂，采用烧结-溶解法制备了不同孔隙率的蒙乃尔合金多孔试样。研究了造孔剂体积分数、压坯压力和烧结温度对试样孔隙率、孔径和透气度的影响。实验结果表明，当造孔剂的体积分数在20%~ 40%之间时，制备的样品孔隙率为31%~46%。当压坯压力在200~400MPa范围时，随压力的增大试样的孔隙率、孔径和透气度均减小；当烧结温度在850~1000℃范围时，随烧结温度升高，孔径和透气度先增大后缓慢降低，在950℃达到峰值。当造孔剂体积分数为30%，压制压力为200MPa，烧结温度950℃时，所制备的蒙乃尔多孔材料孔隙率为37%，最大孔径为21.5μm，透气度为76.77 m3/(h?kPa?m2)。
2020, 49(8):2636-2643.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190440
摘要:
锌,铝和锌铝合金之间的溶解作用常见于钎焊,热浸镀和涂覆过程,如在制备Galfan、Galvalume镀层钢的过程中。工件如要通过预制的涂层来在获得良好的抗腐蚀性能,需使镀层材料中的锌和铝之间良好的润湿,本研究工作探究了在不同的Zn-Al二元合金体系中,影响锌和铝溶解程度的几个关键因素。我们研究动力学影响因素融入分子动力学模拟当中。原子尺度下的溶解润湿现象通过LAMMPS来模拟,在其中包含了Zn-5wt.%Al和Zn-6.8wt.%Al (Zn-15at.%Al)液态合金在Al(100),Al(110),Al(111)固体基板上润湿的模型。通过改变温度,提升Zn,Al之间的原子百分比,发现升高温度,提高液相中的Al含量可以促进Zn-Al组元的溶解。同时,本工作也通过分析表征溶解参数的变化,研究了温度,Al含量对溶解部分体积和扩散系数大小的影响。
锌,铝和锌铝合金之间的溶解作用常见于钎焊,热浸镀和涂覆过程,如在制备Galfan、Galvalume镀层钢的过程中。工件如要通过预制的涂层来在获得良好的抗腐蚀性能,需使镀层材料中的锌和铝之间良好的润湿,本研究工作探究了在不同的Zn-Al二元合金体系中,影响锌和铝溶解程度的几个关键因素。我们研究动力学影响因素融入分子动力学模拟当中。原子尺度下的溶解润湿现象通过LAMMPS来模拟,在其中包含了Zn-5wt.%Al和Zn-6.8wt.%Al (Zn-15at.%Al)液态合金在Al(100),Al(110),Al(111)固体基板上润湿的模型。通过改变温度,提升Zn,Al之间的原子百分比,发现升高温度,提高液相中的Al含量可以促进Zn-Al组元的溶解。同时,本工作也通过分析表征溶解参数的变化,研究了温度,Al含量对溶解部分体积和扩散系数大小的影响。
2020, 49(8):2644-2648.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190452
摘要:
新型Mg-4.5Gd-2.6Nd-0.5Zn-0.5Zr铸造合金的显微组织和力学性能进行了研究。发现了合金的铸态组织由近等轴晶，Mg12（Nd，Gd）和Mg3Gd合金组成。通过最优化热处理后，合金的常温和高温 250℃时的 屈服强度 , 抗拉强度 和延伸率分别为 205MP, 320MP和 4.0%；145MP, 245MP 和 18.5% 。合金的强化原则在文中做了叙述。合金常温下断裂为脆性断裂，高温下为韧性断裂。高温下断裂特征具有很多韧窝和撕裂脊。
新型Mg-4.5Gd-2.6Nd-0.5Zn-0.5Zr铸造合金的显微组织和力学性能进行了研究。发现了合金的铸态组织由近等轴晶，Mg12（Nd，Gd）和Mg3Gd合金组成。通过最优化热处理后，合金的常温和高温 250℃时的 屈服强度 , 抗拉强度 和延伸率分别为 205MP, 320MP和 4.0%；145MP, 245MP 和 18.5% 。合金的强化原则在文中做了叙述。合金常温下断裂为脆性断裂，高温下为韧性断裂。高温下断裂特征具有很多韧窝和撕裂脊。
2020, 49(8):2649-2657.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190462
摘要:
采用累积叠轧法制备了初始Zr层厚度不同的两种Nb/Zr金属层状复合板并对其在叠轧过程中的微观结构、织构演化和力学性能进行了研究。结果显示, Nb/Zr层状复合材料的界面结合良好,异质界面处无金属间化合物产生。随着叠轧道次增加,层状复合结构内部形成了贯穿于多个金属层的剪切带组织,初始Zr层厚度为1 mm的复合板较Zr层厚度为2 mm的复合板易于发生Zr层的颈缩、断裂和分离。Nb层内主要为位错胞状结构, Zr层内为高位错密度晶粒与动态回复晶粒的混合组织。此外,不同初始Zr层厚度的复合板中Nb层的织构演化特征不同：当初始Zr层厚度为1 mm时,Nb表现为强立方取向；当初始Zr层厚度为2 mm时,随着叠轧道次增加,旋转立方取向始终为主导的织构组分。两种复合板中Zr层的织构演化特征一致,即经一道次叠轧后,{0001}基面双峰织构为主要织构组分。随着叠轧道次增加,基面双峰织构略有减弱,同时出现了较弱的{11-20}丝织构。单轴拉伸测试表明,随着叠轧道次增加两种不同Zr层厚度的复合板屈服强度和抗拉强度均逐渐增大,而塑性延伸率呈现先减小后增大的趋势。经三道次叠轧后两种复合板的最大延伸率分别为14.2%和16.5%。叠轧过程中各金属显著的晶粒细化、Zr层内高位错密度晶粒与动态回复晶粒共存的混合组织以及Zr织构的特征演化是贡献于复合板具有高强度和良好塑性的原因。
采用累积叠轧法制备了初始Zr层厚度不同的两种Nb/Zr金属层状复合板并对其在叠轧过程中的微观结构、织构演化和力学性能进行了研究。结果显示, Nb/Zr层状复合材料的界面结合良好,异质界面处无金属间化合物产生。随着叠轧道次增加,层状复合结构内部形成了贯穿于多个金属层的剪切带组织,初始Zr层厚度为1 mm的复合板较Zr层厚度为2 mm的复合板易于发生Zr层的颈缩、断裂和分离。Nb层内主要为位错胞状结构, Zr层内为高位错密度晶粒与动态回复晶粒的混合组织。此外,不同初始Zr层厚度的复合板中Nb层的织构演化特征不同：当初始Zr层厚度为1 mm时,Nb表现为强立方取向；当初始Zr层厚度为2 mm时,随着叠轧道次增加,旋转立方取向始终为主导的织构组分。两种复合板中Zr层的织构演化特征一致,即经一道次叠轧后,{0001}基面双峰织构为主要织构组分。随着叠轧道次增加,基面双峰织构略有减弱,同时出现了较弱的{11-20}丝织构。单轴拉伸测试表明,随着叠轧道次增加两种不同Zr层厚度的复合板屈服强度和抗拉强度均逐渐增大,而塑性延伸率呈现先减小后增大的趋势。经三道次叠轧后两种复合板的最大延伸率分别为14.2%和16.5%。叠轧过程中各金属显著的晶粒细化、Zr层内高位错密度晶粒与动态回复晶粒共存的混合组织以及Zr织构的特征演化是贡献于复合板具有高强度和良好塑性的原因。
2020, 49(8):2658-2664.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190484
摘要:
采用电弧熔炼的方法在氩气气氛中熔炼了ZrCo0.8M0.2 (M = Co、Cu、Cr、Mn、Al)合金。合金的主相均为ZrCo相,但Cr、Mn和Al部分替代Co后形成了第二相。Cr替代形成了Zr2Co和ZrCr2相,Mn替代形成了Zr2Co和ZrMn2相,Al替代形成Zr3Co和Zr6CoAl2相。Cr和Mn的替代使合金的晶胞体积减小,而Cu和Al的替代使晶胞体积增大。Cu、Cr、Mn和Al替代后,ZrCo0.8M0.2合金的平台压变化不明显,但吸氢量出现了不同程度的降低。Cr和Mn元素的替代明显改善了ZrCo合金在室温下的活化性能。Cr和Mn元素的替代降低了高温下ZrCo合金发生歧化反应的速率,这主要是由于Cr和Mn元素的掺杂减少了氢原子占据不稳定位置8f2 和8e的数量,从而降低了歧化反应发生的驱动力。
采用电弧熔炼的方法在氩气气氛中熔炼了ZrCo0.8M0.2 (M = Co、Cu、Cr、Mn、Al)合金。合金的主相均为ZrCo相,但Cr、Mn和Al部分替代Co后形成了第二相。Cr替代形成了Zr2Co和ZrCr2相,Mn替代形成了Zr2Co和ZrMn2相,Al替代形成Zr3Co和Zr6CoAl2相。Cr和Mn的替代使合金的晶胞体积减小,而Cu和Al的替代使晶胞体积增大。Cu、Cr、Mn和Al替代后,ZrCo0.8M0.2合金的平台压变化不明显,但吸氢量出现了不同程度的降低。Cr和Mn元素的替代明显改善了ZrCo合金在室温下的活化性能。Cr和Mn元素的替代降低了高温下ZrCo合金发生歧化反应的速率,这主要是由于Cr和Mn元素的掺杂减少了氢原子占据不稳定位置8f2 和8e的数量,从而降低了歧化反应发生的驱动力。
2020, 49(8):2665-2673.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190506
摘要:
研究了采用新型Al-5Ti-1B-1RE中间合金和Al-10Sr中间合金对A356铝合金进行单一或复合细化变质处理后的组织、力学性能和共晶硅生长机制的影响。结果表明：单一细化变质处理中Al-5Ti-1B-1RE中间合金对A356铝合金中α-Al相有明显的细化作用,合金的强度和维氏硬度显著提高；Al-10Sr 中间合金对共晶硅有强的变质作用,合金的伸长率明显提高；而经复合细化变质处理后α-Al相形状和尺寸变得更均匀细小,晶界更清晰,共晶硅相几乎都转变成更弥散、更细小的纤维状,片层状共晶硅也几乎完全消失,共晶硅长度由铸态40-60 μm降低到1-2 μm之间,达到完全变质效果,其力学性能显著高于铸态、单一细化变质剂处理的A356铝合金。未细化变质的A356铝合金中的共晶Si的生长方式为典型的小平面台阶生长,复合细化变质处理的共晶硅以孪晶凹槽机制生长为主,小平面生长特征逐渐减弱直至消失。
研究了采用新型Al-5Ti-1B-1RE中间合金和Al-10Sr中间合金对A356铝合金进行单一或复合细化变质处理后的组织、力学性能和共晶硅生长机制的影响。结果表明：单一细化变质处理中Al-5Ti-1B-1RE中间合金对A356铝合金中α-Al相有明显的细化作用,合金的强度和维氏硬度显著提高；Al-10Sr 中间合金对共晶硅有强的变质作用,合金的伸长率明显提高；而经复合细化变质处理后α-Al相形状和尺寸变得更均匀细小,晶界更清晰,共晶硅相几乎都转变成更弥散、更细小的纤维状,片层状共晶硅也几乎完全消失,共晶硅长度由铸态40-60 μm降低到1-2 μm之间,达到完全变质效果,其力学性能显著高于铸态、单一细化变质剂处理的A356铝合金。未细化变质的A356铝合金中的共晶Si的生长方式为典型的小平面台阶生长,复合细化变质处理的共晶硅以孪晶凹槽机制生长为主,小平面生长特征逐渐减弱直至消失。
2020, 49(8):2674-2682.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190096
摘要:
为了进一步提高变极性等离子弧(VPPA)-金属惰性气体(MIG)复合焊接的数值计算精度，采用高速摄像机对VPPA-MIG焊接的热源特性进行了分析，开发并优化了一种变极性热组合源模型对VPPA-MIG焊接热过程进行了数值分析。该模型考虑了VPPA加热形式的周期性变化。此外，为了更准确地表达复合焊接，同时考虑了正、反极性两阶段复合热源的耦合作用。通过试验获得焊缝尺寸和热循环验证了数值计算结果。模拟结果表明，VPPA-MIG复合焊的熔宽小于MIG焊的熔宽，复合焊接具有较强的穿透能力。VPPA-MIG焊接与MIG焊接在热输入形式和热过程上存在明显差异，直接影响了焊接接头的组织与力学性能。通过对比VPPA-MIG焊与传统MIG焊的微观组织发现，VPPA-MIG复合焊接过程中复合电弧的摆动有利于接头中产生细小均匀的晶粒。从二者焊接接头的显微硬度和抗拉强度可以看出，VPPA-MIG复合焊接接头具有较小的软化倾向。
为了进一步提高变极性等离子弧(VPPA)-金属惰性气体(MIG)复合焊接的数值计算精度，采用高速摄像机对VPPA-MIG焊接的热源特性进行了分析，开发并优化了一种变极性热组合源模型对VPPA-MIG焊接热过程进行了数值分析。该模型考虑了VPPA加热形式的周期性变化。此外，为了更准确地表达复合焊接，同时考虑了正、反极性两阶段复合热源的耦合作用。通过试验获得焊缝尺寸和热循环验证了数值计算结果。模拟结果表明，VPPA-MIG复合焊的熔宽小于MIG焊的熔宽，复合焊接具有较强的穿透能力。VPPA-MIG焊接与MIG焊接在热输入形式和热过程上存在明显差异，直接影响了焊接接头的组织与力学性能。通过对比VPPA-MIG焊与传统MIG焊的微观组织发现，VPPA-MIG复合焊接过程中复合电弧的摆动有利于接头中产生细小均匀的晶粒。从二者焊接接头的显微硬度和抗拉强度可以看出，VPPA-MIG复合焊接接头具有较小的软化倾向。
2020, 49(8):2683-2690.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190495
摘要:
碳/碳复合材料单独使用受到一定的限制,与其它材料的连接成为其应用的一大关键技术。钎焊是近几十年内,研究最多、最成熟、应用最广泛的一种C/C复合材料与金属的连接方法。由于材料本身的特性,C/C复合材料的钎焊仍存在很多的不足,不能满足特定条件下的使用需求。本文综述了C/C复合材料的钎焊连接概况。包括C/C复合材料与金属材料钎焊的连接难点、已研究的连接体系和接头连接机理。重点归纳了C/C复合材料的钎焊方法和基本原理,主要包括：采用活性金属钎料直接钎焊；采用微纳颗粒增强复合钎料或添加应力缓冲层复合材料；对C/C复合材料进行表面改性处理；及改变界面结构等方面。分析了目前研究已经取得的突破进展及仍然存在的问题,并分析和总结了C/C复合材料钎焊的可行性措施,对后续C/C复合材料钎焊的研究及连接性能的提高作出基础性参考。
碳/碳复合材料单独使用受到一定的限制,与其它材料的连接成为其应用的一大关键技术。钎焊是近几十年内,研究最多、最成熟、应用最广泛的一种C/C复合材料与金属的连接方法。由于材料本身的特性,C/C复合材料的钎焊仍存在很多的不足,不能满足特定条件下的使用需求。本文综述了C/C复合材料的钎焊连接概况。包括C/C复合材料与金属材料钎焊的连接难点、已研究的连接体系和接头连接机理。重点归纳了C/C复合材料的钎焊方法和基本原理,主要包括：采用活性金属钎料直接钎焊；采用微纳颗粒增强复合钎料或添加应力缓冲层复合材料；对C/C复合材料进行表面改性处理；及改变界面结构等方面。分析了目前研究已经取得的突破进展及仍然存在的问题,并分析和总结了C/C复合材料钎焊的可行性措施,对后续C/C复合材料钎焊的研究及连接性能的提高作出基础性参考。
2020, 49(8):2691-2696.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190625
摘要:
钨铬(W-Cr)合金具有优异的物理性能,被认为是面向等离子体材料(PFM)中最有潜力的候选材料。而合金元素对辐照损伤演化过程的影响规律是钨合金优化设计的关键,深入研究溶质原子与辐照缺陷(如：空位)的相互作用有助于理解辐照损伤演化的微观物理机制。本文基于第一性原理方法,对W-Cr合金的溶质原子Cr占位、Cr与空位的相互作用及Cr含量对其影响规律进行了计算研究。发现相比于间隙位置,原子Cr更易占据置换位置,W中溶质Cr有偏聚的趋势；在辐照环境下,空位和自间隙原子均易与溶质原子Cr相结合,易加速W中富Cr相的析出；随Cr含量的增加,体系的形成能线性增加,因而结构越发不稳定。研究还发现超胞中单原子Cr的第二近邻空位的形成能最低,且低于W的本征空位形成能,因而溶质Cr与空位之间存在微弱的吸引；对于同一Cr含量,不同构型的空位形成能及空位和Cr的结合能均不同,且Cr含量越高,数值越分散；随着Cr含量的增加,平均空位形成能及空位与Cr的平均结合能均略有下降,因而溶质原子Cr附近空位更易形成,空位浓度更高,同样也表明溶质Cr与空位有微弱的吸引。这些结论将有助于深入理解W中溶质元素存在条件下辐照缺陷演化过程的微观物理机制。
钨铬(W-Cr)合金具有优异的物理性能,被认为是面向等离子体材料(PFM)中最有潜力的候选材料。而合金元素对辐照损伤演化过程的影响规律是钨合金优化设计的关键,深入研究溶质原子与辐照缺陷(如：空位)的相互作用有助于理解辐照损伤演化的微观物理机制。本文基于第一性原理方法,对W-Cr合金的溶质原子Cr占位、Cr与空位的相互作用及Cr含量对其影响规律进行了计算研究。发现相比于间隙位置,原子Cr更易占据置换位置,W中溶质Cr有偏聚的趋势；在辐照环境下,空位和自间隙原子均易与溶质原子Cr相结合,易加速W中富Cr相的析出；随Cr含量的增加,体系的形成能线性增加,因而结构越发不稳定。研究还发现超胞中单原子Cr的第二近邻空位的形成能最低,且低于W的本征空位形成能,因而溶质Cr与空位之间存在微弱的吸引；对于同一Cr含量,不同构型的空位形成能及空位和Cr的结合能均不同,且Cr含量越高,数值越分散；随着Cr含量的增加,平均空位形成能及空位与Cr的平均结合能均略有下降,因而溶质原子Cr附近空位更易形成,空位浓度更高,同样也表明溶质Cr与空位有微弱的吸引。这些结论将有助于深入理解W中溶质元素存在条件下辐照缺陷演化过程的微观物理机制。
2020, 49(8):2697-2705.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200202
摘要:
首先，本文采用BP神经网络建立了喷丸25CrMo车轴钢疲劳寿命预测模型。然后，在此基础上采用遗传算法（GA）对BP神经网络的预测精度进行了优化。此外，还采用了径向基神经网络（RBF）进行建模分析，并与以上两种模型的预测结果进行对比，结果表明：遗传算法优化的BP神经网络（GA-BP）相比于BP和RBF神经网络具有更高的预测精度，其中训练集和测试集的平均预测精度分别为91.5%和85.4%。然后，基于GA-BP神经网络模型的连接权值矩阵和Garson方程进行了灵敏度分析，从而进一步量化了输入影响因素对喷丸25CrMo车轴钢疲劳寿命的相对影响比重；最后，还采用GA-BP神经网络预测了喷丸25CrMo车轴钢表面残余压应力的松弛行为，结果表明：测试集的平均预测误差仅为3.4%，表明了该神经网络预测性能良好。综上所述，本文采用神经网络建模分析了喷丸25CrMo车轴钢的疲劳性能和残余压应力松弛行为，显著降低了传统疲劳试验所需的成本，并且还保证了较高的准确性。
