2021年第50卷第2期文章目次
2021, 50(2):373-379.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200007
摘要:
提出了一种新型扩散连接方法——局部感应加热刚性拘束热自压扩散（TSCB）。利用TC4板材进行了实验，验证了局部感应加热刚性拘束热自压扩散方法的可行性。在实验基础上建立了感应加热刚性拘束热自压扩散过程热应力应变有限元分析模型，揭示了钛合金局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接机理。实验结果表明，感应加热刚性拘束热自压扩散原理可行，接头显微组织均匀，综合力学性能较好。热应力应变过程有限元数值分析表明，在刚性拘束的待连接材料对接区域进行局部感应加热时，界面附近形成热拘束应力应变场，对界面处高温热塑性状态金属进行热挤压，促进界面两侧原子扩散，最终实现了固相连接。
提出了一种新型扩散连接方法——局部感应加热刚性拘束热自压扩散（TSCB）。利用TC4板材进行了实验，验证了局部感应加热刚性拘束热自压扩散方法的可行性。在实验基础上建立了感应加热刚性拘束热自压扩散过程热应力应变有限元分析模型，揭示了钛合金局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接机理。实验结果表明，感应加热刚性拘束热自压扩散原理可行，接头显微组织均匀，综合力学性能较好。热应力应变过程有限元数值分析表明，在刚性拘束的待连接材料对接区域进行局部感应加热时，界面附近形成热拘束应力应变场，对界面处高温热塑性状态金属进行热挤压，促进界面两侧原子扩散，最终实现了固相连接。
2021, 50(2):380-388.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200450
摘要:
本文详细介绍了使用直接能量沉积技术，以纯Ti，纯V和纯Cr粉末为原料制备一系列Ti-xV-15Cr（x = 20,25,30,35）合金。研究了V含量对Ti-xV-15Cr合金的晶粒形貌、显微硬度、弹性模量及阻燃性能的影响。结果表明，Ti-20V-15Cr、Ti-25V-15Cr和Ti-30V-15Cr合金的显微组织由外延生长的柱状晶和顶部细小的等轴晶组成，随着V含量的增加柱状晶粒的长宽比逐渐减小。而Ti-35V-15Cr合金的显微组织与Ti-20V-15Cr，Ti-25V-15Cr和Ti-30V-15Cr有很大的不同，除了顶部是细小的等轴晶，几乎全由近等轴晶组成。结合柱状晶向等轴晶转变（CET）模型以及柱状晶层的高度与Z轴抬升量(ΔZ)之间的关系，解释了微观组织的形成机理。Ti-xV-15Cr合金的平均显微硬度随V含量的增加而略有增加，其弹性模量在123.8 GPa到137.6 GPa之间。阻燃测试表明，Ti-35V-15Cr合金具有最佳的阻燃性能。
本文详细介绍了使用直接能量沉积技术，以纯Ti，纯V和纯Cr粉末为原料制备一系列Ti-xV-15Cr（x = 20,25,30,35）合金。研究了V含量对Ti-xV-15Cr合金的晶粒形貌、显微硬度、弹性模量及阻燃性能的影响。结果表明，Ti-20V-15Cr、Ti-25V-15Cr和Ti-30V-15Cr合金的显微组织由外延生长的柱状晶和顶部细小的等轴晶组成，随着V含量的增加柱状晶粒的长宽比逐渐减小。而Ti-35V-15Cr合金的显微组织与Ti-20V-15Cr，Ti-25V-15Cr和Ti-30V-15Cr有很大的不同，除了顶部是细小的等轴晶，几乎全由近等轴晶组成。结合柱状晶向等轴晶转变（CET）模型以及柱状晶层的高度与Z轴抬升量(ΔZ)之间的关系，解释了微观组织的形成机理。Ti-xV-15Cr合金的平均显微硬度随V含量的增加而略有增加，其弹性模量在123.8 GPa到137.6 GPa之间。阻燃测试表明，Ti-35V-15Cr合金具有最佳的阻燃性能。
2021, 50(2):389-395.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200085
摘要:
采用热台显微镜(HSM)和压力-体积-温度(PVT)相结合的方法原位研究了钛在恒定温度及升温过程中的氘致裂纹(DIC)现象。在550℃恒温吸氘过程中，钛片表面只出现很少的裂纹；而在由室温升温至550℃吸氘过程中钛表面出现了由边缘向中心部分扩展的环状裂纹。钛在升温过程中的形貌变化特征与“边缘进攻”模型符合；X射线光电子能谱(XPS)测试显示，由钛氧化物、碳化物和氮化物组成的钛表面钝化层在环状裂纹形成过程中发挥了重要作用。
采用热台显微镜(HSM)和压力-体积-温度(PVT)相结合的方法原位研究了钛在恒定温度及升温过程中的氘致裂纹(DIC)现象。在550℃恒温吸氘过程中，钛片表面只出现很少的裂纹；而在由室温升温至550℃吸氘过程中钛表面出现了由边缘向中心部分扩展的环状裂纹。钛在升温过程中的形貌变化特征与“边缘进攻”模型符合；X射线光电子能谱(XPS)测试显示，由钛氧化物、碳化物和氮化物组成的钛表面钝化层在环状裂纹形成过程中发挥了重要作用。
2021, 50(2):396-407.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200003
摘要:
为了分析磨削过程中单晶γ-TiAl合金的材料去除机制，建立了双磨粒磨削Ti-Al合金的分子动力学模型。揭示了金刚石磨粒的横向间距和纵向间距对单晶γ-TiAl合金材料去除机制的影响。研究结果表明：单晶γ-TiAl合金的微切削过程中伴随有温度、势能、位错的变化以及晶格结构的转变；切削力、切削温度、势能以及去除效率随着横向间距的增加而增大，但受纵向间距的影响较小；晶格转变的原子数随横向间距的增加而增大，随纵向间距的增加而减小；随着横向间距和纵向间距的增加，位错数量、位错总长度以及位错密度会相应增大。
为了分析磨削过程中单晶γ-TiAl合金的材料去除机制，建立了双磨粒磨削Ti-Al合金的分子动力学模型。揭示了金刚石磨粒的横向间距和纵向间距对单晶γ-TiAl合金材料去除机制的影响。研究结果表明：单晶γ-TiAl合金的微切削过程中伴随有温度、势能、位错的变化以及晶格结构的转变；切削力、切削温度、势能以及去除效率随着横向间距的增加而增大，但受纵向间距的影响较小；晶格转变的原子数随横向间距的增加而增大，随纵向间距的增加而减小；随着横向间距和纵向间距的增加，位错数量、位错总长度以及位错密度会相应增大。
2021, 50(2):408-415.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190115
摘要:
本文研究了试件尺寸和工艺参数（电子束强度，扫描速度，焦点偏移量和扫描长度）对EBM加工的Ti-6Al-4V微观结构的影响。通常，可以观察到EBM加工的Ti-6Al-4V的微观结构是由原始β相的柱状晶粒组成。在柱状晶粒内部观察到典型的（α+β）结构，即魏氏体α片和在细小的α晶粒的界面上形成的杆状β相。还发现沿原始β柱状晶粒的晶界形成α层晶界。随着试件厚度，电子束能量密度和扫描长度的增加，先前的β柱状晶粒的直径增大，并且生长的方向与加工方向一致。同时，柱状晶粒直径也随着高度的增加而减小。随着厚度和电子束能量密度的增加，α片会变得更粗大。
本文研究了试件尺寸和工艺参数（电子束强度，扫描速度，焦点偏移量和扫描长度）对EBM加工的Ti-6Al-4V微观结构的影响。通常，可以观察到EBM加工的Ti-6Al-4V的微观结构是由原始β相的柱状晶粒组成。在柱状晶粒内部观察到典型的（α+β）结构，即魏氏体α片和在细小的α晶粒的界面上形成的杆状β相。还发现沿原始β柱状晶粒的晶界形成α层晶界。随着试件厚度，电子束能量密度和扫描长度的增加，先前的β柱状晶粒的直径增大，并且生长的方向与加工方向一致。同时，柱状晶粒直径也随着高度的增加而减小。随着厚度和电子束能量密度的增加，α片会变得更粗大。
2021, 50(2):537-543.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200128
摘要:
采用Thermecmaster-Z型热加工模拟试验机对Ti60合金进行等温恒应变速率压缩实验,获得该合金在变形温度700～950℃,应变速率0.001～10s-1和真应变0.51条件下的流变曲线,通过考虑摩擦和温升效应对流动应力的影响,对Ti60合金实测流变曲线进行修正。结果表明,摩擦和温升效应对Ti60合金流动应力均具有较显著的影响,且摩擦效应随着应变的增加而增加,而温升效应随着变形温度的降低和应变速率的升高而增加。经摩擦和温升修正后的流变曲线接近于流动稳态型,它能更准确地反映Ti60合金在等温恒应变速率条件下的流动应力对真应变的动态响应。
采用Thermecmaster-Z型热加工模拟试验机对Ti60合金进行等温恒应变速率压缩实验,获得该合金在变形温度700～950℃,应变速率0.001～10s-1和真应变0.51条件下的流变曲线,通过考虑摩擦和温升效应对流动应力的影响,对Ti60合金实测流变曲线进行修正。结果表明,摩擦和温升效应对Ti60合金流动应力均具有较显著的影响,且摩擦效应随着应变的增加而增加,而温升效应随着变形温度的降低和应变速率的升高而增加。经摩擦和温升修正后的流变曲线接近于流动稳态型,它能更准确地反映Ti60合金在等温恒应变速率条件下的流动应力对真应变的动态响应。
2021, 50(2):544-551.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200377
摘要:
为提高钛合金的高温抗氧化性能,采用扩散固体粉末扩散渗方法在其表面制备了扩散渗硅涂层,研究了涂层的组织结构、高温氧化性能和失效机制。结果表明,所制备涂层具有致密的多层梯度组织结构,主要由TiSi2外层,TiSi中间层和Ti5Si4+Ti5Si3内层组成。高温氧化实验结果表明,涂层在850 ℃空气中氧化时表面形成了由SiO2和TiO2混合组成的保护膜,高温抗氧化性能优良；氧化过程中涂层与基体合金中Ti和Si的互扩散引起氧化膜内TiO2含量增加及Si源不足,导致氧化膜保护性变差；氧化产物与涂层较高的P-B比、氧化膜与涂层组织间热膨胀系数不匹配导致了氧化膜开裂和剥落。
为提高钛合金的高温抗氧化性能,采用扩散固体粉末扩散渗方法在其表面制备了扩散渗硅涂层,研究了涂层的组织结构、高温氧化性能和失效机制。结果表明,所制备涂层具有致密的多层梯度组织结构,主要由TiSi2外层,TiSi中间层和Ti5Si4+Ti5Si3内层组成。高温氧化实验结果表明,涂层在850 ℃空气中氧化时表面形成了由SiO2和TiO2混合组成的保护膜,高温抗氧化性能优良；氧化过程中涂层与基体合金中Ti和Si的互扩散引起氧化膜内TiO2含量增加及Si源不足,导致氧化膜保护性变差；氧化产物与涂层较高的P-B比、氧化膜与涂层组织间热膨胀系数不匹配导致了氧化膜开裂和剥落。
