2021年第50卷第6期文章目次
2021, 50(6):1883-1889.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200020
摘要:
为了获取TC11钛合金拉伸性能随应变率的变化规律，对该材料开展了宽应变率范围下的单轴拉伸试验。结果表明，随着应变率从准静态增加到动态，TC11钛合金的屈服强度略有上升，而应变硬化模量下降。此外，在准静态和动态拉伸下，TC11钛合金均发生了剪切断裂，但动态断裂面上韧窝尺寸小于准静态断面上韧窝尺寸。进一步对材料在变形过程中的温升进行了分析，结果发现，高应变率下材料断裂面上更小尺寸的韧窝和材料更容易发生应变软化归因于动态加载情况下材料中产生了更高的温升。
为了获取TC11钛合金拉伸性能随应变率的变化规律，对该材料开展了宽应变率范围下的单轴拉伸试验。结果表明，随着应变率从准静态增加到动态，TC11钛合金的屈服强度略有上升，而应变硬化模量下降。此外，在准静态和动态拉伸下，TC11钛合金均发生了剪切断裂，但动态断裂面上韧窝尺寸小于准静态断面上韧窝尺寸。进一步对材料在变形过程中的温升进行了分析，结果发现，高应变率下材料断裂面上更小尺寸的韧窝和材料更容易发生应变软化归因于动态加载情况下材料中产生了更高的温升。
2021, 50(6):1890-1895.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200370
摘要:
合成制备了一系列的Ta2O5-Y2O3掺杂的ZrO2（TYSZ）。研究了掺杂剂含量对处理相结构、相稳定性、断裂韧性、热膨胀系数和导热系数的影响，同时探讨了应力条件下TYSZ的响应机制。结果表明，掺杂Ta2O5和Y2O3引起的晶格变形有利于t相稳定。但随着掺杂含量的增加，由于应力诱导的t-m相变被抑制和高温下稳定剂析出倾向增加，高温相稳定性和断裂韧性下降。热膨胀系数和热导率的变化则是由晶体结构的混乱程度和晶格膨胀导致的。16TYSZ具有良好的相稳定性、应力敏感性和热物理性能，是先进热障涂层材料的潜在候选材料。
合成制备了一系列的Ta2O5-Y2O3掺杂的ZrO2（TYSZ）。研究了掺杂剂含量对处理相结构、相稳定性、断裂韧性、热膨胀系数和导热系数的影响，同时探讨了应力条件下TYSZ的响应机制。结果表明，掺杂Ta2O5和Y2O3引起的晶格变形有利于t相稳定。但随着掺杂含量的增加，由于应力诱导的t-m相变被抑制和高温下稳定剂析出倾向增加，高温相稳定性和断裂韧性下降。热膨胀系数和热导率的变化则是由晶体结构的混乱程度和晶格膨胀导致的。16TYSZ具有良好的相稳定性、应力敏感性和热物理性能，是先进热障涂层材料的潜在候选材料。
2021, 50(6):1896-1903.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200233
摘要:
采用分子动力学模拟方法研究不同工艺参数下热喷涂材料的沉积现象。模拟温度、团簇尺寸和喷涂速度对Fe基体上Ni团簇沉积的影响，分析团簇的形貌和基底的亚表面损伤。结果表明，在Ni团簇升温过程中，熔点随团簇尺寸增大而增高，Ni团簇在1800 K左右完全熔融。喷涂过程中，基体因冲击力至无序原子呈“山”型。此外，喷涂速度在沉积过程中起重要作用。在较低喷涂速度下，基体的展平比较低，但在较高喷涂速度下，基体受团簇冲击后会出现空位和原子团簇等缺陷。因此，热喷涂过程存在临界喷涂速度机制。
采用分子动力学模拟方法研究不同工艺参数下热喷涂材料的沉积现象。模拟温度、团簇尺寸和喷涂速度对Fe基体上Ni团簇沉积的影响，分析团簇的形貌和基底的亚表面损伤。结果表明，在Ni团簇升温过程中，熔点随团簇尺寸增大而增高，Ni团簇在1800 K左右完全熔融。喷涂过程中，基体因冲击力至无序原子呈“山”型。此外，喷涂速度在沉积过程中起重要作用。在较低喷涂速度下，基体的展平比较低，但在较高喷涂速度下，基体受团簇冲击后会出现空位和原子团簇等缺陷。因此，热喷涂过程存在临界喷涂速度机制。
2021, 50(6):1904-1909.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200357
摘要:
提升AlN陶瓷粉体的抗水解性能对于其储存和成型加工至关重要。使用一种抗水解涂层作为阻止水分与AlN表面接触的屏障，以提升AlN粉体的抗水解性能。采用化学沉淀工艺在AlN粉体表面制备均匀、全包覆的非晶Y2O3涂层。利用TEM、XPS和Zeta电位测试详细研究了包覆层的有效性和完整性。通过测试室温下水基AlN悬浮液的pH-时间曲线以研究AlN粉体的水解性能。结果表明，经包覆处理的AlN粉体能够在水中保持稳定至48 h，这说明Y2O3表面包覆处理可以有效钝化AlN粉体，从而避免了其水解反应的发生。此外，与球磨工艺引入烧结助剂相比，化学沉淀工艺有利于提升AlN陶瓷的热导率。
提升AlN陶瓷粉体的抗水解性能对于其储存和成型加工至关重要。使用一种抗水解涂层作为阻止水分与AlN表面接触的屏障，以提升AlN粉体的抗水解性能。采用化学沉淀工艺在AlN粉体表面制备均匀、全包覆的非晶Y2O3涂层。利用TEM、XPS和Zeta电位测试详细研究了包覆层的有效性和完整性。通过测试室温下水基AlN悬浮液的pH-时间曲线以研究AlN粉体的水解性能。结果表明，经包覆处理的AlN粉体能够在水中保持稳定至48 h，这说明Y2O3表面包覆处理可以有效钝化AlN粉体，从而避免了其水解反应的发生。此外，与球磨工艺引入烧结助剂相比，化学沉淀工艺有利于提升AlN陶瓷的热导率。
2021, 50(6):1910-1918.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200361
摘要:
研究了功率耗散系数对AZ31合金热加工性和腐蚀行为的影响。结果表明：微量的Ca元素可以促进动态再结晶（DRX）而细化晶粒和形成掺杂微量Ca(OH)2更具保护性的腐蚀产物层从而提高合金热加工性和耐蚀性。失稳区由于不均匀的组织和明显的楔形裂纹耐蚀性差于DRX区域。而且流动局部带造成的楔形裂纹为侵蚀性Cl-的扩散提供了通道并加速了镁基体的进一步腐蚀。Mg-Al-Zn-Mn-Ca合金在400 ℃/0.001 s-1热压缩得到大功率耗散系数和均匀细小组织的DRX区域同时具有优异的热加工性和耐蚀性。
研究了功率耗散系数对AZ31合金热加工性和腐蚀行为的影响。结果表明：微量的Ca元素可以促进动态再结晶（DRX）而细化晶粒和形成掺杂微量Ca(OH)2更具保护性的腐蚀产物层从而提高合金热加工性和耐蚀性。失稳区由于不均匀的组织和明显的楔形裂纹耐蚀性差于DRX区域。而且流动局部带造成的楔形裂纹为侵蚀性Cl-的扩散提供了通道并加速了镁基体的进一步腐蚀。Mg-Al-Zn-Mn-Ca合金在400 ℃/0.001 s-1热压缩得到大功率耗散系数和均匀细小组织的DRX区域同时具有优异的热加工性和耐蚀性。
2021, 50(6):1919-1927.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200019
摘要:
研究了Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd (x=0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，质量分数，%) 镁合金经过470 ℃和10 h固溶处理后的组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明，Gd含量在0%~2.5%范围内，随着Gd含量增加，合金晶粒尺寸逐渐减小。当Gd含量低于1.5%时，合金元素几乎完全固溶于合金基体中，第二相主要由纳米尺度的(Mg，Zn)3Gd析出颗粒组成。当Gd含量在1.5%~2.5%范围时，合金中出现未固溶的微米尺度的(Mg，Zn)3Gd相，并且该相数量和尺寸随着Gd含量增加而增加。由于组织均匀分布和纳米尺寸的第二相颗粒存在，Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。在120 h浸泡实验中，Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金平均腐蚀速率首先降低，然后增加，接着缓慢降低，最后，随着浸泡时间延长，腐蚀速率最终变得稳定。
研究了Mg-0.5Zr-1.8Zn-xGd (x=0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，质量分数，%) 镁合金经过470 ℃和10 h固溶处理后的组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明，Gd含量在0%~2.5%范围内，随着Gd含量增加，合金晶粒尺寸逐渐减小。当Gd含量低于1.5%时，合金元素几乎完全固溶于合金基体中，第二相主要由纳米尺度的(Mg，Zn)3Gd析出颗粒组成。当Gd含量在1.5%~2.5%范围时，合金中出现未固溶的微米尺度的(Mg，Zn)3Gd相，并且该相数量和尺寸随着Gd含量增加而增加。由于组织均匀分布和纳米尺寸的第二相颗粒存在，Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能。在120 h浸泡实验中，Mg-0.5Zr-1.8Zn-1.5Gd合金平均腐蚀速率首先降低，然后增加，接着缓慢降低，最后，随着浸泡时间延长，腐蚀速率最终变得稳定。