首先，本文采用BP神经网络建立了喷丸25CrMo车轴钢疲劳寿命预测模型。然后，在此基础上采用遗传算法（GA）对BP神经网络的预测精度进行了优化。此外，还采用了径向基神经网络（RBF）进行建模分析，并与以上两种模型的预测结果进行对比，结果表明：遗传算法优化的BP神经网络（GA-BP）相比于BP和RBF神经网络具有更高的预测精度，其中训练集和测试集的平均预测精度分别为91.5%和85.4%。然后，基于GA-BP神经网络模型的连接权值矩阵和Garson方程进行了灵敏度分析，从而进一步量化了输入影响因素对喷丸25CrMo车轴钢疲劳寿命的相对影响比重；最后，还采用GA-BP神经网络预测了喷丸25CrMo车轴钢表面残余压应力的松弛行为，结果表明：测试集的平均预测误差仅为3.4%，表明了该神经网络预测性能良好。综上所述，本文采用神经网络建模分析了喷丸25CrMo车轴钢的疲劳性能和残余压应力松弛行为，显著降低了传统疲劳试验所需的成本，并且还保证了较高的准确性。
2020, 49(8):2706-2711.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190566
摘要:
研究了TC21钛合金缺口试样在两种腐蚀环境（油箱积水、3.5%NaCl水溶液）与室温空气环境下的疲劳性能与断裂机理。并与光滑试样在室温空气环境下疲劳性能进行对比。结果表明，室温空气环境下，当两种试样疲劳寿命均达到5×105次循环时，缺口试样的循环应力值较光滑试样下降了52.7%；相同环境下随着应力水平降低，试样疲劳寿命增加；相同应力条件下，3.5% NaCl水溶液环境下试样疲劳寿命最低，油箱积水环境下次之，室温空气中TC21钛合金试样疲劳寿命最高；当应力较低时，差异更为显著。在腐蚀环境下，溶液中离子与金属原子发生电化学反应，加速了裂纹的萌生与扩展，3.5% NaCl水溶液中离子浓度较大，电化学反应更为剧烈
研究了TC21钛合金缺口试样在两种腐蚀环境（油箱积水、3.5%NaCl水溶液）与室温空气环境下的疲劳性能与断裂机理。并与光滑试样在室温空气环境下疲劳性能进行对比。结果表明，室温空气环境下，当两种试样疲劳寿命均达到5×105次循环时，缺口试样的循环应力值较光滑试样下降了52.7%；相同环境下随着应力水平降低，试样疲劳寿命增加；相同应力条件下，3.5% NaCl水溶液环境下试样疲劳寿命最低，油箱积水环境下次之，室温空气中TC21钛合金试样疲劳寿命最高；当应力较低时，差异更为显著。在腐蚀环境下，溶液中离子与金属原子发生电化学反应，加速了裂纹的萌生与扩展，3.5% NaCl水溶液中离子浓度较大，电化学反应更为剧烈
2020, 49(8):2712-2717.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190581
摘要:
为优化后续轧制工艺,利用Gleeble-3800热力模拟机,对轧制态254SMo超级奥氏体不锈钢进行等温恒应变速率压缩试验,研究了254SMo超级奥氏体不锈钢在变形温度为900~1100℃,应变速率为0.005~5 s-1的热变形行为及微观组织演变。结果表明,随着变形温度升高及应变速率降低,峰值应力减小,且流变曲线的单峰特征变得明显,说明高温低应变速率下254SMo容易发生动态再结晶；三种形式的Arrhenius本构方程预测精度对比显示,指数形式的精度最高,相关系数达97.496%,变形激活能为546 kJ/mol。
为优化后续轧制工艺,利用Gleeble-3800热力模拟机,对轧制态254SMo超级奥氏体不锈钢进行等温恒应变速率压缩试验,研究了254SMo超级奥氏体不锈钢在变形温度为900~1100℃,应变速率为0.005~5 s-1的热变形行为及微观组织演变。结果表明,随着变形温度升高及应变速率降低,峰值应力减小,且流变曲线的单峰特征变得明显,说明高温低应变速率下254SMo容易发生动态再结晶；三种形式的Arrhenius本构方程预测精度对比显示,指数形式的精度最高,相关系数达97.496%,变形激活能为546 kJ/mol。
2020, 49(8):2718-2723.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190582
摘要:
哈氏合金因其优良性能被广泛应用于航空工业,利用强流脉冲电子束(HCPEB)轰击哈氏合金X表面对其进行改性,并对其显微组织进行分析和讨论。利用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀后试样,利用电子背散射衍射(EBSD)观察未腐蚀试样。结果表明：从扫描电镜照片可以看到,未轰击试样晶界被腐蚀,轰击后试样表面存在约为2μm的重熔层,腐蚀程度减轻,晶界处出现颗粒状碳化物；从EBSD结果可知,轰击5次试样晶粒尺寸最小,轰击5次和10次试样晶粒取向性更好,多为[101]和[110]。实验表明强流脉冲电子束轰击能够使哈氏合金X表面出现重熔层,并改变其晶粒大小和晶体取向。
哈氏合金因其优良性能被广泛应用于航空工业,利用强流脉冲电子束(HCPEB)轰击哈氏合金X表面对其进行改性,并对其显微组织进行分析和讨论。利用扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀后试样,利用电子背散射衍射(EBSD)观察未腐蚀试样。结果表明：从扫描电镜照片可以看到,未轰击试样晶界被腐蚀,轰击后试样表面存在约为2μm的重熔层,腐蚀程度减轻,晶界处出现颗粒状碳化物；从EBSD结果可知,轰击5次试样晶粒尺寸最小,轰击5次和10次试样晶粒取向性更好,多为[101]和[110]。实验表明强流脉冲电子束轰击能够使哈氏合金X表面出现重熔层,并改变其晶粒大小和晶体取向。
2020, 49(8):2724-2729.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190590
摘要:
摘要: 本文采用浸没法研究了在523K、553K和573K的温度下有无超声作用Cu/Sn体系的溶解行为。实验发现超声波作用下Cu丝在熔融Sn中的溶解速率是无超声作用的6.79~24.106倍。结合有限元模拟的方法分别从超声波空化效应、微射流效应和声流效应等角度出发解释这一现象。研究结果表明,空化泡坍塌瞬间会在Cu/Sn界面的局部产生1500K左右的高温,不但提高了Cu在Sn液中的固溶度极限,而且使“微点”区域Cu发生熔化；微射流效应能减薄金属间化合物(IMC)层厚度和改变其形貌,增加了原子扩散的通道；声流效应会产生搅拌作用,将Cu/Sn固液界面前沿的溶质Cu原子不断推向Sn液内部,使溶质原子溶度一直低于饱和溶解度。综合以上各方面的因素使得超声波作用下固体Cu在Sn液中溶解量和溶解速率显著增大。
摘要: 本文采用浸没法研究了在523K、553K和573K的温度下有无超声作用Cu/Sn体系的溶解行为。实验发现超声波作用下Cu丝在熔融Sn中的溶解速率是无超声作用的6.79~24.106倍。结合有限元模拟的方法分别从超声波空化效应、微射流效应和声流效应等角度出发解释这一现象。研究结果表明,空化泡坍塌瞬间会在Cu/Sn界面的局部产生1500K左右的高温,不但提高了Cu在Sn液中的固溶度极限,而且使“微点”区域Cu发生熔化；微射流效应能减薄金属间化合物(IMC)层厚度和改变其形貌,增加了原子扩散的通道；声流效应会产生搅拌作用,将Cu/Sn固液界面前沿的溶质Cu原子不断推向Sn液内部,使溶质原子溶度一直低于饱和溶解度。综合以上各方面的因素使得超声波作用下固体Cu在Sn液中溶解量和溶解速率显著增大。
2020, 49(8):2730-2737.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190607
摘要:
为对单晶涡轮叶片长时服役后的显微组织损伤及力学性能退化程度进行评价，分别选用服役时间为25000h和50000h的燃气轮机用高压涡轮叶片，截取叶身中部材料进行组织定量表征和显微硬度测试。定量测算了不同服役时间和不同位置的γ"相尺寸、体积分数，二次γ"相尺寸，基体通道宽度，并进行了维氏硬度测试。结果表明：同一服役时间不同位置γ"相尺寸粗化程度不同，前缘、尾缘高温区γ"相尺寸大于叶盆、叶背处，而体积分数稍小于其他两处；服役50000h的叶片γ"相尺寸大于相同位置处服役25000h叶片，体积分数呈相反规律；部分位置存在二次γ"相析出现象，二次γ"相析出位置基体通道宽度明显增加，经1100℃/2h空冷/炉冷实验验证，二次γ"相析出与工作高温及冷却方式有关；尾缘服役异常高温区出现TCP相，该相富含W、Re元素，经分析为μ相；不同服役时长前缘、尾缘位置显微硬度均下降明显，且显微硬度下降与γ"相尺寸增大呈负相关、体积分数减少呈正相关关系，γ"相尺寸、体积分数可作为本材料损伤评价参量。