2021, 50(2):552-561.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200612
摘要:
对比研究了退火温度、冷却速度及多重退火工艺对一种新型近α钛合金Ti90显微组织、室温拉伸性能和腐蚀性能的影响。结果表明：在两相区退火时,随退火温度升高,变形组织逐渐球化,初生α相(αp)体积分数降低,次生α相(αs)增多并发生粗化,合金强度逐渐降低,塑性提高；β单相区退火后空冷,组织中原始β晶粒粗大,且有晶界α相析出(αGB),合金塑性急剧下降；β单相区退火后水冷,β晶粒内部析出细针状α"马氏体相,显著提高了合金强度,同时保持了较好的塑性；多重退火后αp和βt尺寸增加,αs粗化,导致合金强度和塑性同时降低；极化曲线测试结果显示,具有四种不同αp含量显微组织的Ti90合金在3.5% NaCl溶液中均表现出钝化行为,且钝化电流密度小,耐蚀性较好,耐蚀能力由强到弱依次为双态组织>等轴组织>片层组织。
对比研究了退火温度、冷却速度及多重退火工艺对一种新型近α钛合金Ti90显微组织、室温拉伸性能和腐蚀性能的影响。结果表明：在两相区退火时,随退火温度升高,变形组织逐渐球化,初生α相(αp)体积分数降低,次生α相(αs)增多并发生粗化,合金强度逐渐降低,塑性提高；β单相区退火后空冷,组织中原始β晶粒粗大,且有晶界α相析出(αGB),合金塑性急剧下降；β单相区退火后水冷,β晶粒内部析出细针状α"马氏体相,显著提高了合金强度,同时保持了较好的塑性；多重退火后αp和βt尺寸增加,αs粗化,导致合金强度和塑性同时降低；极化曲线测试结果显示,具有四种不同αp含量显微组织的Ti90合金在3.5% NaCl溶液中均表现出钝化行为,且钝化电流密度小,耐蚀性较好,耐蚀能力由强到弱依次为双态组织>等轴组织>片层组织。
2021, 50(2):562-567.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200104
摘要:
对经轻气炮预冲击的Ti6321双态组织样品进行准静态压缩和动态压缩再加载试验,探究冲击后其力学性能的变化。利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)对其微观组织演化进行观察并分析。结果表明,经预冲击后的Ti6321合金的静动态屈服强度、平均流变应力较原始样品有所升高,但断裂应变、冲击吸收功明显下降,且经过预冲击的样品经动态再加载后更易出现绝热剪切破坏。TEM结果表明,经轻气炮预冲击过后的样品内部有孪晶生成,从而导致了Ti6321钛合金表现出冲击波强化效应。
对经轻气炮预冲击的Ti6321双态组织样品进行准静态压缩和动态压缩再加载试验,探究冲击后其力学性能的变化。利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)对其微观组织演化进行观察并分析。结果表明,经预冲击后的Ti6321合金的静动态屈服强度、平均流变应力较原始样品有所升高,但断裂应变、冲击吸收功明显下降,且经过预冲击的样品经动态再加载后更易出现绝热剪切破坏。TEM结果表明,经轻气炮预冲击过后的样品内部有孪晶生成,从而导致了Ti6321钛合金表现出冲击波强化效应。
2021, 50(2):568-574.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200108
摘要:
为了研究置氢处理对45Ti-47Zr-5Al-3V合金高温变形行为及显微组织的影响规律，本文利用动态热模拟试验机，对置氢与未置氢的铸态合金在不同变形条件下进行热压缩，系统研究了材料的高温变形行为及其微观组织演化规律，并构建了本构方程及热加工图。加入适量的氢可以显著降低TiZrAlV合金的流变应力和变形激活能，计算得到未置氢合金热压缩变形激活能为339.7kJ/mol，而置氢后的激活能为286.5kJ/mol，适宜的加工参数为650-900℃，0.01-1s-1。OM和EBSD微观组织观察表明，置氢能细化铸态组织，增加β相含量，促进动态再结晶，从而显著降低了合金的流变抗力，扩大了热加工窗口，提高了热加工性能。
为了研究置氢处理对45Ti-47Zr-5Al-3V合金高温变形行为及显微组织的影响规律，本文利用动态热模拟试验机，对置氢与未置氢的铸态合金在不同变形条件下进行热压缩，系统研究了材料的高温变形行为及其微观组织演化规律，并构建了本构方程及热加工图。加入适量的氢可以显著降低TiZrAlV合金的流变应力和变形激活能，计算得到未置氢合金热压缩变形激活能为339.7kJ/mol，而置氢后的激活能为286.5kJ/mol，适宜的加工参数为650-900℃，0.01-1s-1。OM和EBSD微观组织观察表明，置氢能细化铸态组织，增加β相含量，促进动态再结晶，从而显著降低了合金的流变抗力，扩大了热加工窗口，提高了热加工性能。
2021, 50(2):575-580.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200170
摘要:
Ti5Al2.5Sn ELI钛合金是航空航天等领域重要的结构材料。本文采用三种铸型同炉浇注的方法研究了铸造工艺对该合金铸态组织和室温拉伸性能的影响。结果表明，该合金石墨型铸造试样表面粗糙，陶瓷型和金属型的则较光滑；石墨型试样宏观组织为大量等轴晶和少量柱状晶，金属型的为少量等轴晶和大量柱状晶，陶瓷型的为粗大柱状晶和等轴晶；不同工艺下显微组织均由不规则边界α集束组成，其内部为片状α相，石墨型的α片宽度最小，金属型的次之，陶瓷型的最大；该合金铸态抗拉强度715~731 MPa、伸长率8~15 %，石墨型的伸长率最高，金属型的次之，陶瓷型的最低，铸造工艺对该合金塑性影响强烈，但对强度的影响较小；铸型表面形貌、导热系数、α集束大小及α片厚度的不同是上述现象产生的主要原因。
Ti5Al2.5Sn ELI钛合金是航空航天等领域重要的结构材料。本文采用三种铸型同炉浇注的方法研究了铸造工艺对该合金铸态组织和室温拉伸性能的影响。结果表明，该合金石墨型铸造试样表面粗糙，陶瓷型和金属型的则较光滑；石墨型试样宏观组织为大量等轴晶和少量柱状晶，金属型的为少量等轴晶和大量柱状晶，陶瓷型的为粗大柱状晶和等轴晶；不同工艺下显微组织均由不规则边界α集束组成，其内部为片状α相，石墨型的α片宽度最小，金属型的次之，陶瓷型的最大；该合金铸态抗拉强度715~731 MPa、伸长率8~15 %，石墨型的伸长率最高，金属型的次之，陶瓷型的最低，铸造工艺对该合金塑性影响强烈，但对强度的影响较小；铸型表面形貌、导热系数、α集束大小及α片厚度的不同是上述现象产生的主要原因。
2021, 50(2):581-587.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200239
摘要:
加速和改善骨结合过程是口腔种植领域的研究热点,电刺激成骨是其中的研究方向之一,但外源性电刺激目前还存在很多缺陷。鉴于骨本身具有压电特性,如能在钛种植体表面制备压电材料涂层,从而产生内源性电刺激来促进成骨就具有重要研究意义。钛酸钡作为一种环境友好的无铅压电材料,在四方相具备压电效应,生物相容性良好,负荷条件下可以促进成骨。本研究首先利用阳极氧化技术在钛种植体表面制备了形貌和结构优化的二氧化钛纳米管涂层,进而利用水热反应将二氧化钛纳米管涂层转化为钛酸钡涂层,通过优化实验参数并设置极限浓度探索出具有压电效应的四方相钛酸钡涂层的合成条件,并进行了表面形貌、晶相等的表征和分析,结合有限元分析模拟计算验证涂层颗粒压电势，期望为种植体表面改性提供新的思路和方法。
加速和改善骨结合过程是口腔种植领域的研究热点,电刺激成骨是其中的研究方向之一,但外源性电刺激目前还存在很多缺陷。鉴于骨本身具有压电特性,如能在钛种植体表面制备压电材料涂层,从而产生内源性电刺激来促进成骨就具有重要研究意义。钛酸钡作为一种环境友好的无铅压电材料,在四方相具备压电效应,生物相容性良好,负荷条件下可以促进成骨。本研究首先利用阳极氧化技术在钛种植体表面制备了形貌和结构优化的二氧化钛纳米管涂层,进而利用水热反应将二氧化钛纳米管涂层转化为钛酸钡涂层,通过优化实验参数并设置极限浓度探索出具有压电效应的四方相钛酸钡涂层的合成条件,并进行了表面形貌、晶相等的表征和分析,结合有限元分析模拟计算验证涂层颗粒压电势，期望为种植体表面改性提供新的思路和方法。
2021, 50(2):588-594.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200554
摘要:
本文通过室温下应变控制疲劳试验研究了高强韧Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe钛合金的低周疲劳性能，结果表明：在高应变幅值下（Δεt/2=1.0%，1.2%，1.4%，1.6%），合金的循环应力幅值表现为初始循环软化，而后趋于循环稳定；在低应变幅值下（Δεt/2=0.6%，0.8%），合金的循环应力响应表现为循环饱和特征。断口形貌观察发现：应变幅值为0.6%时，疲劳裂纹源只有一处，在断口表面分布有大量细小的二次裂纹。当应变幅增加到1.6%时，组织中发现多处疲劳裂纹源，二次裂纹的数量明显减少，但长度和宽度明显增加。透射电镜结果表明：在低应变幅值下（Δεt/2=0.6%），在αp/β界面处出现大量的位错堆积，在此处易产生应力集中导致微裂纹形核。而在高应变幅值下（Δεt/2=1.6%），在αp相中有明显的变形不均匀性，在αp相内出现大量的位错缠结和位错碎片，并且在αs相中出现一些位错塞积，但在β基体中没有明显的位错堆积情况。
本文通过室温下应变控制疲劳试验研究了高强韧Ti-3Al-5Mo-4Cr-2Zr-1Fe钛合金的低周疲劳性能，结果表明：在高应变幅值下（Δεt/2=1.0%，1.2%，1.4%，1.6%），合金的循环应力幅值表现为初始循环软化，而后趋于循环稳定；在低应变幅值下（Δεt/2=0.6%，0.8%），合金的循环应力响应表现为循环饱和特征。断口形貌观察发现：应变幅值为0.6%时，疲劳裂纹源只有一处，在断口表面分布有大量细小的二次裂纹。当应变幅增加到1.6%时，组织中发现多处疲劳裂纹源，二次裂纹的数量明显减少，但长度和宽度明显增加。透射电镜结果表明：在低应变幅值下（Δεt/2=0.6%），在αp/β界面处出现大量的位错堆积，在此处易产生应力集中导致微裂纹形核。而在高应变幅值下（Δεt/2=1.6%），在αp相中有明显的变形不均匀性，在αp相内出现大量的位错缠结和位错碎片，并且在αs相中出现一些位错塞积，但在β基体中没有明显的位错堆积情况。
2021, 50(2):699-708.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200140
摘要:
