2021年第50卷第5期文章目次
2021, 50(5):1505-1512.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191103
摘要:
研究钼添加对CrN涂层微观结构和抗氧化性能的影响，采用反应磁控溅射法在硅片和高速钢片上制备不同Mo含量的Cr-Mo-N涂层，并在500~800 ℃的高温空气中退火1 h，用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）对涂层退火前后的微观形貌进行表征。沉积的CrN和Cr-Mo-N涂层均表现出基于CrN晶格的B1面心立方相（fcc）。Mo离子取代Cr-N晶格中的Cr离子，形成Cr-Mo-N固溶体。在600 ℃时，XRD和拉曼光谱表明，Mo含量较高的Cr-Mo-N涂层中形成MoO3相，表面较粗糙，含氧量较高。在700 ℃时，CrN涂层由于内应力的作用，其横截面形貌为疏松的柱状晶，并有一定的多孔区，而Cr-Mo-N涂层则为致密的柱状晶结构。低Mo含量（<17at%）的Cr-Mo-N涂层比CrN涂层具有更好的抗氧化性。
研究钼添加对CrN涂层微观结构和抗氧化性能的影响，采用反应磁控溅射法在硅片和高速钢片上制备不同Mo含量的Cr-Mo-N涂层，并在500~800 ℃的高温空气中退火1 h，用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）对涂层退火前后的微观形貌进行表征。沉积的CrN和Cr-Mo-N涂层均表现出基于CrN晶格的B1面心立方相（fcc）。Mo离子取代Cr-N晶格中的Cr离子，形成Cr-Mo-N固溶体。在600 ℃时，XRD和拉曼光谱表明，Mo含量较高的Cr-Mo-N涂层中形成MoO3相，表面较粗糙，含氧量较高。在700 ℃时，CrN涂层由于内应力的作用，其横截面形貌为疏松的柱状晶，并有一定的多孔区，而Cr-Mo-N涂层则为致密的柱状晶结构。低Mo含量（<17at%）的Cr-Mo-N涂层比CrN涂层具有更好的抗氧化性。
2021, 50(5):1513-1517.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200253
摘要:
采用射频（RF）磁控溅射法在玻璃衬底上制备了低浓度Al掺杂（≤1mol%）的SnO2系列薄膜。通过X射线衍射、扫描电镜、紫外-红外光谱仪及光致发光（PL）实验，展现了薄膜的晶体结构及光学特性。结果表明：当Al浓度增加时，薄膜晶格常数c减小，表明Al原子成功替代Sn原子并产生了大量的氧空位。在400~800 nm的可见光范围，薄膜的平均透射率可达88%以上。当Al浓度持续增加时，由于Burstein-Moss（BM）效应使薄膜带隙增宽。此外，测量发现，在265 nm波长的光激发下，所制备薄膜的PL谱具有典型的近边带和深能级辐射发光，其峰值随Al浓度的增加而增大。
采用射频（RF）磁控溅射法在玻璃衬底上制备了低浓度Al掺杂（≤1mol%）的SnO2系列薄膜。通过X射线衍射、扫描电镜、紫外-红外光谱仪及光致发光（PL）实验，展现了薄膜的晶体结构及光学特性。结果表明：当Al浓度增加时，薄膜晶格常数c减小，表明Al原子成功替代Sn原子并产生了大量的氧空位。在400~800 nm的可见光范围，薄膜的平均透射率可达88%以上。当Al浓度持续增加时，由于Burstein-Moss（BM）效应使薄膜带隙增宽。此外，测量发现，在265 nm波长的光激发下，所制备薄膜的PL谱具有典型的近边带和深能级辐射发光，其峰值随Al浓度的增加而增大。
2021, 50(5):1518-1522.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200260
摘要:
采用高分子辅助沉积法制备掺杂不同钐（Sm）含量的SmxNd1-xNiO3外延薄膜（钐掺杂量x=0.5，0.55，0.6）。X射线衍射（特征θ-2θ扫描、摇摆曲线和φ-scan）和扫描电子显微镜的测试结果表明，制备的薄膜结晶性和外延性良好，与衬底的（001）取向保持一致。电阻率-温度曲线表明制备的外延薄膜均表现出金属绝缘体转变现象。随着Sm掺杂量的提高，金属绝缘体转变温度逐渐升高；当x=0.55时，外延薄膜的转变温度在室温附近。并且高分子辅助沉积法可以简单有效地制备热致变色外延薄膜。
采用高分子辅助沉积法制备掺杂不同钐（Sm）含量的SmxNd1-xNiO3外延薄膜（钐掺杂量x=0.5，0.55，0.6）。X射线衍射（特征θ-2θ扫描、摇摆曲线和φ-scan）和扫描电子显微镜的测试结果表明，制备的薄膜结晶性和外延性良好，与衬底的（001）取向保持一致。电阻率-温度曲线表明制备的外延薄膜均表现出金属绝缘体转变现象。随着Sm掺杂量的提高，金属绝缘体转变温度逐渐升高；当x=0.55时，外延薄膜的转变温度在室温附近。并且高分子辅助沉积法可以简单有效地制备热致变色外延薄膜。
2021, 50(5):1523-1530.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200302
摘要:
采用等离子渗氮/电弧离子镀复合方法在H13模具钢表面制备出CrON涂层，研究氧流量对CrON复合涂层结构及抗铝液熔蚀性能的影响。结果表明，随着氧流量的增加，所制备的涂层主要物相由氮化物向氧化物转变，在氧流量较低时主要呈现面心立方CrN结构，而在氧流量为200 mL/min时制备的涂层形成典型的Cr2O3晶体相特征。掺入适量的氧，CrN涂层柱状晶生长受到抑制，涂层结构更加致密。涂层表面缺陷和粗糙度随着氧含量的增加而增大。CrON复合涂层在铝液中的失效形式是局部点蚀。由于形成致密的结构和良好的热稳定性，在氧流量为50 mL/min时制备的涂层具有优异的抗铝液熔蚀能力，而氧流量较高时表面生成致密的Cr2O3抗氧化层也有利于提高抗铝液熔蚀性能。
采用等离子渗氮/电弧离子镀复合方法在H13模具钢表面制备出CrON涂层，研究氧流量对CrON复合涂层结构及抗铝液熔蚀性能的影响。结果表明，随着氧流量的增加，所制备的涂层主要物相由氮化物向氧化物转变，在氧流量较低时主要呈现面心立方CrN结构，而在氧流量为200 mL/min时制备的涂层形成典型的Cr2O3晶体相特征。掺入适量的氧，CrN涂层柱状晶生长受到抑制，涂层结构更加致密。涂层表面缺陷和粗糙度随着氧含量的增加而增大。CrON复合涂层在铝液中的失效形式是局部点蚀。由于形成致密的结构和良好的热稳定性，在氧流量为50 mL/min时制备的涂层具有优异的抗铝液熔蚀能力，而氧流量较高时表面生成致密的Cr2O3抗氧化层也有利于提高抗铝液熔蚀性能。
2021, 50(5):1531-1541.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200939
摘要:
由于在细晶Mo-Si-B合金中制备双峰分布的α-Mo晶粒能够在不显著降低合金强度的前提下大幅提高其断裂韧性，为了加强双峰结构合金的表面防护，同时保持其优异的力学性能，通过包埋渗在合金表面上制备了一个具有多层结构（MoSi2，Mo5Si3和Mo5SiB2/MoB）的涂层。研究结果表明，相比在细晶结构基体上制备的涂层，双峰结构基体上的涂层表面较为粗糙，并且也表现出双峰分布的微观组织。此外，覆盖涂层后的双峰结构合金的断裂韧性依然良好，并且分布在涂层中的La2O3颗粒能够增韧涂层。具有涂层的双峰结构合金在1100~1300 ℃下展现出了卓越的抗氧化性，这是由于氧化过程中在涂层表面快速形成了一个薄且能自愈合的SiO2-B2O3膜。随着氧化温度升高，SiO2-B2O3膜的粘度降低，使得SiO2-B2O3膜的厚度和氧化产物Mo5Si3均增加。并且，升高温度促进了Si和B的互扩散，加速了Mo5Si3和Mo5SiB2/MoB层的增长。在1300 ℃下，由于单峰结构的MoSi2涂层拥有更多的晶界，使得含涂层的细晶合金相比含涂层的双峰结构合金表现出更多的氧化增重。
由于在细晶Mo-Si-B合金中制备双峰分布的α-Mo晶粒能够在不显著降低合金强度的前提下大幅提高其断裂韧性，为了加强双峰结构合金的表面防护，同时保持其优异的力学性能，通过包埋渗在合金表面上制备了一个具有多层结构（MoSi2，Mo5Si3和Mo5SiB2/MoB）的涂层。研究结果表明，相比在细晶结构基体上制备的涂层，双峰结构基体上的涂层表面较为粗糙，并且也表现出双峰分布的微观组织。此外，覆盖涂层后的双峰结构合金的断裂韧性依然良好，并且分布在涂层中的La2O3颗粒能够增韧涂层。具有涂层的双峰结构合金在1100~1300 ℃下展现出了卓越的抗氧化性，这是由于氧化过程中在涂层表面快速形成了一个薄且能自愈合的SiO2-B2O3膜。随着氧化温度升高，SiO2-B2O3膜的粘度降低，使得SiO2-B2O3膜的厚度和氧化产物Mo5Si3均增加。并且，升高温度促进了Si和B的互扩散，加速了Mo5Si3和Mo5SiB2/MoB层的增长。在1300 ℃下，由于单峰结构的MoSi2涂层拥有更多的晶界，使得含涂层的细晶合金相比含涂层的双峰结构合金表现出更多的氧化增重。
2021, 50(5):1542-1548.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200015
摘要:
为了提高TC4合金的耐磨性能，采用激光热喷涂技术在其表面制备了Co30Cr8W1.6C3Ni1.4Si涂层。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析了涂层的形貌和物相，并通过摩擦磨损实验研究了涂层在PAO+2.5%MoDTC（质量分数）油中的磨损行为。结果表明，激光热喷涂的Co30Cr8W1.6C3Ni1.4Si涂层主要由Ti、WC1-x、CoO、Co2Ti4O和CoAl相组成，在涂层界面形成冶金结合。在激光功率为1000、1200和1400 W时所制备的涂层平均摩擦因数分别为0.151、0.120和0.171，其对应的磨损率分别为1.17×10-6、1.33×10-6和2.80×10-6 mm3?N-1?m-1，磨损机理为磨粒磨损，其枝晶尺寸对降磨起主要作用。
为了提高TC4合金的耐磨性能，采用激光热喷涂技术在其表面制备了Co30Cr8W1.6C3Ni1.4Si涂层。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析了涂层的形貌和物相，并通过摩擦磨损实验研究了涂层在PAO+2.5%MoDTC（质量分数）油中的磨损行为。结果表明，激光热喷涂的Co30Cr8W1.6C3Ni1.4Si涂层主要由Ti、WC1-x、CoO、Co2Ti4O和CoAl相组成，在涂层界面形成冶金结合。在激光功率为1000、1200和1400 W时所制备的涂层平均摩擦因数分别为0.151、0.120和0.171，其对应的磨损率分别为1.17×10-6、1.33×10-6和2.80×10-6 mm3?N-1?m-1，磨损机理为磨粒磨损，其枝晶尺寸对降磨起主要作用。
2021, 50(5):1549-1555.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200030
摘要:
采用喷丸处理对17-4PH不锈钢进行表面强化，研究了温度场对其残余应力和疲劳性能的影响。结果表明，结合扫描电镜等微观结构分析，采用X射线无损检测技术对室温下17-4PH不锈钢在不同喷丸参数处理后的表面残余应力进行了评价，利用旋转弯曲疲劳试验机测试了喷丸后样品的S-N疲劳曲线。然后，采用优化的喷丸处理方法，研究了17-4PH材料在150、300和450 ℃不同温度场下的高温疲劳性能和表面残余应力松弛特性。实验结果表明，17-4PH不锈钢的最佳室温喷丸工艺应选用低强度喷丸参数。同时，针对此最佳喷丸强化工艺的高温疲劳试验表明，当环境温度T<300 ℃时，喷丸能显著提高17-4PH不锈钢的疲劳寿命，当温度T>450 ℃时，17-4PH的疲劳性能反而显著降低。进一步分析表明，对于喷丸后17-4PH的高温服役，其疲劳性能降低机理是由于残余应力的严重松弛和表面完整性的降低。
采用喷丸处理对17-4PH不锈钢进行表面强化，研究了温度场对其残余应力和疲劳性能的影响。结果表明，结合扫描电镜等微观结构分析，采用X射线无损检测技术对室温下17-4PH不锈钢在不同喷丸参数处理后的表面残余应力进行了评价，利用旋转弯曲疲劳试验机测试了喷丸后样品的S-N疲劳曲线。然后，采用优化的喷丸处理方法，研究了17-4PH材料在150、300和450 ℃不同温度场下的高温疲劳性能和表面残余应力松弛特性。实验结果表明，17-4PH不锈钢的最佳室温喷丸工艺应选用低强度喷丸参数。同时，针对此最佳喷丸强化工艺的高温疲劳试验表明，当环境温度T<300 ℃时，喷丸能显著提高17-4PH不锈钢的疲劳寿命，当温度T>450 ℃时，17-4PH的疲劳性能反而显著降低。进一步分析表明，对于喷丸后17-4PH的高温服役，其疲劳性能降低机理是由于残余应力的严重松弛和表面完整性的降低。
2021, 50(5):1556-1562.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200091
摘要:
利用先进分析透射电子显微镜，检测并系统地研究了磁控溅射Fe-Co薄膜与Al2O3基体之间的相互扩散。结果表明，扩散会形成尖晶石相FeAl2O4，并导致界面层的形成。微观结构表征表明，在界面附近的Fe-Co薄膜中形成了与相互扩散相关的非公度结构。本研究不仅检测到Fe-Co薄膜与蓝宝石基体之间的相互扩散和伴随的新相形成，而且揭示了界面区域相应的微观结构演变，这些结果可能对薄膜的磁学性质有很大的影响。
利用先进分析透射电子显微镜，检测并系统地研究了磁控溅射Fe-Co薄膜与Al2O3基体之间的相互扩散。结果表明，扩散会形成尖晶石相FeAl2O4，并导致界面层的形成。微观结构表征表明，在界面附近的Fe-Co薄膜中形成了与相互扩散相关的非公度结构。本研究不仅检测到Fe-Co薄膜与蓝宝石基体之间的相互扩散和伴随的新相形成，而且揭示了界面区域相应的微观结构演变，这些结果可能对薄膜的磁学性质有很大的影响。
2021, 50(5):1563-1568.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200285
摘要:
通过激光沉积制备了原位Mg2Si/Al复合材料，建立了其动力学模型。结果表明，激光功率（温度）、富Mg层厚度、Si颗粒大小及Al含量是影响原位生成Mg2Si/Al复合材料的速率及程度的主要因素。增加激光功率（温度）、降低富Mg层厚度、缩小Si颗粒大小及减少Al含量使原位反应的速率及程度提高。
通过激光沉积制备了原位Mg2Si/Al复合材料，建立了其动力学模型。结果表明，激光功率（温度）、富Mg层厚度、Si颗粒大小及Al含量是影响原位生成Mg2Si/Al复合材料的速率及程度的主要因素。增加激光功率（温度）、降低富Mg层厚度、缩小Si颗粒大小及减少Al含量使原位反应的速率及程度提高。
2021, 50(5):1569-1575.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20191073
摘要:
基于密度泛函理论（DFT）第一性原理研究了Ir(111)/SiC(111)界面。在考虑不同堆垛位置和表面封端的基础上，共研究了6种不同的界面构型。结果表明：具有9层原子层的Ir(111)表面构型表现体相材料的特征，而12层原子层的SiC(111)表面构型能体现体相SiC的性能。粘附功和界面能结果表明，C封端顶位堆垛（C-TS）和Si封端中心位堆垛（Si-CS）界面构型具有最大的粘附功，分别为6.35和6.23 J/m2，是最稳定的构型；弛豫后的界面能分别为0.07和0.10 J/m2。电子结构分析表明：C-TS界面处具有离子特性，而Si-CS界面处具有共价键特性。C-TS和Si-CS界面的结合强度和稳定性归因于Ir-d与C-p，Si-p轨道之间的杂化。与C-TS界面相比，Si-CS界面第2层原子与界面Ir原子的相互作用更大。
基于密度泛函理论（DFT）第一性原理研究了Ir(111)/SiC(111)界面。在考虑不同堆垛位置和表面封端的基础上，共研究了6种不同的界面构型。结果表明：具有9层原子层的Ir(111)表面构型表现体相材料的特征，而12层原子层的SiC(111)表面构型能体现体相SiC的性能。粘附功和界面能结果表明，C封端顶位堆垛（C-TS）和Si封端中心位堆垛（Si-CS）界面构型具有最大的粘附功，分别为6.35和6.23 J/m2，是最稳定的构型；弛豫后的界面能分别为0.07和0.10 J/m2。电子结构分析表明：C-TS界面处具有离子特性，而Si-CS界面处具有共价键特性。C-TS和Si-CS界面的结合强度和稳定性归因于Ir-d与C-p，Si-p轨道之间的杂化。与C-TS界面相比，Si-CS界面第2层原子与界面Ir原子的相互作用更大。
2021, 50(5):1656-1664.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200378
摘要:
铝合金表面防护涂层的设计和制备是提升铝合金部件表面硬度、耐蚀性的主要方法之一。本文采用脉冲电沉积技术在6061铝合金表面制备SiC/TiN颗粒增强Ni-Mo纳米复合镀层。通过在镀层中引入SiC、TiN纳米颗粒并改变电沉积的平均电流密度和占空比，调控复合镀层的微结构，探讨纳米颗粒增强涂层的成膜过程与晶粒细化机理，研究复合镀层的组织结构与耐蚀性、耐磨性的关系。结果表明：双纳米颗粒的加入使镀层结构由锥状向胞状转变，晶粒尺寸由29.86 nm减小至22.79 nm。其中在电流密度为8 A·dm-2，占空比为20%时制备的镀层最为均匀致密且SiC/TiN颗粒复合量最高，分别为1.3 wt%和3.1 wt%。镀层具有典型的FCC结构且呈现出(111)择优取向，纳米颗粒均匀分散在Ni-Mo基体中。Tafel极化和浸泡试验研究表明Ni-Mo复合镀层的腐蚀电流密度为7.08 μA/cm2，相比之下在电流密度为4 A·dm-2、8 A·dm-2和12 A·dm-2和占空比为40%、60%下制备的Ni-Mo/SiC-TiN纳米复合镀层腐蚀电流密度分别为4.68 μA/cm2、4.12 μA/cm2、5.75 μA/cm2、4.37 μA/cm2和5.53 μA/cm2，分别降低了34%、42%、19%、38%和21%。研究发现在电流密度为8 A·dm-2，占空比为20%下制备的纳米复合镀层表现出最好的耐蚀性。与Ni-Mo镀层相比，SiC/TiN颗粒的引入显著的提升了镀层耐磨性。此外，本文对脉冲共沉积机理进行了讨论。
铝合金表面防护涂层的设计和制备是提升铝合金部件表面硬度、耐蚀性的主要方法之一。本文采用脉冲电沉积技术在6061铝合金表面制备SiC/TiN颗粒增强Ni-Mo纳米复合镀层。通过在镀层中引入SiC、TiN纳米颗粒并改变电沉积的平均电流密度和占空比，调控复合镀层的微结构，探讨纳米颗粒增强涂层的成膜过程与晶粒细化机理，研究复合镀层的组织结构与耐蚀性、耐磨性的关系。结果表明：双纳米颗粒的加入使镀层结构由锥状向胞状转变，晶粒尺寸由29.86 nm减小至22.79 nm。其中在电流密度为8 A·dm-2，占空比为20%时制备的镀层最为均匀致密且SiC/TiN颗粒复合量最高，分别为1.3 wt%和3.1 wt%。镀层具有典型的FCC结构且呈现出(111)择优取向，纳米颗粒均匀分散在Ni-Mo基体中。Tafel极化和浸泡试验研究表明Ni-Mo复合镀层的腐蚀电流密度为7.08 μA/cm2，相比之下在电流密度为4 A·dm-2、8 A·dm-2和12 A·dm-2和占空比为40%、60%下制备的Ni-Mo/SiC-TiN纳米复合镀层腐蚀电流密度分别为4.68 μA/cm2、4.12 μA/cm2、5.75 μA/cm2、4.37 μA/cm2和5.53 μA/cm2，分别降低了34%、42%、19%、38%和21%。研究发现在电流密度为8 A·dm-2，占空比为20%下制备的纳米复合镀层表现出最好的耐蚀性。与Ni-Mo镀层相比，SiC/TiN颗粒的引入显著的提升了镀层耐磨性。此外，本文对脉冲共沉积机理进行了讨论。
2021, 50(5):1665-1672.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200372
摘要:
采用磁过滤阴极真空弧离子镀(FCVAD)技术在纯锆表面制备了厚度约为4 μm的Cr金属层,对比研究了它们在不同温度水蒸汽环境中的氧化行为,并利用XRD、XPS、SEM及EDS分析了Cr涂层及氧化膜的物相组成、微观结构及成分分布。结果表明,在900℃、1000℃和1100℃水蒸汽环境中,镀Cr涂层大幅度降低了锆的氧化速率,其单位面积氧化增重仅为同一温度下锆基体的1/4、1/6和4/9。氧化初期,Cr涂层表面生成一层均匀致密的Cr2O3膜,当Cr层被消耗完后,Cr2O3/Zr界面上部分Cr2O3被Zr还原成金属Cr,锆基体氧化生成ZrO2。镀Cr涂层样品的氧化激活能达293.17 kJ/mol。
采用磁过滤阴极真空弧离子镀(FCVAD)技术在纯锆表面制备了厚度约为4 μm的Cr金属层,对比研究了它们在不同温度水蒸汽环境中的氧化行为,并利用XRD、XPS、SEM及EDS分析了Cr涂层及氧化膜的物相组成、微观结构及成分分布。结果表明,在900℃、1000℃和1100℃水蒸汽环境中,镀Cr涂层大幅度降低了锆的氧化速率,其单位面积氧化增重仅为同一温度下锆基体的1/4、1/6和4/9。氧化初期,Cr涂层表面生成一层均匀致密的Cr2O3膜,当Cr层被消耗完后,Cr2O3/Zr界面上部分Cr2O3被Zr还原成金属Cr,锆基体氧化生成ZrO2。镀Cr涂层样品的氧化激活能达293.17 kJ/mol。
2021, 50(5):1673-1678.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200095
摘要:
采用化学气相沉积（CVD）结合前驱体浸渍裂解（PIP）技术制备了SiC涂层的C/SiC和C/SiBCN复合材料，研究了高温循环氧化对两种复合材料弯曲性能的影响。与SiC-C/SiC相比，SiC-C/SiBCN复合材料的平均室温弯曲强度约为605 MPa，增幅达到126.6%。在1000℃和1200℃循环3次后，SiC-C/SiBCN的剩余弯曲强度分别为417和342 MPa，强度保留率分别为68.9%和56.5%，显著优于SiC-C/SiC复合材料。与PIP SiC陶瓷基体相比，SiBCN基体的孔隙率更低，高温下SiBCN氧化后形成SiO2和B2O3，可以更好地降低O2的透过率，提高材料的抗氧化性能和强度保留率。