为对单晶涡轮叶片长时服役后的显微组织损伤及力学性能退化程度进行评价，分别选用服役时间为25000h和50000h的燃气轮机用高压涡轮叶片，截取叶身中部材料进行组织定量表征和显微硬度测试。定量测算了不同服役时间和不同位置的γ"相尺寸、体积分数，二次γ"相尺寸，基体通道宽度，并进行了维氏硬度测试。结果表明：同一服役时间不同位置γ"相尺寸粗化程度不同，前缘、尾缘高温区γ"相尺寸大于叶盆、叶背处，而体积分数稍小于其他两处；服役50000h的叶片γ"相尺寸大于相同位置处服役25000h叶片，体积分数呈相反规律；部分位置存在二次γ"相析出现象，二次γ"相析出位置基体通道宽度明显增加，经1100℃/2h空冷/炉冷实验验证，二次γ"相析出与工作高温及冷却方式有关；尾缘服役异常高温区出现TCP相，该相富含W、Re元素，经分析为μ相；不同服役时长前缘、尾缘位置显微硬度均下降明显，且显微硬度下降与γ"相尺寸增大呈负相关、体积分数减少呈正相关关系，γ"相尺寸、体积分数可作为本材料损伤评价参量。
2020, 49(8):2738-2745.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190623
摘要:
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法获得了hR20、cP4和hP8结构Al3Er对应的Er的固溶度曲线。同时，在计算中利用了对Er的4f电子分别视为核心电子和价电子的不同赝势。通过对不同4f电子近似下获得的溶解焓的加权平均，获得的cP4结构Al3Er对应的Er的固溶度曲线更加接近实验测量结果。计算获得的hR20、cP4和hP8结构Al3Er对应的Er的固溶度量值近似相等，远小于hP8结构对应的固溶度值。结合结构分析显示，cP4结构比hR20结构简单是造成cP4结构Al3Er更易从固溶体中析出的主要原因。
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法获得了hR20、cP4和hP8结构Al3Er对应的Er的固溶度曲线。同时，在计算中利用了对Er的4f电子分别视为核心电子和价电子的不同赝势。通过对不同4f电子近似下获得的溶解焓的加权平均，获得的cP4结构Al3Er对应的Er的固溶度曲线更加接近实验测量结果。计算获得的hR20、cP4和hP8结构Al3Er对应的Er的固溶度量值近似相等，远小于hP8结构对应的固溶度值。结合结构分析显示，cP4结构比hR20结构简单是造成cP4结构Al3Er更易从固溶体中析出的主要原因。
2020, 49(8):2746-2753.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190630
摘要:
基于密度泛函理论的平面波赝势方法,从原子尺度研究了Co原子掺杂对γ′-Ni3Al晶体结构稳定性的影响。首先通过数值优化与实验结果对比选取了最佳工艺参数,计算了Co原子掺杂前后晶胞的晶体结构、体系的总能量、形成热、结合能及电子态密度和电荷密度,进而分析了体系结构的成键特性和稳定性。计算结果表明：Co原子取代Al原子位置后晶胞结构更稳定；掺杂前后在-10 eV到费米能级的低能级区域,Co、Ni原子的3d轨道与Al原子的s、p轨道发生了强烈的轨道杂化,且原子间的电荷转移量明显增加,使得掺杂后化合物的共价键性增强；与取代Ni原子相比,在费米能级低能级处Co原子取代Al原子时成键电子数增加,其周围价电子相互作用增强,形成的合金体系稳定性提高。最后采用高温长时时效实验对计算结果进行了验证。
基于密度泛函理论的平面波赝势方法,从原子尺度研究了Co原子掺杂对γ′-Ni3Al晶体结构稳定性的影响。首先通过数值优化与实验结果对比选取了最佳工艺参数,计算了Co原子掺杂前后晶胞的晶体结构、体系的总能量、形成热、结合能及电子态密度和电荷密度,进而分析了体系结构的成键特性和稳定性。计算结果表明：Co原子取代Al原子位置后晶胞结构更稳定；掺杂前后在-10 eV到费米能级的低能级区域,Co、Ni原子的3d轨道与Al原子的s、p轨道发生了强烈的轨道杂化,且原子间的电荷转移量明显增加,使得掺杂后化合物的共价键性增强；与取代Ni原子相比,在费米能级低能级处Co原子取代Al原子时成键电子数增加,其周围价电子相互作用增强,形成的合金体系稳定性提高。最后采用高温长时时效实验对计算结果进行了验证。
2020, 49(8):2754-2759.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190633
摘要:
Nd-Fe系稀土过渡族化合物包含有很多种不同的类型,其中大部分化合物的结构可以在一定条件下相互转化。在稀土永磁材料制备过程中存在的各相之间的转变对永磁材料磁性能有很大的影响。然而之前的研究对Nd-Fe系化合物中相变过程的分析较少,本文制备了NdFe12铸锭并使用EDS能谱分析了冷却过程中铸锭中的相变过程,同时使用熔体快淬法制备了前驱体的薄带,通过X射线衍射分析了薄带中相的组成。研究发现铸锭与薄带中的相组成均受冷却速度的影响。控制NdFe12系化合物中相组成及相变过程对之后制备NdFe12Nx低稀土新一代永磁材料具有很重要的意义。
Nd-Fe系稀土过渡族化合物包含有很多种不同的类型,其中大部分化合物的结构可以在一定条件下相互转化。在稀土永磁材料制备过程中存在的各相之间的转变对永磁材料磁性能有很大的影响。然而之前的研究对Nd-Fe系化合物中相变过程的分析较少,本文制备了NdFe12铸锭并使用EDS能谱分析了冷却过程中铸锭中的相变过程,同时使用熔体快淬法制备了前驱体的薄带,通过X射线衍射分析了薄带中相的组成。研究发现铸锭与薄带中的相组成均受冷却速度的影响。控制NdFe12系化合物中相组成及相变过程对之后制备NdFe12Nx低稀土新一代永磁材料具有很重要的意义。
2020, 49(8):2760-2764.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190639
摘要:
以Al粉作为扩散源，研究了不同晶界扩散工艺对Nd-Fe-B磁体微观结构和磁性能的影响。研究发现，570 oC/1 h扩散时，磁体的综合磁性能最佳，其矫顽力和磁能积分别为1131 kA/m和252 kJ/m3，较原始磁体分别提升了16%和9.6%，且磁体的温度稳定性也得到改善。微结构和成分分析研究表明，晶界扩散后，Al主要分布于晶间富稀土相，且其形貌由大块状进展为薄层状，界面也变得更为平直光滑，增强了对反磁化畴形核的抑制，减小了退磁场。此外，晶间富稀土相中的Al有助于腐蚀电位的提升，而腐蚀电流密度的降低则归因于富稀土相分布的变化。
以Al粉作为扩散源，研究了不同晶界扩散工艺对Nd-Fe-B磁体微观结构和磁性能的影响。研究发现，570 oC/1 h扩散时，磁体的综合磁性能最佳，其矫顽力和磁能积分别为1131 kA/m和252 kJ/m3，较原始磁体分别提升了16%和9.6%，且磁体的温度稳定性也得到改善。微结构和成分分析研究表明，晶界扩散后，Al主要分布于晶间富稀土相，且其形貌由大块状进展为薄层状，界面也变得更为平直光滑，增强了对反磁化畴形核的抑制，减小了退磁场。此外，晶间富稀土相中的Al有助于腐蚀电位的提升，而腐蚀电流密度的降低则归因于富稀土相分布的变化。
2020, 49(8):2765-2772.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190662
摘要:
在酸性体系中采用阴极扫描伏安和计时电流等电化学测试方法，研究添加十二烷基硫酸钠（SDS）对铜电沉积过程的影响机理。结果表明：SDS的添加使沉积电位正移，降低了阴极极化。SDS浓度低于临界胶束浓度1g/L时，铜的成核弛豫时间延长，形核速率降低。SDS浓度高于临界胶束浓度时，形成SDS球状胶束，铜的成核弛豫时间减少，形核速率加快。铜晶核形成过程符合Scharitker?Hill 三维成核/生长机制，当SDS为1g/L时，在-0.2V的低过电位区，铜结晶按渐进成核方式进行，在-0.23--0.28V的高过电位区，铜结晶按瞬时成核方式进行。而当SDS为0.5g/L时，铜在-0.2V--0.25V的低电位区和在-0.28V的高电位区均符合渐进成核。
在酸性体系中采用阴极扫描伏安和计时电流等电化学测试方法，研究添加十二烷基硫酸钠（SDS）对铜电沉积过程的影响机理。结果表明：SDS的添加使沉积电位正移，降低了阴极极化。SDS浓度低于临界胶束浓度1g/L时，铜的成核弛豫时间延长，形核速率降低。SDS浓度高于临界胶束浓度时，形成SDS球状胶束，铜的成核弛豫时间减少，形核速率加快。铜晶核形成过程符合Scharitker?Hill 三维成核/生长机制，当SDS为1g/L时，在-0.2V的低过电位区，铜结晶按渐进成核方式进行，在-0.23--0.28V的高过电位区，铜结晶按瞬时成核方式进行。而当SDS为0.5g/L时，铜在-0.2V--0.25V的低电位区和在-0.28V的高电位区均符合渐进成核。
2020, 49(8):2773-2778.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190586