金属材料中晶粒形态的演变是晶界迁移的结果,而晶粒形态又是决定材料性能的一个重要因素,因此,通过调控晶界迁移以获得目标组织成为工程研究关注的问题。本文综述了金属晶界迁移问题的研究,并给出了作者关于TiAl合金相关的进展：首先介绍了晶界迁移的现象及物理模型,然后分析了晶界迁移的驱动力,并着重说明扩散和应力驱动下的晶界迁移现象。进一步,讨论了晶界迁移中的各种影响因素,包括取向差、晶界结点、曲率、温度和温度梯度等。最后,对晶界迁移调控在工程上的一些应用进行了介绍,特别讨论了其在TiAl合金中的应用,并结合作者的原位观察工作,对两种TiAl合金在高温单相区的晶界迁移现象进行了分析。
金属材料中晶粒形态的演变是晶界迁移的结果,而晶粒形态又是决定材料性能的一个重要因素,因此,通过调控晶界迁移以获得目标组织成为工程研究关注的问题。本文综述了金属晶界迁移问题的研究,并给出了作者关于TiAl合金相关的进展：首先介绍了晶界迁移的现象及物理模型,然后分析了晶界迁移的驱动力,并着重说明扩散和应力驱动下的晶界迁移现象。进一步,讨论了晶界迁移中的各种影响因素,包括取向差、晶界结点、曲率、温度和温度梯度等。最后,对晶界迁移调控在工程上的一些应用进行了介绍,特别讨论了其在TiAl合金中的应用,并结合作者的原位观察工作,对两种TiAl合金在高温单相区的晶界迁移现象进行了分析。
2021, 50(2):709-716.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200176
摘要:
3D打印技术正在挑战传统制造工艺的主导地位，尤其是在以钛合金为代表的金属领域凸显出巨大潜力。本文重点介绍了当前用于钛及钛合金制造的主流打印技术的研究现状，详细分析了每种技术的基本成形机理和存在问题，指出了工艺应用挑战和如何解决这些问题的可能措施。同时，对这些技术的主要优缺点进行了比较，以便于根据实际应用需求选择最佳的3D打印工艺，归纳了各种类型的3D打印钛及钛合金的代表性应用及相关性能，指出了3D打印高性能钛部件的发展方向。
3D打印技术正在挑战传统制造工艺的主导地位，尤其是在以钛合金为代表的金属领域凸显出巨大潜力。本文重点介绍了当前用于钛及钛合金制造的主流打印技术的研究现状，详细分析了每种技术的基本成形机理和存在问题，指出了工艺应用挑战和如何解决这些问题的可能措施。同时，对这些技术的主要优缺点进行了比较，以便于根据实际应用需求选择最佳的3D打印工艺，归纳了各种类型的3D打印钛及钛合金的代表性应用及相关性能，指出了3D打印高性能钛部件的发展方向。
2021, 50(2):717-724.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200234
摘要:
本文介绍了当前TWIP/TRIP钛合金的研究现状和设计方法,并且统计了TWIP/TRIP钛合金中发生双孪晶{332}<113>、{112}<111>的β晶粒尺寸大小、屈服强度和加工硬化率。讨论了Bo-Md图在多组元钛合金设计上的应用和局限性,特别是析出不同二次相(α相与ω相)对基体β相稳定性的影响。从基体β相稳定性、析出相、β晶粒尺寸和晶体学取向三方面归纳了影响亚稳态β钛合金TWIP/TRIP变形机制的因素,并对其中存在的一些问题和不足进行了分析,简要总结了双孪晶机制对钛合金力学性能的影响。通过综述最新的研究进展及相关问题,对未来高强韧钛合金发展提出新见解。
本文介绍了当前TWIP/TRIP钛合金的研究现状和设计方法,并且统计了TWIP/TRIP钛合金中发生双孪晶{332}<113>、{112}<111>的β晶粒尺寸大小、屈服强度和加工硬化率。讨论了Bo-Md图在多组元钛合金设计上的应用和局限性,特别是析出不同二次相(α相与ω相)对基体β相稳定性的影响。从基体β相稳定性、析出相、β晶粒尺寸和晶体学取向三方面归纳了影响亚稳态β钛合金TWIP/TRIP变形机制的因素,并对其中存在的一些问题和不足进行了分析,简要总结了双孪晶机制对钛合金力学性能的影响。通过综述最新的研究进展及相关问题,对未来高强韧钛合金发展提出新见解。
2021, 50(2):416-424.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20190116
摘要:
采用挤压剪切(ES)工艺制备了AZ31棒材，其剪切角分别为150°、135°和120°。采用ES法制备了AZ31镁合金。用光学显微镜、扫描电镜和电子背散射衍射等手段研究了AZ 31合金双峰晶粒的显微组织演变。研究结果表明，大粒面积所占的比例随应变的增加而增加。从OM图像中可以看到双峰状的晶粒结构，窄的粗晶粒被细小的晶粒包围。织构随ES过程的不同剪切角而发生变化。屈服强度和峰值强度都随着剪切角的减小而逐渐增大。随着剪切应变的增加，随着剪切角的减小，大晶粒的比例增大，小晶粒的尺寸增大，这是因为变形和动态再结晶分数都随着剪切角的减小而增大。
采用挤压剪切(ES)工艺制备了AZ31棒材，其剪切角分别为150°、135°和120°。采用ES法制备了AZ31镁合金。用光学显微镜、扫描电镜和电子背散射衍射等手段研究了AZ 31合金双峰晶粒的显微组织演变。研究结果表明，大粒面积所占的比例随应变的增加而增加。从OM图像中可以看到双峰状的晶粒结构，窄的粗晶粒被细小的晶粒包围。织构随ES过程的不同剪切角而发生变化。屈服强度和峰值强度都随着剪切角的减小而逐渐增大。随着剪切应变的增加，随着剪切角的减小，大晶粒的比例增大，小晶粒的尺寸增大，这是因为变形和动态再结晶分数都随着剪切角的减小而增大。
2021, 50(2):425-429.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191082
摘要:
层状FeSe是一种重要的超导材料,但生长大尺寸的晶体使得深入探究其超导机理变得困难。在本研究中,我们利用了简单的KCl熔盐法生长晶体,通过在熔剂内部控制温度梯度,生长得到了尺寸为7×2×2mm3的大晶体。通过X射线衍射分析,确定晶体为基面为(101)面的四方β-FeSe超导相。磁性测量表明晶体在9k时发生了超导转变；四探针法测量表明伴随着较宽的转变温度范围,晶体在10K时电阻值降为零,起始转变温度为15K。本研究为制备大尺寸FeSe单晶提供了一种便利简捷的方法,对于FeSe基超导体的研究具有广阔的应用前景。
层状FeSe是一种重要的超导材料,但生长大尺寸的晶体使得深入探究其超导机理变得困难。在本研究中,我们利用了简单的KCl熔盐法生长晶体,通过在熔剂内部控制温度梯度,生长得到了尺寸为7×2×2mm3的大晶体。通过X射线衍射分析,确定晶体为基面为(101)面的四方β-FeSe超导相。磁性测量表明晶体在9k时发生了超导转变；四探针法测量表明伴随着较宽的转变温度范围,晶体在10K时电阻值降为零,起始转变温度为15K。本研究为制备大尺寸FeSe单晶提供了一种便利简捷的方法,对于FeSe基超导体的研究具有广阔的应用前景。
2021, 50(2):430-436.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191088
摘要:
为提高Cu-(Ti3SiC2)p复合材料中铜与陶瓷的界面结合强度，以环境友好型抗坏血酸为还原剂，D-葡萄糖酸钠为络合剂，研究了Ti3SiC2粉末表面化学镀铜及其电化学性能，以及十二烷基硫酸钠(SDS)结合聚山梨酯80(Tween-80)表面活性剂对化学镀铜的改性效果。采用线性扫描伏安法和开路电位时间法确定了该体系的电化学机理并进行参数优化。结果表明，增加Cu(II)和抗坏血酸的浓度，提高反应温度，可以提高极化电流密度，有利于加速化学镀。铜镀层新核从依附在 (Ti3SiC2)p粒子表面的银催化活化中心开始形成，表面具有较多Ag催化活性中心的微球会促进涂层的形成。采用复配改性剂SDS（6-22 g/L）+ Tween-80 (8-12 ml/L) 对化学镀铜表面涂覆的效果优于单一改性剂。采用SM4 (SDS+Tween-80)改性剂达到最佳涂层效果的 Cu与Ti3SiC2的总摩尔比为1:0.54。静电效应和空间位阻效应对铜在(Ti3SiC2)p表面的生长起着至关重要的协同控制作用。
为提高Cu-(Ti3SiC2)p复合材料中铜与陶瓷的界面结合强度，以环境友好型抗坏血酸为还原剂，D-葡萄糖酸钠为络合剂，研究了Ti3SiC2粉末表面化学镀铜及其电化学性能，以及十二烷基硫酸钠(SDS)结合聚山梨酯80(Tween-80)表面活性剂对化学镀铜的改性效果。采用线性扫描伏安法和开路电位时间法确定了该体系的电化学机理并进行参数优化。结果表明，增加Cu(II)和抗坏血酸的浓度，提高反应温度，可以提高极化电流密度，有利于加速化学镀。铜镀层新核从依附在 (Ti3SiC2)p粒子表面的银催化活化中心开始形成，表面具有较多Ag催化活性中心的微球会促进涂层的形成。采用复配改性剂SDS（6-22 g/L）+ Tween-80 (8-12 ml/L) 对化学镀铜表面涂覆的效果优于单一改性剂。采用SM4 (SDS+Tween-80)改性剂达到最佳涂层效果的 Cu与Ti3SiC2的总摩尔比为1:0.54。静电效应和空间位阻效应对铜在(Ti3SiC2)p表面的生长起着至关重要的协同控制作用。
2021, 50(2):437-442.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191109
摘要:
利用电弧熔炼和行星球磨技术制备出Nd1Ni5-xCx(x=0.0,0.1,0.3,0.5)合金粉。利用x射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、矢量网络分析仪(VNA)等仪器对其结构、形貌和电磁特性进行检测。结果表明,随着C含量的增加,粉体的饱和磁化强度和矫顽力逐渐减小，并且反射损耗的吸收峰向高频移动,在C添加量为x = 0.5时出现两个有效带宽。分别为8.28-9.82GHz和11.17-12.03GHz,有效改善了粉体的吸收带宽。另外，随着厚度的变化反射损耗可以在较大的频段内进行调整。可见粉体有着广泛的应用前景。
利用电弧熔炼和行星球磨技术制备出Nd1Ni5-xCx(x=0.0,0.1,0.3,0.5)合金粉。利用x射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、矢量网络分析仪(VNA)等仪器对其结构、形貌和电磁特性进行检测。结果表明,随着C含量的增加,粉体的饱和磁化强度和矫顽力逐渐减小，并且反射损耗的吸收峰向高频移动,在C添加量为x = 0.5时出现两个有效带宽。分别为8.28-9.82GHz和11.17-12.03GHz,有效改善了粉体的吸收带宽。另外，随着厚度的变化反射损耗可以在较大的频段内进行调整。可见粉体有着广泛的应用前景。
2021, 50(2):443-450.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200002