采用化学气相沉积（CVD）结合前驱体浸渍裂解（PIP）技术制备了SiC涂层的C/SiC和C/SiBCN复合材料，研究了高温循环氧化对两种复合材料弯曲性能的影响。与SiC-C/SiC相比，SiC-C/SiBCN复合材料的平均室温弯曲强度约为605 MPa，增幅达到126.6%。在1000℃和1200℃循环3次后，SiC-C/SiBCN的剩余弯曲强度分别为417和342 MPa，强度保留率分别为68.9%和56.5%，显著优于SiC-C/SiC复合材料。与PIP SiC陶瓷基体相比，SiBCN基体的孔隙率更低，高温下SiBCN氧化后形成SiO2和B2O3，可以更好地降低O2的透过率，提高材料的抗氧化性能和强度保留率。
2021, 50(5):1679-1684.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200127
摘要:
以二氧化钌为导电相的厚膜电阻涂层具有电阻稳定性好和电阻温度系数低等优点,被广泛应用于厚膜集成电路。本文分别以连续铝硅酸盐纤维增强二氧化硅(ASf/SiO2)复合材料和氧化铝陶瓷为基材,采用丝网印刷工艺在两种基材表面印制了二氧化钌电阻涂层,并通过数字图像相关法、有限元分析法和XRD应力测定法系统研究了25~700°C范围内电阻涂层和基材之间的热匹配特性,分析了涂层的电阻温度特性。结果表明,由于电阻涂层的热膨胀系数大于ASf/SiO2复合材料,导致烧结其上的电阻涂层在室温状态受到残余拉应力,高温状态下该拉应力被释放,导电颗粒间的距离减小,势垒电阻减小,宏观表现为涂层电阻随测试温度升高而减小,呈现负的电阻温度特性。相反,由于电阻涂层的热膨胀系数小于氧化铝陶瓷,烧结其上的电阻涂层在室温状态受到残余压应力,高温状态压应力释放导致导电颗粒间的距离增大,势垒电阻增加,电阻涂层呈现正的温度特性。
以二氧化钌为导电相的厚膜电阻涂层具有电阻稳定性好和电阻温度系数低等优点,被广泛应用于厚膜集成电路。本文分别以连续铝硅酸盐纤维增强二氧化硅(ASf/SiO2)复合材料和氧化铝陶瓷为基材,采用丝网印刷工艺在两种基材表面印制了二氧化钌电阻涂层,并通过数字图像相关法、有限元分析法和XRD应力测定法系统研究了25~700°C范围内电阻涂层和基材之间的热匹配特性,分析了涂层的电阻温度特性。结果表明,由于电阻涂层的热膨胀系数大于ASf/SiO2复合材料,导致烧结其上的电阻涂层在室温状态受到残余拉应力,高温状态下该拉应力被释放,导电颗粒间的距离减小,势垒电阻减小,宏观表现为涂层电阻随测试温度升高而减小,呈现负的电阻温度特性。相反,由于电阻涂层的热膨胀系数小于氧化铝陶瓷,烧结其上的电阻涂层在室温状态受到残余压应力,高温状态压应力释放导致导电颗粒间的距离增大,势垒电阻增加,电阻涂层呈现正的温度特性。
2021, 50(5):1685-1693.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200387
摘要:
为了突破铝合金表面等离子喷涂热防护涂层结合强度低的技术瓶颈，采用三阴极等离子喷涂系统，在7A04-T6超高强铝合金基材表面制备了8YSZ热防护涂层，借助扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计及万能力学试验机，分析表征了不同气体流量参数对涂层显微形貌、物相组成、显微硬度及结合强度的影响，并提出了气体流量参数对涂层结合强度影响的临界值。研究结果表明：不同的气体流量参数下制备的涂层上表面均存在着熔融及半熔融的粉末粒子形貌、不同尺寸的孔隙结构及不同程度的裂纹扩展形貌。伴随着气体流量的增加，涂层的致密度增加，涂层的夯实形貌则呈现先增加后减少的变化趋势。不同气体流量参数下制备的涂层的物相结构与喂料粉末基本一致，都仅存在单一成分的Zr0.92Y0.08O1.96组元。伴随着气体流量参数的增大，涂层的平均显微硬度呈现逐渐增大的变化趋势，涂层的平均结合强度呈现先增大后减小的变化趋势。
为了突破铝合金表面等离子喷涂热防护涂层结合强度低的技术瓶颈，采用三阴极等离子喷涂系统，在7A04-T6超高强铝合金基材表面制备了8YSZ热防护涂层，借助扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计及万能力学试验机，分析表征了不同气体流量参数对涂层显微形貌、物相组成、显微硬度及结合强度的影响，并提出了气体流量参数对涂层结合强度影响的临界值。研究结果表明：不同的气体流量参数下制备的涂层上表面均存在着熔融及半熔融的粉末粒子形貌、不同尺寸的孔隙结构及不同程度的裂纹扩展形貌。伴随着气体流量的增加，涂层的致密度增加，涂层的夯实形貌则呈现先增加后减少的变化趋势。不同气体流量参数下制备的涂层的物相结构与喂料粉末基本一致，都仅存在单一成分的Zr0.92Y0.08O1.96组元。伴随着气体流量参数的增大，涂层的平均显微硬度呈现逐渐增大的变化趋势，涂层的平均结合强度呈现先增大后减小的变化趋势。
2021, 50(5):1694-1698.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200133
摘要:
本文通过丝网印刷在氧化铝陶瓷基体表面，无压烧结制备电磁感应加热银膜，并通过SEM、四探针测试法和拉伸测试法表征银膜的微观形貌、力学性能和电学性能等。结果表明，银膜的致密性与烧结温度和玻璃粉含量密切相关。随着烧结温度升高，玻璃熔体粘度降低，有效润湿银颗粒，使其紧密重排，并通过烧结颈的生长进一步融合形成致密银网络。随着玻璃粉含量增多，玻璃熔体既有效提高银颗粒的烧结致密化，又改善银膜与基体的结合强度，但较多的玻璃熔体会阻隔银颗粒之间的接触，降低银膜的导电性。当烧结温度为640 ℃、玻璃粉含量为4 wt.%时，银膜具有良好的综合性能，其方阻达到极小值，为2.26 mΩ/□，结合强度较高，达到14.64 MPa，电磁感应加热实验结果表明，方阻越小的银膜的感应升温速率越快。
本文通过丝网印刷在氧化铝陶瓷基体表面，无压烧结制备电磁感应加热银膜，并通过SEM、四探针测试法和拉伸测试法表征银膜的微观形貌、力学性能和电学性能等。结果表明，银膜的致密性与烧结温度和玻璃粉含量密切相关。随着烧结温度升高，玻璃熔体粘度降低，有效润湿银颗粒，使其紧密重排，并通过烧结颈的生长进一步融合形成致密银网络。随着玻璃粉含量增多，玻璃熔体既有效提高银颗粒的烧结致密化，又改善银膜与基体的结合强度，但较多的玻璃熔体会阻隔银颗粒之间的接触，降低银膜的导电性。当烧结温度为640 ℃、玻璃粉含量为4 wt.%时，银膜具有良好的综合性能，其方阻达到极小值，为2.26 mΩ/□，结合强度较高，达到14.64 MPa，电磁感应加热实验结果表明，方阻越小的银膜的感应升温速率越快。
2021, 50(5):1699-1705.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200184
摘要:
使用大气等离子喷涂法制备传统YSZ涂层与2mol%Eu3+掺杂YSZ涂层。使用扫面电镜观察并测量两种涂层的微观形貌与孔隙率。采用闪光导热仪分别测量两种涂层在100-1100°C范围内的热导率。采用氧化循环试验箱分别对YSZ涂层与YSZ:Eu涂层进行30循环、50循环的氧化循环处理并计算两种涂层未处理试样与氧化循环试样的界面断裂韧性，氧化循环试验环境温度为1100°C。结果表明，在相同温度下，YSZ:Eu涂层热导率低于YSZ涂层热导率，说明2mol%Eu3+掺杂可有效降低YSZ热障涂层的热导率；YSZ:Eu涂层与YSZ涂层的界面断裂韧性均随氧化循环次数的增加而下降，TGO厚度随氧化循环次数的增加而增大；相同热处理条件下YSZ:Eu涂层界面断裂韧性大于YSZ涂层，TGO厚度更小，说明2mol%Eu3+掺杂抑制了TGO的生长，提高了涂层界面性能。
使用大气等离子喷涂法制备传统YSZ涂层与2mol%Eu3+掺杂YSZ涂层。使用扫面电镜观察并测量两种涂层的微观形貌与孔隙率。采用闪光导热仪分别测量两种涂层在100-1100°C范围内的热导率。采用氧化循环试验箱分别对YSZ涂层与YSZ:Eu涂层进行30循环、50循环的氧化循环处理并计算两种涂层未处理试样与氧化循环试样的界面断裂韧性，氧化循环试验环境温度为1100°C。结果表明，在相同温度下，YSZ:Eu涂层热导率低于YSZ涂层热导率，说明2mol%Eu3+掺杂可有效降低YSZ热障涂层的热导率；YSZ:Eu涂层与YSZ涂层的界面断裂韧性均随氧化循环次数的增加而下降，TGO厚度随氧化循环次数的增加而增大；相同热处理条件下YSZ:Eu涂层界面断裂韧性大于YSZ涂层，TGO厚度更小，说明2mol%Eu3+掺杂抑制了TGO的生长，提高了涂层界面性能。
2021, 50(5):1706-1712.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200244
摘要:
采用固体粉末法在GCr15钢表面进行渗铬处理，研究了不同渗铬时间下渗层的结构和性能，并研究了自然时效对渗层结构、力学性能的影响。采用扫描电子显微镜及EDS能谱仪、X射线衍射仪研究了时效前后渗层组织结构的变化，采用显微硬度仪、纳米压痕仪、洛氏硬度计分析了时效前后渗层表面硬度、截面微区硬度、与基体的结合强度。结果表明：渗层主要由Cr2N、(Cr,Fe)23C6和(Cr,Fe)7C3相组成，渗层外表面为不连续的氮化铬晶粒分布在疏松的碳化铬中，随着渗铬时间的增加，氮化铬晶粒长大；渗层下表面为碳化铬层，由外向内Cr逐渐减少，Fe逐渐增加，形成了梯度过渡层结构。渗层表面显微硬度在1492HV0.05~1698HV0.05之间，经过1年自然时效后表面显微硬度稍有降低；截面纳米硬度表明，随着Cr含量逐渐减少，纳米硬度也相应下降。洛氏压痕结果表明，压痕周围存在放射性裂纹及不同程度的渗层剥落现象；经过1年自然时效后压痕周围只存在放射性裂纹，渗层与基体结合强度提高。
采用固体粉末法在GCr15钢表面进行渗铬处理，研究了不同渗铬时间下渗层的结构和性能，并研究了自然时效对渗层结构、力学性能的影响。采用扫描电子显微镜及EDS能谱仪、X射线衍射仪研究了时效前后渗层组织结构的变化，采用显微硬度仪、纳米压痕仪、洛氏硬度计分析了时效前后渗层表面硬度、截面微区硬度、与基体的结合强度。结果表明：渗层主要由Cr2N、(Cr,Fe)23C6和(Cr,Fe)7C3相组成，渗层外表面为不连续的氮化铬晶粒分布在疏松的碳化铬中，随着渗铬时间的增加，氮化铬晶粒长大；渗层下表面为碳化铬层，由外向内Cr逐渐减少，Fe逐渐增加，形成了梯度过渡层结构。渗层表面显微硬度在1492HV0.05~1698HV0.05之间，经过1年自然时效后表面显微硬度稍有降低；截面纳米硬度表明，随着Cr含量逐渐减少，纳米硬度也相应下降。洛氏压痕结果表明，压痕周围存在放射性裂纹及不同程度的渗层剥落现象；经过1年自然时效后压痕周围只存在放射性裂纹，渗层与基体结合强度提高。
2021, 50(5):1713-1719.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200262
摘要:
通过改变硅酸盐体系电解液中KF和Na2SiO3的浓度，定量分析氟化钾与硅酸钠浓度配比（简称氟硅比）的不同对AM60B镁合金微弧氧化膜层微观结构及耐蚀性的影响。结果表明：主盐Na2SiO3在微弧氧化成膜中必不可少。当氟硅比大于0时，随着氟硅比的增大，成膜反应加剧，膜层表面的孔隙率和表面大孔（>3μm）数目增加，膜厚增加。电解液中F-的存在，生成新物相MgF2，促进物相Mg2SiO4的形成，这些有利于提高膜层的耐蚀性。此外，电解液中F-与SiO32-的竞争与协同作用会随氟硅比的变化而变化，因而改变膜层的微观结构与物相含量，影响膜层的耐蚀性。本文研究中，当氟硅比为0.5（KF：Na2SiO3=7.5：15）时，由于F-与SiO32-之间良好的协同作用，形成的膜层厚度较大，致密性较好，缺陷较少，此时膜层兼备厚度大与耐蚀性优的特性，是最佳的氟硅配比。
通过改变硅酸盐体系电解液中KF和Na2SiO3的浓度，定量分析氟化钾与硅酸钠浓度配比（简称氟硅比）的不同对AM60B镁合金微弧氧化膜层微观结构及耐蚀性的影响。结果表明：主盐Na2SiO3在微弧氧化成膜中必不可少。当氟硅比大于0时，随着氟硅比的增大，成膜反应加剧，膜层表面的孔隙率和表面大孔（>3μm）数目增加，膜厚增加。电解液中F-的存在，生成新物相MgF2，促进物相Mg2SiO4的形成，这些有利于提高膜层的耐蚀性。此外，电解液中F-与SiO32-的竞争与协同作用会随氟硅比的变化而变化，因而改变膜层的微观结构与物相含量，影响膜层的耐蚀性。本文研究中，当氟硅比为0.5（KF：Na2SiO3=7.5：15）时，由于F-与SiO32-之间良好的协同作用，形成的膜层厚度较大，致密性较好，缺陷较少，此时膜层兼备厚度大与耐蚀性优的特性，是最佳的氟硅配比。
2021, 50(5):1720-1726.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200294
摘要:
提出了一种冷喷涂辅助原位合成合高铝青铜合金涂层的方法,使用该方法在45#钢基体上制备了高铝青铜涂层。通过SEM、EDS、XRD分析涂层微观形貌和物相组织；采用销?盘式摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能；用CHI660D电化学测试系统测合金涂层耐腐蚀性能。结果表明：冷喷涂辅助原位合成高铝青铜合金涂层的组织是以β相、α相、γ2相和k相为主的典型高铝青铜合金组织。原位合成的高铝青铜合金涂层结构致密、孔隙率低,具有良好的机械性能和耐磨、耐腐蚀性能,与铸态块体高铝青铜合金的性能接近。涂层的硬度为357.0HV,与氧化铝的干摩擦系数为0.320。在3.5wt.%NaCl和5.0wt.%H2SO4 腐蚀介质中的稳定电压分别为-366mV和-387mV。
提出了一种冷喷涂辅助原位合成合高铝青铜合金涂层的方法,使用该方法在45#钢基体上制备了高铝青铜涂层。通过SEM、EDS、XRD分析涂层微观形貌和物相组织；采用销?盘式摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能；用CHI660D电化学测试系统测合金涂层耐腐蚀性能。结果表明：冷喷涂辅助原位合成高铝青铜合金涂层的组织是以β相、α相、γ2相和k相为主的典型高铝青铜合金组织。原位合成的高铝青铜合金涂层结构致密、孔隙率低,具有良好的机械性能和耐磨、耐腐蚀性能,与铸态块体高铝青铜合金的性能接近。涂层的硬度为357.0HV,与氧化铝的干摩擦系数为0.320。在3.5wt.%NaCl和5.0wt.%H2SO4 腐蚀介质中的稳定电压分别为-366mV和-387mV。
2021, 50(5):1727-1734.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200281
摘要:
金属氮化物涂层是目前重点关注的航空发动机压气机抗冲蚀涂层体系。为了兼顾热物理化学环境和应力环境的影响,进行涂层的腐蚀-冲蚀耦合行为研究十分重要。本文对比了TiN/Ti涂层与TiN/ZrN涂层的原始状态、热腐蚀后和盐雾腐蚀后的冲蚀行为。对于TiN/Ti涂层,在涂层的缺陷处盐雾腐蚀时形成点蚀坑,这是发生冲蚀的薄弱环节,盐雾腐蚀后TiN/Ti涂层的抗冲蚀能力及结合力低于原始涂层和热腐蚀后的涂层。对于TiN/ZrN涂层,热腐蚀过程中液滴表面形成疏松的腐蚀产物和氧化物,使其在冲蚀时更容易脱落,热腐蚀过程中产生的层间热应力削弱了涂层的结合力。热腐蚀涂层冲蚀后呈现严重的螺旋状剥落,热腐蚀后TiN/ZrN涂层的抗冲蚀能力及结合力低于原始涂层和盐雾腐蚀后涂层。
金属氮化物涂层是目前重点关注的航空发动机压气机抗冲蚀涂层体系。为了兼顾热物理化学环境和应力环境的影响,进行涂层的腐蚀-冲蚀耦合行为研究十分重要。本文对比了TiN/Ti涂层与TiN/ZrN涂层的原始状态、热腐蚀后和盐雾腐蚀后的冲蚀行为。对于TiN/Ti涂层,在涂层的缺陷处盐雾腐蚀时形成点蚀坑,这是发生冲蚀的薄弱环节,盐雾腐蚀后TiN/Ti涂层的抗冲蚀能力及结合力低于原始涂层和热腐蚀后的涂层。对于TiN/ZrN涂层,热腐蚀过程中液滴表面形成疏松的腐蚀产物和氧化物,使其在冲蚀时更容易脱落,热腐蚀过程中产生的层间热应力削弱了涂层的结合力。热腐蚀涂层冲蚀后呈现严重的螺旋状剥落,热腐蚀后TiN/ZrN涂层的抗冲蚀能力及结合力低于原始涂层和盐雾腐蚀后涂层。
2021, 50(5):1735-1742.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200317
摘要:
为了得到性能更加优异全面的复合镀层，使用复合电沉积技术制备不同石墨烯颗粒大小的Ni-Co-石墨烯复合镀层，并制备了Ni-Co合金镀层。测试镀层的表面形貌，相结构，显微硬度，耐磨性和耐蚀性能。结果显示，石墨烯在电沉积中很好的嵌入到了镀层基质中，而且石墨烯的存在并没有改变镀层基质的晶体结构；石墨烯的填加增加了复合镀层的显微硬度，最高可达805HV；降低了复合镀层的摩擦系数，在一定程度上减少了粘着磨损的面积；复合镀层的自腐蚀电流密度可以降低到1.0905×10-5A/cm2，低于Ni-Co合金镀层的自腐蚀电流密度。说明了石墨烯的添加增强了复合镀层的硬度，耐磨性和耐蚀性。
为了得到性能更加优异全面的复合镀层，使用复合电沉积技术制备不同石墨烯颗粒大小的Ni-Co-石墨烯复合镀层，并制备了Ni-Co合金镀层。测试镀层的表面形貌，相结构，显微硬度，耐磨性和耐蚀性能。结果显示，石墨烯在电沉积中很好的嵌入到了镀层基质中，而且石墨烯的存在并没有改变镀层基质的晶体结构；石墨烯的填加增加了复合镀层的显微硬度，最高可达805HV；降低了复合镀层的摩擦系数，在一定程度上减少了粘着磨损的面积；复合镀层的自腐蚀电流密度可以降低到1.0905×10-5A/cm2，低于Ni-Co合金镀层的自腐蚀电流密度。说明了石墨烯的添加增强了复合镀层的硬度，耐磨性和耐蚀性。
2021, 50(5):1743-1752.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200318
摘要:
利用固体粉末包埋技术对316H奥氏体不锈钢进行了1090℃保温0.5-15h的和750-1150℃保温10h的化学热处理，研究了不同工艺参数对渗铬层组织结构和耐磨性的影响。通过光学金相显微镜（OM），电子扫描显微镜（SEM），能谱仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）等分析手段，研究了保温时间和反应温度对渗铬层的微观组织结构的影响规律，使用摩擦磨损试验机研究了不同工艺参数对渗铬层耐磨性的影响。结果表明：反应温度对渗铬层的厚度影响显著，在同一温度下进行渗铬，渗铬层的厚度与渗铬时间呈抛物线关系；渗铬层主要由Cr23C6、Cr2C和α-Fe-Cr固溶体组成，在渗铬过程中，首先在试样表面形成碳铬化物层，随着反应温度提高或保温时间延长，在碳铬化合物层下会生成α-Fe-Cr固溶体层，进一步提高反应温度和保温时间碳铬化合物层逐渐消失。渗铬后试样的耐磨性明显提高，且在相同温度下渗铬，保温时间短的耐磨性好；相同保温时间，反应温度低的耐磨性好。
利用固体粉末包埋技术对316H奥氏体不锈钢进行了1090℃保温0.5-15h的和750-1150℃保温10h的化学热处理，研究了不同工艺参数对渗铬层组织结构和耐磨性的影响。通过光学金相显微镜（OM），电子扫描显微镜（SEM），能谱仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）等分析手段，研究了保温时间和反应温度对渗铬层的微观组织结构的影响规律，使用摩擦磨损试验机研究了不同工艺参数对渗铬层耐磨性的影响。结果表明：反应温度对渗铬层的厚度影响显著，在同一温度下进行渗铬，渗铬层的厚度与渗铬时间呈抛物线关系；渗铬层主要由Cr23C6、Cr2C和α-Fe-Cr固溶体组成，在渗铬过程中，首先在试样表面形成碳铬化物层，随着反应温度提高或保温时间延长，在碳铬化合物层下会生成α-Fe-Cr固溶体层，进一步提高反应温度和保温时间碳铬化合物层逐渐消失。渗铬后试样的耐磨性明显提高，且在相同温度下渗铬，保温时间短的耐磨性好；相同保温时间，反应温度低的耐磨性好。
2021, 50(5):1753-1759.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200329
摘要:
本研究采用两步水热处理的方法对钽进行表面改性，在其表面获得具有较小棒间距的掺镁氧化钽纳米棒阵列。通过改变镁元素的掺杂量，观察纳米棒形貌及微观结构的变化。在水热过程中，最佳的乙酸镁溶液浓度为0.05 M，Mg在氧化钽纳米棒膜层中的含量达到4.25 at%，以Mg2+形式掺杂入Ta2O5纳米棒。使用AFM测量Ta、Ta2O5纳米棒和Mg- Ta2O5纳米棒样品的粗糙度，发现相比于纯钽片，Ta2O5纳米棒涂层和Mg- Ta2O5纳米棒涂层的粗糙度有所增加。ICP结果表明，生理盐水中镁离子的析出速率呈现先大幅度增加后变缓的趋势。在体外生物活性测试中，Ta2O5纳米棒涂层直到12天后依然不能诱导出磷灰石；而Mg-Ta2O5纳米棒涂层表面不到8天已经出现沉积磷灰石，Mg-Ta2O5纳米棒涂层有效的改善了钽基体表面的生物活性。
本研究采用两步水热处理的方法对钽进行表面改性，在其表面获得具有较小棒间距的掺镁氧化钽纳米棒阵列。通过改变镁元素的掺杂量，观察纳米棒形貌及微观结构的变化。在水热过程中，最佳的乙酸镁溶液浓度为0.05 M，Mg在氧化钽纳米棒膜层中的含量达到4.25 at%，以Mg2+形式掺杂入Ta2O5纳米棒。使用AFM测量Ta、Ta2O5纳米棒和Mg- Ta2O5纳米棒样品的粗糙度，发现相比于纯钽片，Ta2O5纳米棒涂层和Mg- Ta2O5纳米棒涂层的粗糙度有所增加。ICP结果表明，生理盐水中镁离子的析出速率呈现先大幅度增加后变缓的趋势。在体外生物活性测试中，Ta2O5纳米棒涂层直到12天后依然不能诱导出磷灰石；而Mg-Ta2O5纳米棒涂层表面不到8天已经出现沉积磷灰石，Mg-Ta2O5纳米棒涂层有效的改善了钽基体表面的生物活性。
2021, 50(5):1576-1582.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200316
摘要:
从分子结构和官能团的角度研究了单官能团单体对光敏树脂基氧化铝浆料流变性能和光固化性能的影响。以双官能团单体1，6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）和三官能团单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）为原料，按照HDDA:X:TMPTA=6:3:1的体积比加入单官能团单体X，通过室温磁力搅拌制备出光敏树脂，研究了单官能团单体X和树脂的流变性能。采用机械球磨法制备了30%~50%（体积分数）固相含量的光敏树脂基氧化铝浆料，实现了基于立体光刻（SL）技术的3D打印并制备出了氧化铝坯体。本研究确定了3种具有亲水性和高光固化活性的单官能团单体，即丙烯酰吗啉（ACMO）、丙烯酸2-苯氧乙酯（2-PHEA）和丙烯酸羟乙酯（HEA），优化了光敏树脂，使其具有高活性和高固化精度，可用于制备流变性和光固化性能优异的氧化铝浆料。
从分子结构和官能团的角度研究了单官能团单体对光敏树脂基氧化铝浆料流变性能和光固化性能的影响。以双官能团单体1，6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）和三官能团单体三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）为原料，按照HDDA:X:TMPTA=6:3:1的体积比加入单官能团单体X，通过室温磁力搅拌制备出光敏树脂，研究了单官能团单体X和树脂的流变性能。采用机械球磨法制备了30%~50%（体积分数）固相含量的光敏树脂基氧化铝浆料，实现了基于立体光刻（SL）技术的3D打印并制备出了氧化铝坯体。本研究确定了3种具有亲水性和高光固化活性的单官能团单体，即丙烯酰吗啉（ACMO）、丙烯酸2-苯氧乙酯（2-PHEA）和丙烯酸羟乙酯（HEA），优化了光敏树脂，使其具有高活性和高固化精度，可用于制备流变性和光固化性能优异的氧化铝浆料。
2021, 50(5):1583-1589.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200310
摘要:
对AZ31镁合金进行了差速循环扩挤（CEE-AEC），研究了变形道次对晶粒细化、织构演变和力学性能的影响。结果表明，在差速循环扩挤过程中，发生了连续动态再结晶（CDRX）和非连续动态再结晶（DDRX），平均晶粒尺寸从344 μm减小到11.7 μm。随着加工道次的增加，（0001）基面织构强度逐渐增加。差速循环扩挤模具中不对称型腔的存在极大地引起了基面织构的偏转。此外，合金的机械性能得到改善，并且屈服强度（TYS）、抗拉强度（UTS）和断裂伸长率（EL）分别为109 MPa，211 MPa和30.8%。
对AZ31镁合金进行了差速循环扩挤（CEE-AEC），研究了变形道次对晶粒细化、织构演变和力学性能的影响。结果表明，在差速循环扩挤过程中，发生了连续动态再结晶（CDRX）和非连续动态再结晶（DDRX），平均晶粒尺寸从344 μm减小到11.7 μm。随着加工道次的增加，（0001）基面织构强度逐渐增加。差速循环扩挤模具中不对称型腔的存在极大地引起了基面织构的偏转。此外，合金的机械性能得到改善，并且屈服强度（TYS）、抗拉强度（UTS）和断裂伸长率（EL）分别为109 MPa，211 MPa和30.8%。
2021, 50(5):1590-1595.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200304
摘要:
针对已预腐蚀生成一定厚度氧化膜的Zr-Sn-Nb合金，研究了其在不同温度下进行真空热处理过程中的氧扩散动力学及亚稳相演变行为。结果表明，真空退火后氧化膜变薄，氧在氧化锆基体中的扩散增强，并计算了特定合金中氧的扩散系数。退火后微观化学分析表明亚稳相层厚度增加。固溶氧锆基体(Zr(O))层也明显增厚。针对该现象，讨论了对应氧扩散及亚稳相形成过程：该扩散极为可能是由ZrO2和Zr(O)之间存在的氧含量梯度以及锆基体的高氧溶解度造成，受抑制的氧化速率将促进亚稳相的生长。在实际水腐蚀情况下，氧化及氧化膜向基体溶解过程应该是共存的。当氧化速率受限时，氧化膜向基体溶解作用将增强，有利于形成较厚的亚稳层。
针对已预腐蚀生成一定厚度氧化膜的Zr-Sn-Nb合金，研究了其在不同温度下进行真空热处理过程中的氧扩散动力学及亚稳相演变行为。结果表明，真空退火后氧化膜变薄，氧在氧化锆基体中的扩散增强，并计算了特定合金中氧的扩散系数。退火后微观化学分析表明亚稳相层厚度增加。固溶氧锆基体(Zr(O))层也明显增厚。针对该现象，讨论了对应氧扩散及亚稳相形成过程：该扩散极为可能是由ZrO2和Zr(O)之间存在的氧含量梯度以及锆基体的高氧溶解度造成，受抑制的氧化速率将促进亚稳相的生长。在实际水腐蚀情况下，氧化及氧化膜向基体溶解过程应该是共存的。当氧化速率受限时，氧化膜向基体溶解作用将增强，有利于形成较厚的亚稳层。
2021, 50(5):1596-1601.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200337
摘要:
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了Nb2Al (100)表面不同终止端的电子结构、表面能和热力学性质。计算结果表明，由于表面弛豫和表面态的形成，所有终止端表面的电子结构均表现出增强的金属性质和减弱的共价性质。根据不同终止端表面的表面能计算，分析了非化学计量比表面的稳定性。在富含Nb和Al的条件下，C终止端表面(Nb22Al12)是热力学最稳定的表面。此外，计算了Nb2Al (100)表面的功函数，表明该表面获得和失去电子的能力与形成前的纯元素表面相似。
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了Nb2Al (100)表面不同终止端的电子结构、表面能和热力学性质。计算结果表明，由于表面弛豫和表面态的形成，所有终止端表面的电子结构均表现出增强的金属性质和减弱的共价性质。根据不同终止端表面的表面能计算，分析了非化学计量比表面的稳定性。在富含Nb和Al的条件下，C终止端表面(Nb22Al12)是热力学最稳定的表面。此外，计算了Nb2Al (100)表面的功函数，表明该表面获得和失去电子的能力与形成前的纯元素表面相似。
2021, 50(5):1602-1610.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200822
摘要:
采用分子动力学方法研究了6H-SiC脆性切削的声发射响应。研究了原子尺度下6H-SiC的微变形和裂纹形核，同时对加工过程中的声发射源进行了识别，分析了其相应的声发射特征。结果表明，6H-SiC在77 nm切削深度下的脆性变形过程简单但不寻常；在6H-SiC切削过程中位错不会连续扩展，变形后的工件在刀具挤压作用下被分割成块，并由位错的快速扩展引发裂纹。对于影响声发射源特征的因素研究发现：初始压应力会导致声发射功率的下降；频率-能量分析中可见的3种声发射源分别是晶格振动、位错扩展和裂纹扩展。此外，在1 K温度下，2次明显的位错传播的声发射响应比晶格振动具有更高的频率特性，但总能量水平最低。相反地，裂纹扩展的声发射响应具有更为明显的频率分布特性和能量特性。
采用分子动力学方法研究了6H-SiC脆性切削的声发射响应。研究了原子尺度下6H-SiC的微变形和裂纹形核，同时对加工过程中的声发射源进行了识别，分析了其相应的声发射特征。结果表明，6H-SiC在77 nm切削深度下的脆性变形过程简单但不寻常；在6H-SiC切削过程中位错不会连续扩展，变形后的工件在刀具挤压作用下被分割成块，并由位错的快速扩展引发裂纹。对于影响声发射源特征的因素研究发现：初始压应力会导致声发射功率的下降；频率-能量分析中可见的3种声发射源分别是晶格振动、位错扩展和裂纹扩展。此外，在1 K温度下，2次明显的位错传播的声发射响应比晶格振动具有更高的频率特性，但总能量水平最低。相反地，裂纹扩展的声发射响应具有更为明显的频率分布特性和能量特性。
2021, 50(5):1611-1616.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200505
摘要:
以5182铝合金挡风梁成形后的回弹为研究对象，通过单向拉伸试验，获取了5182铝合金板料在不同轧制方向及应变速率条件下的真实应力-应变曲线，并将其引入数值模拟模型，研究了板料成形速度、模具间隙、摩擦系数对5182铝合金挡风梁成形回弹的影响规律并分析了其形成原因。然后根据响应曲面法建立了5182铝合金挡风梁回弹预测模型，进而通过不同条件下的实验对比，对该预测模型进行了验证。研究结果为铝合金板料回弹的分析提供了新的思路。
以5182铝合金挡风梁成形后的回弹为研究对象，通过单向拉伸试验，获取了5182铝合金板料在不同轧制方向及应变速率条件下的真实应力-应变曲线，并将其引入数值模拟模型，研究了板料成形速度、模具间隙、摩擦系数对5182铝合金挡风梁成形回弹的影响规律并分析了其形成原因。然后根据响应曲面法建立了5182铝合金挡风梁回弹预测模型，进而通过不同条件下的实验对比，对该预测模型进行了验证。研究结果为铝合金板料回弹的分析提供了新的思路。
2021, 50(5):1617-1625.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200774
摘要:
通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学（MD）建立了真孪晶（TT）γ/γ界面模型，得到了界面内聚力区域（CZM）的本构参数；采用Voronoi方法生成了多晶γ-TiAl合金介观模型，将CZM本构参数耦合到该模型中，得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图，利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-TiAl合金的损伤机理；根据连续介质假说建立了宏观有限元模型（FEM），通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后，将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较，验证了该模型的有效性。结果表明：在晶粒数比例相同的情况下，缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性，同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。