摘要:
熔盐电解法制备金属钛是取代高污染,高能耗的传统金属钛冶炼方法的重要工艺。但是,熔盐电解法所需时间长,效率低,是阻碍该法发展的瓶颈问题。因此,本文以提升脱氧速度为目标,首先研究了试片厚度对反应速度的影响,再配合采用量子化学方法,研究了TiO2的导电机制。基于实验和计算结果,设计了多层阴极。多层TiO2阴极经6 h的电解后,得到了含氧量在3 500-4 000 ppm的金属钛,且各片产物没有明显差别。相比传统的阴极制备方法,电解速度得到有效提高。并且多层阴极解决了电解速度与产量的矛盾,为熔盐电解法的工业应用提供了有益的参考。
熔盐电解法制备金属钛是取代高污染,高能耗的传统金属钛冶炼方法的重要工艺。但是,熔盐电解法所需时间长,效率低,是阻碍该法发展的瓶颈问题。因此,本文以提升脱氧速度为目标,首先研究了试片厚度对反应速度的影响,再配合采用量子化学方法,研究了TiO2的导电机制。基于实验和计算结果,设计了多层阴极。多层TiO2阴极经6 h的电解后,得到了含氧量在3 500-4 000 ppm的金属钛,且各片产物没有明显差别。相比传统的阴极制备方法,电解速度得到有效提高。并且多层阴极解决了电解速度与产量的矛盾,为熔盐电解法的工业应用提供了有益的参考。
2020, 49(8):2779-2785.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191096
摘要:
通过高温度梯度定向凝固方法制备了高质量的Mg2Si1-xSnx晶体，对1.5at%Bi掺杂条件下不同Sn含量的合金进行了热电性能测试和电子传输性能的第一性原理计算。x=0.625时，由于达到能带收敛条件，Seebeck系数和功率因子均达到最大值，测试结果分别为-247μVK-1和5.7mWm-1K-2，与计算预测结果一致，与纳米级晶粒的块体材料相比，功率因子提升了25%。在T=700K处计算预测的最大ZT值为1.3，而实验测试值为1.16，而且在中温区的550K到800K之间预测和实验测试的ZT值均可以保持在0.9以上。通过优化功率因子的方法可以有效提高Mg2Si1-xSnx晶体的热电性能，而且可以避免热电器件在高温环境长时间服役时，由于晶粒长大而导致的性能降低。
通过高温度梯度定向凝固方法制备了高质量的Mg2Si1-xSnx晶体，对1.5at%Bi掺杂条件下不同Sn含量的合金进行了热电性能测试和电子传输性能的第一性原理计算。x=0.625时，由于达到能带收敛条件，Seebeck系数和功率因子均达到最大值，测试结果分别为-247μVK-1和5.7mWm-1K-2，与计算预测结果一致，与纳米级晶粒的块体材料相比，功率因子提升了25%。在T=700K处计算预测的最大ZT值为1.3，而实验测试值为1.16，而且在中温区的550K到800K之间预测和实验测试的ZT值均可以保持在0.9以上。通过优化功率因子的方法可以有效提高Mg2Si1-xSnx晶体的热电性能，而且可以避免热电器件在高温环境长时间服役时，由于晶粒长大而导致的性能降低。
2020, 49(8):2786-2790.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190575
摘要:
金属3D打印技术成为当前最具有发展潜力和发展前景的工业制造技术之一,通过SLM激光选区烧结技术,选取合理的烧结参数,将金属粉末烧结成型。建立了不同孔径的多孔支架复杂三维模型,并通过有限元分析进行应力、应变的模拟分析,获得了优化后的多孔支架三维模型,为后续的实验研究分析建立理论基础,然后通过SLM烧结技术制备316L不锈钢多孔支架,通过后期热处理实验、压缩试验、金相实验,对多孔试样进行力学性能分析、硬度测试以及表面微观组织分析。通过模拟分析获得优化后的多孔支架孔径尺寸,获得了更适于人体骨骼缺损部位承重的多孔支架,可对后续研究进行指导。实验研究发现300μm孔径支架强度和弹性模量都高于天然骨,而成形多孔结构的金属件保证了骨骼修复体的生物力学性能,具有良好的力学性能。
金属3D打印技术成为当前最具有发展潜力和发展前景的工业制造技术之一,通过SLM激光选区烧结技术,选取合理的烧结参数,将金属粉末烧结成型。建立了不同孔径的多孔支架复杂三维模型,并通过有限元分析进行应力、应变的模拟分析,获得了优化后的多孔支架三维模型,为后续的实验研究分析建立理论基础,然后通过SLM烧结技术制备316L不锈钢多孔支架,通过后期热处理实验、压缩试验、金相实验,对多孔试样进行力学性能分析、硬度测试以及表面微观组织分析。通过模拟分析获得优化后的多孔支架孔径尺寸,获得了更适于人体骨骼缺损部位承重的多孔支架,可对后续研究进行指导。实验研究发现300μm孔径支架强度和弹性模量都高于天然骨,而成形多孔结构的金属件保证了骨骼修复体的生物力学性能,具有良好的力学性能。
2020, 49(8):2791-2799.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190584
摘要:
采用SEM、EBSD、DSC、XRD和万能拉伸试验机等手段,研究了SLM成形过程中Inconel 738合金裂纹形成机理、组织各向异性以及对力学性能的影响。研究表明,Inconel 738合金在SLM成形过程中奥氏体 相中主要析出 相和MC型碳化物,其凝固过程为L→ → +MC→ + +MC；低熔点 + 共晶组织经再次受热液化形成裂纹源,在残余拉应力的作用下扩展形成微裂纹；同时,微裂纹周围的残余应力均匀分布,微裂纹起始附近的晶粒取向差高于未产生微裂纹的位置；此外,XY面上的微裂纹方向垂直于激光扫描方向,XZ面上的微裂纹方向平行于Z轴；SLM成形Inconel 738合金的择优取向与最大温度梯度有关,在XY和XZ面上晶体均表现出强<100>取向；沿XY和XZ方向的SLM成形试样力学性能均高于精铸试样,且XZ方向的强度高于XY方向,而延伸率小于XY方向。
采用SEM、EBSD、DSC、XRD和万能拉伸试验机等手段,研究了SLM成形过程中Inconel 738合金裂纹形成机理、组织各向异性以及对力学性能的影响。研究表明,Inconel 738合金在SLM成形过程中奥氏体 相中主要析出 相和MC型碳化物,其凝固过程为L→ → +MC→ + +MC；低熔点 + 共晶组织经再次受热液化形成裂纹源,在残余拉应力的作用下扩展形成微裂纹；同时,微裂纹周围的残余应力均匀分布,微裂纹起始附近的晶粒取向差高于未产生微裂纹的位置；此外,XY面上的微裂纹方向垂直于激光扫描方向,XZ面上的微裂纹方向平行于Z轴；SLM成形Inconel 738合金的择优取向与最大温度梯度有关,在XY和XZ面上晶体均表现出强<100>取向；沿XY和XZ方向的SLM成形试样力学性能均高于精铸试样,且XZ方向的强度高于XY方向,而延伸率小于XY方向。
2020, 49(8):2800-2806.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190592
摘要:
为了探索稀土元素在钢中的作用机理，分别研究混合稀土加入量La+Ce：36ppm、La+Ce：44ppm、La+Ce：51ppm与空白试样（La+Ce：0ppm）对含Nb结构钢强度及韧性的影响规律。通过拉伸试验、低温冲击试验以及SEM和EDS对材料性能和显微结构进行分析。结果表明：在Fe-0.07%C-0.025%Nb-x%(La+Ce)成分体系下，降Nb而添加适量混合La+Ce稀土化合物，随着La+Ce含量增加，断裂过程韧窝增大且逐渐加深，含Nb结构钢的屈服强度和抗拉强度呈增大趋势，且延伸率随着稀土含量和强度的增加未呈现大幅度下降趋势。说明混合La+Ce稀土化合物可以替代贵金属Nb元素来提升产品的强度指标。对于低温冲击试验，由断口形貌和四种成分系钢带试样吸收冲击能量对比得出，在含Nb结构钢中，混合La+Ce稀土加入量为36ppm时，变质钢中的夹杂物形成有效的LaCeO2S析出粒子阻碍断裂过程裂纹扩展，-40℃和-60℃的低温冲击韧性最优。
为了探索稀土元素在钢中的作用机理，分别研究混合稀土加入量La+Ce：36ppm、La+Ce：44ppm、La+Ce：51ppm与空白试样（La+Ce：0ppm）对含Nb结构钢强度及韧性的影响规律。通过拉伸试验、低温冲击试验以及SEM和EDS对材料性能和显微结构进行分析。结果表明：在Fe-0.07%C-0.025%Nb-x%(La+Ce)成分体系下，降Nb而添加适量混合La+Ce稀土化合物，随着La+Ce含量增加，断裂过程韧窝增大且逐渐加深，含Nb结构钢的屈服强度和抗拉强度呈增大趋势，且延伸率随着稀土含量和强度的增加未呈现大幅度下降趋势。说明混合La+Ce稀土化合物可以替代贵金属Nb元素来提升产品的强度指标。对于低温冲击试验，由断口形貌和四种成分系钢带试样吸收冲击能量对比得出，在含Nb结构钢中，混合La+Ce稀土加入量为36ppm时，变质钢中的夹杂物形成有效的LaCeO2S析出粒子阻碍断裂过程裂纹扩展，-40℃和-60℃的低温冲击韧性最优。
