2020年第49卷第9期文章目次
2020, 49(9):2913-2919.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190090
摘要:
采用电子束熔丝成形工艺制备了Ti6Al4V单道沉积体，并研究了送丝速度、束流功率和行进速度等工艺参数下沉积体的几何尺寸、显微结构、成分以及硬度的变化。结果表明，加快送丝速度有利于提高沉积效率及成形精度，但需要足够的热输入以保证沉积顺利。当送丝速率、行进速度增大或束流功率减小时，由于熔池温度和尺寸的减小，可以获得较窄的柱状β晶及其内部细小的组织特征，同时铝Al蒸发损耗降低。因此，采用这些工艺制备的沉积体具有更高的硬度。本文揭示了工艺参数与沉积体工艺结果之间关系，为制造具有可靠组织结构和力学性能的多层构件提供有价值的指导。
采用电子束熔丝成形工艺制备了Ti6Al4V单道沉积体，并研究了送丝速度、束流功率和行进速度等工艺参数下沉积体的几何尺寸、显微结构、成分以及硬度的变化。结果表明，加快送丝速度有利于提高沉积效率及成形精度，但需要足够的热输入以保证沉积顺利。当送丝速率、行进速度增大或束流功率减小时，由于熔池温度和尺寸的减小，可以获得较窄的柱状β晶及其内部细小的组织特征，同时铝Al蒸发损耗降低。因此，采用这些工艺制备的沉积体具有更高的硬度。本文揭示了工艺参数与沉积体工艺结果之间关系，为制造具有可靠组织结构和力学性能的多层构件提供有价值的指导。
2020, 49(9):2920-2924.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190542
摘要:
利用光学显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、硬度以及力学性能测试等对挤压态和时效处理的Mg?6Zn?1Mn?2Sn?0.5Ca 镁合金的显微组织和力学性能进行研究。研究结果表明：合金铸态的相组成为α-Mg, Mn, Mg7Zn3, Ca2Mg6Zn3 和CaMgSn相组成。挤压态组织为完全动态再结晶组织,晶粒尺寸约为2.8 μm。固溶时效处理(T6,180 ℃+10 h)后,合金的强度明显增加,屈服和抗拉分别为320 MPa 和390 MPa。合金强度的提高主要是由于晶界强化,固溶强化和析出强化作用。
利用光学显微镜、X 射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、硬度以及力学性能测试等对挤压态和时效处理的Mg?6Zn?1Mn?2Sn?0.5Ca 镁合金的显微组织和力学性能进行研究。研究结果表明：合金铸态的相组成为α-Mg, Mn, Mg7Zn3, Ca2Mg6Zn3 和CaMgSn相组成。挤压态组织为完全动态再结晶组织,晶粒尺寸约为2.8 μm。固溶时效处理(T6,180 ℃+10 h)后,合金的强度明显增加,屈服和抗拉分别为320 MPa 和390 MPa。合金强度的提高主要是由于晶界强化,固溶强化和析出强化作用。
2020, 49(9):2925-2929.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190092
摘要:
研究了一种镍基单晶高温合金SRR99在不同温度下的高周疲劳行为,试样采用[001]取向的单晶试棒。结果表明条件疲劳强度随着试验温度的升高先上升后降低,具有与高温拉伸强度表现出相同的变化规律。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜的观察发现g′相的形貌发生了显著变化,经过高温循环变形后g′析出相发生了溶解。在交变应力的作用下,g′与基体界面产生大量的位错,而位错的往复运动引起了g′相的溶解。因此循环加载过程中伴随着g′的不断溶解,共格界面的强化作用不断减弱。 除此之外,通过裂纹扩展方向与试样轴向的夹角可以判断出疲劳裂纹的扩展主要沿着(111)晶面进行,根据扫描电镜和透射电镜的观察结果对于循环加载的微观组织演化机理进行了讨论。
研究了一种镍基单晶高温合金SRR99在不同温度下的高周疲劳行为,试样采用[001]取向的单晶试棒。结果表明条件疲劳强度随着试验温度的升高先上升后降低,具有与高温拉伸强度表现出相同的变化规律。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜的观察发现g′相的形貌发生了显著变化,经过高温循环变形后g′析出相发生了溶解。在交变应力的作用下,g′与基体界面产生大量的位错,而位错的往复运动引起了g′相的溶解。因此循环加载过程中伴随着g′的不断溶解,共格界面的强化作用不断减弱。 除此之外,通过裂纹扩展方向与试样轴向的夹角可以判断出疲劳裂纹的扩展主要沿着(111)晶面进行,根据扫描电镜和透射电镜的观察结果对于循环加载的微观组织演化机理进行了讨论。
2020, 49(9):2930-2936.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190543
摘要:
针对钛合金板材塑性变形能力差、成形温度高的问题，提出了温热条件下超声振动辅助成形方法，希望在温热环境条件下进一步提高钛合金板材的成形性能。本文通过200-600℃条件下的TC4板材超声振动辅助拉伸实验，分析了超声振动工艺参数对钛合金板材拉伸过程当中的工程应力-应变曲线、屈服强度、延伸率等性能指标的影响规律，并对拉伸试件显微组织及断口形貌进行分析。研究结果表明，温热拉伸过程施加合适的超声振动工艺参数，可以使TC4板材流动应力、屈服强度进一步降低，延伸率进一步提高，能够实现在温热条件下进一步提高成形性能的目的。
针对钛合金板材塑性变形能力差、成形温度高的问题，提出了温热条件下超声振动辅助成形方法，希望在温热环境条件下进一步提高钛合金板材的成形性能。本文通过200-600℃条件下的TC4板材超声振动辅助拉伸实验，分析了超声振动工艺参数对钛合金板材拉伸过程当中的工程应力-应变曲线、屈服强度、延伸率等性能指标的影响规律，并对拉伸试件显微组织及断口形貌进行分析。研究结果表明，温热拉伸过程施加合适的超声振动工艺参数，可以使TC4板材流动应力、屈服强度进一步降低，延伸率进一步提高，能够实现在温热条件下进一步提高成形性能的目的。
2020, 49(9):2937-2947.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190652
摘要:
随着航空发动机涡轮叶片工作温度的提升,使得一种主要由CaO,MgO,Al2O3和SiO2组成的玻璃态物质(CMAS)对热障涂层的危害越来越严重,从而对热障涂层的性能和耐久性有了更高的要求。本文以电子束物理气相沉积热障涂层为研究对象,利用有限元方法研究了CMAS的渗入对界面裂纹扩展及CMAS对陶瓷层(TC)内部残余应力的影响规律。采用波长固定、振幅变化的正弦曲线表示不同粗糙度的涂层界面,同时考虑了CMAS的弹性模量变化的影响及不同界面形貌与CMAS之间的相互作用。结果表明：CMAS弹性模量的增加对界面裂纹具有抑制作用,并且TGO幅值和厚度越小,抑制作用越明显。CMAS弹性模量对TC层最大残余应力S22的影响存在临界点,在临界点之前,CMAS弹性模量的变化对TC层最大残余应力的影响较大,随着CMAS弹性模量的增加,TC层最大残余应力大幅度减小；在临界点之后,TC层最大残余应力基本不受CMAS弹性模量变化的影响。这些结果对电子束物理气相沉积喷涂的热障涂层失效机理的研究具有重要意义,可以为热障涂层界面的优化提供指导。
随着航空发动机涡轮叶片工作温度的提升,使得一种主要由CaO,MgO,Al2O3和SiO2组成的玻璃态物质(CMAS)对热障涂层的危害越来越严重,从而对热障涂层的性能和耐久性有了更高的要求。本文以电子束物理气相沉积热障涂层为研究对象,利用有限元方法研究了CMAS的渗入对界面裂纹扩展及CMAS对陶瓷层(TC)内部残余应力的影响规律。采用波长固定、振幅变化的正弦曲线表示不同粗糙度的涂层界面,同时考虑了CMAS的弹性模量变化的影响及不同界面形貌与CMAS之间的相互作用。结果表明：CMAS弹性模量的增加对界面裂纹具有抑制作用,并且TGO幅值和厚度越小,抑制作用越明显。CMAS弹性模量对TC层最大残余应力S22的影响存在临界点,在临界点之前,CMAS弹性模量的变化对TC层最大残余应力的影响较大,随着CMAS弹性模量的增加,TC层最大残余应力大幅度减小；在临界点之后,TC层最大残余应力基本不受CMAS弹性模量变化的影响。这些结果对电子束物理气相沉积喷涂的热障涂层失效机理的研究具有重要意义,可以为热障涂层界面的优化提供指导。
2020, 49(9):2948-2955.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190560
摘要:
为了研究Ce(SO4)2浓度与合金镀层表面性能的关系，采用喷射电沉积法制备了一系列Ni-W-Ce合金镀层工件。用扫描电镜(SEM)观察了镀层的表面结构，并用能谱仪(EDS)检测镀层中的元素组成。XRD分析表明，镀层存在晶格畸变。LEXT4100激光共焦显微镜观察磨损痕迹，发现磨损机理发生了变化。结果表明，添加Ce(SO4)2改善了涂层的表面微观形貌，当浓度为0.5g/L时，涂层的表面质量最佳。同时，显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性随浓度的增加呈现先好后坏的规律。当Ce(SO4)2浓度为0.5g/L时，显微硬度达到峰值519.69HV0.1。此时，镀层耐磨性最好，其耐磨性表征参数均取得最小值。且镀层的耐蚀性也最好，腐蚀电位为-0.5537V，电弧电抗半径最小。
为了研究Ce(SO4)2浓度与合金镀层表面性能的关系，采用喷射电沉积法制备了一系列Ni-W-Ce合金镀层工件。用扫描电镜(SEM)观察了镀层的表面结构，并用能谱仪(EDS)检测镀层中的元素组成。XRD分析表明，镀层存在晶格畸变。LEXT4100激光共焦显微镜观察磨损痕迹，发现磨损机理发生了变化。结果表明，添加Ce(SO4)2改善了涂层的表面微观形貌，当浓度为0.5g/L时，涂层的表面质量最佳。同时，显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性随浓度的增加呈现先好后坏的规律。当Ce(SO4)2浓度为0.5g/L时，显微硬度达到峰值519.69HV0.1。此时，镀层耐磨性最好，其耐磨性表征参数均取得最小值。且镀层的耐蚀性也最好，腐蚀电位为-0.5537V，电弧电抗半径最小。
2020, 49(9):2956-2965.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190555
摘要:
通过热模拟压缩实验研究了GH2907合金在变形温度为950~1100℃、应变速率为0.01~10s-1、变形量为60%条件下的热变形行为,流变应力随着变形温度的升高或应变速率的降低而显著降低；根据Arrhenius方程和Zener-Hollomon参数,计算了热变形激活能Q,建立了GH2907合金的热变形本构方程；根据动态材料模型,确定了GH2907合金在不同应变下的功率耗散图,功率耗散效率η较高的区域位于温度为1050~1100℃,应变速率为0.01~0.03s-1范围,在该变形区域内组织发生了明显的动态再结晶现象；基于Preased失稳判据,绘制了GH2907合金在不同应变下的热加工图,流变失稳区位于高温高应变速率区域,即温度为970~1100℃,应变速率为0.6~10s-1范围,在该变形区域内动态再结晶晶粒沿着绝热剪切带和局部流动分布。根据GH2907合金热加工图及微观组织分析得到适宜的加工区域是温度为1050~1100℃,应变速率为0.01~0.03s-1范围。