2021, 50(6):1928-1934.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200021
摘要:
比较了一种采用半连续铸造-挤压法制备的SAL5356铝合金焊丝与ER5356铝合金焊丝焊接接头常规拉伸力学性能、金相组织、显微硬度以及纳米压痕试验。结果表明，确定的惰性气体保护焊（MIG）焊接工艺参数下，SAL5356铝合金焊丝焊接接头的抗拉强度和屈服强度均优于ER5356铝合金焊丝。在电弧稳定性上，SAL5356铝合金焊丝在低电流时稳定性不如ER5356铝合金焊丝，而在高电流时SAL5356铝合金焊丝稳定性优于ER5356铝合金焊丝。并提出国产焊丝需要进一步提高质量稳定性。
比较了一种采用半连续铸造-挤压法制备的SAL5356铝合金焊丝与ER5356铝合金焊丝焊接接头常规拉伸力学性能、金相组织、显微硬度以及纳米压痕试验。结果表明，确定的惰性气体保护焊（MIG）焊接工艺参数下，SAL5356铝合金焊丝焊接接头的抗拉强度和屈服强度均优于ER5356铝合金焊丝。在电弧稳定性上，SAL5356铝合金焊丝在低电流时稳定性不如ER5356铝合金焊丝，而在高电流时SAL5356铝合金焊丝稳定性优于ER5356铝合金焊丝。并提出国产焊丝需要进一步提高质量稳定性。
2021, 50(6):1935-1940.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200388
摘要:
利用经典形核理论中孕育期计算公式对快速凝固Au-19.25Ag-12.80Ge三元共晶合金的形核进行了分析，得到了各相形核孕育期与熔体温度的关系。从计算结果可以看出，对于快速凝固Au-19.25Ag-12.80Ge钎料，AuAg固溶体的形核孕育期远短于Ge相，AuAg相优先析出，是快速凝固过程中的主要形核相。根据时间依存的瞬态形核理论，对连续冷却条件下的钎料合金临界形核温度、临界形核过冷度和临界形核数进行了计算。结果表明：触发熔体形核所需的初始形核过冷度随着冷却速度的增加而增大，同时临界形核数量也增加明显。
利用经典形核理论中孕育期计算公式对快速凝固Au-19.25Ag-12.80Ge三元共晶合金的形核进行了分析，得到了各相形核孕育期与熔体温度的关系。从计算结果可以看出，对于快速凝固Au-19.25Ag-12.80Ge钎料，AuAg固溶体的形核孕育期远短于Ge相，AuAg相优先析出，是快速凝固过程中的主要形核相。根据时间依存的瞬态形核理论，对连续冷却条件下的钎料合金临界形核温度、临界形核过冷度和临界形核数进行了计算。结果表明：触发熔体形核所需的初始形核过冷度随着冷却速度的增加而增大，同时临界形核数量也增加明显。
2021, 50(6):1941-1945.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200979
摘要:
研究了离子辐照效应对CdZnTe（CZT）晶体光电性能的影响。采用Ar离子对改进的垂直布里奇曼法生长的CZT晶体进行辐照，剂量范围为1014~1015 cm-2。红外透过光谱测试结果表明，辐照前晶体样品的高直型光谱转变为辐照后的上升性光谱。辐照诱导产生的高浓度自由载流子引起的光吸收在红外透过光谱的中红外范围内占主导地位。由于离子辐照发生在单侧照射面的近表面区域，辐照后晶体样品的I-V特性曲线变得极不对称。在负偏压的条件下，电流随着电压的增大而急剧增大。霍尔效应测试结果表明，辐照前晶体样品的净载流子浓度约为106 cm-3，而辐照后的净载流子浓度大幅增加，约为1016 cm-3。CZT晶体的导电类型在离子辐照前后并没有发生变化，施主缺陷能级在辐照诱导缺陷中占主导地位。
研究了离子辐照效应对CdZnTe（CZT）晶体光电性能的影响。采用Ar离子对改进的垂直布里奇曼法生长的CZT晶体进行辐照，剂量范围为1014~1015 cm-2。红外透过光谱测试结果表明，辐照前晶体样品的高直型光谱转变为辐照后的上升性光谱。辐照诱导产生的高浓度自由载流子引起的光吸收在红外透过光谱的中红外范围内占主导地位。由于离子辐照发生在单侧照射面的近表面区域，辐照后晶体样品的I-V特性曲线变得极不对称。在负偏压的条件下，电流随着电压的增大而急剧增大。霍尔效应测试结果表明，辐照前晶体样品的净载流子浓度约为106 cm-3，而辐照后的净载流子浓度大幅增加，约为1016 cm-3。CZT晶体的导电类型在离子辐照前后并没有发生变化，施主缺陷能级在辐照诱导缺陷中占主导地位。
2021, 50(6):1946-1949.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200348
摘要:
研究了Zr-Si-N氢终端金刚石（H-diamond）绝缘栅场效应晶体管（MISFET）在有无Al2O3保护层情况下的电学特性。分别采用原子层沉积法（ALD）和射频溅射法（RF）制备了Al2O3保护层和Zr-Si-N栅介质层。MISFETs的转移特性曲线表明，其栅阈值电压在有无Al2O3保护的情况下从-2.5 V变化到3 V，表明器件从常关型转换为常开型。输出和转移特性曲线揭示了氧化铝的存在保护了氢终端，使其免受磁控溅射过程的损伤。
研究了Zr-Si-N氢终端金刚石（H-diamond）绝缘栅场效应晶体管（MISFET）在有无Al2O3保护层情况下的电学特性。分别采用原子层沉积法（ALD）和射频溅射法（RF）制备了Al2O3保护层和Zr-Si-N栅介质层。MISFETs的转移特性曲线表明，其栅阈值电压在有无Al2O3保护的情况下从-2.5 V变化到3 V，表明器件从常关型转换为常开型。输出和转移特性曲线揭示了氧化铝的存在保护了氢终端，使其免受磁控溅射过程的损伤。
2021, 50(6):1950-1955.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200018
摘要:
研究了Sm-Fe-Zr-Nb合金粉末在高能球磨过程中获得完全非晶态的相变过程。采用X射线衍射、扫描电镜和高分辨率透射电镜分析了研磨时间对Sm-Fe-Zr-Nb合金粉末的相组成及形貌的影响。结果表明：球磨2.5 h左右可得到完整的非晶态微观结构，球磨3 h以上，非晶态基体中析出尺寸约5 nm的α-Fe相，短程有序原子团数量增加。对球磨2.5 h后的非晶合金进行晶化处理后，得到了微观组织均匀的TbCu7型单相合金，等轴晶尺寸约30 nm。该微观组织调控对改善氮化后的磁性能起关键作用。
研究了Sm-Fe-Zr-Nb合金粉末在高能球磨过程中获得完全非晶态的相变过程。采用X射线衍射、扫描电镜和高分辨率透射电镜分析了研磨时间对Sm-Fe-Zr-Nb合金粉末的相组成及形貌的影响。结果表明：球磨2.5 h左右可得到完整的非晶态微观结构，球磨3 h以上，非晶态基体中析出尺寸约5 nm的α-Fe相，短程有序原子团数量增加。对球磨2.5 h后的非晶合金进行晶化处理后，得到了微观组织均匀的TbCu7型单相合金，等轴晶尺寸约30 nm。该微观组织调控对改善氮化后的磁性能起关键作用。
2021, 50(6):1956-1963.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200379
摘要:
基于密度泛函理论（DFT）的第一原理方法计算了四方相和立方相中2种不同的Li7La3Zr2O12（LLZO）固体电解质材料的能带结构，晶格参数，态密度和成键特性。基于理论计算结果，通过电子结构特性解释了四面体相的离子电导率低于立方相的离子电导率的原因。基于LLZO的第一性原理计算，设计了2种晶体结构的LLZO材料，并通过高温固相法制备并分析了不同烧结时间的LLZO颗粒的性能。探索了合成工艺参数对Li7La3Zr2O12性能的影响。立方晶Li7La3Zr2O12（C-LLZO）的平均晶格大小为a=b=c=1.302 246 nm，而四方Li7La3Zr2O12（T-LLZO）的平均晶格大小为a=b=1.313 064 nm，c=1.266 024 nm。在1000 ℃下烧结12 h的C-LLZO为纯立方相，在室温（25 ℃）下最大离子电导率为9.8×10-5 S·cm-1。T-LLZO在室温（25 ℃）下的离子电导率为5.96×10-8 S·cm-1，在800 ℃下烧结6 h具有纯的四方相结构，与计算结果基本吻合。
基于密度泛函理论（DFT）的第一原理方法计算了四方相和立方相中2种不同的Li7La3Zr2O12（LLZO）固体电解质材料的能带结构，晶格参数，态密度和成键特性。基于理论计算结果，通过电子结构特性解释了四面体相的离子电导率低于立方相的离子电导率的原因。基于LLZO的第一性原理计算，设计了2种晶体结构的LLZO材料，并通过高温固相法制备并分析了不同烧结时间的LLZO颗粒的性能。探索了合成工艺参数对Li7La3Zr2O12性能的影响。立方晶Li7La3Zr2O12（C-LLZO）的平均晶格大小为a=b=c=1.302 246 nm，而四方Li7La3Zr2O12（T-LLZO）的平均晶格大小为a=b=1.313 064 nm，c=1.266 024 nm。在1000 ℃下烧结12 h的C-LLZO为纯立方相，在室温（25 ℃）下最大离子电导率为9.8×10-5 S·cm-1。T-LLZO在室温（25 ℃）下的离子电导率为5.96×10-8 S·cm-1，在800 ℃下烧结6 h具有纯的四方相结构，与计算结果基本吻合。