2020, 49(8):2807-2812.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190602
摘要:
元素掺杂是消除Nb金属氢脆问题的有效方法。本文制备了W掺杂的Nb100-xWx (x=2,5,8,10,16)合金，采用XRD、SEM、Sieverts 气体吸附技术、电化学方法和三点弯曲试验研究了掺杂量对合金结构、氢化物形成焓、氢扩散系数和抗氢脆机械力学性能的影响。研究证实，熔炼制备Nb100-xWx为Nb-bcc结构的固溶体合金，W掺杂引起晶体结构畸变收缩，其畸变行为随掺杂量增大更为明显。Nb基固溶体在匀晶转变时存在非平衡转变，形成富W和贫W区相间分散的枝状结晶形貌。随W掺杂量增大，其枝状结构趋于更加细化和致密、分界明显。W掺杂引起合金的氢化物形成焓增大、有利于H原子的释放，Nb84W16合金样品具有最大的氢扩散系数（1.66×10-9 cm2·s-1），约是Nb98W2合金的1.8倍。W掺杂提高Nb100-xWx固溶体合金的抗氢脆性能，Nb84W16合金膜有最大的临界载荷值（78.4N）和最大位移量（0.83mm），分别是Nb98W2合金膜的1.9倍和1.8倍，力学性能的改善与其枝状结晶结构有关。
元素掺杂是消除Nb金属氢脆问题的有效方法。本文制备了W掺杂的Nb100-xWx (x=2,5,8,10,16)合金，采用XRD、SEM、Sieverts 气体吸附技术、电化学方法和三点弯曲试验研究了掺杂量对合金结构、氢化物形成焓、氢扩散系数和抗氢脆机械力学性能的影响。研究证实，熔炼制备Nb100-xWx为Nb-bcc结构的固溶体合金，W掺杂引起晶体结构畸变收缩，其畸变行为随掺杂量增大更为明显。Nb基固溶体在匀晶转变时存在非平衡转变，形成富W和贫W区相间分散的枝状结晶形貌。随W掺杂量增大，其枝状结构趋于更加细化和致密、分界明显。W掺杂引起合金的氢化物形成焓增大、有利于H原子的释放，Nb84W16合金样品具有最大的氢扩散系数（1.66×10-9 cm2·s-1），约是Nb98W2合金的1.8倍。W掺杂提高Nb100-xWx固溶体合金的抗氢脆性能，Nb84W16合金膜有最大的临界载荷值（78.4N）和最大位移量（0.83mm），分别是Nb98W2合金膜的1.9倍和1.8倍，力学性能的改善与其枝状结晶结构有关。
2020, 49(8):2813-2819.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190610
摘要:
利用激光增材制造技术制备了Ti6Al4V/Inconel718功能梯度材料,研究了该梯度材料的成分及相组成、显微组织和显微硬度的变化。研究表明：沿组成梯度方向发生了一系列相变：α+β→α+β+Ti2Ni→β+TiNi→γ,过渡层主要是由TiNi和Ti2Ni以及Ti-Cr和Ti-Fe等二元相组成的混合体；沿材料底部至顶部微观组织发生了由魏氏α片层组织到细小树枝晶的转变；对沉积结构进行显微硬度测试,发现具有较高Ti2Ni相面积分数的过渡层最硬,本研究发现最大值为823HV。
利用激光增材制造技术制备了Ti6Al4V/Inconel718功能梯度材料,研究了该梯度材料的成分及相组成、显微组织和显微硬度的变化。研究表明：沿组成梯度方向发生了一系列相变：α+β→α+β+Ti2Ni→β+TiNi→γ,过渡层主要是由TiNi和Ti2Ni以及Ti-Cr和Ti-Fe等二元相组成的混合体；沿材料底部至顶部微观组织发生了由魏氏α片层组织到细小树枝晶的转变；对沉积结构进行显微硬度测试,发现具有较高Ti2Ni相面积分数的过渡层最硬,本研究发现最大值为823HV。
2020, 49(8):2820-2824.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190617
摘要:
利用真空电弧熔炼设备制备了新型TiZrHfNbSc难熔高熵合金,利用XRD、SEM、DSC等方法分析了合金的显微组织,利用显微硬度计、微控电子万能试验机测定了合金的硬度及力学性能。研究结果表明：TiZrHfNbSc难熔高熵合金为单一无序的BCC固溶体结构,晶格常数a=3.443?,合金密度约为7.16g/cm3；合金的维氏显微硬度约380,屈服强度σ0.2=650MPa,压缩变形率达到60%以上,合金的强化机制为固溶强化。
利用真空电弧熔炼设备制备了新型TiZrHfNbSc难熔高熵合金,利用XRD、SEM、DSC等方法分析了合金的显微组织,利用显微硬度计、微控电子万能试验机测定了合金的硬度及力学性能。研究结果表明：TiZrHfNbSc难熔高熵合金为单一无序的BCC固溶体结构,晶格常数a=3.443?,合金密度约为7.16g/cm3；合金的维氏显微硬度约380,屈服强度σ0.2=650MPa,压缩变形率达到60%以上,合金的强化机制为固溶强化。
2020, 49(8):2825-2829.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190619
摘要:
传统的Cu包套原位粉末装管法(in situ PIT)制备多芯MgB2超导线材时,易于出现断芯、断线现象。针对一问题,本实验中以强度较高的梦乃尔合金(Monel 400)作为包套材料,以旋锻、拉拔、轧制及中间热处理相结合的加工手段成功的制备出直径Φ1.0 mm、37芯结构的多芯MgB2超导长线材。微观结构分析表明多芯线材中MgB2芯丝及替换芯丝等亚组元的分布较为规整,阻隔层未出现明显破损现象,最终线材中MgB2超导芯丝的平均直径约80 μm。室温拉伸性能显示热处理前MgB2线材的屈服强度为759 MPa,热处理后的线材为248 MPa。4.2 K、4 T下,线材的临界电流密度Jc达到2.31×105 A.cm-2,工程临界电流密度达到3.16×104 A.cm-2。
传统的Cu包套原位粉末装管法(in situ PIT)制备多芯MgB2超导线材时,易于出现断芯、断线现象。针对一问题,本实验中以强度较高的梦乃尔合金(Monel 400)作为包套材料,以旋锻、拉拔、轧制及中间热处理相结合的加工手段成功的制备出直径Φ1.0 mm、37芯结构的多芯MgB2超导长线材。微观结构分析表明多芯线材中MgB2芯丝及替换芯丝等亚组元的分布较为规整,阻隔层未出现明显破损现象,最终线材中MgB2超导芯丝的平均直径约80 μm。室温拉伸性能显示热处理前MgB2线材的屈服强度为759 MPa,热处理后的线材为248 MPa。4.2 K、4 T下,线材的临界电流密度Jc达到2.31×105 A.cm-2,工程临界电流密度达到3.16×104 A.cm-2。
2020, 49(8):2830-2838.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190621
摘要:
为了进一步提升镁合金耐蚀性,将水滑石(layered double hydroxides LDH)与微弧氧化结合(MAO)制备一种主动防护的高耐蚀复合涂层。本文采用原位法成功在AZ31镁合金MAO涂层表面制备了层间含NO3-的MgCr-LDH层,构成LDH/MAO复合涂层,研究原有MAO涂层表面LDH的微观组织结构及其与原始MAO涂层的相互作用,并利用长时间浸泡法和电化学法测试MgCr-LDH/MAO复合涂层试样在3.5wt%NaCl溶液中的耐蚀性能,揭示LDH层耐蚀保护机理,研究结果显示：LDH易于在镁合金表面MAO层的孔洞中形成,最终生成均匀致密片状结构的层。LDH的原位生长过程对原始MAO涂层没有破坏,MgCr-LDH与MAO涂层之间属于化学结合,具有强的粘附性与机械稳定性。MgCr-LDH/MAO复合涂层明显提高了AZ31镁合金的耐腐蚀性能,LDH层的其防腐保护机制主要表现为两部分,一是LDH均匀形成于原始MAO层上,有效的覆盖了MAO层的孔洞与裂纹,阻挡氯离子通过MAO涂层的固有缺陷进入合金基体产生破坏。二是LDH的硝酸根层间阴离子能够与腐蚀环境中的氯离子进行离子交换,降低溶液中的氯离子浓度,从而延长涂层的耐蚀保护性。
为了进一步提升镁合金耐蚀性,将水滑石(layered double hydroxides LDH)与微弧氧化结合(MAO)制备一种主动防护的高耐蚀复合涂层。本文采用原位法成功在AZ31镁合金MAO涂层表面制备了层间含NO3-的MgCr-LDH层,构成LDH/MAO复合涂层,研究原有MAO涂层表面LDH的微观组织结构及其与原始MAO涂层的相互作用,并利用长时间浸泡法和电化学法测试MgCr-LDH/MAO复合涂层试样在3.5wt%NaCl溶液中的耐蚀性能,揭示LDH层耐蚀保护机理,研究结果显示：LDH易于在镁合金表面MAO层的孔洞中形成,最终生成均匀致密片状结构的层。LDH的原位生长过程对原始MAO涂层没有破坏,MgCr-LDH与MAO涂层之间属于化学结合,具有强的粘附性与机械稳定性。MgCr-LDH/MAO复合涂层明显提高了AZ31镁合金的耐腐蚀性能,LDH层的其防腐保护机制主要表现为两部分,一是LDH均匀形成于原始MAO层上,有效的覆盖了MAO层的孔洞与裂纹,阻挡氯离子通过MAO涂层的固有缺陷进入合金基体产生破坏。二是LDH的硝酸根层间阴离子能够与腐蚀环境中的氯离子进行离子交换,降低溶液中的氯离子浓度,从而延长涂层的耐蚀保护性。