摘要:
不锈钢结构和成分的调节对其获得良好综合性能至关重要。本文为了使铝热反应完全，降低316L ASSs中残余Al的含量，在反应粉体中加入了不同过量比的Fe2O3粉末，详细分析了过量Fe2O3对316L奥氏体不锈钢微纳米组织和拉伸性能的影响。结果表明，随着Fe2O3过量百分比的增加，铁素体相的体积分数显著降低，而纳米晶的体积分数由87.4%提高到了93.4%，平均晶粒尺寸由32 nm降低到了22 nm。对比分析表明，铝热法制备316L ASSs的最佳工艺参数为添加过量比5.0 %的Fe2O3，在该条件下制备的单相奥氏体钢，其抗拉强度为573.92 MPa，屈服强度为340.12 MPa，延伸率约为4.68%。
不锈钢结构和成分的调节对其获得良好综合性能至关重要。本文为了使铝热反应完全，降低316L ASSs中残余Al的含量，在反应粉体中加入了不同过量比的Fe2O3粉末，详细分析了过量Fe2O3对316L奥氏体不锈钢微纳米组织和拉伸性能的影响。结果表明，随着Fe2O3过量百分比的增加，铁素体相的体积分数显著降低，而纳米晶的体积分数由87.4%提高到了93.4%，平均晶粒尺寸由32 nm降低到了22 nm。对比分析表明，铝热法制备316L ASSs的最佳工艺参数为添加过量比5.0 %的Fe2O3，在该条件下制备的单相奥氏体钢，其抗拉强度为573.92 MPa，屈服强度为340.12 MPa，延伸率约为4.68%。
2021, 50(2):451-457.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200004
摘要:
为了提高TiO2薄膜的光学属性和着色效率,采用溶胶–凝胶工艺,以钛酸丁酯为前驱体在ITO导电玻璃基片表面制备了La、Nd、Bi共掺杂TiO2薄膜。采用TG-DTA、XRD、UV-Vis、电化学工作站等手段研究分析了TiO2粉末和薄膜的结构和表面形貌的光学和电致变色性能。结果表明:在400℃、500℃和600℃热处理的二氧化钛干凝胶中形成锐钛矿型二氧化钛,且热处理温度越高,晶体发育越完整。La、Nd、Bi掺杂TiO2增加了TiO2八面体的排列无序性,导致非晶化程度提高，体积分数为12%的钛酸丁酯对应制备的薄膜具有优良的电致变色性能。500℃热处理的TiO2薄膜电致变色性能最为优异。实验进行了La、Nd、Bi单独掺杂TiO2薄膜的性能分析, 按照摩尔掺杂量8%La、18%Nd、6%Bi的TiO2薄膜具有较优异的变色性能, 单独掺杂变色效果: 6% Bi﹤8% La﹤18% Nd。La、Nd、Bi共掺杂TiO2锐钛矿仍然具有很高的非晶化程度, 且当摩尔掺杂量比La:Nd:Bi=4:10:2时, 取得薄膜最佳循环伏安特性, 掺杂TiO2非晶相程度最高。
为了提高TiO2薄膜的光学属性和着色效率,采用溶胶–凝胶工艺,以钛酸丁酯为前驱体在ITO导电玻璃基片表面制备了La、Nd、Bi共掺杂TiO2薄膜。采用TG-DTA、XRD、UV-Vis、电化学工作站等手段研究分析了TiO2粉末和薄膜的结构和表面形貌的光学和电致变色性能。结果表明:在400℃、500℃和600℃热处理的二氧化钛干凝胶中形成锐钛矿型二氧化钛,且热处理温度越高,晶体发育越完整。La、Nd、Bi掺杂TiO2增加了TiO2八面体的排列无序性,导致非晶化程度提高，体积分数为12%的钛酸丁酯对应制备的薄膜具有优良的电致变色性能。500℃热处理的TiO2薄膜电致变色性能最为优异。实验进行了La、Nd、Bi单独掺杂TiO2薄膜的性能分析, 按照摩尔掺杂量8%La、18%Nd、6%Bi的TiO2薄膜具有较优异的变色性能, 单独掺杂变色效果: 6% Bi﹤8% La﹤18% Nd。La、Nd、Bi共掺杂TiO2锐钛矿仍然具有很高的非晶化程度, 且当摩尔掺杂量比La:Nd:Bi=4:10:2时, 取得薄膜最佳循环伏安特性, 掺杂TiO2非晶相程度最高。
2021, 50(2):458-468.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200047
摘要:
本文研究了含有两种不同类型(Ti,Mo)C析出相的两种高强度马氏体钢充氢和不充氢时的超高周疲劳性能。结果表明：球形未溶(Ti,Mo)C析出相和非金属夹杂物的氢解吸附激活能分别为142.6和70.9 kJ/mol,这两种强氢陷阱在电化学充氢条件下不会捕获氢；位错和晶界处的可逆氢的解吸附激活能为16.9 kJ/mol,这部分氢扩散系数较大,室温放置96 h就能全部扩散出试样,在循环载荷下这部分氢能够迅速向裂纹尖端或应力集中处扩散,显著降低疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值,最终显著降低超高周疲劳强度；细小的回火(Ti,Mo)C析出相捕获的氢的解吸附激活能为17.0 kJ/mol,这部分氢的扩散系数较小,室温放置336 h仍不能扩散出试样,在循环载荷下这部分氢能够从氢陷阱处解吸附并且向裂纹尖端或应力集中处扩散,仍能一定程度降低钢的超高周疲劳强度,考虑到两者捕获的氢含量大致相当,被细小的回火(Ti,Mo)C析出相捕获的氢对超高周疲强度的有害作用要远小于位错、晶界处的可扩散氢对超高周疲劳强度的有害作用。
本文研究了含有两种不同类型(Ti,Mo)C析出相的两种高强度马氏体钢充氢和不充氢时的超高周疲劳性能。结果表明：球形未溶(Ti,Mo)C析出相和非金属夹杂物的氢解吸附激活能分别为142.6和70.9 kJ/mol,这两种强氢陷阱在电化学充氢条件下不会捕获氢；位错和晶界处的可逆氢的解吸附激活能为16.9 kJ/mol,这部分氢扩散系数较大,室温放置96 h就能全部扩散出试样,在循环载荷下这部分氢能够迅速向裂纹尖端或应力集中处扩散,显著降低疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值,最终显著降低超高周疲劳强度；细小的回火(Ti,Mo)C析出相捕获的氢的解吸附激活能为17.0 kJ/mol,这部分氢的扩散系数较小,室温放置336 h仍不能扩散出试样,在循环载荷下这部分氢能够从氢陷阱处解吸附并且向裂纹尖端或应力集中处扩散,仍能一定程度降低钢的超高周疲劳强度,考虑到两者捕获的氢含量大致相当,被细小的回火(Ti,Mo)C析出相捕获的氢对超高周疲强度的有害作用要远小于位错、晶界处的可扩散氢对超高周疲劳强度的有害作用。
2021, 50(2):469-474.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200052
摘要:
航空/航天器、汽车、轮船等工程设施在服役过程中受到其他物体的冲击时，造成的损伤会引起构件的失效甚至会造成灾难性事故，如何采取有效的措施监测和评定这类活性冲击损伤至关重要。为了实现实时、准确的定位工程结构中的冲击损伤，本文提出了一种基于扫描式激光多普勒测振仪（SLDV）的非接触式冲击损伤定位方法。将Hilbert-Huang Transform（HHT）变换应用于信号处理中，得出最佳响应频率谱，将分离出的IMF1用于幅值全加和幅值全乘的圆轨迹定位成像中，实验结果表明HHT方法可用于实现复合材料的非接触式冲击损伤定位中。
航空/航天器、汽车、轮船等工程设施在服役过程中受到其他物体的冲击时，造成的损伤会引起构件的失效甚至会造成灾难性事故，如何采取有效的措施监测和评定这类活性冲击损伤至关重要。为了实现实时、准确的定位工程结构中的冲击损伤，本文提出了一种基于扫描式激光多普勒测振仪（SLDV）的非接触式冲击损伤定位方法。将Hilbert-Huang Transform（HHT）变换应用于信号处理中，得出最佳响应频率谱，将分离出的IMF1用于幅值全加和幅值全乘的圆轨迹定位成像中，实验结果表明HHT方法可用于实现复合材料的非接触式冲击损伤定位中。
2021, 50(2):475-482.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200057
摘要:
本文制备了一系列不同Nd含量的V2O5-MoO3-Nd2O3/TiO2平板式脱硝催化剂。采用XRD、N2-吸附脱附、XPS、H2-TPR、拉曼光谱和NH3-TPD等表征手段对催化剂进行分析。结果表明：适量Nd(0.25%、0.5%)的引入,增强了V2O5-MoO3/TiO2催化剂的还原性能,增加了催化剂的Oα/(Oα+Oβ)比率,从而提升了催化剂的脱硝活性。然而,过量Nd(0.75%、1%)的添加,会导致催化剂酸性性能的显著降低,造成催化剂脱硝性能的下降。此外,过量Nd的添加还会对催化剂的耐磨强度有负面影响。各催化剂中,VMoNd(0.5%)/Ti催化剂显示了最佳的脱硝活性。
本文制备了一系列不同Nd含量的V2O5-MoO3-Nd2O3/TiO2平板式脱硝催化剂。采用XRD、N2-吸附脱附、XPS、H2-TPR、拉曼光谱和NH3-TPD等表征手段对催化剂进行分析。结果表明：适量Nd(0.25%、0.5%)的引入,增强了V2O5-MoO3/TiO2催化剂的还原性能,增加了催化剂的Oα/(Oα+Oβ)比率,从而提升了催化剂的脱硝活性。然而,过量Nd(0.75%、1%)的添加,会导致催化剂酸性性能的显著降低,造成催化剂脱硝性能的下降。此外,过量Nd的添加还会对催化剂的耐磨强度有负面影响。各催化剂中,VMoNd(0.5%)/Ti催化剂显示了最佳的脱硝活性。
2021, 50(2):483-487.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200058
摘要:
Using first-principles calculations based on density functional theory, we probe the band structures, half-metallicity and magnetic properties in Cr2VZ (Z = P and As) full-Heusler alloys. The results reveal that Cr2VZ (Z = P and As) is stable in ferri-magnetic configuration. The total magnetic moment of Cr2VAs is -2 μB per formula unit at the equilibrium state, obeying the Slater–Pauling rule . Cr2VP is a common magnet. Based on the hybridization between the Cr?3d and V?3d electrons, we analyzed the origin of energy gap in the minority channel.