通过热模拟压缩实验研究了GH2907合金在变形温度为950~1100℃、应变速率为0.01~10s-1、变形量为60%条件下的热变形行为,流变应力随着变形温度的升高或应变速率的降低而显著降低；根据Arrhenius方程和Zener-Hollomon参数,计算了热变形激活能Q,建立了GH2907合金的热变形本构方程；根据动态材料模型,确定了GH2907合金在不同应变下的功率耗散图,功率耗散效率η较高的区域位于温度为1050~1100℃,应变速率为0.01~0.03s-1范围,在该变形区域内组织发生了明显的动态再结晶现象；基于Preased失稳判据,绘制了GH2907合金在不同应变下的热加工图,流变失稳区位于高温高应变速率区域,即温度为970~1100℃,应变速率为0.6~10s-1范围,在该变形区域内动态再结晶晶粒沿着绝热剪切带和局部流动分布。根据GH2907合金热加工图及微观组织分析得到适宜的加工区域是温度为1050~1100℃,应变速率为0.01~0.03s-1范围。
2020, 49(9):2966-2972.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190563
摘要:
采用元胞自动化(CA)方法对ZL201铝合金副车架的凝固过程和显微组织进行了模拟，建立了温度场和组织模拟场（CAFE）。对于面、体网格的划分，根据ZL201铝合的固相线和液相线分别确定了六种不同的形核面。温度场的凝固过程模拟结果表明通过油冷可以很好地控制形核率和生长速率在最合适的范围内，形核率为1/276 s·cm3，生长速率为65.2μm/s。通过热力学相图的计算结果表明Al3Ti相的形成过程，它从周围的铝原子中吸收共价电子。随着钛含量的增加，Al3Ti的析出温度升高。此外，Al3Ti的含量也从0.144mol%提高到0.698mol%，晶粒细化的效果也随之越来越明显。通过对ZL201铝合金副车架的微观组织、对应的<100>取向极图和金相组织的模拟和实验对照，表明Ti含量的变化对ZL201铝合金副车架的微观组织的晶粒细化效果有显著影响。随着钛含量的增加，新相Al3Ti促进了晶粒细化和组成的均匀性。从模拟的<100>极图可知，Ti含量的增加有利于晶粒的择优取向，而且晶粒细化的方式是通过减缓晶粒之间的生长竞争性来实现的。模拟的结果与实验得到的金相组织基本一致。
采用元胞自动化(CA)方法对ZL201铝合金副车架的凝固过程和显微组织进行了模拟，建立了温度场和组织模拟场（CAFE）。对于面、体网格的划分，根据ZL201铝合的固相线和液相线分别确定了六种不同的形核面。温度场的凝固过程模拟结果表明通过油冷可以很好地控制形核率和生长速率在最合适的范围内，形核率为1/276 s·cm3，生长速率为65.2μm/s。通过热力学相图的计算结果表明Al3Ti相的形成过程，它从周围的铝原子中吸收共价电子。随着钛含量的增加，Al3Ti的析出温度升高。此外，Al3Ti的含量也从0.144mol%提高到0.698mol%，晶粒细化的效果也随之越来越明显。通过对ZL201铝合金副车架的微观组织、对应的<100>取向极图和金相组织的模拟和实验对照，表明Ti含量的变化对ZL201铝合金副车架的微观组织的晶粒细化效果有显著影响。随着钛含量的增加，新相Al3Ti促进了晶粒细化和组成的均匀性。从模拟的<100>极图可知，Ti含量的增加有利于晶粒的择优取向，而且晶粒细化的方式是通过减缓晶粒之间的生长竞争性来实现的。模拟的结果与实验得到的金相组织基本一致。
2020, 49(9):2973-2977.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190564
摘要:
在变形温度为300～450 oC、应变速率为0.01～1 s-1的条件下进行热压缩试验，对Mg-5Y-0.5Ce-0.5Zr镁合金的热变形行为进行了研究。结果表明，在热压缩变形过程中，该合金的流变应力随着变形温度和应变速率的变化而变化。在同一应变速率下，流变应力随着变形温度的增高而降低；在同一变形温度下，流变应力随着应变速率的减小而减小。该合金热压缩流变应力的本构方程可采用双曲正弦形式构建，热变形激活能Q为253 kJ/mol。
在变形温度为300～450 oC、应变速率为0.01～1 s-1的条件下进行热压缩试验，对Mg-5Y-0.5Ce-0.5Zr镁合金的热变形行为进行了研究。结果表明，在热压缩变形过程中，该合金的流变应力随着变形温度和应变速率的变化而变化。在同一应变速率下，流变应力随着变形温度的增高而降低；在同一变形温度下，流变应力随着应变速率的减小而减小。该合金热压缩流变应力的本构方程可采用双曲正弦形式构建，热变形激活能Q为253 kJ/mol。
2020, 49(9):2978-2982.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190594
摘要:
本文采用一种新型的气体多通道送粉等离子喷涂技术制备得到了含有不同质量分数的ZrO2/Fe基非晶复合涂层。采用该技术可成功制得ZrO2颗粒均匀分布于非晶基体的复合涂层,且可实现第二相颗粒的比例调控。磨损实验表明,复合涂层的磨损性能较单一的Fe基涂层有了很大提高。同时,ZrO2颗粒的添加可提高耐蚀性能降低孔隙率。经实验表明,复合涂层的最佳耐蚀性能为ZrO2含量50%。
本文采用一种新型的气体多通道送粉等离子喷涂技术制备得到了含有不同质量分数的ZrO2/Fe基非晶复合涂层。采用该技术可成功制得ZrO2颗粒均匀分布于非晶基体的复合涂层,且可实现第二相颗粒的比例调控。磨损实验表明,复合涂层的磨损性能较单一的Fe基涂层有了很大提高。同时,ZrO2颗粒的添加可提高耐蚀性能降低孔隙率。经实验表明,复合涂层的最佳耐蚀性能为ZrO2含量50%。
2020, 49(9):2983-2990.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190093
摘要:
利用Thermo-Calc软件对镍基耐蚀Hastelloy G3合金进行了热力学计算，系统研究了成分对平衡相析出的影响规律，并通过SEM和TEM对合金时效处理后的析出相进行了观察。结果表明，合金析出的平衡相主要为σ相、μ相、M6C和M23C6；Cr、Mo含量主要影响σ相和μ相析出量及开始析出温度；而C元素显著影响碳化物M6C和M23C6的析出行为；进一步通过试验研究了时效过程中析出相的析出规律。
利用Thermo-Calc软件对镍基耐蚀Hastelloy G3合金进行了热力学计算，系统研究了成分对平衡相析出的影响规律，并通过SEM和TEM对合金时效处理后的析出相进行了观察。结果表明，合金析出的平衡相主要为σ相、μ相、M6C和M23C6；Cr、Mo含量主要影响σ相和μ相析出量及开始析出温度；而C元素显著影响碳化物M6C和M23C6的析出行为；进一步通过试验研究了时效过程中析出相的析出规律。
2020, 49(9):2991-2996.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200093
摘要:
高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）利用较高的脉冲峰值靶功率密度（如：1-3kW/cm2）获得高密度的等离子体，可提高TiN镀层的微观结构和力学性能。然而，HPPMS技术的主要缺点是平均沉积速率较低，增加了镀层的制备成本。为了解决传统HPPMS平均沉积速率低的问题，研究提出一种新型的双级HPPMS技术，即在一个脉冲周期内具有两个连续的、独立可调的脉冲阶段。通过对双级HPPMS电场的合理调配，可制备得到结构致密的TiN镀层，研究了双级HPPMS靶电流对TiN镀层微观结构及耐蚀性的影响。结果表明，当靶电流增大至20A时，靶面形貌由小凹坑转变为大面积凹坑，说明镀料粒子的脱靶方式由碰撞溅射转变为升华或蒸发。同时，当靶电流为10A时，镀层颗粒呈现三棱锥状结构，平均晶粒尺寸为11nm；当靶电流增大至25A时，镀层颗粒呈现光滑致密的圆胞状结构，平均晶粒尺寸为18nm，光滑致密的组织结构使镀层具有较好的耐蚀性。
高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）利用较高的脉冲峰值靶功率密度（如：1-3kW/cm2）获得高密度的等离子体，可提高TiN镀层的微观结构和力学性能。然而，HPPMS技术的主要缺点是平均沉积速率较低，增加了镀层的制备成本。为了解决传统HPPMS平均沉积速率低的问题，研究提出一种新型的双级HPPMS技术，即在一个脉冲周期内具有两个连续的、独立可调的脉冲阶段。通过对双级HPPMS电场的合理调配，可制备得到结构致密的TiN镀层，研究了双级HPPMS靶电流对TiN镀层微观结构及耐蚀性的影响。结果表明，当靶电流增大至20A时，靶面形貌由小凹坑转变为大面积凹坑，说明镀料粒子的脱靶方式由碰撞溅射转变为升华或蒸发。同时，当靶电流为10A时，镀层颗粒呈现三棱锥状结构，平均晶粒尺寸为11nm；当靶电流增大至25A时，镀层颗粒呈现光滑致密的圆胞状结构，平均晶粒尺寸为18nm，光滑致密的组织结构使镀层具有较好的耐蚀性。
2020, 49(9):2997-3004.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190094
摘要:
本文主要对微弧氧化Mg-3Al-1Zn镁合金在空气和3.5 wt.%硫酸钠溶液两种环境下的应力腐蚀和腐蚀疲劳行为进行研究，并讨论其相互关系。微弧氧化处理后，Mg-3Al-1Zn镁合金的耐蚀性能得到明显改善。与Mg-3Al-1Zn镁合金基体相比，在空气中，微弧氧化后合金的应力腐蚀和腐蚀疲劳强度均下降了大约10 MPa。在3.5 wt.%硫酸钠溶液环境中，微弧氧化后合金的腐蚀疲劳性能仍然是恶化的，但是应力腐蚀强度却得到了显著改善，从58.24 MPa提高至202.08 MPa。这表明材料的力学性能（应力腐蚀和腐蚀疲劳）并不是与其腐蚀性能完全保持线性关系的。微弧氧化处理后镁合金在空气中的应力腐蚀断口为韧性断裂，在硫酸钠溶液环境中为解理断裂。而其腐蚀疲劳断口不论是在空气中还是在腐蚀环境中均为解理断裂。这主要是由于腐蚀环境和变换循环载荷的影响，两者共同作用将会加速裂纹扩展。这表明，周围环境和加载类型对材料断裂机理有重要影响。
本文主要对微弧氧化Mg-3Al-1Zn镁合金在空气和3.5 wt.%硫酸钠溶液两种环境下的应力腐蚀和腐蚀疲劳行为进行研究，并讨论其相互关系。微弧氧化处理后，Mg-3Al-1Zn镁合金的耐蚀性能得到明显改善。与Mg-3Al-1Zn镁合金基体相比，在空气中，微弧氧化后合金的应力腐蚀和腐蚀疲劳强度均下降了大约10 MPa。在3.5 wt.%硫酸钠溶液环境中，微弧氧化后合金的腐蚀疲劳性能仍然是恶化的，但是应力腐蚀强度却得到了显著改善，从58.24 MPa提高至202.08 MPa。这表明材料的力学性能（应力腐蚀和腐蚀疲劳）并不是与其腐蚀性能完全保持线性关系的。微弧氧化处理后镁合金在空气中的应力腐蚀断口为韧性断裂，在硫酸钠溶液环境中为解理断裂。而其腐蚀疲劳断口不论是在空气中还是在腐蚀环境中均为解理断裂。这主要是由于腐蚀环境和变换循环载荷的影响，两者共同作用将会加速裂纹扩展。这表明，周围环境和加载类型对材料断裂机理有重要影响。
2020, 49(9):3005-3011.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190615