2020, 49(8):2839-2844.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190643
摘要:
研究了不同热处理制度对激光沉积DZ125高温合金显微组织、硬度及摩擦磨损性能的影响规律。结果表明：沉积区枝晶形貌为外沿生长的柱状枝晶，平均一次枝晶间距约为10.8μm，经单级时效（870 ℃/20h，AC）和双级时效（1100 ℃/4h，AC to 870 ℃/20h，AC）热处理后，试样的枝晶形貌与沉积态差别不大，γ"相均发生粗化现象，且双级时效热处理后的γ"相粗化程度更高、尺寸分布更为均匀；双级时效热处理制度下，不同低温时效温度γ"相的平均尺寸和含量不同，其中 1100 ℃/4h，AC to 870 ℃/20h，AC制度下，γ"相的平均尺寸和含量最大；经单级时效和双级时效热处理后，碳化物中Ti元素含量均呈下降趋势；双级时效热处理后，析出两种形貌不规则的MC碳化物，分别为富含Cr、Co元素的M23C6型碳化物和富含W、Mo元素的M6C型碳化物；单级时效和双级时效热处理试样的磨损机理均为磨粒磨损，双级时效热处理试样的显微硬度及耐磨性能均优于单级时效。
研究了不同热处理制度对激光沉积DZ125高温合金显微组织、硬度及摩擦磨损性能的影响规律。结果表明：沉积区枝晶形貌为外沿生长的柱状枝晶，平均一次枝晶间距约为10.8μm，经单级时效（870 ℃/20h，AC）和双级时效（1100 ℃/4h，AC to 870 ℃/20h，AC）热处理后，试样的枝晶形貌与沉积态差别不大，γ"相均发生粗化现象，且双级时效热处理后的γ"相粗化程度更高、尺寸分布更为均匀；双级时效热处理制度下，不同低温时效温度γ"相的平均尺寸和含量不同，其中 1100 ℃/4h，AC to 870 ℃/20h，AC制度下，γ"相的平均尺寸和含量最大；经单级时效和双级时效热处理后，碳化物中Ti元素含量均呈下降趋势；双级时效热处理后，析出两种形貌不规则的MC碳化物，分别为富含Cr、Co元素的M23C6型碳化物和富含W、Mo元素的M6C型碳化物；单级时效和双级时效热处理试样的磨损机理均为磨粒磨损，双级时效热处理试样的显微硬度及耐磨性能均优于单级时效。
2020, 49(8):2845-2854.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190664
摘要:
闭孔Al复合泡沫作为一种典型轻质高强材料，在汽车及航空航天领域具有明确需求牵引和应用前景。采用传统方法制备泡沫铝时，生产工艺复杂、样品尺寸受限，严重阻碍了大规模生产。本文提出基于搅拌摩擦焊制备闭孔CNTs/Al复合泡沫新工艺，解决制备大面积闭孔复合泡沫的难题。利用扫描电镜对不同焊接旋转速度的闭孔CNTs/Al复合泡沫预制体及复合泡沫的微观组织进行分析；采用红外线测温仪对焊接过程中预制体温度分布进行研究。利用电子万能试验机对纯Al泡沫和不同孔隙率闭孔泡沫的屈服应力和平台应力进行对比。研究结果表明：当搅拌头旋转速度为1000rpm时，闭孔CNTs/Al复合泡沫预制体表面平滑而致密。同时，增强体CNTs均匀分布在复合泡沫预制体横截面上。在发泡温度650℃，680℃和700℃对比可知，最佳发泡温度为680℃发泡15min，泡孔结构均匀，孔隙趋于圆形，最大泡孔直径为0.48mm。常温压缩时，闭孔复合泡沫的应力-应变曲线表现出脆性与韧性相结合的变形特征。孔隙率为30.5%时，闭孔泡沫的屈服应力和平台应力值最大。同时，与纯Al泡沫相比，闭孔泡沫的屈服应力提高了2-2.8倍；平台应力提高了1.4-2.9倍。
闭孔Al复合泡沫作为一种典型轻质高强材料，在汽车及航空航天领域具有明确需求牵引和应用前景。采用传统方法制备泡沫铝时，生产工艺复杂、样品尺寸受限，严重阻碍了大规模生产。本文提出基于搅拌摩擦焊制备闭孔CNTs/Al复合泡沫新工艺，解决制备大面积闭孔复合泡沫的难题。利用扫描电镜对不同焊接旋转速度的闭孔CNTs/Al复合泡沫预制体及复合泡沫的微观组织进行分析；采用红外线测温仪对焊接过程中预制体温度分布进行研究。利用电子万能试验机对纯Al泡沫和不同孔隙率闭孔泡沫的屈服应力和平台应力进行对比。研究结果表明：当搅拌头旋转速度为1000rpm时，闭孔CNTs/Al复合泡沫预制体表面平滑而致密。同时，增强体CNTs均匀分布在复合泡沫预制体横截面上。在发泡温度650℃，680℃和700℃对比可知，最佳发泡温度为680℃发泡15min，泡孔结构均匀，孔隙趋于圆形，最大泡孔直径为0.48mm。常温压缩时，闭孔复合泡沫的应力-应变曲线表现出脆性与韧性相结合的变形特征。孔隙率为30.5%时，闭孔泡沫的屈服应力和平台应力值最大。同时，与纯Al泡沫相比，闭孔泡沫的屈服应力提高了2-2.8倍；平台应力提高了1.4-2.9倍。
2020, 49(8):2855-2860.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190934
摘要:
摘 要: 本文对粉末冶金Ti6Al4V合金进行不同方式的锻造，并对锻造前后的性能和组织进行分析。研究表明，锻造是提高粉末冶金钛合金致密度、提高力学性能的有效手段。一方面，对粉末冶金Ti6Al4V合金在不同温度下进行一次锻造变形，发现960℃锻造后合金塑性最高，延伸率达到15.44%；随着锻造温度升高，组织中等轴α不断减少，逐渐向网篮组织转变，塑性有所降低，但是由于粉末的原始颗粒边界对晶粒长大的阻碍作用，在1150℃锻造后粉末冶金Ti6Al4V合金的晶粒没有明显长大，小于20μm的晶粒约占71%。晶粒尺寸小，有利于材料的塑性，其延伸率仍达到14.30%。因此，粉末冶金Ti6Al4V合金比传统熔铸钛合金具有更宽的锻造温度窗口。另一方面，对粉末冶金Ti6Al4V合金在不同温度下进行二次锻造变形，首先在高温锻造，利用小变形量的高温锻造来提高粉末钛合金的致密度，然后在低温进行二次锻造，获取需要的组织。经过两次锻造变形的Ti6Al4V合金的延伸率均大于17%，抗拉强度大于990MPa，屈服强度大于960MPa。
摘 要: 本文对粉末冶金Ti6Al4V合金进行不同方式的锻造，并对锻造前后的性能和组织进行分析。研究表明，锻造是提高粉末冶金钛合金致密度、提高力学性能的有效手段。一方面，对粉末冶金Ti6Al4V合金在不同温度下进行一次锻造变形，发现960℃锻造后合金塑性最高，延伸率达到15.44%；随着锻造温度升高，组织中等轴α不断减少，逐渐向网篮组织转变，塑性有所降低，但是由于粉末的原始颗粒边界对晶粒长大的阻碍作用，在1150℃锻造后粉末冶金Ti6Al4V合金的晶粒没有明显长大，小于20μm的晶粒约占71%。晶粒尺寸小，有利于材料的塑性，其延伸率仍达到14.30%。因此，粉末冶金Ti6Al4V合金比传统熔铸钛合金具有更宽的锻造温度窗口。另一方面，对粉末冶金Ti6Al4V合金在不同温度下进行二次锻造变形，首先在高温锻造，利用小变形量的高温锻造来提高粉末钛合金的致密度，然后在低温进行二次锻造，获取需要的组织。经过两次锻造变形的Ti6Al4V合金的延伸率均大于17%，抗拉强度大于990MPa，屈服强度大于960MPa。
2020, 49(8):2861-2868.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191070
摘要:
采用无氰电镀工艺在TC4合金表面制备了Cu/石墨复合镀层，研究了镀层的组织结构和摩擦磨损行为。结果表明，采用无氰电镀方法能够在TC4合金表面制备出组织致密且与基体结合紧密的Cu/石墨复合镀层，但增加镀层中石墨的含量会降低镀层与基体合金的结合强度，并导致硬度小幅下降。摩擦磨损实验结果表明，Cu/石墨复合镀层具有优良的摩擦磨损防护性能，归因于石墨有效降低了镀层的摩擦系数和磨损率；对镀层磨损形貌、磨损产物和摩擦系数的综合分析结果表明，纯铜镀层的摩擦磨损机制主要为犁削磨损、黏着磨损和剥层磨损，Cu/石墨复合镀层的磨损机制为轻微的削层磨损和疲劳磨损。
采用无氰电镀工艺在TC4合金表面制备了Cu/石墨复合镀层，研究了镀层的组织结构和摩擦磨损行为。结果表明，采用无氰电镀方法能够在TC4合金表面制备出组织致密且与基体结合紧密的Cu/石墨复合镀层，但增加镀层中石墨的含量会降低镀层与基体合金的结合强度，并导致硬度小幅下降。摩擦磨损实验结果表明，Cu/石墨复合镀层具有优良的摩擦磨损防护性能，归因于石墨有效降低了镀层的摩擦系数和磨损率；对镀层磨损形貌、磨损产物和摩擦系数的综合分析结果表明，纯铜镀层的摩擦磨损机制主要为犁削磨损、黏着磨损和剥层磨损，Cu/石墨复合镀层的磨损机制为轻微的削层磨损和疲劳磨损。
2020, 49(8):2869-2874.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191107
摘要:
本文采用微通道反萃取模型装置，以P507-煤油体系中铒离子为研究对象，系统考察了微通道反应器尺寸、盐酸浓度、进料流速和有机相中铒离子预负载量等因素对反萃取过程的影响。结果表明，当微通道直径为0.6mm，长度为200cm, 停留时间为8.48s时，有机相中稀土Er3+的反萃率可达88.41%；盐酸浓度为6mol/L时反萃取率最高。与传统萃取方式相比，微通道反萃取具有较高的反萃取效率，总传质系数为传统萃取方式的8-10倍。