Using first-principles calculations based on density functional theory, we probe the band structures, half-metallicity and magnetic properties in Cr2VZ (Z = P and As) full-Heusler alloys. The results reveal that Cr2VZ (Z = P and As) is stable in ferri-magnetic configuration. The total magnetic moment of Cr2VAs is -2 μB per formula unit at the equilibrium state, obeying the Slater–Pauling rule . Cr2VP is a common magnet. Based on the hybridization between the Cr?3d and V?3d electrons, we analyzed the origin of energy gap in the minority channel.
2021, 50(2):488-496.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200064
摘要:
研究了不同铝和锂元素含量的Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr-0.5Ag (wt.%)合金经T6热处理后的组织演变和力学性能。结果表明, T6热处理后，有新的Mg3Gd颗粒从Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金中析出，且 Mg-12Gd-4Al-3Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag 和 Mg-12Gd-6Al-5Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金中的大多数Al2Li3相变得更细小，分布更均匀。时效态Mg-12Gd-4Al-3Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag 和 Mg-12Gd-6Al-5Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金中的晶粒尺寸和c/a比值相比时效态Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr-0.5Ag alloy有显著的降低，这有利于提高抗拉强度和塑性。时效态Mg-12Gd-6Al-5Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金结合了最佳的拉伸强度、弹性模量和塑性，其拉伸强度为210 MPa，弹性模量为50.7 GPa，延性率为24.8%。
研究了不同铝和锂元素含量的Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr-0.5Ag (wt.%)合金经T6热处理后的组织演变和力学性能。结果表明, T6热处理后，有新的Mg3Gd颗粒从Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金中析出，且 Mg-12Gd-4Al-3Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag 和 Mg-12Gd-6Al-5Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金中的大多数Al2Li3相变得更细小，分布更均匀。时效态Mg-12Gd-4Al-3Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag 和 Mg-12Gd-6Al-5Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金中的晶粒尺寸和c/a比值相比时效态Mg-12Gd-1Zn-0.5Zr-0.5Ag alloy有显著的降低，这有利于提高抗拉强度和塑性。时效态Mg-12Gd-6Al-5Li-1Zn-0.5Zr-0.5Ag合金结合了最佳的拉伸强度、弹性模量和塑性，其拉伸强度为210 MPa，弹性模量为50.7 GPa，延性率为24.8%。
2021, 50(2):497-503.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200069
摘要:
采用Bridgman型定向凝固法成功制备出藕状多孔Mg-Zn合金。研究了不同锌含量和氢气压力对气孔形貌的影响。通过理论计算对Mg-1Zn的孔隙率进行了预测。结果表明，锌元素的加入会对孔结构产生重大影响。随着Zn含量从0增加到2％，平均孔径增加。随着氢气压力从0.1MPa增加到0.6MPa，Mg-1Zn合金的孔隙率明显降低。基于氢气在多组分熔融金属中溶解度的计算模型， Mg-1Zn合金铸锭凝固高度为20mm的孔隙率的计算结果与模型的结果比较吻合。通过观察组织，随着Zn含量的增加，凝固组织由柱状晶转变为等轴晶。此外，研究了在不同凝固阶段的孔形成过程，可为定向凝固多孔Mg-Zn合金在生物医用材料中的应用提供理论依据。
采用Bridgman型定向凝固法成功制备出藕状多孔Mg-Zn合金。研究了不同锌含量和氢气压力对气孔形貌的影响。通过理论计算对Mg-1Zn的孔隙率进行了预测。结果表明，锌元素的加入会对孔结构产生重大影响。随着Zn含量从0增加到2％，平均孔径增加。随着氢气压力从0.1MPa增加到0.6MPa，Mg-1Zn合金的孔隙率明显降低。基于氢气在多组分熔融金属中溶解度的计算模型， Mg-1Zn合金铸锭凝固高度为20mm的孔隙率的计算结果与模型的结果比较吻合。通过观察组织，随着Zn含量的增加，凝固组织由柱状晶转变为等轴晶。此外，研究了在不同凝固阶段的孔形成过程，可为定向凝固多孔Mg-Zn合金在生物医用材料中的应用提供理论依据。
2021, 50(2):504-510.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200072
摘要:
采用Gleeble-3800热模拟实验机对晶粒尺寸为200-250 nm的复合细化超细晶纯锆在变形温度为300°C～450°C，应变速率为0.001～0.05s-1的范围内进行单向热压缩实验。实验结果表明：热加工参数对超细晶纯锆流动应力影响很大。通过实验数据以及显微组织分析，在较高的变形温度和较低的应变速率的情况下更容易发生动态再结晶；构建超细晶纯锆的临界应变模型，得出其温度补偿应变速率因子Z与 (临界应变)， (临界应力)， (峰值应变)和 (峰值应力)间的关系；建立了超细晶纯锆动态再结晶体积分数模型，可以看出其动态再结晶发生的阶段为应变0.1～0.45。
采用Gleeble-3800热模拟实验机对晶粒尺寸为200-250 nm的复合细化超细晶纯锆在变形温度为300°C～450°C，应变速率为0.001～0.05s-1的范围内进行单向热压缩实验。实验结果表明：热加工参数对超细晶纯锆流动应力影响很大。通过实验数据以及显微组织分析，在较高的变形温度和较低的应变速率的情况下更容易发生动态再结晶；构建超细晶纯锆的临界应变模型，得出其温度补偿应变速率因子Z与 (临界应变)， (临界应力)， (峰值应变)和 (峰值应力)间的关系；建立了超细晶纯锆动态再结晶体积分数模型，可以看出其动态再结晶发生的阶段为应变0.1～0.45。
2021, 50(2):511-518.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200073
摘要:
由于单根Y0.5Gd0.5Ba2Cu3O7-z(YGdBCO)超导带材的长度有限,因此在制造高温超导(HTS)器件时不可避免地需要接头。HTS设备的稳定运行在很大程度上取决于接头的品质,因为接头的机电性能通常低于母材。本研究应用Sn42Bi58焊料制作YGdBCO带材搭接接头。与传统的Sn60Pb40焊料相比,无铅Sn42Bi58焊料对环境友好,且熔点降低了40℃,因此可在低于150℃的低温下进行焊接操作,有助于抑制超导带材在连接过程中的性能下降。通过测量自场和液氮温度下的电压-电流曲线,研究了加载压力,增压速度和搭接长度对YGdBCO接头临界电流,电阻和n值的影响。通过优化焊接技术,可在12.5 MPa的压强和50 N/s的加压速度下重复获得与母材临界电流相当的25 cm长的低阻接头,其电阻为4.35～5.58 nΩ。本文还对轴向拉伸作用下接头的力学行为进行了研究,单根带材和接头部分的临界轴向拉伸力分别为213 N和212 N。 上述结果表明,与传统焊接技术相比,采用优化的无铅Sn42Bi58焊料的连接技术制备低电阻、高拉伸特性的焊接接头的稳定性和重复性明显提升,为YGdBCO超导带材大规模运用的接头连接提供了一种有前景的选择。
由于单根Y0.5Gd0.5Ba2Cu3O7-z(YGdBCO)超导带材的长度有限,因此在制造高温超导(HTS)器件时不可避免地需要接头。HTS设备的稳定运行在很大程度上取决于接头的品质,因为接头的机电性能通常低于母材。本研究应用Sn42Bi58焊料制作YGdBCO带材搭接接头。与传统的Sn60Pb40焊料相比,无铅Sn42Bi58焊料对环境友好,且熔点降低了40℃,因此可在低于150℃的低温下进行焊接操作,有助于抑制超导带材在连接过程中的性能下降。通过测量自场和液氮温度下的电压-电流曲线,研究了加载压力,增压速度和搭接长度对YGdBCO接头临界电流,电阻和n值的影响。通过优化焊接技术,可在12.5 MPa的压强和50 N/s的加压速度下重复获得与母材临界电流相当的25 cm长的低阻接头,其电阻为4.35～5.58 nΩ。本文还对轴向拉伸作用下接头的力学行为进行了研究,单根带材和接头部分的临界轴向拉伸力分别为213 N和212 N。 上述结果表明,与传统焊接技术相比,采用优化的无铅Sn42Bi58焊料的连接技术制备低电阻、高拉伸特性的焊接接头的稳定性和重复性明显提升,为YGdBCO超导带材大规模运用的接头连接提供了一种有前景的选择。
2021, 50(2):519-524.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200115
摘要:
为改善平面流铸冷却辊的换热特性，提高Fe-Si-B非晶薄带的横向厚度均匀性，建立冷却辊轴向换热通道数值计算模型，在分析现有通道流动换热特性基础上，提出一种球面形换热通道设计方法。基于场协同理论，综合换热与流阻，对所提球面形通道进行优化，并进行实验验证。结果表明：通道内冷却水换热效率沿水流方向逐渐下降，与冷却辊换热主要发生在靠近冷却辊内壁位置，现有冷却辊宽度中部温度远大于两端，轴向温差明显；球面形通道可以加强冷却辊中部换热，减小外壁温度、热变形和轴向变形差，进而改善非晶薄带横向厚度均匀性；随着球面半径的减小，通道中部换热明显增强，但流阻随之急剧增大；综合流阻与换热特性，存在最优通道优化半径。