摘要:
了解Ti-6Al-4V合金不同工艺条件下水冷过程中的组织演变，以便获得最佳力学性能是非常重要的。使用热模拟机对Ti-6Al-4V合金进行了热模拟。结果表明，固溶处理后获得了全部马氏体组织。固溶后水冷，由于α′和 α″的存在，造成了硬度增加。当试样在850℃等温水冷后获得了层片状组织，硬度进一步增加。当试样在850℃变形后水冷，等轴的组织出现了，由于晶界强化的缘故，硬度达最高值(Hv584)。当试样在850℃变形后经过600℃等温水冷后，组织由α相、层片状α/β和等轴的组织构成。变形后的冷却和等温造成了α相宽度和等轴组织的增加。等轴晶粒在324-706 nm的范围内。这造成了硬度的降低。
了解Ti-6Al-4V合金不同工艺条件下水冷过程中的组织演变，以便获得最佳力学性能是非常重要的。使用热模拟机对Ti-6Al-4V合金进行了热模拟。结果表明，固溶处理后获得了全部马氏体组织。固溶后水冷，由于α′和 α″的存在，造成了硬度增加。当试样在850℃等温水冷后获得了层片状组织，硬度进一步增加。当试样在850℃变形后水冷，等轴的组织出现了，由于晶界强化的缘故，硬度达最高值(Hv584)。当试样在850℃变形后经过600℃等温水冷后，组织由α相、层片状α/β和等轴的组织构成。变形后的冷却和等温造成了α相宽度和等轴组织的增加。等轴晶粒在324-706 nm的范围内。这造成了硬度的降低。
2020, 49(9):3012-3020.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190095
摘要:
基于等通道角挤压（ECAP）技术，开发了等通道双拐角挤压（ECDAP）技术，它是一种新的大塑性变形（SPD）工艺，可以改善冲头的偏载现象。通过有限元模拟和实验研究，定量分析了工业烧结态纯钨在单道次ECDAP过程中的变形行为。结果表明，在相同的参数下，ECDAP模具的应力分布较ECAP均匀，冲头的偏载得到改善。同时，ECDAP引入的平均等效应变与ECAP相近，但由于二次剪切变形，应变分布的均匀性也得到了很大的改善。二次剪切变形区晶粒尺寸减小到1.77μm，而且拐角区晶粒明显被拉长。细晶强化和应变强化也提高了试样的显微硬度。综合分析，ECDAP工艺是制备超细晶粒金属材料的一种有前途的方法。
基于等通道角挤压（ECAP）技术，开发了等通道双拐角挤压（ECDAP）技术，它是一种新的大塑性变形（SPD）工艺，可以改善冲头的偏载现象。通过有限元模拟和实验研究，定量分析了工业烧结态纯钨在单道次ECDAP过程中的变形行为。结果表明，在相同的参数下，ECDAP模具的应力分布较ECAP均匀，冲头的偏载得到改善。同时，ECDAP引入的平均等效应变与ECAP相近，但由于二次剪切变形，应变分布的均匀性也得到了很大的改善。二次剪切变形区晶粒尺寸减小到1.77μm，而且拐角区晶粒明显被拉长。细晶强化和应变强化也提高了试样的显微硬度。综合分析，ECDAP工艺是制备超细晶粒金属材料的一种有前途的方法。
2020, 49(9):3021-3029.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190463
摘要:
本研究利用CALPHAD方法，采用合理的热力学模型，热力学优化和计算了Nd-Dy、Dy-B二元系和Fe-B-Dy、Dy-Fe-Nd、B-Dy-Nd三元系的相图，并利用文献报道的其他子二元系和三元系的热力学参数，充分考虑了热力学模型的统一性和参数的兼容性，建立了Nd-Fe-B-Dy四元系合金的热力学数据库，并应用该数据库，预测了Nd-Fe-B-Dy四元合金Nd16-xDyxFe77B7 (x≤5 at.%)的纵截面相图；同时还分析了一系列不同Dy含量的永磁合金在平衡凝固下各相相分数随温度的变化情况。这些计算信息对掺镝NdFeB永磁合金的组织设计以及制备工艺参数的选择具有重要的指导意义。
本研究利用CALPHAD方法，采用合理的热力学模型，热力学优化和计算了Nd-Dy、Dy-B二元系和Fe-B-Dy、Dy-Fe-Nd、B-Dy-Nd三元系的相图，并利用文献报道的其他子二元系和三元系的热力学参数，充分考虑了热力学模型的统一性和参数的兼容性，建立了Nd-Fe-B-Dy四元系合金的热力学数据库，并应用该数据库，预测了Nd-Fe-B-Dy四元合金Nd16-xDyxFe77B7 (x≤5 at.%)的纵截面相图；同时还分析了一系列不同Dy含量的永磁合金在平衡凝固下各相相分数随温度的变化情况。这些计算信息对掺镝NdFeB永磁合金的组织设计以及制备工艺参数的选择具有重要的指导意义。
2020, 49(9):3030-3034.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200082
摘要:
本研究开发了一种有效、简单、低成本的金属有机化学气相沉积法制备碳基铁(CI)包覆中空微球(Ce)作为新型微波吸收复合材料的方法。结构和形貌分析表明，复合材料具有完整的芯/壳结构，其中Ce为芯层，CI为壳层。与Ce相比，复合材料具有更高的复合导磁率和介电常数，说明复合材料的吸收能力有所提高。利用实测电磁参数模拟计算了厚度d=2mm条件下Ce和Ce@CI涂层的反射率曲线。Ce@CI样品的吸收峰移至高频，最小反射峰减小至?26.2 db。小于- 10dB带宽的频率增加到6ghz，覆盖了整个Ku频段。
本研究开发了一种有效、简单、低成本的金属有机化学气相沉积法制备碳基铁(CI)包覆中空微球(Ce)作为新型微波吸收复合材料的方法。结构和形貌分析表明，复合材料具有完整的芯/壳结构，其中Ce为芯层，CI为壳层。与Ce相比，复合材料具有更高的复合导磁率和介电常数，说明复合材料的吸收能力有所提高。利用实测电磁参数模拟计算了厚度d=2mm条件下Ce和Ce@CI涂层的反射率曲线。Ce@CI样品的吸收峰移至高频，最小反射峰减小至?26.2 db。小于- 10dB带宽的频率增加到6ghz，覆盖了整个Ku频段。
2020, 49(9):3035-3044.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200178
摘要:
有色金属基复合材料相对于传统有色金属材料而言,具有更好的抗氧化性、高耐热性、高比强度、高比模量、耐磨损和高使用寿命。在有色金属基复合材料的众多的增强体中,非金属纤维(C/C、SiC)与金属基质结合界面的相容性是制约金属基复合材料性能的关键问题,而金属纤维与金属基质之间良好的相容性能够有效改善金属材料的性能。金属纤维增强有色金属基复合材料的制备工艺主要有扩散粘结法、液态渗透法、压力铸造法、涂层热压法、双辊轧制法。 本文主要总结了钢纤维增强有色金属基(Al、Mg、Cu、Zn和Zr)复合材料的制备方法、微观组织、界面特征和机械性能,指出了钢纤维增强有色金属基复合材料进一步研究发展所需要解决的问题。
有色金属基复合材料相对于传统有色金属材料而言,具有更好的抗氧化性、高耐热性、高比强度、高比模量、耐磨损和高使用寿命。在有色金属基复合材料的众多的增强体中,非金属纤维(C/C、SiC)与金属基质结合界面的相容性是制约金属基复合材料性能的关键问题,而金属纤维与金属基质之间良好的相容性能够有效改善金属材料的性能。金属纤维增强有色金属基复合材料的制备工艺主要有扩散粘结法、液态渗透法、压力铸造法、涂层热压法、双辊轧制法。 本文主要总结了钢纤维增强有色金属基(Al、Mg、Cu、Zn和Zr)复合材料的制备方法、微观组织、界面特征和机械性能,指出了钢纤维增强有色金属基复合材料进一步研究发展所需要解决的问题。
2020, 49(9):3045-3051.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200162
摘要:
本文利用Gleeble 3800热模拟试验机和电子背散射衍射（EBSD）技术研究了TB18钛合金在700℃~ 900℃、应变速率0.01~10 s-1时的热变形行为和动态再结晶机制。研究表明该合金的流动应力大小对应变速率和变形温度敏感。变形初期流动应力皆在达到峰值应力后快速软化，随后有不同程度的上升。通过数据回归得到了该合金在两相区和单相区的高温变形Arrhenius型本构方程，其变形激活能分别为340 kJ/mol和185 kJ/mol。其单相区的变形软化机制主要为β相的动态回复，两相区主要为β相的动态再结晶。结合了EBSD技术，金相观察和流变曲线特点的分析表明，在高变形温度，低应变速率时（900℃，0.01s-1）主要以几何动态再结晶（GDRX）为主。在温度较低，或变形速率较高下，变形初期发生不连续动态再结晶（DDRX），应变增大后发生连续动态再结晶（CDRX）。
本文利用Gleeble 3800热模拟试验机和电子背散射衍射（EBSD）技术研究了TB18钛合金在700℃~ 900℃、应变速率0.01~10 s-1时的热变形行为和动态再结晶机制。研究表明该合金的流动应力大小对应变速率和变形温度敏感。变形初期流动应力皆在达到峰值应力后快速软化，随后有不同程度的上升。通过数据回归得到了该合金在两相区和单相区的高温变形Arrhenius型本构方程，其变形激活能分别为340 kJ/mol和185 kJ/mol。其单相区的变形软化机制主要为β相的动态回复，两相区主要为β相的动态再结晶。结合了EBSD技术，金相观察和流变曲线特点的分析表明，在高变形温度，低应变速率时（900℃，0.01s-1）主要以几何动态再结晶（GDRX）为主。在温度较低，或变形速率较高下，变形初期发生不连续动态再结晶（DDRX），应变增大后发生连续动态再结晶（CDRX）。
2020, 49(9):3052-3058.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190670
摘要:
通过对Weldalite049铝合金挤压棒材采用T6峰时效处理,利用SEM、TEM及拉伸性能检测,研究稀土元素La和Ag的不同配比在热处理后以及不同的热暴露条件下对Weldalite049铝合金石油钻杆的显微组织和拉伸性能的影响。其目的是研究在满足力学要求的前提下,用少量稀土La替代价格较高Ag的方法。实验结果表明,用0.05wt.%La取代0.2wt.%Ag的049合金经T6处理后其抗拉强度为615.5MPa,高于Weldalite049合金611.1MPa的抗拉强度；添加0.1wt.%La而无Ag的049合金在175℃/60h的热暴露条件下的力学性能仍能保持在一个较高的水平(σb≥530MPa、σ0.2≥480MPa、δ≥7％)。
通过对Weldalite049铝合金挤压棒材采用T6峰时效处理,利用SEM、TEM及拉伸性能检测,研究稀土元素La和Ag的不同配比在热处理后以及不同的热暴露条件下对Weldalite049铝合金石油钻杆的显微组织和拉伸性能的影响。其目的是研究在满足力学要求的前提下,用少量稀土La替代价格较高Ag的方法。实验结果表明,用0.05wt.%La取代0.2wt.%Ag的049合金经T6处理后其抗拉强度为615.5MPa,高于Weldalite049合金611.1MPa的抗拉强度；添加0.1wt.%La而无Ag的049合金在175℃/60h的热暴露条件下的力学性能仍能保持在一个较高的水平(σb≥530MPa、σ0.2≥480MPa、δ≥7％)。
2020, 49(9):3059-3064.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190687
摘要:
分别以Al2O3、Al(NO3)3为铝源与氧化钇稳定氧化锆（YSZ）机械混合，经干压技术和高温烧结制得YSZ/Al2O3复合材料。通过扫描电子显微镜、电化学交流阻抗谱和三点弯曲测试等方法对样品进行分析，研究了不同铝源和添加量对YSZ电解质烧结性能、电导率及力学性能的影响。结果表明：适量的Al2O3或Al(NO3)3复合均能够促进YSZ的烧结，提高其电导率和弯曲强度；Al2O3作铝源的复合样品的烧结性能和电导率优于Al(NO3)3铝源的，但其强度低于同比例Al(NO3)3铝源。其中，加入0.5 wt.%Al2O3时，所制备的复合电解质经1350 ℃烧结10 h后的相对密度为98.8%；800 ℃时的电导率达0.0703 S·cm-1。基于该材料制备的电解质支撑型单元电池在800 ℃时以氢气为燃料的最大功率密度为308 mW·cm-2，高于纯YSZ电解质电池的，并表现出良好的稳定性。
分别以Al2O3、Al(NO3)3为铝源与氧化钇稳定氧化锆（YSZ）机械混合，经干压技术和高温烧结制得YSZ/Al2O3复合材料。通过扫描电子显微镜、电化学交流阻抗谱和三点弯曲测试等方法对样品进行分析，研究了不同铝源和添加量对YSZ电解质烧结性能、电导率及力学性能的影响。结果表明：适量的Al2O3或Al(NO3)3复合均能够促进YSZ的烧结，提高其电导率和弯曲强度；Al2O3作铝源的复合样品的烧结性能和电导率优于Al(NO3)3铝源的，但其强度低于同比例Al(NO3)3铝源。其中，加入0.5 wt.%Al2O3时，所制备的复合电解质经1350 ℃烧结10 h后的相对密度为98.8%；800 ℃时的电导率达0.0703 S·cm-1。基于该材料制备的电解质支撑型单元电池在800 ℃时以氢气为燃料的最大功率密度为308 mW·cm-2，高于纯YSZ电解质电池的，并表现出良好的稳定性。
2020, 49(9):3065-3070.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200022
摘要:
本文采用第一性原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),研究了不同浓度x (x=0~2.2%,原子百分比)的Ce和Cr 单独及协同合金化对B2-NiAl晶体弹性模量E、剪切模量G、 Cauchy压力参数及G/B0比值的影响。结果表明：Cr占据Ni原子位能显著提高B2-NiAl合金的剪切模量G和弹性模量E, 而Ce占据Al原子位则能降低其合金的G和E；随着合金化浓度提高到2.1%,Cr占据Al原子位能改善B2-NiAl合金的延性,而当Ce取代Al原子位协同Cr取代Al原子位时,对其延性的改善效果比各自单独合金化的效果更显著,且以合金化浓度为2.0%时为最佳效果。这一理论计算很好的重现了实验中Ce与Cr协同合金化明显提升B2-NiAl合金室温延性的现象。电子态密度分析显示,Cr原子或者Cr协同Ce原子能够削弱B2-NiAl晶体当中的Ni(d)-Ni(d)主要成键峰的杂化效应,降低主要成键峰的方向性。
本文采用第一性原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),研究了不同浓度x (x=0~2.2%,原子百分比)的Ce和Cr 单独及协同合金化对B2-NiAl晶体弹性模量E、剪切模量G、 Cauchy压力参数及G/B0比值的影响。结果表明：Cr占据Ni原子位能显著提高B2-NiAl合金的剪切模量G和弹性模量E, 而Ce占据Al原子位则能降低其合金的G和E；随着合金化浓度提高到2.1%,Cr占据Al原子位能改善B2-NiAl合金的延性,而当Ce取代Al原子位协同Cr取代Al原子位时,对其延性的改善效果比各自单独合金化的效果更显著,且以合金化浓度为2.0%时为最佳效果。这一理论计算很好的重现了实验中Ce与Cr协同合金化明显提升B2-NiAl合金室温延性的现象。电子态密度分析显示,Cr原子或者Cr协同Ce原子能够削弱B2-NiAl晶体当中的Ni(d)-Ni(d)主要成键峰的杂化效应,降低主要成键峰的方向性。
2020, 49(9):3071-3076.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200116
摘要:
FeCrAl/ZrNbCu复合管兼顾了Zr合金和FeCrAl合金的优点，是事故容错燃料包壳候选材料之一。本文研究了FeCrAl/ZrNbCu复合管蒸气氧化行为，结果表明，外层FeCrAl材料具有优异的抗蒸气氧化性能，有效保护了内层Zr合金管。氧化产物分析表明，FeCrAl合金氧化膜呈凹凸状，氧化产物为Fe2O3、FeCr2O4、Cr2O3和Al2O3；ZrNbCu合金氧化膜垂直于表面生长，氧化产物为ZrO2和Nb2O5；在1000℃氧化时复合管界面没有明显元素扩散；在1100℃和1200℃氧化后界面发生明显元素扩散。复合管外侧到内侧分别为FeCrAl氧化膜、FeCrAl合金、FeCrAl-ZrNbCr扩散层、ZrNbCu合金、ZrNbCu氧化膜；界面结合方式由机械结合转变为冶金结合。
FeCrAl/ZrNbCu复合管兼顾了Zr合金和FeCrAl合金的优点，是事故容错燃料包壳候选材料之一。本文研究了FeCrAl/ZrNbCu复合管蒸气氧化行为，结果表明，外层FeCrAl材料具有优异的抗蒸气氧化性能，有效保护了内层Zr合金管。氧化产物分析表明，FeCrAl合金氧化膜呈凹凸状，氧化产物为Fe2O3、FeCr2O4、Cr2O3和Al2O3；ZrNbCu合金氧化膜垂直于表面生长，氧化产物为ZrO2和Nb2O5；在1000℃氧化时复合管界面没有明显元素扩散；在1100℃和1200℃氧化后界面发生明显元素扩散。复合管外侧到内侧分别为FeCrAl氧化膜、FeCrAl合金、FeCrAl-ZrNbCr扩散层、ZrNbCu合金、ZrNbCu氧化膜；界面结合方式由机械结合转变为冶金结合。
2020, 49(9):3077-3083.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190719
摘要:
针对应用于离心式氦气冷压机的径向型高温超导磁悬浮轴承,给出了永磁转子磁场计算和结构设计方法,并开展了轴承径向力和径向刚度的计算研究,搭建了超导轴承性能测量平台,开展了轴承转子空间磁场测量和轴承性能测试。计算和测试结果表明,磁场计算方法可行,且结果准确,在距离永磁转子外表面1 mm处的最大外磁场强度约为0.5 T。轴承径向力在场冷和零场冷条件下的计算结果均随转子偏心量的增大而增大,与测试结果在线性度和趋势上具有很好的一致性。本文实验轴承径向刚度测试值为362.4 N/mm,与场冷条件下的径向刚度计算结果334.594 N/mm接近。本文所述的径向轴承磁力计算方法可用于超导轴承径向刚度的定性计算和设计,对超导轴承的应用研究具有一定的指导意义。
针对应用于离心式氦气冷压机的径向型高温超导磁悬浮轴承,给出了永磁转子磁场计算和结构设计方法,并开展了轴承径向力和径向刚度的计算研究,搭建了超导轴承性能测量平台,开展了轴承转子空间磁场测量和轴承性能测试。计算和测试结果表明,磁场计算方法可行,且结果准确,在距离永磁转子外表面1 mm处的最大外磁场强度约为0.5 T。轴承径向力在场冷和零场冷条件下的计算结果均随转子偏心量的增大而增大,与测试结果在线性度和趋势上具有很好的一致性。本文实验轴承径向刚度测试值为362.4 N/mm,与场冷条件下的径向刚度计算结果334.594 N/mm接近。本文所述的径向轴承磁力计算方法可用于超导轴承径向刚度的定性计算和设计,对超导轴承的应用研究具有一定的指导意义。
2020, 49(9):3084-3090.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190737
摘要:
利用分子模拟软件Material Studio7.0创建WO3晶体中(0-11)、(-101)、(110)和(-1-10)晶面的真空slab模型，并通过CASTEP程序计算其总能量、表面能与电子结构。利用Morphology程序,采用BFDH法则对WO3晶体和各晶面slab模型进行晶习预测。计算结果表明，在晶体生长过程中，若以(110)晶面为主要显露面，则WO3晶体能量状态稳定性较差；以（0-11）晶面为主要显露面，则WO3晶体能量状态稳定。费米能级最小的（110）晶面前线价电子不太活跃，存在电子结构动力学稳定性；费米能级最高的(-1-10)晶面前线价电子活跃，存在与晶体生长基元键合的“活性点”。(0-11)面slab模型的最小能区宽度最小而态密度峰值最大，表明其内层电子较为稳定。BFDH法则预测结果表明，WO3晶体与各面slab模型的生长习性相同，都趋向于生长为立方体状晶体。另外，WO3晶体中最重要的生长面为(001)和(00-1)面。
利用分子模拟软件Material Studio7.0创建WO3晶体中(0-11)、(-101)、(110)和(-1-10)晶面的真空slab模型，并通过CASTEP程序计算其总能量、表面能与电子结构。利用Morphology程序,采用BFDH法则对WO3晶体和各晶面slab模型进行晶习预测。计算结果表明，在晶体生长过程中，若以(110)晶面为主要显露面，则WO3晶体能量状态稳定性较差；以（0-11）晶面为主要显露面，则WO3晶体能量状态稳定。费米能级最小的（110）晶面前线价电子不太活跃，存在电子结构动力学稳定性；费米能级最高的(-1-10)晶面前线价电子活跃，存在与晶体生长基元键合的“活性点”。(0-11)面slab模型的最小能区宽度最小而态密度峰值最大，表明其内层电子较为稳定。BFDH法则预测结果表明，WO3晶体与各面slab模型的生长习性相同，都趋向于生长为立方体状晶体。另外，WO3晶体中最重要的生长面为(001)和(00-1)面。
2020, 49(9):3091-3098.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190723
摘要:
本文建立了三维元胞自动机(3D-CA)模型，通过热压缩试验和电子背散射衍表征技术(EBSD)，对AZ31镁合金在热变形过程中的微观组织演化规律进行可视化和定量预测。根据试验得出的真应力-应变曲线，确定了3D-CA模型参数在试验条件下的取值，建立了模型参数与变形条件(应变、变形温度和应变速率)之间的关系。利用所建立的3D-CA模型，对AZ31镁合金在热变形过程中的流动行为和微观组织演化进行模拟和讨论。结果表明:再结晶体积分数随着应变的增大而增加，随着变形温度的增大或应变速率降低而增大，提高应变速率或降低温度可以细化再结晶晶粒。模拟结果与实验结果吻合较好，相对误差值在4.5%-16.2%之间，所建立的3D-CA模型能够较准确地预测镁合金AZ31的微观组织演化。
本文建立了三维元胞自动机(3D-CA)模型，通过热压缩试验和电子背散射衍表征技术(EBSD)，对AZ31镁合金在热变形过程中的微观组织演化规律进行可视化和定量预测。根据试验得出的真应力-应变曲线，确定了3D-CA模型参数在试验条件下的取值，建立了模型参数与变形条件(应变、变形温度和应变速率)之间的关系。利用所建立的3D-CA模型，对AZ31镁合金在热变形过程中的流动行为和微观组织演化进行模拟和讨论。结果表明:再结晶体积分数随着应变的增大而增加，随着变形温度的增大或应变速率降低而增大，提高应变速率或降低温度可以细化再结晶晶粒。模拟结果与实验结果吻合较好，相对误差值在4.5%-16.2%之间，所建立的3D-CA模型能够较准确地预测镁合金AZ31的微观组织演化。
2020, 49(9):3099-3106.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190785
摘要:
近年来，LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极材料在金属连接体下具有优异的抗铬毒化性能备受关注，但其电化学性能相对较低。本文通过Ca2+掺杂LaNi0.6Fe0.4O3-δ（LNF）阴极材料改善电化学性能，实验采用甘氨酸燃烧法制备La1-xCaxNi0.6Fe0.4O3-δ（LCNF）阴极材料,Ca2+掺杂量分别为0.05、0.10、0.15、0.20。应用X-Ray衍射表征材料的物相组成，SEM观察阴极材料的微观结构，XPS分析阴极材料表面元素的化学形态，电化学交流阻抗谱技术分析阴极材料的电化学活性。结果表明，LCNF阴极材料随着Ca2+掺杂量的增加，氧还原反应活化能减小，这一现象与DRT（弛豫时间分布）分析结果相吻合。LCNF(x=0.20)阴极材料在750℃具有最小的极化阻抗（0.88Ωcm2），与LNF阴极材料相比表现出更加优异的氧催化活性，使LCNF阴极材料在IT-SOFC具有更加广阔的应用前景。
近年来，LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极材料在金属连接体下具有优异的抗铬毒化性能备受关注，但其电化学性能相对较低。本文通过Ca2+掺杂LaNi0.6Fe0.4O3-δ（LNF）阴极材料改善电化学性能，实验采用甘氨酸燃烧法制备La1-xCaxNi0.6Fe0.4O3-δ（LCNF）阴极材料,Ca2+掺杂量分别为0.05、0.10、0.15、0.20。应用X-Ray衍射表征材料的物相组成，SEM观察阴极材料的微观结构，XPS分析阴极材料表面元素的化学形态，电化学交流阻抗谱技术分析阴极材料的电化学活性。结果表明，LCNF阴极材料随着Ca2+掺杂量的增加，氧还原反应活化能减小，这一现象与DRT（弛豫时间分布）分析结果相吻合。LCNF(x=0.20)阴极材料在750℃具有最小的极化阻抗（0.88Ωcm2），与LNF阴极材料相比表现出更加优异的氧催化活性，使LCNF阴极材料在IT-SOFC具有更加广阔的应用前景。
2020, 49(9):3107-3114.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190791
摘要:
通过 Gleeble-3800 热模拟试验机的热压缩实验，研究了 Ti-62A 合金在 800、850、900 和 950℃，应变速率为 0.001、0.01、0.1 和 1s-1 下的热变形行为和动态再结晶（DRX）规律。结果表明：Ti-62A 合金的流变应力受应变速率和变形温度的影响显著；流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低；在 900~950℃、应变速率 0.01~1s-1 条件下，Ti-62A 合金的热变形应力-应变曲线属于动态回复型；该合金的热变形机制主要由位错运动控制，其动态软化机制包括晶界滑动和位错对消、攀移机制；Ti-62A 合金在热变形过程中，动态再结晶更有可能发生在较高的温度和较低的应变速率下，即 950℃ 和 0.001s-1；基于经典位错密度理论和 DRX 动力学理论，建立了加工硬化—动态回复和 DRX 软化效应的两阶段本构模型。DEFORM-3D 软件的仿真模拟结果证实，基于 DRX 软化效应的本构模型对 Ti-62A 合金在动态再结晶阶段的热变形行为的预测具有较高的准确性，能够为实际生产工艺的制定提供技术参考。
通过 Gleeble-3800 热模拟试验机的热压缩实验，研究了 Ti-62A 合金在 800、850、900 和 950℃，应变速率为 0.001、0.01、0.1 和 1s-1 下的热变形行为和动态再结晶（DRX）规律。结果表明：Ti-62A 合金的流变应力受应变速率和变形温度的影响显著；流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低；在 900~950℃、应变速率 0.01~1s-1 条件下，Ti-62A 合金的热变形应力-应变曲线属于动态回复型；该合金的热变形机制主要由位错运动控制，其动态软化机制包括晶界滑动和位错对消、攀移机制；Ti-62A 合金在热变形过程中，动态再结晶更有可能发生在较高的温度和较低的应变速率下，即 950℃ 和 0.001s-1；基于经典位错密度理论和 DRX 动力学理论，建立了加工硬化—动态回复和 DRX 软化效应的两阶段本构模型。DEFORM-3D 软件的仿真模拟结果证实，基于 DRX 软化效应的本构模型对 Ti-62A 合金在动态再结晶阶段的热变形行为的预测具有较高的准确性，能够为实际生产工艺的制定提供技术参考。
2020, 49(9):3115-3121.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190746
摘要:
粉末冶金是金属材料成形工艺的重要环节,但现有各种模型都无法完整模拟金属粉末在压制前后期特有的力学性能。本文通过引入致密金属的屈服强度,对Drucker-Prager/Cap模型进行修改,将其屈服面限制在致密金属的Von Mises屈服面以内,并随着压制过程,使之无限接近Von Mises屈服面。通过与文献试验数据对比,证明了本文提出的修正模型具有相当高的精度。最终将该模型应用于高温合金的热等静压模拟,其变形模拟结果与实验相符,并且应力分布比传统Drucker-Prager/Cap模型的计算结果更加合理。
粉末冶金是金属材料成形工艺的重要环节,但现有各种模型都无法完整模拟金属粉末在压制前后期特有的力学性能。本文通过引入致密金属的屈服强度,对Drucker-Prager/Cap模型进行修改,将其屈服面限制在致密金属的Von Mises屈服面以内,并随着压制过程,使之无限接近Von Mises屈服面。通过与文献试验数据对比,证明了本文提出的修正模型具有相当高的精度。最终将该模型应用于高温合金的热等静压模拟,其变形模拟结果与实验相符,并且应力分布比传统Drucker-Prager/Cap模型的计算结果更加合理。
2020, 49(9):3122-3128.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190645
摘要:
通过在DZ125铸造基体上沿纵向进行激光沉积单道多层实验,分析了DZ125沉积态与双级时效热处理试样的组织和性能。结果表明：沉积态修复区组织从底部到顶部分别为平面晶、柱状晶和等轴晶组织,修复区主要为MC碳化物,热影响区因热量的输入,MC分解为M23C6；与沉积态组织相比,双级时效热处理后,修复区组织形成了新的晶界,部分MC碳化物分解为M6C与M23C6,γ＇相尺寸略有增大,约为600-800nm,分布均匀；热影响区碳化物尺寸略有减小,γ′相尺寸增大,呈立方体形状；双级时效热处理修复试样在1000℃下的抗拉强度为516MPa、屈服强度为386MPa,分别达到铸件的89.7％和97.7％,延伸率为13.6%,达到铸件的43.9%；热处理后修复试样的平均硬度为473HV0.3,高于沉积态试样平均硬度433HV0.3,且热处理态与沉积态试样沿修复区、热影响区到基体硬度呈降低趋势。
通过在DZ125铸造基体上沿纵向进行激光沉积单道多层实验,分析了DZ125沉积态与双级时效热处理试样的组织和性能。结果表明：沉积态修复区组织从底部到顶部分别为平面晶、柱状晶和等轴晶组织,修复区主要为MC碳化物,热影响区因热量的输入,MC分解为M23C6；与沉积态组织相比,双级时效热处理后,修复区组织形成了新的晶界,部分MC碳化物分解为M6C与M23C6,γ＇相尺寸略有增大,约为600-800nm,分布均匀；热影响区碳化物尺寸略有减小,γ′相尺寸增大,呈立方体形状；双级时效热处理修复试样在1000℃下的抗拉强度为516MPa、屈服强度为386MPa,分别达到铸件的89.7％和97.7％,延伸率为13.6%,达到铸件的43.9%；热处理后修复试样的平均硬度为473HV0.3,高于沉积态试样平均硬度433HV0.3,且热处理态与沉积态试样沿修复区、热影响区到基体硬度呈降低趋势。
2020, 49(9):3129-3135.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190666
摘要:
以Al(NO3)3?9H2O为包覆原料，通过燃烧法制备得到LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4@Al2O3正极材料。通过X射线衍射(XRD)，场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)等表征手段对材料的结构和形貌进行分析，并通过恒电流充放电、循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)等测试分析材料的电化学性能。结果表明，Al2O3包覆没有改变LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4的尖晶石型结构，包覆层厚度约10.6nm。LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4@Al2O3正极材料电化学性能得到了明显改善，1 C和10 C倍率下初始放电比容量分别为119.9 mAh?g-1和106.3 mAh?g-1，充放电循环500次后容量保持率分别为88.4%和78.2%，而未包覆的LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4在1 C和10 C倍率下初始放电比容量分别为121.2 mAh?g-1和104.0 mAh?g-1，500次循环后容量保持率分别为84.1%和67.6%。LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4@Al2O3活化能为32.92 kJ?mol-1，而未包覆材料的活化能为36.24 kJ?mol-1，包覆有效降低了材料Li+扩散所需克服的能垒，提高了材料的电化学性能。
以Al(NO3)3?9H2O为包覆原料，通过燃烧法制备得到LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4@Al2O3正极材料。通过X射线衍射(XRD)，场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电镜(TEM)等表征手段对材料的结构和形貌进行分析，并通过恒电流充放电、循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)等测试分析材料的电化学性能。结果表明，Al2O3包覆没有改变LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4的尖晶石型结构，包覆层厚度约10.6nm。LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4@Al2O3正极材料电化学性能得到了明显改善，1 C和10 C倍率下初始放电比容量分别为119.9 mAh?g-1和106.3 mAh?g-1，充放电循环500次后容量保持率分别为88.4%和78.2%，而未包覆的LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4在1 C和10 C倍率下初始放电比容量分别为121.2 mAh?g-1和104.0 mAh?g-1，500次循环后容量保持率分别为84.1%和67.6%。LiNi0.03Co0.05Mn1.92O4@Al2O3活化能为32.92 kJ?mol-1，而未包覆材料的活化能为36.24 kJ?mol-1，包覆有效降低了材料Li+扩散所需克服的能垒，提高了材料的电化学性能。