通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学（MD）建立了真孪晶（TT）γ/γ界面模型，得到了界面内聚力区域（CZM）的本构参数；采用Voronoi方法生成了多晶γ-TiAl合金介观模型，将CZM本构参数耦合到该模型中，得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图，利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-TiAl合金的损伤机理；根据连续介质假说建立了宏观有限元模型（FEM），通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后，将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较，验证了该模型的有效性。结果表明：在晶粒数比例相同的情况下，缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性，同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。
2021, 50(5):1626-1634.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210015
摘要:
蛇形轧制作为一种新型的轧制工艺为高性能厚铝板生产提供了一种新方法，但是传统的异步轧制弯曲曲率模型不能用于蛇形轧制，蛇形轧制缺少精准的轧后曲率计算模型。根据变形区的特征及中性点的位置，确定了变形区组成及其存在边界条件；塑性变形区最多可分成4个区，对不同组成情况的变形区进行了分析，建立了各种情况下单位压力和上、下部分累积剪应变偏差模型，在此基础上建立了剪切应变引起的弯曲曲率模型，根据流动准则建立了轴向应变引起的弯曲曲率模型，最终建立了不同辊径比下的蛇形轧制的弯曲曲率模型。考虑到厚度方向变形的不均匀性，在建模过程中引入均匀系数E，使模型更加精确。采用Ansys模拟和实验数据进行了模型精度的间接验证。结果表明，与模拟和间接实验结果相比，最大和最小相对误差分别为10.71%和0.34%，证实了模型精度，可应用于弯曲曲率预测及控制；同时研究了不同工艺参数（偏移量、辊径比、压下量、工件初始厚度等）对弯曲曲率的影响规律。研究结果为厚规格铝板蛇形轧制生产提供重要理论和技术支持。
蛇形轧制作为一种新型的轧制工艺为高性能厚铝板生产提供了一种新方法，但是传统的异步轧制弯曲曲率模型不能用于蛇形轧制，蛇形轧制缺少精准的轧后曲率计算模型。根据变形区的特征及中性点的位置，确定了变形区组成及其存在边界条件；塑性变形区最多可分成4个区，对不同组成情况的变形区进行了分析，建立了各种情况下单位压力和上、下部分累积剪应变偏差模型，在此基础上建立了剪切应变引起的弯曲曲率模型，根据流动准则建立了轴向应变引起的弯曲曲率模型，最终建立了不同辊径比下的蛇形轧制的弯曲曲率模型。考虑到厚度方向变形的不均匀性，在建模过程中引入均匀系数E，使模型更加精确。采用Ansys模拟和实验数据进行了模型精度的间接验证。结果表明，与模拟和间接实验结果相比，最大和最小相对误差分别为10.71%和0.34%，证实了模型精度，可应用于弯曲曲率预测及控制；同时研究了不同工艺参数（偏移量、辊径比、压下量、工件初始厚度等）对弯曲曲率的影响规律。研究结果为厚规格铝板蛇形轧制生产提供重要理论和技术支持。
2021, 50(5):1635-1640.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200474
摘要:
本文通过收集并总结已报道的18种共晶高熵合金的整体成分和各相成分等信息分别计算了反映其性质的一些参数,包括混合焓、混合熵、吉布斯自由能、原子尺寸实配度、电负性差和价电子数,并从热力学角度分析了这些参数对合金结构的影响规律。发现共晶高熵合金整体成分计算出的混合熵等值基本均满足传统高熵合金形成单相固溶体的结构判据要求(即△Smix >11 J/(mol·K)、-15 kJ/mol < △Hmix < 5 kJ/mol、δ < 6.6%等),但是由于其共晶相的平均自由能低于其整体形成单相时的总自由能,这使得共晶高熵合金在凝固过程中发生共晶反应,形成多相结构。
本文通过收集并总结已报道的18种共晶高熵合金的整体成分和各相成分等信息分别计算了反映其性质的一些参数,包括混合焓、混合熵、吉布斯自由能、原子尺寸实配度、电负性差和价电子数,并从热力学角度分析了这些参数对合金结构的影响规律。发现共晶高熵合金整体成分计算出的混合熵等值基本均满足传统高熵合金形成单相固溶体的结构判据要求(即△Smix >11 J/(mol·K)、-15 kJ/mol < △Hmix < 5 kJ/mol、δ < 6.6%等),但是由于其共晶相的平均自由能低于其整体形成单相时的总自由能,这使得共晶高熵合金在凝固过程中发生共晶反应,形成多相结构。
2021, 50(5):1641-1648.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200452
摘要:
以Ni、Cr、Mo、Cu元素粉末为原料,基于活化反应烧结方法制备NiCrMoCu多孔材料,表征了不同Cr含量的物相组成、体积膨胀率、孔结构和孔隙形貌,探讨了孔隙产生机制。结果表明：多孔材料的孔径、孔隙率、体积膨胀率等随Cr质量分数上升而增大。Cr质量分数为30%时,多孔材料的开孔隙率为42.10%,总孔隙率为48.36%,体积膨胀率为12.60%,平均孔径为13.32 μm,透气率为96.3 m3.m-2.kpa-1.h-1。计算了Cr,Mo,Cu各原子在1150℃下不同基体元素中的扩散速率,结果表明Cr原子在Ni和Cu原子中扩散速率分别为1.61×10-14 和8.22××10-13m2?s-1,远高于Mo和Cu各原子的扩散迁移速率。研究了NiCrMoCu多孔材料的造孔机制,主要为粉末压制过程中产生的间隙孔；Cr和Mo,Cu 原子在不同基体中元素扩散速率不同引起的Kirkendall效应。
以Ni、Cr、Mo、Cu元素粉末为原料,基于活化反应烧结方法制备NiCrMoCu多孔材料,表征了不同Cr含量的物相组成、体积膨胀率、孔结构和孔隙形貌,探讨了孔隙产生机制。结果表明：多孔材料的孔径、孔隙率、体积膨胀率等随Cr质量分数上升而增大。Cr质量分数为30%时,多孔材料的开孔隙率为42.10%,总孔隙率为48.36%,体积膨胀率为12.60%,平均孔径为13.32 μm,透气率为96.3 m3.m-2.kpa-1.h-1。计算了Cr,Mo,Cu各原子在1150℃下不同基体元素中的扩散速率,结果表明Cr原子在Ni和Cu原子中扩散速率分别为1.61×10-14 和8.22××10-13m2?s-1,远高于Mo和Cu各原子的扩散迁移速率。研究了NiCrMoCu多孔材料的造孔机制,主要为粉末压制过程中产生的间隙孔；Cr和Mo,Cu 原子在不同基体中元素扩散速率不同引起的Kirkendall效应。
2021, 50(5):1649-1655.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200899
摘要:
针对电弧增材制造Al-Cu合金力学性能非均匀问题,采用不同成分的丝材研究了Cu含量及Fe、Si杂质含量对热处理后成形组织及力学性能的影响。研究结果表明：Cu含量低(5.3 wt%),α(Al)基体中固溶Cu含量不足,成形试样屈服强度显著降低,Cu含量适中(5.8-6.5wt%),成形组织中残余少量θ相(Al2Cu),对塑性影响较小,成形试样强度提高；在Cu含量适中、Si含量较低(ω(Si)<0.08wt%)时,随着Fe含量增加,成形组织中残余的块状或条状α(Fe)相增加,α(Al)基体中固溶Cu含量减少,成形试样屈服强度降低；在Cu含量适中,Fe、Si含量较高时(>0.15wt%),成形试样层间形成的针状β(Fe)相增加,垂直方向塑性显著降低；严格控制丝材中Fe、Si杂质含量(Si<0.08wt%,Fe<0.15wt%),Cu含量适中(5.8-6.5wt%),成形试样无明显各向异性,平均抗拉强度、屈服强度、断后伸长率分别超过440MPa、300MPa、10%。
针对电弧增材制造Al-Cu合金力学性能非均匀问题,采用不同成分的丝材研究了Cu含量及Fe、Si杂质含量对热处理后成形组织及力学性能的影响。研究结果表明：Cu含量低(5.3 wt%),α(Al)基体中固溶Cu含量不足,成形试样屈服强度显著降低,Cu含量适中(5.8-6.5wt%),成形组织中残余少量θ相(Al2Cu),对塑性影响较小,成形试样强度提高；在Cu含量适中、Si含量较低(ω(Si)<0.08wt%)时,随着Fe含量增加,成形组织中残余的块状或条状α(Fe)相增加,α(Al)基体中固溶Cu含量减少,成形试样屈服强度降低；在Cu含量适中,Fe、Si含量较高时(>0.15wt%),成形试样层间形成的针状β(Fe)相增加,垂直方向塑性显著降低；严格控制丝材中Fe、Si杂质含量(Si<0.08wt%,Fe<0.15wt%),Cu含量适中(5.8-6.5wt%),成形试样无明显各向异性,平均抗拉强度、屈服强度、断后伸长率分别超过440MPa、300MPa、10%。
2021, 50(5):1760-1766.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200435
摘要:
为研究TA15钛合金成形方式与成形方向对显微组织以及超声参量的影响规律,进而明晰材料声学特性,以锻造和激光沉积制造TA15钛合金为研究对象,制备含有相同横通孔缺陷的相同规格尺寸检测试样,使用超声波无损检测设备对试样不同成形方向进行检测以获取试样缺陷处幅值、纵波声速和超声波衰减系数,并利用光学显微镜(OM)对显微组织进行观测。结果表明：成形方式会对组织特征产生影响,进而影响超声参量；激光沉积制造试样组织各向异性明显,致使不同成形方向超声参量差异较大；双重退火态与沉积态试样相比显微组织中板条状ɑ相长宽比减小,导致各向纵波声速平均减小167 m/s,衰减系数增大13%~20%；而相比于锻造态试样,在宏观组织和微观组织差异的共同作用下,其X向与Z向纵波声速分别降低392 m/s与466 m/s,衰减系数分别增大39%、55%。研究成果对激光增材制件的超声波无损检测以及TA15钛合金材料内部缺陷的无损评估有一定参考价值。
为研究TA15钛合金成形方式与成形方向对显微组织以及超声参量的影响规律,进而明晰材料声学特性,以锻造和激光沉积制造TA15钛合金为研究对象,制备含有相同横通孔缺陷的相同规格尺寸检测试样,使用超声波无损检测设备对试样不同成形方向进行检测以获取试样缺陷处幅值、纵波声速和超声波衰减系数,并利用光学显微镜(OM)对显微组织进行观测。结果表明：成形方式会对组织特征产生影响,进而影响超声参量；激光沉积制造试样组织各向异性明显,致使不同成形方向超声参量差异较大；双重退火态与沉积态试样相比显微组织中板条状ɑ相长宽比减小,导致各向纵波声速平均减小167 m/s,衰减系数增大13%~20%；而相比于锻造态试样,在宏观组织和微观组织差异的共同作用下,其X向与Z向纵波声速分别降低392 m/s与466 m/s,衰减系数分别增大39%、55%。研究成果对激光增材制件的超声波无损检测以及TA15钛合金材料内部缺陷的无损评估有一定参考价值。
2021, 50(5):1767-1774.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200442
摘要:
采用自主开发的旋转盘离心雾化实验装置进行雾化制备增材制造用铝合金粉末实验研究,通过开展雾化盘实验研究优选出粒度分布较均匀收得率较好的盘形,并获得其结构和工艺参数的影响规律；通过对制得的铝合金粉末性能和3D打印成型件物理性能进行检测,结果表明：离心雾化制备的铝合金粉末具有高流动性、窄粒度、高球形度、高松比,表面光洁无卫星粉,无空心粉等特点,同时3D打印离心雾化样件熔覆道均匀,孔洞缺陷少,致密度和力学性能明显优于气雾化样件,尤其是抗拉强度和屈服强达到495MPa和320MPa,相比气雾化粉打印样件提高近10%。
采用自主开发的旋转盘离心雾化实验装置进行雾化制备增材制造用铝合金粉末实验研究,通过开展雾化盘实验研究优选出粒度分布较均匀收得率较好的盘形,并获得其结构和工艺参数的影响规律；通过对制得的铝合金粉末性能和3D打印成型件物理性能进行检测,结果表明：离心雾化制备的铝合金粉末具有高流动性、窄粒度、高球形度、高松比,表面光洁无卫星粉,无空心粉等特点,同时3D打印离心雾化样件熔覆道均匀,孔洞缺陷少,致密度和力学性能明显优于气雾化样件,尤其是抗拉强度和屈服强达到495MPa和320MPa,相比气雾化粉打印样件提高近10%。
2021, 50(5):1775-1780.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200451
摘要:
本文以一种新型高强耐蚀钛合金为研究对象，对钛合金热轧板材进行固溶时效热处理，研究固溶时效工艺对新型高强耐蚀钛合金板材微观组织、力学性能与腐蚀性能的影响规律。结果表明：当固溶温度由900 ℃升高至930 ℃，等轴α相和β转变组织明显增多，且皆为等轴组织形貌；当固溶温度升高至960 ℃时，等轴α相和β转变组织减少，并出现大量针状次生α相，其组织由等轴组织转变为双态组织。随固溶温度升高，板材强度和硬度增加，塑性逐渐降低，而腐蚀电流密度和腐蚀速率呈现先降低后增加的趋势。新型高强耐蚀钛合金板材900 ℃固溶30 min、580 ℃时效3h后综合力学性能最佳，其耐腐蚀性能较好。
本文以一种新型高强耐蚀钛合金为研究对象，对钛合金热轧板材进行固溶时效热处理，研究固溶时效工艺对新型高强耐蚀钛合金板材微观组织、力学性能与腐蚀性能的影响规律。结果表明：当固溶温度由900 ℃升高至930 ℃，等轴α相和β转变组织明显增多，且皆为等轴组织形貌；当固溶温度升高至960 ℃时，等轴α相和β转变组织减少，并出现大量针状次生α相，其组织由等轴组织转变为双态组织。随固溶温度升高，板材强度和硬度增加，塑性逐渐降低，而腐蚀电流密度和腐蚀速率呈现先降低后增加的趋势。新型高强耐蚀钛合金板材900 ℃固溶30 min、580 ℃时效3h后综合力学性能最佳，其耐腐蚀性能较好。
2021, 50(5):1781-1786.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200455
摘要:
通过对预先将钛酸锂(Li4Ti5O12,LTO)材料组装的电池进行预充电脱锂(活化)的方式改变其结构,增强嵌锂能力,制备出高比容量Li4Ti5O12；然后以CMF(碳纳米管宏观膜)为集流体,替代金属箔集流体改善活性物质与集流体的结合界面,提高其电化学稳定性,最终得到具有高比容量及高稳定性的LTO电极。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等表征技术进行表征。结果表明：经过预脱锂活化后的LTO可容纳锂离子的空位增加,晶面间距发生显著的增大,经测试其在1C倍率能发挥192.7 mAh/g的比容量,比正常的Li4Ti5O12材料提高约30 mAh/g；引入的CMF集流体能增强与活性材料的结合力,减小其在大电流下产生的接触阻抗,使其在5C倍率下仍具有150 mAh/g的比容量,表现出优异的倍率性能。
通过对预先将钛酸锂(Li4Ti5O12,LTO)材料组装的电池进行预充电脱锂(活化)的方式改变其结构,增强嵌锂能力,制备出高比容量Li4Ti5O12；然后以CMF(碳纳米管宏观膜)为集流体,替代金属箔集流体改善活性物质与集流体的结合界面,提高其电化学稳定性,最终得到具有高比容量及高稳定性的LTO电极。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等表征技术进行表征。结果表明：经过预脱锂活化后的LTO可容纳锂离子的空位增加,晶面间距发生显著的增大,经测试其在1C倍率能发挥192.7 mAh/g的比容量,比正常的Li4Ti5O12材料提高约30 mAh/g；引入的CMF集流体能增强与活性材料的结合力,减小其在大电流下产生的接触阻抗,使其在5C倍率下仍具有150 mAh/g的比容量,表现出优异的倍率性能。
2021, 50(5):1787-1794.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200463
摘要:
高温钛合金网格筋壁板相较于传统的铝合金筋壁板结构效率更高,但是常温下钛合金整体壁板难以成形。利用电流电致塑性效应和焦耳热效应能有效降低成形载荷、提高成形极限,并且能有效避免钛合金加热氧化严重的问题。本文建立了Ti55整体壁板电脉冲辅助压弯成形的电-热-力耦合有限元模型,并对不同成形工艺参数和壁板几何参数进行模拟,结果表明在壁板两端施加8A/mm2电流密度时,压弯成形温度区间比较合适。整体壁板随着筋条高度的增加,失稳屈曲程度越来越大,筋条失稳时所需的临界载荷越小,筋条的稳定性越差。腹板厚度主要是影响筋条的温度从而影响筋条的失稳情况。整体壁板横向筋条间距增大,筋条稳定性越差,筋条失稳屈曲也越严重。
高温钛合金网格筋壁板相较于传统的铝合金筋壁板结构效率更高,但是常温下钛合金整体壁板难以成形。利用电流电致塑性效应和焦耳热效应能有效降低成形载荷、提高成形极限,并且能有效避免钛合金加热氧化严重的问题。本文建立了Ti55整体壁板电脉冲辅助压弯成形的电-热-力耦合有限元模型,并对不同成形工艺参数和壁板几何参数进行模拟,结果表明在壁板两端施加8A/mm2电流密度时,压弯成形温度区间比较合适。整体壁板随着筋条高度的增加,失稳屈曲程度越来越大,筋条失稳时所需的临界载荷越小,筋条的稳定性越差。腹板厚度主要是影响筋条的温度从而影响筋条的失稳情况。整体壁板横向筋条间距增大,筋条稳定性越差,筋条失稳屈曲也越严重。
2021, 50(5):1795-1802.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200464
摘要:
采用挤压铸造法制备TiB2/Al复合材料并发现其在低载高速下具有自润滑特性，因此借助于摩擦试验研究了载荷、滑动速度、摩擦副对该材料摩擦行为的影响。结果表明，低载高速条件下TiB2/Al复合材料与GCr15轴承钢常温干摩擦时，随着滑动时间的延长，平均摩擦系数未出现明显的摩擦系数上升或下降的过渡现象，仅瞬时摩擦系数呈现出了不同程度的湍流波动状态。滑动速度为0.8m/s时，随着载荷的增大，TiB2/Al复合材料与GCr15干摩擦的平均摩擦系数基本不变，但瞬时摩擦系数的波动幅度减小，摩擦系数的标准偏差减小。载荷为0.49N时，随着滑动速度的增大，平均摩擦系数没有明显的变化，在0.165-0.255之间波动。与等速度变载荷时相比，等载荷变速度条件下TiB2/Al复合材料的摩擦系数分散性比较大。采用GCr15为摩擦副时，TiB2/Al复合材料的瞬时摩擦系数湍流波动较复合材料自摩擦时要大些。自磨时复合材料的平均摩擦系数为0.08左右，与GCr15对磨时平均摩擦系数为0.18左右。
采用挤压铸造法制备TiB2/Al复合材料并发现其在低载高速下具有自润滑特性，因此借助于摩擦试验研究了载荷、滑动速度、摩擦副对该材料摩擦行为的影响。结果表明，低载高速条件下TiB2/Al复合材料与GCr15轴承钢常温干摩擦时，随着滑动时间的延长，平均摩擦系数未出现明显的摩擦系数上升或下降的过渡现象，仅瞬时摩擦系数呈现出了不同程度的湍流波动状态。滑动速度为0.8m/s时，随着载荷的增大，TiB2/Al复合材料与GCr15干摩擦的平均摩擦系数基本不变，但瞬时摩擦系数的波动幅度减小，摩擦系数的标准偏差减小。载荷为0.49N时，随着滑动速度的增大，平均摩擦系数没有明显的变化，在0.165-0.255之间波动。与等速度变载荷时相比，等载荷变速度条件下TiB2/Al复合材料的摩擦系数分散性比较大。采用GCr15为摩擦副时，TiB2/Al复合材料的瞬时摩擦系数湍流波动较复合材料自摩擦时要大些。自磨时复合材料的平均摩擦系数为0.08左右，与GCr15对磨时平均摩擦系数为0.18左右。
2021, 50(5):1803-1811.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200467
摘要:
采用光学显微镜、扫描电镜、扫描透射电镜和电子背散射衍射等分析方法研究了7020铝合金型材疲劳行为及微观机制。研究结果表明在应力比R为0、疲劳极限寿命取107周次时,合金疲劳强度为232.9MPa。疲劳裂纹尖端应力强度因子ΔK=8MPa.m1/2时,裂纹扩展速率约为6.44×10-5mm/cycle。合金中尺寸在3~12μm的粗大难熔结晶相不仅易成为疲劳裂纹源,也会加速疲劳裂纹扩展。在未再结晶区域,疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展。当裂纹扩展到易滑移平面取向差较大的再结晶小晶粒时,裂纹易沿其大角度晶界快速扩展。合金再结晶程度及其对应的大角度晶界占比越低时,疲劳裂纹扩展路径越曲折,扩展速率越慢。
采用光学显微镜、扫描电镜、扫描透射电镜和电子背散射衍射等分析方法研究了7020铝合金型材疲劳行为及微观机制。研究结果表明在应力比R为0、疲劳极限寿命取107周次时,合金疲劳强度为232.9MPa。疲劳裂纹尖端应力强度因子ΔK=8MPa.m1/2时,裂纹扩展速率约为6.44×10-5mm/cycle。合金中尺寸在3~12μm的粗大难熔结晶相不仅易成为疲劳裂纹源,也会加速疲劳裂纹扩展。在未再结晶区域,疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展。当裂纹扩展到易滑移平面取向差较大的再结晶小晶粒时,裂纹易沿其大角度晶界快速扩展。合金再结晶程度及其对应的大角度晶界占比越低时,疲劳裂纹扩展路径越曲折,扩展速率越慢。
2021, 50(5):1812-1816.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200471
摘要:
镁作为一种优质的金属材料广泛的应用于各个领域,人们对于镁分子层面的研究很少。本文主要是运用分子动力学的模拟方法,研究了拉伸速率为10^10s^-1下温度对于单晶镁性能的影响,并对结果进行应力应变分析,势能应变分析,共近邻分析,位错密度分析等操作。结果表明：随着温度的升高,单晶镁的抗拉强度峰值降低,各峰值点产生时对应的应变值随着温度的升高在逐渐的减小；在应力峰值出现前HCP首先转化成Other结构且没有位错产生,在应力峰值过后FCC,BCC结构出现同时产生位错,其中位错主要为1/3<-1100>位错和未知结构位错,对应的晶体结构的转化与位错的产生大约滞后应力峰值点0.45%左右的应变值,并且温度对于滞后值的影响不大,晶体结构的转化和位错的产生也随着温度的升高提前发生。