2021, 50(6):1964-1970.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200687
摘要:
利用固体与分子经验电子理论分别计算了α-Al，AlB2与(Al-Si)B2的价电子结构与结合能。结果表明，AlB2最外层的Al-Al原子层相对不稳定，随着Al-Si熔体中Si含量的增加，α-Al和AlB2的结合能均降低。根据计算结果，提出了Al-Si合金中α-Al在AlB2上异质形核的一种全新原子机制。加入Si后，一定量的Si原子进入AlB2，在AlB2表面形成稳定的Al-Si二元原子结构层，提高了AlB2表面的稳定性。这种稳定的二维Al-Si原子层在随后的异质形核过程中起着重要的过渡作用，是AlB2成为α-Al有效异质核心的原子机制。
利用固体与分子经验电子理论分别计算了α-Al，AlB2与(Al-Si)B2的价电子结构与结合能。结果表明，AlB2最外层的Al-Al原子层相对不稳定，随着Al-Si熔体中Si含量的增加，α-Al和AlB2的结合能均降低。根据计算结果，提出了Al-Si合金中α-Al在AlB2上异质形核的一种全新原子机制。加入Si后，一定量的Si原子进入AlB2，在AlB2表面形成稳定的Al-Si二元原子结构层，提高了AlB2表面的稳定性。这种稳定的二维Al-Si原子层在随后的异质形核过程中起着重要的过渡作用，是AlB2成为α-Al有效异质核心的原子机制。
2021, 50(6):1971-1979.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200393
摘要:
将工业纯钛（CP-Ti）板轧制至不同程度，随后进行退火以及进行20%的再轧制。通过电子背散射衍射（EBSD）对合金微观组织的变化进行表征。重新轧制后，｛11
将工业纯钛（CP-Ti）板轧制至不同程度，随后进行退火以及进行20%的再轧制。通过电子背散射衍射（EBSD）对合金微观组织的变化进行表征。重新轧制后，｛11
2021, 50(6):1980-1989.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200390
摘要:
对具有片层状初始组织的Ti600合金的热变形行为进行了研究。变形温度范围为800~960 ℃，应变速率范围为10-3~1 s-1。随后提出了应变硬化指数（n）来表征流动软化和加工硬化之间的竞争。并且通过分析流变曲线和观察显微组织研究了该合金的软化行为。结果表明，变形参数对Ti600合金的流变行为有显著影响。当变形超过峰值应变之后，n值逐渐降低，动态软化过程开始占主导地位。微观组织分析表明：热变形过程中，α相的弯曲、破碎、动态回复和动态再结晶行为是造成Ti600合金软化的主要原因。最后基于实验数据，建立了3种本构模型，分别是应变补偿Arrhenius模型、Hensel-Spittel模型和修正的Arrhenius模型，来表征Ti600合金的流变行为。将3种模型预测的流变应力与实验结果进行比较，并计算其相关系数值和平均相对误差值来评估模型的准确性。3种模型的相关系数值分别为0.965、0.989和0.997，平均相对误差值分别为12.86%，9.74%和3.26%。这些结果表明，这3种模型都可以描述Ti600合金的流变行为，而修正的Arrhenius模型具有最高的预测精度。
对具有片层状初始组织的Ti600合金的热变形行为进行了研究。变形温度范围为800~960 ℃，应变速率范围为10-3~1 s-1。随后提出了应变硬化指数（n）来表征流动软化和加工硬化之间的竞争。并且通过分析流变曲线和观察显微组织研究了该合金的软化行为。结果表明，变形参数对Ti600合金的流变行为有显著影响。当变形超过峰值应变之后，n值逐渐降低，动态软化过程开始占主导地位。微观组织分析表明：热变形过程中，α相的弯曲、破碎、动态回复和动态再结晶行为是造成Ti600合金软化的主要原因。最后基于实验数据，建立了3种本构模型，分别是应变补偿Arrhenius模型、Hensel-Spittel模型和修正的Arrhenius模型，来表征Ti600合金的流变行为。将3种模型预测的流变应力与实验结果进行比较，并计算其相关系数值和平均相对误差值来评估模型的准确性。3种模型的相关系数值分别为0.965、0.989和0.997，平均相对误差值分别为12.86%，9.74%和3.26%。这些结果表明，这3种模型都可以描述Ti600合金的流变行为，而修正的Arrhenius模型具有最高的预测精度。
程功金
,
周新磊
,
高明磊
,
常富增
,
滕艾均
,
邢振兴
,
宋翰林
,
高子先
,
汤卫东
,
赵备备
,
王金龙
,
赵丹
,
刘超
,
李兰杰
,
杨合
,
陈东辉
,
薛向欣
,
白瑞国
,
张卫军
2021, 50(6):1990-1998.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200655
摘要:
为了确定高钛型钒钛磁铁矿烧结过程中铁酸钙的生成是受TiO2还是TiO2和CaO形成的CaTiO3影响，首先利用Fe2O3和CaO的纯试剂合成了铁酸钙，并研究了TiO2和CaTiO3对钛铁酸钙 （FCT） 形成的影响。在Factsage 7.0软件进行热力学计算的基础上，通过在空气气氛下进行烧结，获得了在1023~1423 K温度范围内、不同烧结时间的不同样品。通过X射线衍射和扫描电镜-能谱分析等表征手段，对烧结样品的物相转变和微观结构变化进行了表征。发现FCT的形成过程主要分为2个阶段：前一阶段为1023~1223 K温度范围内Fe2O3与CaO之间的反应，合成产物为Ca2Fe2O5，反应方程式为“Fe2O3(s)+ 2CaO(s)= Ca2Fe2O5(s)”；后一阶段为1223~1423 K温度范围内Ca2Fe2O5和Fe2O3的反应，主要产物为CaFe2O4，反应为“Ca2Fe2O5(s)+ Fe2O3(s)= 2CaFe2O4(s)”，该阶段尤其是温度为1423 K时，反应速率显著加快，随温度的升高CaTiO3显著增加。然而，Ti元素在铁酸钙中的固溶很难实现，TiO2与铁酸钙之间的反应不是形成FCT的有效途径。随着保温时间的延长，CaTiO3和FCT相界中Fe元素含量增加。FCT主要是通过Fe组分在CaTiO3中固溶形成的，主要反应是“Fe2O3+CaTiO3(s)=FCT(s)”。
为了确定高钛型钒钛磁铁矿烧结过程中铁酸钙的生成是受TiO2还是TiO2和CaO形成的CaTiO3影响，首先利用Fe2O3和CaO的纯试剂合成了铁酸钙，并研究了TiO2和CaTiO3对钛铁酸钙 （FCT） 形成的影响。在Factsage 7.0软件进行热力学计算的基础上，通过在空气气氛下进行烧结，获得了在1023~1423 K温度范围内、不同烧结时间的不同样品。通过X射线衍射和扫描电镜-能谱分析等表征手段，对烧结样品的物相转变和微观结构变化进行了表征。发现FCT的形成过程主要分为2个阶段：前一阶段为1023~1223 K温度范围内Fe2O3与CaO之间的反应，合成产物为Ca2Fe2O5，反应方程式为“Fe2O3(s)+ 2CaO(s)= Ca2Fe2O5(s)”；后一阶段为1223~1423 K温度范围内Ca2Fe2O5和Fe2O3的反应，主要产物为CaFe2O4，反应为“Ca2Fe2O5(s)+ Fe2O3(s)= 2CaFe2O4(s)”，该阶段尤其是温度为1423 K时，反应速率显著加快，随温度的升高CaTiO3显著增加。然而，Ti元素在铁酸钙中的固溶很难实现，TiO2与铁酸钙之间的反应不是形成FCT的有效途径。随着保温时间的延长，CaTiO3和FCT相界中Fe元素含量增加。FCT主要是通过Fe组分在CaTiO3中固溶形成的，主要反应是“Fe2O3+CaTiO3(s)=FCT(s)”。
2021, 50(6):1999-2007.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200633
摘要:
氢能的利用越来越受到人们的重视，而氢的储存和运输限制了其广泛的实际应用。镁基合金作为一种固体储氢材料，在储氢领域显示出巨大的潜力。但是，吸放氢温度高，释氢速率慢，阻碍了其工程应用。为了提高镁基合金的储氢能力，目前的研究主要集中在合金成分的优化和加工工艺的改进方面，而纳米细化是最有前途的方法之一。详细介绍了纳米镁的各种制备工艺，包括高能球磨、物理气相沉积、氢化化学气相沉积、液相化学合成和模板法，并分析了各种方法的优缺点。阐述了纳米结构和元素掺杂对镁基合金储氢性能的影响。本研究为储氢领域的材料开发和制备工艺的改进提供参考。
氢能的利用越来越受到人们的重视，而氢的储存和运输限制了其广泛的实际应用。镁基合金作为一种固体储氢材料，在储氢领域显示出巨大的潜力。但是，吸放氢温度高，释氢速率慢，阻碍了其工程应用。为了提高镁基合金的储氢能力，目前的研究主要集中在合金成分的优化和加工工艺的改进方面，而纳米细化是最有前途的方法之一。详细介绍了纳米镁的各种制备工艺，包括高能球磨、物理气相沉积、氢化化学气相沉积、液相化学合成和模板法，并分析了各种方法的优缺点。阐述了纳米结构和元素掺杂对镁基合金储氢性能的影响。本研究为储氢领域的材料开发和制备工艺的改进提供参考。
2021, 50(6):2008-2016.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200339
摘要:
为了解掌握钚（Pu）及其化合物表面氧化腐蚀机理和探索能够有效缓解钚材料氧化腐蚀的环境体系，对国内外开展钚及其化合物表面化学的研究进行了综述，加深了对钚及其化合物在空气中的腐蚀行为的认识；对H2、O2、CO、CO2等活性气体和Xe等稀有气体在钚及其化合物不同表面的吸附行为进行了对比分析，得到一些有益的结论。研究表明，Pu与各种活性气体和稀有气体的相互作用中伴随着电荷的转移，作用机理主要是气体原子分子的不同杂化轨道和Pu7s、Pu6p、Pu6d、Pu5f等杂化轨道相互作用生成了新的化学键，从而导致了相关反应和现象的产生。本研究还从改善研究方法、开展不同相的钚原子的不同表面吸附行为研究和探索防护钚材料氧化腐蚀新体系3个方面对钚及其化合物表面腐蚀研究工作进行了展望。
为了解掌握钚（Pu）及其化合物表面氧化腐蚀机理和探索能够有效缓解钚材料氧化腐蚀的环境体系，对国内外开展钚及其化合物表面化学的研究进行了综述，加深了对钚及其化合物在空气中的腐蚀行为的认识；对H2、O2、CO、CO2等活性气体和Xe等稀有气体在钚及其化合物不同表面的吸附行为进行了对比分析，得到一些有益的结论。研究表明，Pu与各种活性气体和稀有气体的相互作用中伴随着电荷的转移，作用机理主要是气体原子分子的不同杂化轨道和Pu7s、Pu6p、Pu6d、Pu5f等杂化轨道相互作用生成了新的化学键，从而导致了相关反应和现象的产生。本研究还从改善研究方法、开展不同相的钚原子的不同表面吸附行为研究和探索防护钚材料氧化腐蚀新体系3个方面对钚及其化合物表面腐蚀研究工作进行了展望。
2021, 50(6):2017-2024.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200490
摘要:
利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了TiN(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了TiN过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理。根据TiN(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了6种可能的TiN(111)/DLC界面理论构型。结果表明：当TiN(111)以Ti原子为终端时,中心位堆垛界面(Ti-center)的粘附功最大；当TiN以N原子为终端时,顶位堆垛界面(N-top)为最稳定的界面模型,弛豫后的粘附功为8.281 J/m2。差分电荷密度、分态密度、Mulliken布居数的计算结果均表明：Ti-center界面Ti原子和C原子形成的Ti-C键包含共价性和离子性；N-top界面处C原子和N原子形成C-N共价键。相比之下,N-top模型更有可能在TiN/DLC界面中出现。
利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了TiN(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了TiN过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理。根据TiN(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了6种可能的TiN(111)/DLC界面理论构型。结果表明：当TiN(111)以Ti原子为终端时,中心位堆垛界面(Ti-center)的粘附功最大；当TiN以N原子为终端时,顶位堆垛界面(N-top)为最稳定的界面模型,弛豫后的粘附功为8.281 J/m2。差分电荷密度、分态密度、Mulliken布居数的计算结果均表明：Ti-center界面Ti原子和C原子形成的Ti-C键包含共价性和离子性；N-top界面处C原子和N原子形成C-N共价键。相比之下,N-top模型更有可能在TiN/DLC界面中出现。
2021, 50(6):2025-2032.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200919
摘要:
使用Gleeble-3800对锻态Ti6242s钛合金在温度950~1010℃、应变速率0.01~10s-1的条件下进行了75%变形量的热压缩模拟实验。基于实验取得的真应力-真应变曲线，分别使用人工神经网络（ANN）和Arrhenius方程建立Ti6242s合金本构模型，研究其热变形行为。结果表明：流变应力在变形开始后迅速上升至峰值应力，随后硬化与软化达到动态平衡，在真应变达到0.6后加工硬化逐渐占据主导，硬化幅度随应变速率的增大而提高；人工神经网络本构模型预测值的平均相对误差（AARE）为2.5%，相关系数（R）为0.999；Arrhenius方程本构模型预测值的AARE为14.5%，R为0.955，精度在参数范围内波动较大；ANN本构模型精度远高于Arrhenius本构模型，且在整个参数范围内具有一致的精度；ANN本构模型具有良好的泛化能力，在实验参数范围外预测流变应力仍具有较高的精度。
使用Gleeble-3800对锻态Ti6242s钛合金在温度950~1010℃、应变速率0.01~10s-1的条件下进行了75%变形量的热压缩模拟实验。基于实验取得的真应力-真应变曲线，分别使用人工神经网络（ANN）和Arrhenius方程建立Ti6242s合金本构模型，研究其热变形行为。结果表明：流变应力在变形开始后迅速上升至峰值应力，随后硬化与软化达到动态平衡，在真应变达到0.6后加工硬化逐渐占据主导，硬化幅度随应变速率的增大而提高；人工神经网络本构模型预测值的平均相对误差（AARE）为2.5%，相关系数（R）为0.999；Arrhenius方程本构模型预测值的AARE为14.5%，R为0.955，精度在参数范围内波动较大；ANN本构模型精度远高于Arrhenius本构模型，且在整个参数范围内具有一致的精度；ANN本构模型具有良好的泛化能力，在实验参数范围外预测流变应力仍具有较高的精度。
2021, 50(6):2033-2039.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200506
摘要:
通过AZ31镁合金热压缩实验,采用电子背散射衍射(EBSD)技术,对不同变形条件(不同温度、应变速率和变形程度)下镁合金热变形过程中的动态再结晶行为、晶粒取向和织构的产生等现象进行研究。结果表明,变形温度越高,再结晶程度表现的越充分,晶粒组织也越均匀,而变形程度越大或应变速率越小,再结晶程度则越大。在镁合金热变形过程中,变形温度是决定其动态再结晶机制的最大影响因素。300℃时,AZ31镁合金再结晶晶粒在原始晶界和亚晶界处形核,再结晶行为主要由亚晶界的转动形成,表现出典型的连续动态再结晶(CDRX)特征。400℃时,局部剪切变形时再结晶晶粒取向发生偏转,表现出典型的旋转动态再结晶(RDRX)特征。热压缩过程中产生{10-12}拉伸孪生,晶粒重新旋转基面取向形成基面垂直于压缩方向的纤维织构。
通过AZ31镁合金热压缩实验,采用电子背散射衍射(EBSD)技术,对不同变形条件(不同温度、应变速率和变形程度)下镁合金热变形过程中的动态再结晶行为、晶粒取向和织构的产生等现象进行研究。结果表明,变形温度越高,再结晶程度表现的越充分,晶粒组织也越均匀,而变形程度越大或应变速率越小,再结晶程度则越大。在镁合金热变形过程中,变形温度是决定其动态再结晶机制的最大影响因素。300℃时,AZ31镁合金再结晶晶粒在原始晶界和亚晶界处形核,再结晶行为主要由亚晶界的转动形成,表现出典型的连续动态再结晶(CDRX)特征。400℃时,局部剪切变形时再结晶晶粒取向发生偏转,表现出典型的旋转动态再结晶(RDRX)特征。热压缩过程中产生{10-12}拉伸孪生,晶粒重新旋转基面取向形成基面垂直于压缩方向的纤维织构。
2021, 50(6):2040-2051.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200527
摘要:
对不同周期盐雾腐蚀后38CrMoAl钢开展了应变速率为0.001~3000 s-1的准静态和冲击拉伸试验，研究了盐雾腐蚀环境对38CrMoAl钢材料在高应变率条件下动态力学性能的影响，借助数字显微镜、FT-IR、SEM、EDS等手段对盐雾腐蚀后的38CrMoAl钢表面形貌、腐蚀坑深度、腐蚀产物成分和断口形貌等进行了分析。结果表明，腐蚀速率与盐雾腐蚀时间正相关，腐蚀加速过程遵循幂函数特征，腐蚀产物层对38CrMoAl钢的腐蚀起到促进作用；38CrMoAl钢的屈服强度随着应变率的提高而提高，随着腐蚀周期的增加而降低，盐雾腐蚀后的38CrMoAl钢断口呈现多处撕裂状特征，腐蚀时间越长，撕裂状痕迹越多，撕裂状断裂使得试件断口颈缩不再是均匀发展，导致屈服后抗拉强度下降，屈强比上升。对J-C本构模型中的应变率强化项和绝热软化项进行了修正，并加入了腐蚀修正参数，使得新模型可以准确的表征38CrMoAl钢在盐雾腐蚀环境中动态力学行为。
对不同周期盐雾腐蚀后38CrMoAl钢开展了应变速率为0.001~3000 s-1的准静态和冲击拉伸试验，研究了盐雾腐蚀环境对38CrMoAl钢材料在高应变率条件下动态力学性能的影响，借助数字显微镜、FT-IR、SEM、EDS等手段对盐雾腐蚀后的38CrMoAl钢表面形貌、腐蚀坑深度、腐蚀产物成分和断口形貌等进行了分析。结果表明，腐蚀速率与盐雾腐蚀时间正相关，腐蚀加速过程遵循幂函数特征，腐蚀产物层对38CrMoAl钢的腐蚀起到促进作用；38CrMoAl钢的屈服强度随着应变率的提高而提高，随着腐蚀周期的增加而降低，盐雾腐蚀后的38CrMoAl钢断口呈现多处撕裂状特征，腐蚀时间越长，撕裂状痕迹越多，撕裂状断裂使得试件断口颈缩不再是均匀发展，导致屈服后抗拉强度下降，屈强比上升。对J-C本构模型中的应变率强化项和绝热软化项进行了修正，并加入了腐蚀修正参数，使得新模型可以准确的表征38CrMoAl钢在盐雾腐蚀环境中动态力学行为。