2020, 49(9):3136-3142.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190668
摘要:
采用等径通道弯曲挤压(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)+旋锻(Rotary Swaging, RS)技术制备超细晶纯钛，细化后晶粒尺寸达到纳米级。在室温下对超细晶纯钛实施应变比分别为-1、-0.5、0.5的应变控制低周疲劳试验，通过TEM对微观组织观察。研究了应变比对材料循环硬化软化特性、循环应力应变关系及疲劳寿命的影响。研究结果表明，应变比增大使得超细晶纯钛循环硬化现象更为显著，应变比越大超细晶纯钛低周疲劳寿命越低。低周疲劳高应变比情况下亚晶晶粒尺寸小，数量多，阻碍位错运动，使得材料发生循环硬化。
采用等径通道弯曲挤压(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)+旋锻(Rotary Swaging, RS)技术制备超细晶纯钛，细化后晶粒尺寸达到纳米级。在室温下对超细晶纯钛实施应变比分别为-1、-0.5、0.5的应变控制低周疲劳试验，通过TEM对微观组织观察。研究了应变比对材料循环硬化软化特性、循环应力应变关系及疲劳寿命的影响。研究结果表明，应变比增大使得超细晶纯钛循环硬化现象更为显著，应变比越大超细晶纯钛低周疲劳寿命越低。低周疲劳高应变比情况下亚晶晶粒尺寸小，数量多，阻碍位错运动，使得材料发生循环硬化。
2020, 49(9):3143-3152.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190669
摘要:
采用两种球形Kanthal合金粉末（颗粒直径45-60um和50-70um），通过激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)技术制备Kanthal涂层。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和谐振腔特性测量系统对Kanthal粉末及涂层的表面形貌、显微组织、相结构和谐振腔品质因子进行检测分析。研究结果表明：SLM成形Kanthal涂层具有表面粗糙、多孔结构、扁平化的特点，与无氧铜基金属结合牢固，形成了冶金结合界面。其中45-60um球形合金粉末SLM成形涂层加载谐振腔品质因子(Quality factor)Q值整体比50-70um粉末成形涂层的Q值低，在频率2985MHz下微波衰减特性更强。涂层成形过程中形成的Al2O3膜和微孔洞使得合金涂层能够散射微波，减少了对微波的反射。涂层厚度对微波有干涉损耗，厚度0.55mm的Kanthal涂层加载谐振腔Q值最小，达到2280。Kanthal涂层是以磁衰减为主的复合衰减材料。
采用两种球形Kanthal合金粉末（颗粒直径45-60um和50-70um），通过激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)技术制备Kanthal涂层。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和谐振腔特性测量系统对Kanthal粉末及涂层的表面形貌、显微组织、相结构和谐振腔品质因子进行检测分析。研究结果表明：SLM成形Kanthal涂层具有表面粗糙、多孔结构、扁平化的特点，与无氧铜基金属结合牢固，形成了冶金结合界面。其中45-60um球形合金粉末SLM成形涂层加载谐振腔品质因子(Quality factor)Q值整体比50-70um粉末成形涂层的Q值低，在频率2985MHz下微波衰减特性更强。涂层成形过程中形成的Al2O3膜和微孔洞使得合金涂层能够散射微波，减少了对微波的反射。涂层厚度对微波有干涉损耗，厚度0.55mm的Kanthal涂层加载谐振腔Q值最小，达到2280。Kanthal涂层是以磁衰减为主的复合衰减材料。
2020, 49(9):3153-3162.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190690
摘要:
本文研究了热处理对累积叠轧6道次Ti/Ni多层复合箔材界面结构演变的影响。利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及差示扫描量热分析(DSC)对热处理后复合材料的界面结构、相组成、相结构及相变温度等进行测试分析。结果表明：随保温时间的增加,Ti/Ni界面扩散形成的不稳定化合物向稳定态转变,界面Ti、Ni两元素成分曲线由交叉陡变的阶梯状逐渐转为两条近平直的平行线。富Ti的Ti/Ni复合箔材在720℃经热处理后,随时间延长,材料组织从原始的层状结构最终转变为由稳态TiNi和Ti2Ni两相组成的混合组织。保温时间小于10h时,材料中的TiNi是由具有复杂单斜结构的B19’和CsCl型结构的B2两种物相组成,大于10h时仅存在B19’相。在冷却/加热过程中,材料内部均发生马氏体(A→M/M→A)的可逆相变,并随保温时间的增加,其相变滞后(Ap-Mp)从1h的22.4℃增加到30h的31.9℃。
本文研究了热处理对累积叠轧6道次Ti/Ni多层复合箔材界面结构演变的影响。利用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及差示扫描量热分析(DSC)对热处理后复合材料的界面结构、相组成、相结构及相变温度等进行测试分析。结果表明：随保温时间的增加,Ti/Ni界面扩散形成的不稳定化合物向稳定态转变,界面Ti、Ni两元素成分曲线由交叉陡变的阶梯状逐渐转为两条近平直的平行线。富Ti的Ti/Ni复合箔材在720℃经热处理后,随时间延长,材料组织从原始的层状结构最终转变为由稳态TiNi和Ti2Ni两相组成的混合组织。保温时间小于10h时,材料中的TiNi是由具有复杂单斜结构的B19’和CsCl型结构的B2两种物相组成,大于10h时仅存在B19’相。在冷却/加热过程中,材料内部均发生马氏体(A→M/M→A)的可逆相变,并随保温时间的增加,其相变滞后(Ap-Mp)从1h的22.4℃增加到30h的31.9℃。
2020, 49(9):3163-3169.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190695
摘要:
本实验采用两步水热法在钽基体表面制备出掺杂Cu2+的Ta2O5纳米棒薄膜。采用XRD、SEM、XPS等方法分析了材料的物相和表面微观结构。用ICP检测了样品在生理盐水中离子析出浓度,最后通过平板计数法检验了不同含量铜掺杂Ta2O5薄膜的抗菌能力。结果表明,通过两步水热处理,在钽表面生成了简单斜方晶体结构的Ta2O5纳米棒阵列,Cu2+的掺杂不会对纳米棒薄膜的微观形貌和物相造成显著影响。随时间的增加,掺铜薄膜的铜离子析出速率逐渐趋于平缓。平板计数法表明,Cu2+ 的掺杂量达到2.68At%时,铜掺杂Ta2O5纳米棒薄膜的抗菌性能最好,抗菌率达99.2%。
本实验采用两步水热法在钽基体表面制备出掺杂Cu2+的Ta2O5纳米棒薄膜。采用XRD、SEM、XPS等方法分析了材料的物相和表面微观结构。用ICP检测了样品在生理盐水中离子析出浓度,最后通过平板计数法检验了不同含量铜掺杂Ta2O5薄膜的抗菌能力。结果表明,通过两步水热处理,在钽表面生成了简单斜方晶体结构的Ta2O5纳米棒阵列,Cu2+的掺杂不会对纳米棒薄膜的微观形貌和物相造成显著影响。随时间的增加,掺铜薄膜的铜离子析出速率逐渐趋于平缓。平板计数法表明,Cu2+ 的掺杂量达到2.68At%时,铜掺杂Ta2O5纳米棒薄膜的抗菌性能最好,抗菌率达99.2%。
2020, 49(9):3170-3176.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190702
摘要:
反复镦压可以在不改变试样形状和尺寸的情况下获得大变形。高宽比是影响反复镦压工艺的重要参数之一。本文采用有限元与实验验证相结合的方法研究了高宽比对纯铜试样镦压变形过程、微观组织及性能的影响。结果表明，镦压后的等效应变分布不均匀，高宽比越大，单道次镦压平均等效应变和等效应力都越高。1道次镦压后，晶粒被压扁，随高宽比增大，晶粒被压扁的程度越严重。3道次变形后形成了大量变形带，试样高宽比越大，变形带越窄。12道次镦压后，高宽比为2的试样晶粒更等轴、细小。镦压后纯铜的硬度明显提高，高宽比为2的试样镦压后硬度值更高。
反复镦压可以在不改变试样形状和尺寸的情况下获得大变形。高宽比是影响反复镦压工艺的重要参数之一。本文采用有限元与实验验证相结合的方法研究了高宽比对纯铜试样镦压变形过程、微观组织及性能的影响。结果表明，镦压后的等效应变分布不均匀，高宽比越大，单道次镦压平均等效应变和等效应力都越高。1道次镦压后，晶粒被压扁，随高宽比增大，晶粒被压扁的程度越严重。3道次变形后形成了大量变形带，试样高宽比越大，变形带越窄。12道次镦压后，高宽比为2的试样晶粒更等轴、细小。镦压后纯铜的硬度明显提高，高宽比为2的试样镦压后硬度值更高。
2020, 49(9):3177-3181.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191113
摘要:
中国科学院近代物理研究所正在研制运行于45GHz的世界首台第四代电子回旋共振离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)。该离子源磁体线圈全部采用Nb3Sn(铌三锡)超导材料制作、这一超导材料临界性能对应力敏感,加之磁体中六极线圈和螺线管线圈之间的应力不平衡分布,导致磁铁机械结构设计面临极大挑战。为了验证离子源磁铁结构设计的合理性和仿真结果的可信性,为全尺寸真机的研制奠定技术基础,设计了能够一定程度上反映离子源磁体机械结构的半长度样机。本文主要介绍了FECR半长度样机的三维机械结构设计,借助ANSYS有限元软件分析了磁铁在室温组装、冷却降温和加电励磁时的应力分布和变化情况,为磁体装配提供关键的预应力参数。
中国科学院近代物理研究所正在研制运行于45GHz的世界首台第四代电子回旋共振离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)。该离子源磁体线圈全部采用Nb3Sn(铌三锡)超导材料制作、这一超导材料临界性能对应力敏感,加之磁体中六极线圈和螺线管线圈之间的应力不平衡分布,导致磁铁机械结构设计面临极大挑战。为了验证离子源磁铁结构设计的合理性和仿真结果的可信性,为全尺寸真机的研制奠定技术基础,设计了能够一定程度上反映离子源磁体机械结构的半长度样机。本文主要介绍了FECR半长度样机的三维机械结构设计,借助ANSYS有限元软件分析了磁铁在室温组装、冷却降温和加电励磁时的应力分布和变化情况,为磁体装配提供关键的预应力参数。
2020, 49(9):3182-3188.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200242
摘要:
采用激光选区熔化方法制备了高致密度GH3536镍基高温合金块状试件,分析了激光选区熔化成形GH3536合金显微组织和晶体取向。结果表明：随着激光能量密度的升高,成形试样的致密度先升高后降低,当激光能量密度为180~230J.m-1时,致密度达到99.55%以上；其组织存在着明显的各向异性,垂直于构建方向的微观组织呈“棋盘状”形貌,晶粒大多数为等轴晶(长径比为1.828μm)且得到了细化(dmean=11.226μm),尤其熔池搭接区域晶粒更加细小(5μm以下),而平行于构建方向为“鱼鳞状”形貌,大多数为柱状晶(长径比为2.831μm),晶粒直径较大(dmean=25.964μm)。同时SLM成形GH3536镍基高温合金存在明显的择优取向,横截面上晶粒具有较强的取向< 100 >取向,垂直于构建方向和平行于构建方向均为立方织构{100}<001>。此外SLM凝固成形中晶粒生长对晶粒内晶体取向演变有着显著影响,纵截面变形晶粒内的晶体取向变化不明显,纵截面变形晶粒内的晶体取向变化比较明显,这是由于SLM成形具有极高的温度梯度和快速的冷却速率(105K/s)导致的。
采用激光选区熔化方法制备了高致密度GH3536镍基高温合金块状试件,分析了激光选区熔化成形GH3536合金显微组织和晶体取向。结果表明：随着激光能量密度的升高,成形试样的致密度先升高后降低,当激光能量密度为180~230J.m-1时,致密度达到99.55%以上；其组织存在着明显的各向异性,垂直于构建方向的微观组织呈“棋盘状”形貌,晶粒大多数为等轴晶(长径比为1.828μm)且得到了细化(dmean=11.226μm),尤其熔池搭接区域晶粒更加细小(5μm以下),而平行于构建方向为“鱼鳞状”形貌,大多数为柱状晶(长径比为2.831μm),晶粒直径较大(dmean=25.964μm)。同时SLM成形GH3536镍基高温合金存在明显的择优取向,横截面上晶粒具有较强的取向< 100 >取向,垂直于构建方向和平行于构建方向均为立方织构{100}<001>。此外SLM凝固成形中晶粒生长对晶粒内晶体取向演变有着显著影响,纵截面变形晶粒内的晶体取向变化不明显,纵截面变形晶粒内的晶体取向变化比较明显,这是由于SLM成形具有极高的温度梯度和快速的冷却速率(105K/s)导致的。
2020, 49(9):3189-3194.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200020
摘要:
TiAl基合金具有低密度、高比强度、高比刚度等优异的高温综合性能,在航空发动机制造中,有望替代密度较大的镍基合金。本文以铸造TiAl合金为研究对象,系统研究了在1523k下不同保温时间内的合金中β2相的相变规律和其对室温力学性能的影响,实验结果表明：在1523k分别保温5min-4h,然后对铸造态Ti-Al-Nb-Cr-Mo-B合金进行水冷淬火,当保温时间为2h时,韧性没有降低,强度却从1200MPa提升到了1500MPa。在保温过程中α分解为γ＋β相,随后冷却过程中,无序的β相会转变为有序的β2相。实验结果表明β2相是一种硬脆相,少量的β2相能促进合金强度的提升。
TiAl基合金具有低密度、高比强度、高比刚度等优异的高温综合性能,在航空发动机制造中,有望替代密度较大的镍基合金。本文以铸造TiAl合金为研究对象,系统研究了在1523k下不同保温时间内的合金中β2相的相变规律和其对室温力学性能的影响,实验结果表明：在1523k分别保温5min-4h,然后对铸造态Ti-Al-Nb-Cr-Mo-B合金进行水冷淬火,当保温时间为2h时,韧性没有降低,强度却从1200MPa提升到了1500MPa。在保温过程中α分解为γ＋β相,随后冷却过程中,无序的β相会转变为有序的β2相。实验结果表明β2相是一种硬脆相,少量的β2相能促进合金强度的提升。
2020, 49(9):3195-3202.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190703
摘要:
钛合金表面减摩涂层的设计和制备是提升钛合金构件耐磨性能、保障服役安全的重要技术之一。针对于目前钛合金减摩涂层中减摩剂分散不均匀，易于团聚导致膜基结合力差等问题，本论文采用一步微弧氧化技术在TC4合金表面原位生长纳米MoS2颗粒，制备具有减磨作用的MoS2/TiO2复合陶瓷膜层；讨论了原位反应中硫源添加量对膜层微观结构及耐磨性能的影响。结果表明：以Na2S和Na2MoO4分别为硫源和钼源在TC4合金表面通过微弧氧化制备出了MoS2/TiO2复合陶瓷膜层；通过控制Na2S浓度可以原位生成具有小尺寸、均匀化分布的纳米MoS2颗粒，并实现对MoS2含量和形态的调控。随着Na2S浓度的增加，膜层结构逐渐致密化且表面粗糙度较低，当添加量到达60g/L时，由于硫沉淀作用导致膜层开始疏松，粗糙度增加。由于膜层表面和内部均存在均匀化分布且具有自润滑作用的MoS2颗粒，所得膜层耐磨性较传统微弧氧化膜层或直接添加MoS2颗粒所得膜层分别提高了395.4%、129.4%；同时，膜基结合力较传统微弧氧化提高了87.1%，达到了723.8N，说明了该技术在保证良好的自润滑效果同时改善了膜基结合力。该研究结果可以为钛合金耐磨涂层设计和制备提供新思路和研究方法。
钛合金表面减摩涂层的设计和制备是提升钛合金构件耐磨性能、保障服役安全的重要技术之一。针对于目前钛合金减摩涂层中减摩剂分散不均匀，易于团聚导致膜基结合力差等问题，本论文采用一步微弧氧化技术在TC4合金表面原位生长纳米MoS2颗粒，制备具有减磨作用的MoS2/TiO2复合陶瓷膜层；讨论了原位反应中硫源添加量对膜层微观结构及耐磨性能的影响。结果表明：以Na2S和Na2MoO4分别为硫源和钼源在TC4合金表面通过微弧氧化制备出了MoS2/TiO2复合陶瓷膜层；通过控制Na2S浓度可以原位生成具有小尺寸、均匀化分布的纳米MoS2颗粒，并实现对MoS2含量和形态的调控。随着Na2S浓度的增加，膜层结构逐渐致密化且表面粗糙度较低，当添加量到达60g/L时，由于硫沉淀作用导致膜层开始疏松，粗糙度增加。由于膜层表面和内部均存在均匀化分布且具有自润滑作用的MoS2颗粒，所得膜层耐磨性较传统微弧氧化膜层或直接添加MoS2颗粒所得膜层分别提高了395.4%、129.4%；同时，膜基结合力较传统微弧氧化提高了87.1%，达到了723.8N，说明了该技术在保证良好的自润滑效果同时改善了膜基结合力。该研究结果可以为钛合金耐磨涂层设计和制备提供新思路和研究方法。
2020, 49(9):3203-3208.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190704
摘要:
通过准静态单轴压缩和径向约束轴向压缩实验,研究了闭孔泡沫铝的尺寸效应,分析了试件尺寸(直径和高度)和密度对泡沫材料力学性能的影响。结果表明：单轴压缩时闭孔泡沫铝力学性能具有较为明显的尺寸效应,而径向约束轴向压缩时闭孔泡沫铝的尺寸效应不明显。两种加载情况下,密度都对闭孔泡沫铝的力学性能有着明显的影响。与单轴压缩相比,径向约束轴向压缩时闭孔泡沫铝的屈服应力和平台应力随密度的变化更为显著。
通过准静态单轴压缩和径向约束轴向压缩实验,研究了闭孔泡沫铝的尺寸效应,分析了试件尺寸(直径和高度)和密度对泡沫材料力学性能的影响。结果表明：单轴压缩时闭孔泡沫铝力学性能具有较为明显的尺寸效应,而径向约束轴向压缩时闭孔泡沫铝的尺寸效应不明显。两种加载情况下,密度都对闭孔泡沫铝的力学性能有着明显的影响。与单轴压缩相比,径向约束轴向压缩时闭孔泡沫铝的屈服应力和平台应力随密度的变化更为显著。
2020, 49(9):3209-3217.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190725
摘要:
用真空电弧炉在水冷铜模亚快速凝固条件下制备Ni-(50-x)Al-xSc(at%)合金,用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察合金组织,用X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)分析合金的相组成,结合差式扫描量热法(DSC)分析合金凝固过程,用维氏显微硬度计和纳米压痕仪分别测定合金的硬度和弹性模量,采用两相系统简化模型估算合金整体弹性模量。结果表明,Ni-50Al、Ni-45Al-5Sc、Ni-40Al-10Sc和Ni-35Al-15Sc合金的亚快速凝固组织分别为NiAl、NiAl+AlNi2Sc、NiAl+AlNi2Sc和NiAl+AlNi2Sc+(AlNi2Sc+Ni-16.93Al-21.53Sc)。合金中各相析出的先后顺序为NiAl、AlNi2Sc和(AlNi2Sc+Ni-16.93Al-21.53Sc)。AlNi2Sc生长的Jackson因子α = 0.2,凝固界面是粗糙界面。Sc使初生NiAl相的硬度提升,AlNi2Sc相的硬度大于NiAl相的硬度。Sc使初生NiAl相弹性模量减小,Ni-(50-x)Al-xSc合金的整体弹性模量与NiAl金属间化合物相比有减小。
用真空电弧炉在水冷铜模亚快速凝固条件下制备Ni-(50-x)Al-xSc(at%)合金,用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察合金组织,用X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)分析合金的相组成,结合差式扫描量热法(DSC)分析合金凝固过程,用维氏显微硬度计和纳米压痕仪分别测定合金的硬度和弹性模量,采用两相系统简化模型估算合金整体弹性模量。结果表明,Ni-50Al、Ni-45Al-5Sc、Ni-40Al-10Sc和Ni-35Al-15Sc合金的亚快速凝固组织分别为NiAl、NiAl+AlNi2Sc、NiAl+AlNi2Sc和NiAl+AlNi2Sc+(AlNi2Sc+Ni-16.93Al-21.53Sc)。合金中各相析出的先后顺序为NiAl、AlNi2Sc和(AlNi2Sc+Ni-16.93Al-21.53Sc)。AlNi2Sc生长的Jackson因子α = 0.2,凝固界面是粗糙界面。Sc使初生NiAl相的硬度提升,AlNi2Sc相的硬度大于NiAl相的硬度。Sc使初生NiAl相弹性模量减小,Ni-(50-x)Al-xSc合金的整体弹性模量与NiAl金属间化合物相比有减小。
2020, 49(9):3218-3224.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190751
摘要:
采用DSC、SEM 和XRD等测试手段研究和分析了电子束增材制造（EBM）技术用53~106 μm Ti-Ni预合金粉末的性能及其随热处理温度和热循环次数的变化规律。结果表明：预合金粉末粒度呈正态分布，粉末内部填充及球形度良好，适于EBM打印使用；随热处理温度的升高预合金粉末相组成不发生变化但组织和成分变得均匀，内应力和位错被消除，晶粒尺寸长大，使得其550 oC热处理后加热和冷却过程由多步相变转变为单步相变，650 oC热处理后相变点开始保持稳定，而750 oC热处理后达到最佳微烧结状态；预合金粉末在750 oC烧结热循环和保温过程中相组成、单步相变行为和相变点均不发生变化，具有良好的热循环稳定性；底板及粉末层采用750 oC预热温度成功制备出表面状态良好的Ti-Ni合金实体样品。
采用DSC、SEM 和XRD等测试手段研究和分析了电子束增材制造（EBM）技术用53~106 μm Ti-Ni预合金粉末的性能及其随热处理温度和热循环次数的变化规律。结果表明：预合金粉末粒度呈正态分布，粉末内部填充及球形度良好，适于EBM打印使用；随热处理温度的升高预合金粉末相组成不发生变化但组织和成分变得均匀，内应力和位错被消除，晶粒尺寸长大，使得其550 oC热处理后加热和冷却过程由多步相变转变为单步相变，650 oC热处理后相变点开始保持稳定，而750 oC热处理后达到最佳微烧结状态；预合金粉末在750 oC烧结热循环和保温过程中相组成、单步相变行为和相变点均不发生变化，具有良好的热循环稳定性；底板及粉末层采用750 oC预热温度成功制备出表面状态良好的Ti-Ni合金实体样品。