为改善平面流铸冷却辊的换热特性，提高Fe-Si-B非晶薄带的横向厚度均匀性，建立冷却辊轴向换热通道数值计算模型，在分析现有通道流动换热特性基础上，提出一种球面形换热通道设计方法。基于场协同理论，综合换热与流阻，对所提球面形通道进行优化，并进行实验验证。结果表明：通道内冷却水换热效率沿水流方向逐渐下降，与冷却辊换热主要发生在靠近冷却辊内壁位置，现有冷却辊宽度中部温度远大于两端，轴向温差明显；球面形通道可以加强冷却辊中部换热，减小外壁温度、热变形和轴向变形差，进而改善非晶薄带横向厚度均匀性；随着球面半径的减小，通道中部换热明显增强，但流阻随之急剧增大；综合流阻与换热特性，存在最优通道优化半径。
2021, 50(2):525-530.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200117
摘要:
利用Gleeble-3500型热模拟试验机对Zr-4合金试样进行等温恒应变速率压缩实验,对其热变形行为进行分析,综合考虑变形温度对Young’s模量和自扩散系数的影响,建立了Zr-4合金基于应变耦合的物理本构模型。研究结果表明：合金的峰值应力对变形温度和应变速率敏感,峰值应力会随应变速率的增加或变形温度的降低而增大；构建的物理本构模型能够较好的预测合金在热变形过程中的流变应力,其相关系数R为0.986,预测值偏差在10%以内的数据点占93.2%,平均相对误差为6.3%。
利用Gleeble-3500型热模拟试验机对Zr-4合金试样进行等温恒应变速率压缩实验,对其热变形行为进行分析,综合考虑变形温度对Young’s模量和自扩散系数的影响,建立了Zr-4合金基于应变耦合的物理本构模型。研究结果表明：合金的峰值应力对变形温度和应变速率敏感,峰值应力会随应变速率的增加或变形温度的降低而增大；构建的物理本构模型能够较好的预测合金在热变形过程中的流变应力,其相关系数R为0.986,预测值偏差在10%以内的数据点占93.2%,平均相对误差为6.3%。
2021, 50(2):531-536.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200186
摘要:
通过对核电用316H不锈钢的蠕变数据分析,利用速率温度参数模型拟合得出材料蠕变本构方程。根据相关统计检验方法,确定了材料的蠕变可靠度函数。结合Z"参数的数据分布,分别得出316H不锈钢蠕变应力-RTP参数-可靠度曲线和温度-容许应力-可靠度曲线。结合ASME的评价规范确定了316H不锈钢在550℃-700℃下的容许应力。结果表明,基于RMB"模型的蠕变本构方程在拟合精度方面优于其他传统模型。实测数据均位于蠕变可靠性模型预测结果的99.7%置信区间内。本文模型可以较好地评估316H不锈钢的稳态蠕变性能及容许应力。
通过对核电用316H不锈钢的蠕变数据分析,利用速率温度参数模型拟合得出材料蠕变本构方程。根据相关统计检验方法,确定了材料的蠕变可靠度函数。结合Z"参数的数据分布,分别得出316H不锈钢蠕变应力-RTP参数-可靠度曲线和温度-容许应力-可靠度曲线。结合ASME的评价规范确定了316H不锈钢在550℃-700℃下的容许应力。结果表明,基于RMB"模型的蠕变本构方程在拟合精度方面优于其他传统模型。实测数据均位于蠕变可靠性模型预测结果的99.7%置信区间内。本文模型可以较好地评估316H不锈钢的稳态蠕变性能及容许应力。
2021, 50(2):595-599.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200676
摘要:
通过X射线衍射仪（XRD），振动样品磁强计（VSM），电化学工作站以及扫描电子显微镜（SEM）等实验方法对辊速为14.65m/s和43.96 m/s旋淬制备的Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3（C1和 C2）合金条带进行了测试分析。XRD结果显示，低冷速下制备获得了非晶/纳米晶双相（C1）合金，高冷速制备的合金（C2）为非晶态。VSM结果显示C1和C2合金均具有优异的软磁性能。低冷速制备的纳米晶（C1）合金相比高冷速制备的非晶态（C2）合金具有较强的磁各向异性，C1合金磁各向异性的增强是由纳米晶相的键对有序性以及纳米晶相与非晶基体相互作用引起的磁弹各向异性所致。合金的电化学测试显示，C2合金耐腐蚀性能要好于C1合金，合金腐蚀性能的变化与制备过程中不同冷速所导致的合金的表面组织结构和应力不均匀性相关。
通过X射线衍射仪（XRD），振动样品磁强计（VSM），电化学工作站以及扫描电子显微镜（SEM）等实验方法对辊速为14.65m/s和43.96 m/s旋淬制备的Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3（C1和 C2）合金条带进行了测试分析。XRD结果显示，低冷速下制备获得了非晶/纳米晶双相（C1）合金，高冷速制备的合金（C2）为非晶态。VSM结果显示C1和C2合金均具有优异的软磁性能。低冷速制备的纳米晶（C1）合金相比高冷速制备的非晶态（C2）合金具有较强的磁各向异性，C1合金磁各向异性的增强是由纳米晶相的键对有序性以及纳米晶相与非晶基体相互作用引起的磁弹各向异性所致。合金的电化学测试显示，C2合金耐腐蚀性能要好于C1合金，合金腐蚀性能的变化与制备过程中不同冷速所导致的合金的表面组织结构和应力不均匀性相关。
2021, 50(2):600-606.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200411
摘要:
采用高能研磨诱导的机械合金化方法制备了Fe-Cr-Mn系不锈钢合金粉末；对MA合金粉末分别进行了退火和热压烧结,分析了过程中的相变规律,并对烧结获得的奥氏体不锈钢合金进行了组织和耐蚀性能研究。结果表明：MA获得的不锈钢合金粉末由亚稳态的纳米晶铁素体构成；退火/热压烧结后,铁素体逐渐转变为热力学上更加稳定的奥氏体,相变温度介于650 °C到700 °C之间；对MA粉末在900 °C、200 MPa条件下热压烧结1 h,获得的Fe-Cr-Mn系奥氏体不锈钢平均晶粒尺寸为亚微米级且表现出高硬度和良好的耐蚀性能,其硬度值约为535 HV、极化电压和极化电流分别为-0.28 V和1.43×10-9 A.cm-2。
采用高能研磨诱导的机械合金化方法制备了Fe-Cr-Mn系不锈钢合金粉末；对MA合金粉末分别进行了退火和热压烧结,分析了过程中的相变规律,并对烧结获得的奥氏体不锈钢合金进行了组织和耐蚀性能研究。结果表明：MA获得的不锈钢合金粉末由亚稳态的纳米晶铁素体构成；退火/热压烧结后,铁素体逐渐转变为热力学上更加稳定的奥氏体,相变温度介于650 °C到700 °C之间；对MA粉末在900 °C、200 MPa条件下热压烧结1 h,获得的Fe-Cr-Mn系奥氏体不锈钢平均晶粒尺寸为亚微米级且表现出高硬度和良好的耐蚀性能,其硬度值约为535 HV、极化电压和极化电流分别为-0.28 V和1.43×10-9 A.cm-2。
2021, 50(2):607-613.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200094
摘要:
利用十字交叉轧制工艺制备了Mg-1.5Y合金板材,对比研究了再结晶退火(475 ℃×15 min)对其微观组织、宏观织构、力学性能及成形性能的影响。结果表明,退火促使轧制板材发生强烈的静态再结晶,形成均匀的等轴晶组织。轧制态板材呈现出近圆形-双峰织构分布特征,(0002)面极点由法向(ND)向轧制方向2(RD2)倾转大约±20o；再结晶退火后,基面极点沿轧制交角方向发生劈裂,形成蝴蝶状-多峰弱织构分布特征,且晶粒取向更加随机化,最大极密度由轧制态的5.0降低至2.8。退火态板材的断后伸长率、杯突值分别达到30.5%、4.4 mm,相对于轧制态分别提高了63%、42%。
利用十字交叉轧制工艺制备了Mg-1.5Y合金板材,对比研究了再结晶退火(475 ℃×15 min)对其微观组织、宏观织构、力学性能及成形性能的影响。结果表明,退火促使轧制板材发生强烈的静态再结晶,形成均匀的等轴晶组织。轧制态板材呈现出近圆形-双峰织构分布特征,(0002)面极点由法向(ND)向轧制方向2(RD2)倾转大约±20o；再结晶退火后,基面极点沿轧制交角方向发生劈裂,形成蝴蝶状-多峰弱织构分布特征,且晶粒取向更加随机化,最大极密度由轧制态的5.0降低至2.8。退火态板材的断后伸长率、杯突值分别达到30.5%、4.4 mm,相对于轧制态分别提高了63%、42%。
2021, 50(2):614-620.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200123
摘要:
近年来,掺杂改性的TiO2纳米管作为光催化材料的研究受到广泛关注。本文采用阳极氧化法在Ti板表面制备规则有序的TiO2纳米管,通过在电解液中直接添加含Fe、N元素的化学试剂对其进行掺杂改性。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱对TiO2纳米管进行表征,确定TiO2纳米管的最佳制备条件。最后利用瞬态光电流曲线、开路电位曲线、线性伏安扫描曲线对其光电化学性能进行比较。研究发现,1%的Fe元素掺杂材料具有更好的光电响应,光照时开路电位可达0.34V；9%的N元素掺杂材料具有最好的光电活性,光照时开路电位可达0.317V。
近年来,掺杂改性的TiO2纳米管作为光催化材料的研究受到广泛关注。本文采用阳极氧化法在Ti板表面制备规则有序的TiO2纳米管,通过在电解液中直接添加含Fe、N元素的化学试剂对其进行掺杂改性。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱对TiO2纳米管进行表征,确定TiO2纳米管的最佳制备条件。最后利用瞬态光电流曲线、开路电位曲线、线性伏安扫描曲线对其光电化学性能进行比较。研究发现,1%的Fe元素掺杂材料具有更好的光电响应,光照时开路电位可达0.34V；9%的N元素掺杂材料具有最好的光电活性,光照时开路电位可达0.317V。
2021, 50(2):621-626.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200135
摘要:
向Sn-Bi共晶合金中同时添加Cu元素和Sb元素设计额定温度为142 ℃的易熔合金,并对合金的熔点、相组成、准静态拉伸性能、焊接接头力学性能进行了研究。结果表明Cu元素与Sb元素的添加使合金的熔点上升,但是合金的过冷度和熔化潜热下降。添加Cu和Sb元素后,在合金基体内形成了块状的SnSb相和长条状的Cu6Sn5、Cu3Sn相,这些第二相强化了合金的抗拉强度,但降低了合金的塑性。 (Sn58Bi)3Cu3Sb易熔合金强度为85.4 MPa,塑性为15.5%,熔点为141.8 ℃,其与覆铜板焊接接头的剪切强度较Sn-Bi共晶合金明显提高,可达到55.7 MPa。