2021, 50(6):2052-2060.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200542
摘要:
为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递；晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。
为研究纳米压痕过程中晶粒尺寸对γ-TiAl合金力学性能及变形行为的影响,利用Voronoi方法建立多晶γ-TiAl模型,采用分子动力学方法模拟压头压入不同晶粒尺寸模型的压痕过程,得到相应尺寸下的载荷-深度曲线,并计算了7种晶粒尺寸下γ-TiAl的硬度。结果表明：当晶粒尺寸小于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度表现出反Hall-Petch关系,位错和晶界活动共同促使材料发生塑性变形,晶界活动起主导作用。当晶粒尺寸大于9.9nm时,晶粒尺寸与硬度符合Hall-Petch关系,晶界对材料变形影响较小,位错主导基体发生塑性变形。另外,分析了γ-TiAl在压痕过程中的应力传递和形变恢复过程,发现致密晶界网格结构能够有效抑制压痕缺陷及内应力向材料内部传递；晶粒尺寸越小,压头下方的内应力分布越均匀,沿压痕方向的弹性恢复比越小。
2021, 50(6):2061-2068.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200546
摘要:
本文通过高温热压缩试验研究Ti-555钛合金热变形过程中变形温度、应变速率对流变应力的影响,采用Arrhenius双曲正弦函数模型推导出Ti-555本构方程,并依据动态材料模型建立了ε=0.6时的热加工图。结果表明,Ti-555钛合金流变应力对应变速率和变形温度较为敏感,热变形时随变形温度升高或应变速率降低,流变应力下降。根据热加工图确定了两个热加工安全区参数为(1)变形温度为850～950 ℃、应变速率为0.6～10 s-1；(2)变形温度为950～1150 ℃、应变速率为0.36～0.9 s-1。
本文通过高温热压缩试验研究Ti-555钛合金热变形过程中变形温度、应变速率对流变应力的影响,采用Arrhenius双曲正弦函数模型推导出Ti-555本构方程,并依据动态材料模型建立了ε=0.6时的热加工图。结果表明,Ti-555钛合金流变应力对应变速率和变形温度较为敏感,热变形时随变形温度升高或应变速率降低,流变应力下降。根据热加工图确定了两个热加工安全区参数为(1)变形温度为850～950 ℃、应变速率为0.6～10 s-1；(2)变形温度为950～1150 ℃、应变速率为0.36～0.9 s-1。
2021, 50(6):2069-2074.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200547
摘要:
本文针对新型金属连接体材料Fe-Cr-Co合金,通过750°C的循环氧化实验研究其在SOFC阳极气氛(N2+2%H2+60%H2O)下的高温氧化行为,随后基于真实氧化膜和合金的界面微观形貌进行热应力分析。利用X－射线衍射仪(XRD)和配备能谱仪(EDS)的场发射电子显微镜(SEM)对合金氧化膜的相结构和截面形貌以及成分进行表征；结合图像处理和有限元仿真技术模拟合金氧化膜的热应力极值分布。表征结果表明Fe-Cr-Co合金在750°C 阳极中循环氧化600h形成2 μm的氧化膜,其由Fe掺杂的Cr2O3内层和MnCr2O4外层所构成；仿真分析表明界面受到的最大剪切应力极值分布在波峰与波谷之间的区域,使得该区域的氧化膜容易最先剥落。
本文针对新型金属连接体材料Fe-Cr-Co合金,通过750°C的循环氧化实验研究其在SOFC阳极气氛(N2+2%H2+60%H2O)下的高温氧化行为,随后基于真实氧化膜和合金的界面微观形貌进行热应力分析。利用X－射线衍射仪(XRD)和配备能谱仪(EDS)的场发射电子显微镜(SEM)对合金氧化膜的相结构和截面形貌以及成分进行表征；结合图像处理和有限元仿真技术模拟合金氧化膜的热应力极值分布。表征结果表明Fe-Cr-Co合金在750°C 阳极中循环氧化600h形成2 μm的氧化膜,其由Fe掺杂的Cr2O3内层和MnCr2O4外层所构成；仿真分析表明界面受到的最大剪切应力极值分布在波峰与波谷之间的区域,使得该区域的氧化膜容易最先剥落。
2021, 50(6):2075-2081.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200552
摘要:
研究了Ti14合金中Ti2Cu相在500℃等温热暴露下的静态粗化行为,揭示出Ti2Cu相的生长速率和形态变化受扩散机制控制。结果表明：静态粗化过程由快速粗化阶段和稳定粗化阶段组成,其中快速粗化阶段主要由末端迁移机制控制,由于条状Ti2Cu相的末端与长轴方向界面能的差异,溶质原子的扩散过程导致板条状Ti2Cu的粗化和破碎。而稳定粗化阶段主要由Oswald熟化机制控制,随着时间的延长,合金中Ti2Cu析出物的尺寸持续增长,而粗化速率降低。Ti2Cu相的快速粗化会引发第二相的强化,并有效提高快速粗化阶段的可塑性。但是在稳定粗化阶段,由于Ti2Cu相的长大会增加其位错的有效滑移长度,并进一步影响其裂纹形核阻力同时改变界面构型和晶格失配,从而降低Ti14合金的拉伸塑性。
研究了Ti14合金中Ti2Cu相在500℃等温热暴露下的静态粗化行为,揭示出Ti2Cu相的生长速率和形态变化受扩散机制控制。结果表明：静态粗化过程由快速粗化阶段和稳定粗化阶段组成,其中快速粗化阶段主要由末端迁移机制控制,由于条状Ti2Cu相的末端与长轴方向界面能的差异,溶质原子的扩散过程导致板条状Ti2Cu的粗化和破碎。而稳定粗化阶段主要由Oswald熟化机制控制,随着时间的延长,合金中Ti2Cu析出物的尺寸持续增长,而粗化速率降低。Ti2Cu相的快速粗化会引发第二相的强化,并有效提高快速粗化阶段的可塑性。但是在稳定粗化阶段,由于Ti2Cu相的长大会增加其位错的有效滑移长度,并进一步影响其裂纹形核阻力同时改变界面构型和晶格失配,从而降低Ti14合金的拉伸塑性。
2021, 50(6):2082-2090.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200531
摘要:
利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等研究了625合金的显微组织随热老化时间的演化,并结合拉伸和硬度测试,揭示了750℃热老化1万小时过程中显微组织变化对力学性能的作用规律。结果表明,在750℃条件下,625合金中存在亚稳态γ′′相→稳态δ相的相变过程,δ相是该温度下合金的主要强化相。随热老化时间延长,γ′′相在初期迅速析出长大后不断减少直至消失,而δ相则不断增多变大,最终演变为贯穿整个晶粒的针片状相；随热老化时间延长,合金抗拉强度、屈服强度、硬度等力学性能指标不断提高,但延伸率不断降低,热老化3000 h后各项性能逐渐趋于稳定。不同形态的δ相均能对625合金起到有效的强化作用。
利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等研究了625合金的显微组织随热老化时间的演化,并结合拉伸和硬度测试,揭示了750℃热老化1万小时过程中显微组织变化对力学性能的作用规律。结果表明,在750℃条件下,625合金中存在亚稳态γ′′相→稳态δ相的相变过程,δ相是该温度下合金的主要强化相。随热老化时间延长,γ′′相在初期迅速析出长大后不断减少直至消失,而δ相则不断增多变大,最终演变为贯穿整个晶粒的针片状相；随热老化时间延长,合金抗拉强度、屈服强度、硬度等力学性能指标不断提高,但延伸率不断降低,热老化3000 h后各项性能逐渐趋于稳定。不同形态的δ相均能对625合金起到有效的强化作用。
2021, 50(6):2091-2099.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200511
摘要:
对新型奥氏体C-HRA-5耐热钢(22Cr25Ni3Cu4W2Co)进行700℃,0~15627 h时效实验,采用OM观察时效样品晶粒尺寸和孪晶的变化,采用SEM+EDS、TEM+EDS+SAED分析了时效样中沉淀相析出顺序及粗化特性。结果表明,实验钢在700℃/15627 h时效过程中先后析出M23C6、Z相、富Cu相和Laves相等第二相,其中M23C6相主要在晶界析出,其它第二相主要分布在晶内,未发现σ相的析出。在时效过程中,富Cu相和Z相尺寸比较细小稳定,尤其是富Cu相,时效至15627 h时直径约10 nm,它们是提高C-HRA-5钢热强性的主要强化相。晶界M23C6碳化物粗化速率较快,时效817 h时已在晶界形成网状分布,时效至15627 h时,其在晶界宽度增长至550 nm；而晶内M23C6碳化物粗化相对缓慢。由于添加W元素,在时效后期有大量针状Laves相在晶内析出,主要沿长度方向长大；另有少量颗粒状Laves相在晶界M23C6内部或其附近析出,尺寸较稳定。在长期时效过程中,未发现σ相的析出,这与C-HRA-5钢增加Ni和添加Co元素可以抑制或延迟其析出有关。