2020, 49(9):3225-3234.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190742
摘要:
采用高速电弧喷涂技术，将2种自主研发的丝材喷射到45钢表面制备出FeAlMoCrC和FeAlNiMoCrC涂层，分析两种涂层的组织结构，研究两种涂层和基体在700℃下的循环氧化行为。结果表明：FeAlMoCrC涂层主要由FeAl、FeCr和Fe2AlV三种金属间化合物和Al2O3、Fe3O4两种氧化物组成；FeAlNiMoCrC涂层主要由AlNi、AlCr2、FeNi3、Fe8Cr四种金属间化合物和Al2O3、Cr2O3和Fe3O4三种氧化物组成。计算涂层的孔隙率，发现涂层内部孔隙率较低，均在10%以内。对所绘制的氧化增重曲线进行拟合分析后发现，FeAlNiMoCrC涂层的氧化速率常数较小，氧化指数大，氧化速率慢，抗氧化性能良好。结合物相和组织分析，可以认为涂层中低的孔隙率和氧化产物中生成连续且致密的Al2O3、Cr2O3、Fe3O4等氧化膜，是抗高温氧化性能提高的主要原因。
采用高速电弧喷涂技术，将2种自主研发的丝材喷射到45钢表面制备出FeAlMoCrC和FeAlNiMoCrC涂层，分析两种涂层的组织结构，研究两种涂层和基体在700℃下的循环氧化行为。结果表明：FeAlMoCrC涂层主要由FeAl、FeCr和Fe2AlV三种金属间化合物和Al2O3、Fe3O4两种氧化物组成；FeAlNiMoCrC涂层主要由AlNi、AlCr2、FeNi3、Fe8Cr四种金属间化合物和Al2O3、Cr2O3和Fe3O4三种氧化物组成。计算涂层的孔隙率，发现涂层内部孔隙率较低，均在10%以内。对所绘制的氧化增重曲线进行拟合分析后发现，FeAlNiMoCrC涂层的氧化速率常数较小，氧化指数大，氧化速率慢，抗氧化性能良好。结合物相和组织分析，可以认为涂层中低的孔隙率和氧化产物中生成连续且致密的Al2O3、Cr2O3、Fe3O4等氧化膜，是抗高温氧化性能提高的主要原因。
2020, 49(9):3235-3243.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190762
摘要:
研究了氩气雾化制粉+热等静压+热处理的全尺寸FGH97合金盘件不同位置组织、650℃拉伸性能、应力和应变控制方式低周疲劳性能及其断口形貌，结果表明：盘件不同位置晶粒度、γ′相尺寸形貌相似，650℃抗拉强度在1325-1340MPa间，650℃屈服强度1010-1025MPa。应力控制低周疲劳寿命（Nf）均值约200000周次，Weibull分布尺度因子η=215194，尺寸＜80μm的夹杂物对Nf影响不明显。应变控制Nf＜20000周次时，η=14622，Nf＞20000周次时，η=44342；夹杂物面积变化引起Nf值Weibull分布特征值β不同。两种控制方式下，疲劳断口裂纹源都主要由夹杂物引起，断口形貌无明显差异。应变控制对夹杂物更敏感。
研究了氩气雾化制粉+热等静压+热处理的全尺寸FGH97合金盘件不同位置组织、650℃拉伸性能、应力和应变控制方式低周疲劳性能及其断口形貌，结果表明：盘件不同位置晶粒度、γ′相尺寸形貌相似，650℃抗拉强度在1325-1340MPa间，650℃屈服强度1010-1025MPa。应力控制低周疲劳寿命（Nf）均值约200000周次，Weibull分布尺度因子η=215194，尺寸＜80μm的夹杂物对Nf影响不明显。应变控制Nf＜20000周次时，η=14622，Nf＞20000周次时，η=44342；夹杂物面积变化引起Nf值Weibull分布特征值β不同。两种控制方式下，疲劳断口裂纹源都主要由夹杂物引起，断口形貌无明显差异。应变控制对夹杂物更敏感。
2020, 49(9):3244-3250.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190774
摘要:
本文提出了一种新的夹层芯体--仿莲房特征芯体结构。以TC4钛合金为对象,采用真空热蠕变成形方法探索了仿莲房特征芯体制备的可行性,并分析了主要工艺参数对仿莲房特征芯体成形高度、显微组织和力学性能的影响。结果表明：采用真空热蠕变成形方法制备仿莲房特征芯体可行,真空热蠕变成形过程中TC4钛合金材料通过发生位错运动和晶界滑移实现芯体孔柱的热成形。真空热蠕变变形后,显微组织由原始细小等轴组织完全转变为再结晶等轴组织。随成形压力和保温时间的增加,芯体高度、平压强度和比平压强度逐渐增加。
本文提出了一种新的夹层芯体--仿莲房特征芯体结构。以TC4钛合金为对象,采用真空热蠕变成形方法探索了仿莲房特征芯体制备的可行性,并分析了主要工艺参数对仿莲房特征芯体成形高度、显微组织和力学性能的影响。结果表明：采用真空热蠕变成形方法制备仿莲房特征芯体可行,真空热蠕变成形过程中TC4钛合金材料通过发生位错运动和晶界滑移实现芯体孔柱的热成形。真空热蠕变变形后,显微组织由原始细小等轴组织完全转变为再结晶等轴组织。随成形压力和保温时间的增加,芯体高度、平压强度和比平压强度逐渐增加。
2020, 49(9):3251-3259.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190782
摘要:
采用大气熔炼铸造及热变形方法制备了Al-4.5Cu-1Li-0.7Mg-1Zn-0.3Ag-0.3Mn-0.2Zr新型铝锂合金板材。通过维氏硬度、拉伸性能、扫描电镜、透射电镜等方法，研究了固溶后不同冷轧预变形量对显微组织和力学性能影响。结果表明，时效前的冷轧预变形量有效促进了新型铝锂基体合金中T1(Al2CuLi)相的析出与均匀分布，减少了θ′(Al2Cu)相的体积分数。冷轧预变形量的增加，缩短了峰时效时间，晶界析出相由连续析出变为非连续析出，无沉淀析出区宽度变小。当冷轧预变形量为15%时，时效态合金的屈服强度与抗拉强度分别达到了668 MPa、690 MPa，延伸率保持在7.9%。
采用大气熔炼铸造及热变形方法制备了Al-4.5Cu-1Li-0.7Mg-1Zn-0.3Ag-0.3Mn-0.2Zr新型铝锂合金板材。通过维氏硬度、拉伸性能、扫描电镜、透射电镜等方法，研究了固溶后不同冷轧预变形量对显微组织和力学性能影响。结果表明，时效前的冷轧预变形量有效促进了新型铝锂基体合金中T1(Al2CuLi)相的析出与均匀分布，减少了θ′(Al2Cu)相的体积分数。冷轧预变形量的增加，缩短了峰时效时间，晶界析出相由连续析出变为非连续析出，无沉淀析出区宽度变小。当冷轧预变形量为15%时，时效态合金的屈服强度与抗拉强度分别达到了668 MPa、690 MPa，延伸率保持在7.9%。
2020, 49(9):3260-3264.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200071
摘要:
本文采用高压凝固的方法分别在3、4、5 GPa的压力下制备了Al2O3/Al-10Si复合材料,并分别在160 ℃保温2、4、6 h的条件下研究了高压凝固Al2O3/Al-10Si复合材料的组织热稳定性以及力学性能转变规律。研究表明：热处理导致高压凝固Al2O3/Al-10Si复合材料α相固溶的Si在热激活的作用下脱溶析出,聚集长大形成细小颗粒弥散分布于α相内,形成沉淀强化；160 ℃热处理后α相固溶的Si析出,过饱和程度下降,材料性能逐渐趋于稳定,在沉淀强化的共同作用下,Al2O3/Al-10Si复合材料抗压强度和压缩率较热处理前均有所上升。而160℃保温4 h的条件下,材料的综合力学性能最好。尤其在5 GPa压力下凝固的Al2O3/Al-10Si复合材料,抗压强度可达到716 MPa。
本文采用高压凝固的方法分别在3、4、5 GPa的压力下制备了Al2O3/Al-10Si复合材料,并分别在160 ℃保温2、4、6 h的条件下研究了高压凝固Al2O3/Al-10Si复合材料的组织热稳定性以及力学性能转变规律。研究表明：热处理导致高压凝固Al2O3/Al-10Si复合材料α相固溶的Si在热激活的作用下脱溶析出,聚集长大形成细小颗粒弥散分布于α相内,形成沉淀强化；160 ℃热处理后α相固溶的Si析出,过饱和程度下降,材料性能逐渐趋于稳定,在沉淀强化的共同作用下,Al2O3/Al-10Si复合材料抗压强度和压缩率较热处理前均有所上升。而160℃保温4 h的条件下,材料的综合力学性能最好。尤其在5 GPa压力下凝固的Al2O3/Al-10Si复合材料,抗压强度可达到716 MPa。
2020, 49(9):3265-3272.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190787
摘要:
轧制速度是三辊式冷轧成形过程中关键的工艺参数，决定其力学特征及温升情况。基于此，本文以冷轧AZ31镁合金管材为研究对象，通过全流程数值仿真计算，对比分析不同轧制速度在各特征变形段对等效应力、等效塑性应变及节点温度的影响规律。结果表明，等效应力、等效塑性应变及节点温度均随轧制速度的增大而增大。通过元胞自动机模型及实验等手段，探明了晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化的初步组织演变规律；对比分析实验与模拟结果并结合多方面因素，得到800mm/s的轧制速度可以更好的满足工艺要求的结果，为冷轧镁合金管材轧制速度的选择提供依据。
轧制速度是三辊式冷轧成形过程中关键的工艺参数，决定其力学特征及温升情况。基于此，本文以冷轧AZ31镁合金管材为研究对象，通过全流程数值仿真计算，对比分析不同轧制速度在各特征变形段对等效应力、等效塑性应变及节点温度的影响规律。结果表明，等效应力、等效塑性应变及节点温度均随轧制速度的增大而增大。通过元胞自动机模型及实验等手段，探明了晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化的初步组织演变规律；对比分析实验与模拟结果并结合多方面因素，得到800mm/s的轧制速度可以更好的满足工艺要求的结果，为冷轧镁合金管材轧制速度的选择提供依据。
2020, 49(9):3273-3284.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20190732
摘要:
近年来,立方晶体结构的高熵合金的在低温条件下(77K)的力学性能成为了研究热点。研究发现,由于一些立方晶体结构体系的高熵合金的层错能随着温度的降低而降低,比较室温条件下,其低温综合力学性能呈现提高的趋势,是一种很有希望的高性能低温结构材料。本文综述了近年来一些立方晶体结构的高熵合金在低温条件下的力学行为的研究进展,重点对高熵合金在低温环境下塑性变形过程中的强韧化机理进行了讨论,并给出了未来的发展方向。
近年来,立方晶体结构的高熵合金的在低温条件下(77K)的力学性能成为了研究热点。研究发现,由于一些立方晶体结构体系的高熵合金的层错能随着温度的降低而降低,比较室温条件下,其低温综合力学性能呈现提高的趋势,是一种很有希望的高性能低温结构材料。本文综述了近年来一些立方晶体结构的高熵合金在低温条件下的力学行为的研究进展,重点对高熵合金在低温环境下塑性变形过程中的强韧化机理进行了讨论,并给出了未来的发展方向。