本文采用微通道反萃取模型装置，以P507-煤油体系中铒离子为研究对象，系统考察了微通道反应器尺寸、盐酸浓度、进料流速和有机相中铒离子预负载量等因素对反萃取过程的影响。结果表明，当微通道直径为0.6mm，长度为200cm, 停留时间为8.48s时，有机相中稀土Er3+的反萃率可达88.41%；盐酸浓度为6mol/L时反萃取率最高。与传统萃取方式相比，微通道反萃取具有较高的反萃取效率，总传质系数为传统萃取方式的8-10倍。
2020, 49(8):2875-2879.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200017
摘要:
为提升钛金属与碳膜的界面结合,增强涂层的防护作用,利用微弧氧化(MAO)技术在钛表面快速简易制备出与基体为冶金结合的多孔层结构,并以此为基采用离子束复合磁控溅射技术制备碳膜。采用SEM+EDS、AFM分析所制备膜层的微观结构,借助划痕仪、磨损试验机和电化学工作站表征膜层的结合力和性能。结果表明：表层碳膜并不能完全覆盖微弧氧化层的微孔,同时Ti基体表面微弧氧化层可有效增加表层碳膜与Ti基体的结合力；Ti基体/MAO层/碳膜的膜基体系在摩擦磨损过程中,摩擦系数小且波动很小,磨痕宽度最小,表现出最为优异的摩擦学性能；而新设计复合膜层的耐蚀性较传统的Ti基体/Ti打底层/碳膜的膜基体系要差,这与表层碳膜较薄,复合膜层仍呈现出微弧氧化层多孔特征有关,其导致腐蚀介质易于通过微孔而降低耐蚀性。
为提升钛金属与碳膜的界面结合,增强涂层的防护作用,利用微弧氧化(MAO)技术在钛表面快速简易制备出与基体为冶金结合的多孔层结构,并以此为基采用离子束复合磁控溅射技术制备碳膜。采用SEM+EDS、AFM分析所制备膜层的微观结构,借助划痕仪、磨损试验机和电化学工作站表征膜层的结合力和性能。结果表明：表层碳膜并不能完全覆盖微弧氧化层的微孔,同时Ti基体表面微弧氧化层可有效增加表层碳膜与Ti基体的结合力；Ti基体/MAO层/碳膜的膜基体系在摩擦磨损过程中,摩擦系数小且波动很小,磨痕宽度最小,表现出最为优异的摩擦学性能；而新设计复合膜层的耐蚀性较传统的Ti基体/Ti打底层/碳膜的膜基体系要差,这与表层碳膜较薄,复合膜层仍呈现出微弧氧化层多孔特征有关,其导致腐蚀介质易于通过微孔而降低耐蚀性。
2020, 49(8):2880-2887.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200120
摘要:
研究不同铸型成型下TC4钛合金的微观组织、织构和高温持久性能,利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)等观察和分析TC4钛合金的显微组织与持久性断裂行为。结果表明：不同铸型工艺TC4钛合金的物相均为α相、β相和ω相组成,其中主要物相为α相(90%左右)。与石墨型相比,陶瓷型有利于β→α相变,α相高出5.3%,晶粒平均直径大(dmean=37.021μm),晶界较少,晶粒均匀相对稳定,当α相比例增大时,材料强度减小,塑性升高。同时陶瓷型织构强度高,取向明显,织构类型为{11-20}<1-100>,与Y方向呈现约45°的夹角,进一步验证了试样在(101)、(002)、(101)峰强增加的原因,与织构的形成有关；陶瓷型试样的高温持久性优于石墨型,在温度(400℃、430℃、460℃)下,持久性应力断裂寿命分别提高了1.174%、15.401、6.998%,均为韧性断裂,其微观形貌为韧窝花样。此外,温度直接影响TC4钛合金的持久寿命,随着温度升高,TC4钛合金的应力断裂寿命逐渐降低。
研究不同铸型成型下TC4钛合金的微观组织、织构和高温持久性能,利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)等观察和分析TC4钛合金的显微组织与持久性断裂行为。结果表明：不同铸型工艺TC4钛合金的物相均为α相、β相和ω相组成,其中主要物相为α相(90%左右)。与石墨型相比,陶瓷型有利于β→α相变,α相高出5.3%,晶粒平均直径大(dmean=37.021μm),晶界较少,晶粒均匀相对稳定,当α相比例增大时,材料强度减小,塑性升高。同时陶瓷型织构强度高,取向明显,织构类型为{11-20}<1-100>,与Y方向呈现约45°的夹角,进一步验证了试样在(101)、(002)、(101)峰强增加的原因,与织构的形成有关；陶瓷型试样的高温持久性优于石墨型,在温度(400℃、430℃、460℃)下,持久性应力断裂寿命分别提高了1.174%、15.401、6.998%,均为韧性断裂,其微观形貌为韧窝花样。此外,温度直接影响TC4钛合金的持久寿命,随着温度升高,TC4钛合金的应力断裂寿命逐渐降低。
2020, 49(8):2888-2894.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190688
摘要:
采用脉冲激光沉积和硒化后热处理的方法在石英衬底上制备Cu(In,Ga)Se2（简写为CIGS）薄膜，研究脉冲激光沉积（PLD）技术在制备CIGS薄膜太阳能电池材料上的应用，分析了不同预制层沉积顺序及厚度对CIGS薄膜组织结构、表面形貌、成分以及光学性能的影响。实验结果表明：(1)利用PLD技术及后硒化处理的工艺，制得的CIGS太阳能电池吸收层具有纯相和高结晶度等特性；(2)CuGa/In金属预制层的叠层顺序和叠层数、硒化退火温度对薄膜的结晶质量、晶粒尺寸、成分都具有重要的影响，其中叠层顺序影响最为明显；(3)样品均表现出对可见光区具有透射率低和吸收系数高的光学特性。本工作为制备性能优良的CIGS太阳能电池吸收层，提供了一个新颖的工艺手段。
采用脉冲激光沉积和硒化后热处理的方法在石英衬底上制备Cu(In,Ga)Se2（简写为CIGS）薄膜，研究脉冲激光沉积（PLD）技术在制备CIGS薄膜太阳能电池材料上的应用，分析了不同预制层沉积顺序及厚度对CIGS薄膜组织结构、表面形貌、成分以及光学性能的影响。实验结果表明：(1)利用PLD技术及后硒化处理的工艺，制得的CIGS太阳能电池吸收层具有纯相和高结晶度等特性；(2)CuGa/In金属预制层的叠层顺序和叠层数、硒化退火温度对薄膜的结晶质量、晶粒尺寸、成分都具有重要的影响，其中叠层顺序影响最为明显；(3)样品均表现出对可见光区具有透射率低和吸收系数高的光学特性。本工作为制备性能优良的CIGS太阳能电池吸收层，提供了一个新颖的工艺手段。
2020, 49(8):2895-2903.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190516
摘要:
原料粉体的质量已经成为制约金属3D打印发展的瓶颈因素。感应等离子体球化法制备所得的金属粉体材料具有球化率高、球形度高、杂质含量低和粒径可控等优点,是当前最有希望实现3D打印用高性能球形金属粉体大规模工业化生产的技术。本文阐述了感应等离子球化技术的工作原理、发展历程和技术特点,着重介绍了利用该技术制备钨、钼、钛等金属球形粉体的研究现状,在此基础上探讨了感应等离子球化技术函待解决的难点问题以及未来的发展趋势。
原料粉体的质量已经成为制约金属3D打印发展的瓶颈因素。感应等离子体球化法制备所得的金属粉体材料具有球化率高、球形度高、杂质含量低和粒径可控等优点,是当前最有希望实现3D打印用高性能球形金属粉体大规模工业化生产的技术。本文阐述了感应等离子球化技术的工作原理、发展历程和技术特点,着重介绍了利用该技术制备钨、钼、钛等金属球形粉体的研究现状,在此基础上探讨了感应等离子球化技术函待解决的难点问题以及未来的发展趋势。
2020, 49(8):2904-2912.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200216
摘要:
铁基纳米晶软磁合金因其独特的非晶/纳米晶双相结构而具有高饱和磁感和高磁导率，表现出优异的软磁性能，它的开发是软磁合金研究的一大突破性进展。本文以铁基纳米晶软磁合金的开发制备-结构-性能机理之间的关系为主线，首先回顾了铁基软磁合金的研究历程和具有代表性的铁基纳米晶软磁合金的开发研究过程及其主要性能指标，随后介绍了铁基纳米晶软磁合金的几种主要的晶化机理模型、软磁机理和耐腐蚀性能研究进展，最后对铁基纳米晶软磁合金在电力、电子信息领域的未来开发与应用进行了展望。
铁基纳米晶软磁合金因其独特的非晶/纳米晶双相结构而具有高饱和磁感和高磁导率，表现出优异的软磁性能，它的开发是软磁合金研究的一大突破性进展。本文以铁基纳米晶软磁合金的开发制备-结构-性能机理之间的关系为主线，首先回顾了铁基软磁合金的研究历程和具有代表性的铁基纳米晶软磁合金的开发研究过程及其主要性能指标，随后介绍了铁基纳米晶软磁合金的几种主要的晶化机理模型、软磁机理和耐腐蚀性能研究进展，最后对铁基纳米晶软磁合金在电力、电子信息领域的未来开发与应用进行了展望。