对新型奥氏体C-HRA-5耐热钢(22Cr25Ni3Cu4W2Co)进行700℃,0~15627 h时效实验,采用OM观察时效样品晶粒尺寸和孪晶的变化,采用SEM+EDS、TEM+EDS+SAED分析了时效样中沉淀相析出顺序及粗化特性。结果表明,实验钢在700℃/15627 h时效过程中先后析出M23C6、Z相、富Cu相和Laves相等第二相,其中M23C6相主要在晶界析出,其它第二相主要分布在晶内,未发现σ相的析出。在时效过程中,富Cu相和Z相尺寸比较细小稳定,尤其是富Cu相,时效至15627 h时直径约10 nm,它们是提高C-HRA-5钢热强性的主要强化相。晶界M23C6碳化物粗化速率较快,时效817 h时已在晶界形成网状分布,时效至15627 h时,其在晶界宽度增长至550 nm；而晶内M23C6碳化物粗化相对缓慢。由于添加W元素,在时效后期有大量针状Laves相在晶内析出,主要沿长度方向长大；另有少量颗粒状Laves相在晶界M23C6内部或其附近析出,尺寸较稳定。在长期时效过程中,未发现σ相的析出,这与C-HRA-5钢增加Ni和添加Co元素可以抑制或延迟其析出有关。
2021, 50(6):2100-2105.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210190
摘要:
采用表面高能喷丸工艺(HESP)对工业纯锆(R60702)焊接接头进行处理,利用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)和背散射电子衍射(EBSD)方法表征微观组织、表层晶粒尺寸、微观畸变、梯度结构和晶体取向,利用表面粗糙度测量仪测量评定表面粗糙度,利用电化学工作站研究了R60702焊接接头耐腐蚀性能。结果表明,工业纯锆焊接接头经HESP处理后,试样表层形成厚约110μm的梯度结构,最表层晶粒达到纳米量级；在表面纳米化过程中,孪晶和位错滑移是主要的变形方式；HESP处理后,R60702焊接接头自腐蚀电位正移,腐蚀电流密度降低；HESP处理使焊接接头三个区域的表层组织均一化,自腐蚀电位基本趋于一致,有效抑制了电偶腐蚀。
采用表面高能喷丸工艺(HESP)对工业纯锆(R60702)焊接接头进行处理,利用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)和背散射电子衍射(EBSD)方法表征微观组织、表层晶粒尺寸、微观畸变、梯度结构和晶体取向,利用表面粗糙度测量仪测量评定表面粗糙度,利用电化学工作站研究了R60702焊接接头耐腐蚀性能。结果表明,工业纯锆焊接接头经HESP处理后,试样表层形成厚约110μm的梯度结构,最表层晶粒达到纳米量级；在表面纳米化过程中,孪晶和位错滑移是主要的变形方式；HESP处理后,R60702焊接接头自腐蚀电位正移,腐蚀电流密度降低；HESP处理使焊接接头三个区域的表层组织均一化,自腐蚀电位基本趋于一致,有效抑制了电偶腐蚀。
2021, 50(6):2106-2111.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200796
摘要:
基于选区激光熔化技术制备了Ti6Al4V钛合金，研究了不同成形表面（XOY、XOZ）和不同载荷（20N、40N、60N、80N）对Ti6Al4V合金摩擦磨损性能的影响。通过摩擦系数（COF）结合磨损体积损失对不同成形面的摩擦磨损性能进行评估，采用光学显微镜（OM）、三维轮廓测量仪等设备对磨损轨道的形态和磨损机理进行表征。结果表明：相比XOZ面，XOY面在法向载荷为20N时其磨损体积减少了0.27×10-5mm3，平均摩擦系数更小；而当载荷大于20N时，XOY面的磨损体积和平均摩擦系数均大于XOZ面。磨损轨道犁槽的深度和宽度随着载荷的增加而增加，犁槽呈现出明显的剥落行为，轨道处分布着块状的“粘合剂”，发生着粘着磨损和氧化磨损。从摩擦系数、磨损体积、微观形态的角度定量反映出SLM成形Ti6Al4V合金的XOZ面比XOY面具备更优异的摩擦磨损性能，只有在低载荷下XOY面才表现出更加耐磨的特性。
基于选区激光熔化技术制备了Ti6Al4V钛合金，研究了不同成形表面（XOY、XOZ）和不同载荷（20N、40N、60N、80N）对Ti6Al4V合金摩擦磨损性能的影响。通过摩擦系数（COF）结合磨损体积损失对不同成形面的摩擦磨损性能进行评估，采用光学显微镜（OM）、三维轮廓测量仪等设备对磨损轨道的形态和磨损机理进行表征。结果表明：相比XOZ面，XOY面在法向载荷为20N时其磨损体积减少了0.27×10-5mm3，平均摩擦系数更小；而当载荷大于20N时，XOY面的磨损体积和平均摩擦系数均大于XOZ面。磨损轨道犁槽的深度和宽度随着载荷的增加而增加，犁槽呈现出明显的剥落行为，轨道处分布着块状的“粘合剂”，发生着粘着磨损和氧化磨损。从摩擦系数、磨损体积、微观形态的角度定量反映出SLM成形Ti6Al4V合金的XOZ面比XOY面具备更优异的摩擦磨损性能，只有在低载荷下XOY面才表现出更加耐磨的特性。
2021, 50(6):2112-2117.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200493
摘要:
运用有限元数值模拟与实际挤压进行TC4-ELI厚壁管材成形研究，探究厚壁管材不同区域显微组织和力学性能的差异，以及形成差异的原因。结果表明：在挤压成形过程中，管材外部的温度和等效应力较高，有较多的α晶粒沿ED方向被拉长，且长条状α晶粒的长大程度更高，生成相对强度较高的基面织构。而管材内部所受应力较低，晶粒择优取向行为不明显，只生成微弱的{-12-10}<20-21>板织构。力学性能受到晶粒大小和晶体学取向的综合作用，管材外部虽然晶粒粗大，但生成的基面织构与轴向拉伸应力的schmid因子较小，使得管材外部的强度高于内部。
运用有限元数值模拟与实际挤压进行TC4-ELI厚壁管材成形研究，探究厚壁管材不同区域显微组织和力学性能的差异，以及形成差异的原因。结果表明：在挤压成形过程中，管材外部的温度和等效应力较高，有较多的α晶粒沿ED方向被拉长，且长条状α晶粒的长大程度更高，生成相对强度较高的基面织构。而管材内部所受应力较低，晶粒择优取向行为不明显，只生成微弱的{-12-10}<20-21>板织构。力学性能受到晶粒大小和晶体学取向的综合作用，管材外部虽然晶粒粗大，但生成的基面织构与轴向拉伸应力的schmid因子较小，使得管材外部的强度高于内部。
2021, 50(6):2118-2124.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200495
摘要:
通过对6005A-T6铝合金进行准静态拉伸试验和动态拉伸试验,研究了应变速率对6005A-T6铝合金准静态和动态力学性能及断裂行为的影响。6005A-T6铝合金的强度随着应变速率提高而增大,应变速率200/s拉伸的抗拉强度、屈服强度分别较准静态拉伸提升30MPa、25MPa,其中以准静态到应变速率10/s的过程中,材料的抗拉强度、屈服强度上升最为明显；6005A-T6铝合金塑性随着应变速率的增大而逐渐增大,当应变速率达到200/s时塑性反而下降。在高速拉伸变形状态下,位错密度的增加和滑移带的增多是导致高速状态下强度及延伸率提高的主要原因；当应变速率达到200/s时由于拉伸速率过快,晶粒来不及进行大量变形是断后延伸率反而降低的主要原因。
通过对6005A-T6铝合金进行准静态拉伸试验和动态拉伸试验,研究了应变速率对6005A-T6铝合金准静态和动态力学性能及断裂行为的影响。6005A-T6铝合金的强度随着应变速率提高而增大,应变速率200/s拉伸的抗拉强度、屈服强度分别较准静态拉伸提升30MPa、25MPa,其中以准静态到应变速率10/s的过程中,材料的抗拉强度、屈服强度上升最为明显；6005A-T6铝合金塑性随着应变速率的增大而逐渐增大,当应变速率达到200/s时塑性反而下降。在高速拉伸变形状态下,位错密度的增加和滑移带的增多是导致高速状态下强度及延伸率提高的主要原因；当应变速率达到200/s时由于拉伸速率过快,晶粒来不及进行大量变形是断后延伸率反而降低的主要原因。
2021, 50(6):2125-2133.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200926
摘要:
采用激光熔覆技术在27SiMn钢基体表面成功制备了不同La2O3含量的铁基JG-8合金复合涂层，系统地研究了添加La2O3对铁基JG-8合金复合涂层组织及性能的影响。利用X射线衍射仪（XRD）和配有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜（SEM）对铁基JG-8合金复合涂层的物相结构和显微组织进行分析测试，通过显微硬度仪和摩擦磨损试验机对铁基JG-8合金复合涂层的硬度以及摩擦学性能进行分析评估。结果表明，La2O3的添加可有效细化组织，使晶粒由原本的柱状晶转变为细小的平面晶。铁基JG-8合金复合涂层的硬度随着La2O3含量的增加呈现先增大后减小的趋势，其中0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的硬度(532.76Hv0.3)最高，与未添加La2O3的铁基JG-8涂层相比，0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的硬度提升了19%。在摩擦磨损过程中未添加La2O3的铁基JG-8涂层主要磨损机制为粘着磨损和疲劳磨损，0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的主要磨损机制为磨粒磨损，0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的体积磨损最低，比未添加La2O3的铁基JG-8涂层降低了37.1%。