镁作为一种优质的金属材料广泛的应用于各个领域,人们对于镁分子层面的研究很少。本文主要是运用分子动力学的模拟方法,研究了拉伸速率为10^10s^-1下温度对于单晶镁性能的影响,并对结果进行应力应变分析,势能应变分析,共近邻分析,位错密度分析等操作。结果表明：随着温度的升高,单晶镁的抗拉强度峰值降低,各峰值点产生时对应的应变值随着温度的升高在逐渐的减小；在应力峰值出现前HCP首先转化成Other结构且没有位错产生,在应力峰值过后FCC,BCC结构出现同时产生位错,其中位错主要为1/3<-1100>位错和未知结构位错,对应的晶体结构的转化与位错的产生大约滞后应力峰值点0.45%左右的应变值,并且温度对于滞后值的影响不大,晶体结构的转化和位错的产生也随着温度的升高提前发生。
2021, 50(5):1817-1825.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200480
摘要:
以水玻璃和碳酸氢钠作为硅胶原料,采用溶胶-凝胶法将钼离子负载到硅胶表面以制备钼系抗菌硅胶,通过单因素实验得到了其最佳制备条件。利用XRD、ICP、SEM、EDS、XPS、BET等对材料的晶体结构、离子浓度、表观形貌、负载形式、比表面积等进行了表征。另外,通过平板涂布法对样品的抗菌性能进行了检测；观察不同光源下亚甲基蓝溶液的降解情况,检测了复合材料的光催化效果。最后,结合表征和检测结果对材料抗菌机理和光催化机理进行了探讨。结果表明：在未改变硅胶结构形态的基础上成功制备无定型钼系光催化抗菌材料且对大肠杆菌的杀菌效果良好；在紫外和可见光条件下对亚甲基蓝溶液均有理想的降解效果；该材料具有光催化抗菌材料独特特点,既有抗菌效果也有光降解功能,同时还有良好的循环性。
以水玻璃和碳酸氢钠作为硅胶原料,采用溶胶-凝胶法将钼离子负载到硅胶表面以制备钼系抗菌硅胶,通过单因素实验得到了其最佳制备条件。利用XRD、ICP、SEM、EDS、XPS、BET等对材料的晶体结构、离子浓度、表观形貌、负载形式、比表面积等进行了表征。另外,通过平板涂布法对样品的抗菌性能进行了检测；观察不同光源下亚甲基蓝溶液的降解情况,检测了复合材料的光催化效果。最后,结合表征和检测结果对材料抗菌机理和光催化机理进行了探讨。结果表明：在未改变硅胶结构形态的基础上成功制备无定型钼系光催化抗菌材料且对大肠杆菌的杀菌效果良好；在紫外和可见光条件下对亚甲基蓝溶液均有理想的降解效果；该材料具有光催化抗菌材料独特特点,既有抗菌效果也有光降解功能,同时还有良好的循环性。
2021, 50(5):1826-1832.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200481
摘要:
本文通过显微组织分析和力学性能测试等试验手段，研究了热处理对Mg-4Y-3Nd-1.5Al合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:铸态合金组织中第二相主要为Mg5RE、Mg24RE5和Al2RE相，经固溶处理后（525℃×6h+550℃×12h），Mg5RE、Mg24RE5相完全溶解，Al2RE不发生溶解。Mg-4Y-3Nd-1.5Al合金具有明显的时效硬化行为，经固溶+时效处理后，合金的力学性能显著提高。经固溶（525℃×6h+550℃×12h）+峰时效（225℃×10h）处理后，Mg-4Y-3Nd-1.5Al合金屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为:185MPa、262MPa和6.5%。获得良好的力学性能与合金中析出高密度的细小β""和β"相有关。
本文通过显微组织分析和力学性能测试等试验手段，研究了热处理对Mg-4Y-3Nd-1.5Al合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:铸态合金组织中第二相主要为Mg5RE、Mg24RE5和Al2RE相，经固溶处理后（525℃×6h+550℃×12h），Mg5RE、Mg24RE5相完全溶解，Al2RE不发生溶解。Mg-4Y-3Nd-1.5Al合金具有明显的时效硬化行为，经固溶+时效处理后，合金的力学性能显著提高。经固溶（525℃×6h+550℃×12h）+峰时效（225℃×10h）处理后，Mg-4Y-3Nd-1.5Al合金屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为:185MPa、262MPa和6.5%。获得良好的力学性能与合金中析出高密度的细小β""和β"相有关。
2021, 50(5):1833-1839.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200488
摘要:
本文研究了2A70铝合金在激光标印、振动标印后的高周疲劳性能及断裂机理。结果表明,与母材相比,振动标印后2A70合金高周疲劳寿命下降了57%,而激光标印后下降了94%,仅是振动标印疲劳寿命的14%；与激光标印相比,振动标印附近的形貌更为平缓,应力集中程度更小,S"相尺寸更小,体积分数更高；Al9FeNi相尺寸更小,体积分数更高,裂纹萌生、扩展速率更低,疲劳寿命更长；应力集中的程度和析出相尺寸、体积分数的共同作用,导致振动标印下的2A70铝合金高周疲劳性能远远优于激光标印。
本文研究了2A70铝合金在激光标印、振动标印后的高周疲劳性能及断裂机理。结果表明,与母材相比,振动标印后2A70合金高周疲劳寿命下降了57%,而激光标印后下降了94%,仅是振动标印疲劳寿命的14%；与激光标印相比,振动标印附近的形貌更为平缓,应力集中程度更小,S"相尺寸更小,体积分数更高；Al9FeNi相尺寸更小,体积分数更高,裂纹萌生、扩展速率更低,疲劳寿命更长；应力集中的程度和析出相尺寸、体积分数的共同作用,导致振动标印下的2A70铝合金高周疲劳性能远远优于激光标印。
2021, 50(5):1840-1852.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200814
摘要:
开发循环稳定性好,着/褪色响应快,变色效率高的薄膜是电致变色材料的研究重点。与有机材料相比,无机材料的稳定性更强,实用性更好。通过构筑高孔隙率、低电阻率、大比表面积和多活性位点的微纳结构活性薄膜,能有效提高电致变色性能。本文阐述了电致变色器件的变色原理,详细介绍了介孔结构、纳米阵列结构及核壳结构等特殊微纳结构无机电致变色薄膜的性能优势和发展现状,进而探讨了微纳结构薄膜存在的瓶颈问题和发展趋势,有利于精准拓展研究思路,对推动无机电致变材料的发展与应用具有指导作用。
开发循环稳定性好,着/褪色响应快,变色效率高的薄膜是电致变色材料的研究重点。与有机材料相比,无机材料的稳定性更强,实用性更好。通过构筑高孔隙率、低电阻率、大比表面积和多活性位点的微纳结构活性薄膜,能有效提高电致变色性能。本文阐述了电致变色器件的变色原理,详细介绍了介孔结构、纳米阵列结构及核壳结构等特殊微纳结构无机电致变色薄膜的性能优势和发展现状,进而探讨了微纳结构薄膜存在的瓶颈问题和发展趋势,有利于精准拓展研究思路,对推动无机电致变材料的发展与应用具有指导作用。
2021, 50(5):1853-1859.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200457
摘要:
树脂基碳纤维增强复合材料（CFRP）作为新型轻质结构复合材料，广泛应用于航空航天器件的零部件中。CFRP与航空常用金属传统连接主要有胶接和机械连接，但具有一定的局限性。激光连接技术具有能量密度高，可控性好等特点，可用于复合材料和金属的连接。本文针对当前树脂基CFRP与金属（铝合金、钛合金、钢等）激光连接接头成形机理以及接头缺陷进行了综述，同时分析了焊接工艺、组织结构优化以及焊前金属表面处理对接头成形的调控，并对CFRP/金属激光连接的发展趋势提出了展望。
树脂基碳纤维增强复合材料（CFRP）作为新型轻质结构复合材料，广泛应用于航空航天器件的零部件中。CFRP与航空常用金属传统连接主要有胶接和机械连接，但具有一定的局限性。激光连接技术具有能量密度高，可控性好等特点，可用于复合材料和金属的连接。本文针对当前树脂基CFRP与金属（铝合金、钛合金、钢等）激光连接接头成形机理以及接头缺陷进行了综述，同时分析了焊接工艺、组织结构优化以及焊前金属表面处理对接头成形的调控，并对CFRP/金属激光连接的发展趋势提出了展望。
2021, 50(5):1860-1866.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200459
摘要:
高温合金因优良的综合高温性能在航空航天、石油化工等领域有广泛应用,高温合金环锻件主要用于机匣、燃烧室、密封环等部件。随着高性能航空发动机的发展,对高品质高温合金环锻件的需求日益增加。以往高温合金研究重点在于涡轮盘和叶片材料的合金优化设计、制备工艺和变形机理研究等,而对高温合金环锻件研究报道稍显薄弱。为此,本文总结了高温合金环形件环轧技术的发展、数值模拟在高温合金环轧技术探索中的应用、主要高温合金环锻件材料的种类以及高温合金环锻件组织控制的难点,以期为高品质高温合金环锻件的研发和制备提供一定的理论参考。
高温合金因优良的综合高温性能在航空航天、石油化工等领域有广泛应用,高温合金环锻件主要用于机匣、燃烧室、密封环等部件。随着高性能航空发动机的发展,对高品质高温合金环锻件的需求日益增加。以往高温合金研究重点在于涡轮盘和叶片材料的合金优化设计、制备工艺和变形机理研究等,而对高温合金环锻件研究报道稍显薄弱。为此,本文总结了高温合金环形件环轧技术的发展、数值模拟在高温合金环轧技术探索中的应用、主要高温合金环锻件材料的种类以及高温合金环锻件组织控制的难点,以期为高品质高温合金环锻件的研发和制备提供一定的理论参考。
2021, 50(5):1867-1882.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200462
摘要:
稀有材料Ti-Al系金属间化合物的本征脆性在一定程度上限制了精密加工技术的选择和在航空航天、国防等领域的应用，为促进此类材料精密加工的适应性及获得高质量的表面，本文对Ti-Al系金属间化合物的精密加工技术进行综述。首先对此类材料的特性及精密加工技术进行总体概括；其次从材料的切削性能（材料去除机理、切削力、切削温度、切屑形态和刀具磨损）对其可加工性进行分析，并对材料加工后的表面完整性（表面粗糙度、表面缺陷、残余应力、加工硬化和金相组织）进行总结；最后，对应用于Ti-Al系金属间化合物所采用的超声振动辅助加工技术进行展望，以期为此类材料的加工提供一定的理论依据和技术支撑。
稀有材料Ti-Al系金属间化合物的本征脆性在一定程度上限制了精密加工技术的选择和在航空航天、国防等领域的应用，为促进此类材料精密加工的适应性及获得高质量的表面，本文对Ti-Al系金属间化合物的精密加工技术进行综述。首先对此类材料的特性及精密加工技术进行总体概括；其次从材料的切削性能（材料去除机理、切削力、切削温度、切屑形态和刀具磨损）对其可加工性进行分析，并对材料加工后的表面完整性（表面粗糙度、表面缺陷、残余应力、加工硬化和金相组织）进行总结；最后，对应用于Ti-Al系金属间化合物所采用的超声振动辅助加工技术进行展望，以期为此类材料的加工提供一定的理论依据和技术支撑。