向Sn-Bi共晶合金中同时添加Cu元素和Sb元素设计额定温度为142 ℃的易熔合金,并对合金的熔点、相组成、准静态拉伸性能、焊接接头力学性能进行了研究。结果表明Cu元素与Sb元素的添加使合金的熔点上升,但是合金的过冷度和熔化潜热下降。添加Cu和Sb元素后,在合金基体内形成了块状的SnSb相和长条状的Cu6Sn5、Cu3Sn相,这些第二相强化了合金的抗拉强度,但降低了合金的塑性。 (Sn58Bi)3Cu3Sb易熔合金强度为85.4 MPa,塑性为15.5%,熔点为141.8 ℃,其与覆铜板焊接接头的剪切强度较Sn-Bi共晶合金明显提高,可达到55.7 MPa。
2021, 50(2):627-632.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200142
摘要:
为了获得同时具有较高力学性能和释能密度,本文采用电沉积及热压复合法制备了层状Al/Ni含能结构材料。研究了热压温度对Al/Ni含能结构材料放热反应性能的影响。并通过打靶实验获得了不同发射速度下含能破片对双层靶板的毁伤效果。结果表明：随着热压温度的升高,Al/Ni界面反应扩散加剧,导致放热量从898 J/g降低至782 J/g。高速撞击作用下,Al/Ni含能破片发生了剧烈的爆燃反应,对双层靶板有显著的毁伤效应。当含能破片撞击速度从1241 m/s增加到1478 m/s时,主靶板穿孔尺寸几乎不变,后效靶板的毁伤区域明显增大。
为了获得同时具有较高力学性能和释能密度,本文采用电沉积及热压复合法制备了层状Al/Ni含能结构材料。研究了热压温度对Al/Ni含能结构材料放热反应性能的影响。并通过打靶实验获得了不同发射速度下含能破片对双层靶板的毁伤效果。结果表明：随着热压温度的升高,Al/Ni界面反应扩散加剧,导致放热量从898 J/g降低至782 J/g。高速撞击作用下,Al/Ni含能破片发生了剧烈的爆燃反应,对双层靶板有显著的毁伤效应。当含能破片撞击速度从1241 m/s增加到1478 m/s时,主靶板穿孔尺寸几乎不变,后效靶板的毁伤区域明显增大。
2021, 50(2):633-638.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200148
摘要:
V-Al合金膜有着良好的抗氢脆性和高的氢渗透率,有望成为未来取代Pd合金膜的替代材料。V-Al合金的显微组织不仅影响氢分离性能,还将影响强度和塑性成形性能。本文通过真空非自耗电弧炉熔炼制备了氢分离V-xAl(x=5、10、20、30,at.%)合金。利用扫描电镜/能谱仪、X射线衍射仪及拉伸试验机和维氏硬度仪等分析测试手段,研究了Al元素含量的变化对铸态V-xAl合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：V-xAl合金凝固组织均由V基固溶体及Al2O3粒子组成。Al元素的添加对合金有细化晶粒的作用,且随Al含量增加,合金晶粒尺寸随之降低。当Al元素含量为5at.%时,合金抗拉强度达到最大为236Mpa,比纯V的提高了12%,这是细晶强化、固溶强化和析出强化的共同结果,此时延伸率相比纯V略有降低。当Al元素含量达到10at.%及以上时,Al2O3粒子发生粗化导致合金抗拉强度下降,合金失去塑性。
V-Al合金膜有着良好的抗氢脆性和高的氢渗透率,有望成为未来取代Pd合金膜的替代材料。V-Al合金的显微组织不仅影响氢分离性能,还将影响强度和塑性成形性能。本文通过真空非自耗电弧炉熔炼制备了氢分离V-xAl(x=5、10、20、30,at.%)合金。利用扫描电镜/能谱仪、X射线衍射仪及拉伸试验机和维氏硬度仪等分析测试手段,研究了Al元素含量的变化对铸态V-xAl合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：V-xAl合金凝固组织均由V基固溶体及Al2O3粒子组成。Al元素的添加对合金有细化晶粒的作用,且随Al含量增加,合金晶粒尺寸随之降低。当Al元素含量为5at.%时,合金抗拉强度达到最大为236Mpa,比纯V的提高了12%,这是细晶强化、固溶强化和析出强化的共同结果,此时延伸率相比纯V略有降低。当Al元素含量达到10at.%及以上时,Al2O3粒子发生粗化导致合金抗拉强度下降,合金失去塑性。
2021, 50(2):639-647.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200150
摘要:
利用电子背散射衍射（EBSD）技术观察研究了不同状态条件下AZ80镁合金微观组织，分析了不同状态条件下AZ80镁合金微观组织演化。结果表明：按照铸态、均质化热处理态和塑性变形态顺序，试样平均晶粒尺寸逐渐减小，平均晶粒形状纵横比呈“先增大后减小”变化趋势，网状β-Mg17Al12相逐渐消失，材料塑性和强度得到提高；晶界的协调作用主要受晶界迁移与几何必须位错密度两方面的影响，伴随晶界的迁移，小角度晶界逐渐增多并阻碍再结晶的进行，使再结晶区呈“先增大后减小”的变化趋势，而亚结构区则逐渐减小，亚结构区的消失为孪晶的形成提供了能量，促进了孪晶的形成；几何必须位错密度呈“先减小后增大”的变化趋势，几何必须位错密度的减小促进了孪晶的生长和晶粒间的旋转移动，而几何必须位错密度的增大则使孪晶的生长和晶粒间的旋转移动受到阻碍。塑性变形态镁合金出现了典型的基面织构。
利用电子背散射衍射（EBSD）技术观察研究了不同状态条件下AZ80镁合金微观组织，分析了不同状态条件下AZ80镁合金微观组织演化。结果表明：按照铸态、均质化热处理态和塑性变形态顺序，试样平均晶粒尺寸逐渐减小，平均晶粒形状纵横比呈“先增大后减小”变化趋势，网状β-Mg17Al12相逐渐消失，材料塑性和强度得到提高；晶界的协调作用主要受晶界迁移与几何必须位错密度两方面的影响，伴随晶界的迁移，小角度晶界逐渐增多并阻碍再结晶的进行，使再结晶区呈“先增大后减小”的变化趋势，而亚结构区则逐渐减小，亚结构区的消失为孪晶的形成提供了能量，促进了孪晶的形成；几何必须位错密度呈“先减小后增大”的变化趋势，几何必须位错密度的减小促进了孪晶的生长和晶粒间的旋转移动，而几何必须位错密度的增大则使孪晶的生长和晶粒间的旋转移动受到阻碍。塑性变形态镁合金出现了典型的基面织构。
2021, 50(2):648-653.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200152
摘要:
激光粉末床熔融（LPBF）作为一种新兴的增材制造技术，为未来聚变堆偏滤器mono-block的制备提供了新的成形方法。本研究利用LPBF，采用水平增材和竖直增材两种方式对纯钨样品进行了制备。研究发现，在15 MW/m2的热负荷下，竖直增材样品发生了明显的熔化和飞溅现象，水平增材样品只发生少许开裂和轻微溅射。通过微观组织表征发现，LPBF过程中不同方向组织的差异导致了钨热导率的各向异性。对于水平增材样品，热流方向平行于增材方向，沿该方向生长的柱状晶有利于热量传导；对于竖直增材样品，热流方向垂直于增材方向，晶界及以网格状分布的裂纹阻碍热量传导，热量在表面积累并导致熔化。因此，本研究表明，增材方向对利用LPBF制备偏滤器mono-block部件有着重要的影响。
激光粉末床熔融（LPBF）作为一种新兴的增材制造技术，为未来聚变堆偏滤器mono-block的制备提供了新的成形方法。本研究利用LPBF，采用水平增材和竖直增材两种方式对纯钨样品进行了制备。研究发现，在15 MW/m2的热负荷下，竖直增材样品发生了明显的熔化和飞溅现象，水平增材样品只发生少许开裂和轻微溅射。通过微观组织表征发现，LPBF过程中不同方向组织的差异导致了钨热导率的各向异性。对于水平增材样品，热流方向平行于增材方向，沿该方向生长的柱状晶有利于热量传导；对于竖直增材样品，热流方向垂直于增材方向，晶界及以网格状分布的裂纹阻碍热量传导，热量在表面积累并导致熔化。因此，本研究表明，增材方向对利用LPBF制备偏滤器mono-block部件有着重要的影响。
2021, 50(2):654-657.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200153
摘要:
FeSe超导体的基态由于不存在长程磁有序，在结构相变处伴随着液晶相电子态的转变，使得该体系成为研究铁基超导体中液晶相电子态与非常规超导电性之间关联的重要体系。研究发现，在等价位S元素掺杂的FeSe1-xSx中，液晶相被逐渐抑制，在量子临界点（x ~ 0.17）附近，液晶相完全消失，超导能隙结构也发生显著变化，说明液晶相与超导电子配对之间有着重要的关联。在FeSe1-xSx样品中，用传统的固相反应法和气相输运法，最大掺杂量仅能到x ~ 0.21，这限制了对该体系液晶相消失后高掺杂区域（x > 0.21）的物性研究。本文通过水热法成功制备出了高掺杂含量的FeSe0.36S0.64超导单晶样品，通过电阻测量FeSe0.36S0.64的超导转变温度大约为5 K。为了进一步研究FeSe0.36S0.64的正常态电子行为，本文还对其进行详细的磁电阻和霍尔效应分析，结果发现磁电阻违背Kohler定理的标度，这可能与载流子浓度随着温度发生变化或者多带效应有关。另外，霍尔效应测量发现该体系电输运中受电子型载流子的主导，霍尔系数在120 K以下出现非单调的变化行为，表明该体系低温下有着明显的多带效应。优化的水热法对制备不同掺杂S含量的FeSe1-xSx单晶以及研究该体系的非常规超导电性有着重要的意义。
FeSe超导体的基态由于不存在长程磁有序，在结构相变处伴随着液晶相电子态的转变，使得该体系成为研究铁基超导体中液晶相电子态与非常规超导电性之间关联的重要体系。研究发现，在等价位S元素掺杂的FeSe1-xSx中，液晶相被逐渐抑制，在量子临界点（x ~ 0.17）附近，液晶相完全消失，超导能隙结构也发生显著变化，说明液晶相与超导电子配对之间有着重要的关联。在FeSe1-xSx样品中，用传统的固相反应法和气相输运法，最大掺杂量仅能到x ~ 0.21，这限制了对该体系液晶相消失后高掺杂区域（x > 0.21）的物性研究。本文通过水热法成功制备出了高掺杂含量的FeSe0.36S0.64超导单晶样品，通过电阻测量FeSe0.36S0.64的超导转变温度大约为5 K。为了进一步研究FeSe0.36S0.64的正常态电子行为，本文还对其进行详细的磁电阻和霍尔效应分析，结果发现磁电阻违背Kohler定理的标度，这可能与载流子浓度随着温度发生变化或者多带效应有关。另外，霍尔效应测量发现该体系电输运中受电子型载流子的主导，霍尔系数在120 K以下出现非单调的变化行为，表明该体系低温下有着明显的多带效应。优化的水热法对制备不同掺杂S含量的FeSe1-xSx单晶以及研究该体系的非常规超导电性有着重要的意义。
2021, 50(2):658-663.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200155
摘要:
为研究铁素体不锈钢中铜析出相的析出过程和晶体结构演化规律,采用原子探针层析技术(APT)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了铜析出相的长大过程。结果显示：随着时效时间的延长,富铜相尺寸增大,数量密度降低,析出相形状由最初的球状转化为椭球状,最后成为杆状。析出相长大曲线可以拟合为 ,符合Ostwald熟化规律。9R结构与基体的取向关系为 。本试验钢含铜相析出序列为bcc→9R→3R→ fcc。
为研究铁素体不锈钢中铜析出相的析出过程和晶体结构演化规律,采用原子探针层析技术(APT)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了铜析出相的长大过程。结果显示：随着时效时间的延长,富铜相尺寸增大,数量密度降低,析出相形状由最初的球状转化为椭球状,最后成为杆状。析出相长大曲线可以拟合为 ,符合Ostwald熟化规律。9R结构与基体的取向关系为 。本试验钢含铜相析出序列为bcc→9R→3R→ fcc。
2021, 50(2):664-669.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200157
摘要:
本研究采用高温高压工艺制备WTi10合金。采用电子探针、扫描电子显微镜及X射线衍射等研究制备技术对合金致密度及微观组织的影响,尤其是合金中的相演变特征,评价靶材对合金相的要求,并据此获取优化的制备工艺。研究表明,温度是制备WTi10合金致密度的主要影响因素,合金的致密度随温度升高而增大；温度高于1250℃合金中为完全固溶生成的体心立方β相,其中主要包含W颗粒、富钨β(W,Ti)及富钛β1(W,Ti)三种成分；钨钛合金靶材要求其中富钛相β1越少越好,富钨β(W,Ti)相占比也不宜过高,则其加工温度应该≥1400℃且≤1500℃,保压保温时间则与加工温度成反比关系,加压压力≥15MPa。
本研究采用高温高压工艺制备WTi10合金。采用电子探针、扫描电子显微镜及X射线衍射等研究制备技术对合金致密度及微观组织的影响,尤其是合金中的相演变特征,评价靶材对合金相的要求,并据此获取优化的制备工艺。研究表明,温度是制备WTi10合金致密度的主要影响因素,合金的致密度随温度升高而增大；温度高于1250℃合金中为完全固溶生成的体心立方β相,其中主要包含W颗粒、富钨β(W,Ti)及富钛β1(W,Ti)三种成分；钨钛合金靶材要求其中富钛相β1越少越好,富钨β(W,Ti)相占比也不宜过高,则其加工温度应该≥1400℃且≤1500℃,保压保温时间则与加工温度成反比关系,加压压力≥15MPa。
2021, 50(2):670-678.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200159
摘要:
核反应堆运行时，锆合金包壳的腐蚀和吸氢相伴发生，被锆合金吸收后的氢不但会影响锆合金的力学性能，同时对锆合金的耐腐蚀性能也会产生一定的影响，其影响程度与合金成分和腐蚀条件密切相关。合金中的氢对Zr-4（Zr-1.3Sn-0.2Fe-0.1Cr, 质量分数，%）合金在LiOH水溶液中的耐腐蚀性能影响机理尚不完全清楚，所以本文开展了预渗氢影响Zr-4合金在LiOH水溶液中耐腐蚀性能规律及其机理的研究工作。采用气相渗氢法或电解渗氢法对Zr-4合金样品进行渗氢，制备了低氢（20~120 μg/g）和高氢（120~250 μg/g）样品。将渗氢和未渗氢的样品同时放入高压釜中进行360 ℃/18.6 MPa/0.01 M LiOH水溶液中的腐蚀试验。采用高分辨扫描电子显微镜（HRSEM）观察氧化膜断口、内表面和外表面形貌；用卷曲法测量氧化膜内应力；采用二次离子质谱（SIMS）测定Zr-4样品氧化膜中Li+浓度沿深度方向的分布。研究结果表明：3种氢含量样品在LiOH水溶液中腐蚀时均发生明显的腐蚀转折，但样品中的氢含量越高，转折后的腐蚀速率越小，即耐腐蚀性能越好。与未渗氢样品相比，渗氢样品的氧化膜更加致密，氧化膜/金属（O/M）界面的起伏程度更小，氧化膜显微组织的演化更慢。渗氢样品氧化膜中的应力水平较低，且随氧化膜厚度增加应力下降的趋势更平缓，同时氧化膜中的Li+浓度更低，且沿氧化膜深度方向上Li+浓度下降得更快。这说明合金中的氢可抑制Li+在氧化膜中的扩散、降低氧化膜中的应力水平，延缓氧化膜中空位扩散凝聚形成孔隙、孔隙连通发展成为微裂纹的过程，从而提高了Zr-4合金的耐腐蚀性能。
核反应堆运行时，锆合金包壳的腐蚀和吸氢相伴发生，被锆合金吸收后的氢不但会影响锆合金的力学性能，同时对锆合金的耐腐蚀性能也会产生一定的影响，其影响程度与合金成分和腐蚀条件密切相关。合金中的氢对Zr-4（Zr-1.3Sn-0.2Fe-0.1Cr, 质量分数，%）合金在LiOH水溶液中的耐腐蚀性能影响机理尚不完全清楚，所以本文开展了预渗氢影响Zr-4合金在LiOH水溶液中耐腐蚀性能规律及其机理的研究工作。采用气相渗氢法或电解渗氢法对Zr-4合金样品进行渗氢，制备了低氢（20~120 μg/g）和高氢（120~250 μg/g）样品。将渗氢和未渗氢的样品同时放入高压釜中进行360 ℃/18.6 MPa/0.01 M LiOH水溶液中的腐蚀试验。采用高分辨扫描电子显微镜（HRSEM）观察氧化膜断口、内表面和外表面形貌；用卷曲法测量氧化膜内应力；采用二次离子质谱（SIMS）测定Zr-4样品氧化膜中Li+浓度沿深度方向的分布。研究结果表明：3种氢含量样品在LiOH水溶液中腐蚀时均发生明显的腐蚀转折，但样品中的氢含量越高，转折后的腐蚀速率越小，即耐腐蚀性能越好。与未渗氢样品相比，渗氢样品的氧化膜更加致密，氧化膜/金属（O/M）界面的起伏程度更小，氧化膜显微组织的演化更慢。渗氢样品氧化膜中的应力水平较低，且随氧化膜厚度增加应力下降的趋势更平缓，同时氧化膜中的Li+浓度更低，且沿氧化膜深度方向上Li+浓度下降得更快。这说明合金中的氢可抑制Li+在氧化膜中的扩散、降低氧化膜中的应力水平，延缓氧化膜中空位扩散凝聚形成孔隙、孔隙连通发展成为微裂纹的过程，从而提高了Zr-4合金的耐腐蚀性能。
2021, 50(2):679-686.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200182
摘要:
用粉末冶金-烧结熔渗法制备了不同B添加量的 CuW合金。研究了B添加量对 CuW合金组织、静态性能,真空电击穿性能以及耐磨性的影响。结果表明,B元素在W骨架烧结过程中原位生成了硼化钨,强化了W骨架,使CuW合金的硬度提高到215HB。同时W2B相的原位生成,使合金的耐电压强度提高57.5%,截流值降低21%,摩擦系数降低了32.7%,提高了CuW合金的电击穿性能和耐磨性。对真空电击穿后的表面烧蚀形貌分析发现,添加B元素的CuW合金击穿坑分散且较小,铜液的集中飞溅现象减轻。
用粉末冶金-烧结熔渗法制备了不同B添加量的 CuW合金。研究了B添加量对 CuW合金组织、静态性能,真空电击穿性能以及耐磨性的影响。结果表明,B元素在W骨架烧结过程中原位生成了硼化钨,强化了W骨架,使CuW合金的硬度提高到215HB。同时W2B相的原位生成,使合金的耐电压强度提高57.5%,截流值降低21%,摩擦系数降低了32.7%,提高了CuW合金的电击穿性能和耐磨性。对真空电击穿后的表面烧蚀形貌分析发现,添加B元素的CuW合金击穿坑分散且较小,铜液的集中飞溅现象减轻。
2021, 50(2):687-692.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200187
摘要:
通过研究LaNi3.70Al0.75Mn0.55合金材料在室温下定容吸氚压力随时间的变化规律，分析LaNi3.70Al0.75Mn0.55合金吸氚的反应机制的影响规律。试验结果表明，氚压力在材料吸氚初始阶段下降迅速，在15s内吸氚T/M比可达到1.5 std.cc/g，吸氚速率最快能达到0.28 std.cc·g-1·s-1，最大吸氢速率发生在α+β相区。氚在合金表面的解离和化学吸附为吸氚初期的控速步骤，当T/M＞15 std.cc/g后，反应产生β相变，形成氚化物，吸氚过程为形核长大控速步骤。
通过研究LaNi3.70Al0.75Mn0.55合金材料在室温下定容吸氚压力随时间的变化规律，分析LaNi3.70Al0.75Mn0.55合金吸氚的反应机制的影响规律。试验结果表明，氚压力在材料吸氚初始阶段下降迅速，在15s内吸氚T/M比可达到1.5 std.cc/g，吸氚速率最快能达到0.28 std.cc·g-1·s-1，最大吸氢速率发生在α+β相区。氚在合金表面的解离和化学吸附为吸氚初期的控速步骤，当T/M＞15 std.cc/g后，反应产生β相变，形成氚化物，吸氚过程为形核长大控速步骤。
2021, 50(2):693-698.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200421
摘要:
本文以超高转速等离子旋转电极法（SS-PREP法）制备的高球形度Inconel 718高温合金粉末为原料，采用热等静压（HIP）工艺制备了Inconel 718高温合金粉末高温合金，重点研究了热处理制度对合金组织和力学性能的影响。实验结果表明：采用SS-PREP法制得的Inconel 718高温合金粉末粒度分布均匀，球形度良好，具有优异的HIP工艺性能；随着固溶温度的增加，合金晶界逐渐变浅，说明晶界析出相数量逐渐减少。时效热处理后，沿晶界析出大量针状δ相，同时还有少量MC碳化物相。在1210℃、120MPa条件下保温保压4h的HIP工艺下，经不同固溶温度热处理后，合金室温抗拉强度可达1404MPa，650℃高温抗拉强度为1150MPa，980℃下合金综合性能较好。
本文以超高转速等离子旋转电极法（SS-PREP法）制备的高球形度Inconel 718高温合金粉末为原料，采用热等静压（HIP）工艺制备了Inconel 718高温合金粉末高温合金，重点研究了热处理制度对合金组织和力学性能的影响。实验结果表明：采用SS-PREP法制得的Inconel 718高温合金粉末粒度分布均匀，球形度良好，具有优异的HIP工艺性能；随着固溶温度的增加，合金晶界逐渐变浅，说明晶界析出相数量逐渐减少。时效热处理后，沿晶界析出大量针状δ相，同时还有少量MC碳化物相。在1210℃、120MPa条件下保温保压4h的HIP工艺下，经不同固溶温度热处理后，合金室温抗拉强度可达1404MPa，650℃高温抗拉强度为1150MPa，980℃下合金综合性能较好。
2021, 50(2):725-732.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200145
摘要:
随着商用反应堆对长周期、高燃耗需求的日益提升,燃料芯块将面临更加严苛的服役条件。如何进一步提高二氧化铀燃料的物理化学性能指标是开发新型核燃料元件亟待解决的关键技术问题。本文基于对近年来国内外在掺杂燃料芯块研究领域最新研究进展的调研,系统总结并讨论了掺杂元素类型及其对二氧化铀燃料芯块性能指标的影响机理,阐述了掺杂燃料微观组织结构与性能之间的内在联系,指出当前该研究领域仍存在的科学/技术问题以及掺杂二氧化铀的发展趋势,为改善燃料芯块安全性能的设计提供重要的理论参考。
随着商用反应堆对长周期、高燃耗需求的日益提升,燃料芯块将面临更加严苛的服役条件。如何进一步提高二氧化铀燃料的物理化学性能指标是开发新型核燃料元件亟待解决的关键技术问题。本文基于对近年来国内外在掺杂燃料芯块研究领域最新研究进展的调研,系统总结并讨论了掺杂元素类型及其对二氧化铀燃料芯块性能指标的影响机理,阐述了掺杂燃料微观组织结构与性能之间的内在联系,指出当前该研究领域仍存在的科学/技术问题以及掺杂二氧化铀的发展趋势,为改善燃料芯块安全性能的设计提供重要的理论参考。