采用激光熔覆技术在27SiMn钢基体表面成功制备了不同La2O3含量的铁基JG-8合金复合涂层，系统地研究了添加La2O3对铁基JG-8合金复合涂层组织及性能的影响。利用X射线衍射仪（XRD）和配有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜（SEM）对铁基JG-8合金复合涂层的物相结构和显微组织进行分析测试，通过显微硬度仪和摩擦磨损试验机对铁基JG-8合金复合涂层的硬度以及摩擦学性能进行分析评估。结果表明，La2O3的添加可有效细化组织，使晶粒由原本的柱状晶转变为细小的平面晶。铁基JG-8合金复合涂层的硬度随着La2O3含量的增加呈现先增大后减小的趋势，其中0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的硬度(532.76Hv0.3)最高，与未添加La2O3的铁基JG-8涂层相比，0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的硬度提升了19%。在摩擦磨损过程中未添加La2O3的铁基JG-8涂层主要磨损机制为粘着磨损和疲劳磨损，0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的主要磨损机制为磨粒磨损，0.8wt%La2O3铁基JG-8合金复合涂层的体积磨损最低，比未添加La2O3的铁基JG-8涂层降低了37.1%。
2021, 50(6):2134-2143.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200512
摘要:
本文采用扫描电镜和能谱分析了泡沫Al-Si-Cu合金发泡过程的微观结构演变。将Al粉、Cu粉、Si粉按照89:6:5比例（wt%）混粉，并添加发泡剂2 wt % TiH2和增稠剂1.5 wt % MnO2，经过500℃热压后，泡沫铝可在640℃/12-20min发泡。微观结构分析显示，发泡前泡沫铝呈现球形的Si、Al2Cu、块状TiH2和扁片MnO2相，发泡后泡沫铝孔壁内存在三类析出相：1. 晶内细小的Si、Al2Cu颗粒；2. 晶界粗大离异共晶Si、Al2Cu相；3. 随机分布的块状Al-Mn相、MnO2相和球形富Ti相。其中富Ti相是由TiH2分解H2后，与铝液反应产生的，具有两种不同的类型。两类析出相心部都为Ti颗粒，第一类内壳为τ2(Al14Ti33Si53)相薄层，外壳呈现枝晶形貌的τ1(Al20Ti32Si48)和τ2相；第二类外部为块状交替分布的τ1和(Al,Si)3Ti相。第一类富Ti相的Si成分明显高于第二类，可能是两类富Ti相分别形成于铝液中的富Si和贫Si区造成的。对泡沫铝发泡过程微观结构的分析有助于设计高性能可强化的泡沫铝。
本文采用扫描电镜和能谱分析了泡沫Al-Si-Cu合金发泡过程的微观结构演变。将Al粉、Cu粉、Si粉按照89:6:5比例（wt%）混粉，并添加发泡剂2 wt % TiH2和增稠剂1.5 wt % MnO2，经过500℃热压后，泡沫铝可在640℃/12-20min发泡。微观结构分析显示，发泡前泡沫铝呈现球形的Si、Al2Cu、块状TiH2和扁片MnO2相，发泡后泡沫铝孔壁内存在三类析出相：1. 晶内细小的Si、Al2Cu颗粒；2. 晶界粗大离异共晶Si、Al2Cu相；3. 随机分布的块状Al-Mn相、MnO2相和球形富Ti相。其中富Ti相是由TiH2分解H2后，与铝液反应产生的，具有两种不同的类型。两类析出相心部都为Ti颗粒，第一类内壳为τ2(Al14Ti33Si53)相薄层，外壳呈现枝晶形貌的τ1(Al20Ti32Si48)和τ2相；第二类外部为块状交替分布的τ1和(Al,Si)3Ti相。第一类富Ti相的Si成分明显高于第二类，可能是两类富Ti相分别形成于铝液中的富Si和贫Si区造成的。对泡沫铝发泡过程微观结构的分析有助于设计高性能可强化的泡沫铝。
2021, 50(6):2144-2148.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200514
摘要:
本文以选区激光熔化技术制备的金属钛为基体，采用阳极氧化法在SLM-Ti表面微米级球形“模板”上一步制备仿生微纳米复合结构。结果表明，未经紫外光照或高温处理的SLM-TiO2纳米管在经全氟辛基三乙氧硅烷（1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane molecules, POTS）修饰后即获得了超疏水表面，其静态水接触角达≈163.8°，滚动角＜1°。对比分析了阳极氧化后商用纯钛CP-TiO2和SLM-TiO2的表面形貌特征和POTS修饰后的静态/动态水接触角。测得POTS修饰后的CP-TiO2和SLM-TiO2表面静态水接触角分别为≈149.0°和≈163.8°，即二者均显现出静态超疏水特性。但在有自清洁、防水、防污特性要求时，材料表面的动态接触角才是更为重要的参数，相同条件下获得的CP-TiO2表面在倾斜至90°后水滴依然粘附在材料表面，而SLM-TiO2表面水滴在倾斜不足1°时即快速地（155ms内）从材料表面滚落。
本文以选区激光熔化技术制备的金属钛为基体，采用阳极氧化法在SLM-Ti表面微米级球形“模板”上一步制备仿生微纳米复合结构。结果表明，未经紫外光照或高温处理的SLM-TiO2纳米管在经全氟辛基三乙氧硅烷（1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane molecules, POTS）修饰后即获得了超疏水表面，其静态水接触角达≈163.8°，滚动角＜1°。对比分析了阳极氧化后商用纯钛CP-TiO2和SLM-TiO2的表面形貌特征和POTS修饰后的静态/动态水接触角。测得POTS修饰后的CP-TiO2和SLM-TiO2表面静态水接触角分别为≈149.0°和≈163.8°，即二者均显现出静态超疏水特性。但在有自清洁、防水、防污特性要求时，材料表面的动态接触角才是更为重要的参数，相同条件下获得的CP-TiO2表面在倾斜至90°后水滴依然粘附在材料表面，而SLM-TiO2表面水滴在倾斜不足1°时即快速地（155ms内）从材料表面滚落。
2021, 50(6):2149-2154.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200533
摘要:
对TC20钛合金进行不同的固溶时效处理,通过室温拉伸试验和平面应变断裂韧性试验,结合光学显微镜、扫描电镜和显微维氏硬度计等测试方法,分析了不同的固溶时效处理工艺参数对TC20钛合金显微组织、力学性能和断口形貌的影响。结果表明：固溶温度一定时,随着时效温度的升高,合金的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。当固溶时效工艺为950 ℃/0.5 h(水冷,WQ) + 500 ℃/4 h(空冷,AQ)时,合金可实现良好的强韧性匹配,此时合金的抗拉强度为1106 MPa,屈服强度为1019 MPa,断裂韧性高达87.6 MPa.m^1/2。未经固溶时效处理的锻态TC20钛合金拉伸和紧凑拉伸(CT)试样,其断口呈现典型的韧性断裂形貌特征,而经不同固溶时效处理的试样断口主要以准解理断裂和解理断裂为主。随着时效温度的升高,拉伸试样断口表面逐渐出现二次裂纹和空洞,塑性逐渐降低,CT试样的韧窝尺寸逐渐变小变浅,断裂韧性逐渐降低。
对TC20钛合金进行不同的固溶时效处理,通过室温拉伸试验和平面应变断裂韧性试验,结合光学显微镜、扫描电镜和显微维氏硬度计等测试方法,分析了不同的固溶时效处理工艺参数对TC20钛合金显微组织、力学性能和断口形貌的影响。结果表明：固溶温度一定时,随着时效温度的升高,合金的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。当固溶时效工艺为950 ℃/0.5 h(水冷,WQ) + 500 ℃/4 h(空冷,AQ)时,合金可实现良好的强韧性匹配,此时合金的抗拉强度为1106 MPa,屈服强度为1019 MPa,断裂韧性高达87.6 MPa.m^1/2。未经固溶时效处理的锻态TC20钛合金拉伸和紧凑拉伸(CT)试样,其断口呈现典型的韧性断裂形貌特征,而经不同固溶时效处理的试样断口主要以准解理断裂和解理断裂为主。随着时效温度的升高,拉伸试样断口表面逐渐出现二次裂纹和空洞,塑性逐渐降低,CT试样的韧窝尺寸逐渐变小变浅,断裂韧性逐渐降低。
2021, 50(6):2155-2162.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200519
摘要:
研究了不同温度的固溶和时效工艺对Ti2041合金组织和硬度的影响。结果表明：当固溶温度为700℃时，随着保温时间增加，组织中初生α相的含量逐渐增多，晶粒尺寸逐渐增大；当固溶温度为750℃时，随保温时间增加，发生了静态再结晶，且有次生α相析出，晶粒尺寸也逐渐增大；当固溶温度为800℃时，晶粒内部出现α′马氏体，形貌由等轴状变为板条状。在不同固溶温度下硬度值变化也不同。在固溶温度为700℃时，随着保温时间的增加，硬度值从301.6HV降到285.2HV；在固溶温度为750℃时，硬度值随着保温时间的增加先增长后降低，最大值为308.2 HV；在固溶温度为800℃时，硬度值随着保温时间的增加逐渐变大，最大值为331.4 HV。在经时效处理后，不同时效温度下均出现了次生α相。随时效温度的升高，次生α相尺寸越小，显微硬度值逐渐增大，最大值达到了451.75HV，主要强化机制为第二相(次生α相)弥散强化。
研究了不同温度的固溶和时效工艺对Ti2041合金组织和硬度的影响。结果表明：当固溶温度为700℃时，随着保温时间增加，组织中初生α相的含量逐渐增多，晶粒尺寸逐渐增大；当固溶温度为750℃时，随保温时间增加，发生了静态再结晶，且有次生α相析出，晶粒尺寸也逐渐增大；当固溶温度为800℃时，晶粒内部出现α′马氏体，形貌由等轴状变为板条状。在不同固溶温度下硬度值变化也不同。在固溶温度为700℃时，随着保温时间的增加，硬度值从301.6HV降到285.2HV；在固溶温度为750℃时，硬度值随着保温时间的增加先增长后降低，最大值为308.2 HV；在固溶温度为800℃时，硬度值随着保温时间的增加逐渐变大，最大值为331.4 HV。在经时效处理后，不同时效温度下均出现了次生α相。随时效温度的升高，次生α相尺寸越小，显微硬度值逐渐增大，最大值达到了451.75HV，主要强化机制为第二相(次生α相)弥散强化。
2021, 50(6):2163-2168.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200538
摘要:
本文主要研究微合金元素Nb对亚共晶灰铸铁摩擦磨损性能的影响。制备4个不同Nb含量摩擦盘试样(0、0.12wt.%、0.21wt.%、0.33wt.%),选用不含石棉的树脂基摩擦材料作为对偶,利用定速式摩擦试验机进行摩擦实验。测试前,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和金相显微镜对摩擦盘微观组织结构进行观察；测试结束,利用SEM对摩擦副磨损表面进行分析。测试结果表明,系统摩擦系数随Nb含量增加先增大后减小。这与Nb对珠光体基体的细化效果有关。其次,Nb对系统高温工况下摩擦效率有消极影响,这是因为添加Nb之后导致石墨组织细化,影响摩擦界面散热效率。再者,摩擦盘耐磨性在0~0.21wt%范围内随Nb含量增加而提高,在0.33wt.%时,出现明显下降,受磨损机制转变影响。
本文主要研究微合金元素Nb对亚共晶灰铸铁摩擦磨损性能的影响。制备4个不同Nb含量摩擦盘试样(0、0.12wt.%、0.21wt.%、0.33wt.%),选用不含石棉的树脂基摩擦材料作为对偶,利用定速式摩擦试验机进行摩擦实验。测试前,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和金相显微镜对摩擦盘微观组织结构进行观察；测试结束,利用SEM对摩擦副磨损表面进行分析。测试结果表明,系统摩擦系数随Nb含量增加先增大后减小。这与Nb对珠光体基体的细化效果有关。其次,Nb对系统高温工况下摩擦效率有消极影响,这是因为添加Nb之后导致石墨组织细化,影响摩擦界面散热效率。再者,摩擦盘耐磨性在0~0.21wt%范围内随Nb含量增加而提高,在0.33wt.%时,出现明显下降,受磨损机制转变影响。
2021, 50(6):2169-2176.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200540
摘要:
以原位还原碳化技术制备的WC-8Co复合粉和VC粉末为原料，采用低压烧结技术制备出超细晶硬质合金。系统研究了VC添加量和复合粉中碳含量对硬质合金的相组成、显微组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明：硬质合金的晶粒尺寸、硬度和断裂韧性主要受VC添加量的影响，且随VC添加量的增加呈单调变化；抗弯强度随VC添加量的变化趋势与碳含量有关；压缩强度随温度的变化呈现先降低后升高的趋势；当WC-Co复合粉的碳含量5.60-5.68wt.%、VC添加量不超过0.5wt.%时，可分别制备出室温抗弯强度为4482MPa和600oC下压缩强度为4914MPa的高综合性能的超细晶硬质合金。基于微观组织特征的分析，结合弹-塑性有限元模型对应力分布的模拟，对超细晶硬质合金力学性能的变化规律及影响机理进行了分析。
以原位还原碳化技术制备的WC-8Co复合粉和VC粉末为原料，采用低压烧结技术制备出超细晶硬质合金。系统研究了VC添加量和复合粉中碳含量对硬质合金的相组成、显微组织、室温和高温力学性能的影响。结果表明：硬质合金的晶粒尺寸、硬度和断裂韧性主要受VC添加量的影响，且随VC添加量的增加呈单调变化；抗弯强度随VC添加量的变化趋势与碳含量有关；压缩强度随温度的变化呈现先降低后升高的趋势；当WC-Co复合粉的碳含量5.60-5.68wt.%、VC添加量不超过0.5wt.%时，可分别制备出室温抗弯强度为4482MPa和600oC下压缩强度为4914MPa的高综合性能的超细晶硬质合金。基于微观组织特征的分析，结合弹-塑性有限元模型对应力分布的模拟，对超细晶硬质合金力学性能的变化规律及影响机理进行了分析。
2021, 50(6):2177-2185.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200541
摘要:
在不同温度、不同应力条件下对高Nb-TiAl合金进行蠕变测试,结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等分析手段探究纳米Y2O3对Ti-45Al-6Nb-2.5V合金高温蠕变性能的影响。铸态高Nb-TiAl合金组织为α2/γ层片结构,纳米Y2O3的添加可显著细化合金组织并改善合金的高温拉伸性能。蠕变结果分析得出,添加0.15at.%纳米Y2O3会显著改善Ti-45Al-6Nb-2.5V合金的抗蠕变性能,在800℃/300MPa条件下,合金稳态蠕变速率由2.389×10-7s-1降至1.500×10-7s-1；在850℃/250MPa条件下,合金的蠕变寿命由14.10h延长至61.50h。添加纳米Y2O3提高合金蠕变抗力的机制是Y2O3与基体具有较高的结合强度,可以有效阻碍位错运动,减弱孔洞萌生的倾向。经分析,两种合金在800℃/300MPa下的蠕变行为主要受位错攀移与孪晶控制,蠕变损伤断裂机理为孔洞萌生与裂纹扩展。
在不同温度、不同应力条件下对高Nb-TiAl合金进行蠕变测试,结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等分析手段探究纳米Y2O3对Ti-45Al-6Nb-2.5V合金高温蠕变性能的影响。铸态高Nb-TiAl合金组织为α2/γ层片结构,纳米Y2O3的添加可显著细化合金组织并改善合金的高温拉伸性能。蠕变结果分析得出,添加0.15at.%纳米Y2O3会显著改善Ti-45Al-6Nb-2.5V合金的抗蠕变性能,在800℃/300MPa条件下,合金稳态蠕变速率由2.389×10-7s-1降至1.500×10-7s-1；在850℃/250MPa条件下,合金的蠕变寿命由14.10h延长至61.50h。添加纳米Y2O3提高合金蠕变抗力的机制是Y2O3与基体具有较高的结合强度,可以有效阻碍位错运动,减弱孔洞萌生的倾向。经分析,两种合金在800℃/300MPa下的蠕变行为主要受位错攀移与孪晶控制,蠕变损伤断裂机理为孔洞萌生与裂纹扩展。
2021, 50(6):2186-2193.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200543
摘要:
非晶合金拥有独特的短程有序、长程无序原子排列结构,具有高强度、高硬度及优异的耐腐蚀和耐磨损等性能,在防护涂层领域具有很强的应用潜力。以低温固态沉积为特点的冷喷涂层制备技术,可有效避免喷涂过程中非晶合金材料的氧化和晶化问题,但是冷喷涂技术严重依赖于粉末的塑性变形能力。为提高非晶合金颗粒在高速撞击下的沉积变形性能,本论文创新采用液氮-常温循环深冷处理工艺方法对Fe87.4Cr2.5Si6.8B2.4C0.9非晶合金粉末进行预处理,通过调控冷喷涂工艺参数,成功在6061铝合金基体表面制备非晶涂层。同时研究了深冷处理工艺对非晶粉末沉积行为以及涂层微观组织的影响机理,通过摩擦磨损试验研究非晶合金涂层的摩擦磨损性能。结果表明：使用原始非晶粉末制备得到的涂层厚度仅为6μm,且非晶颗粒在基体表面不连续分布,只有粒径较小的非晶颗粒可发生有效的塑性变形,但是粉末沉积过程中晶化率较低；使用经过深冷预处理的非晶粉末制备的涂层平均厚度为67μm,且涂层内非晶合金颗粒分布均匀,粒径较大的非晶颗粒也可发生有效塑性变形,但是粉末沉积过程中晶化率较高。在摩擦磨损过程中6061铝合金基体的主要磨损机制为粘着磨损与疲劳磨损,非晶涂层的主要磨损机制为磨粒磨损,且使用原始非晶粉末和循环深冷处理粉末制备得到的非晶涂层的质量磨损量较低,分别为6061铝合金基体质量磨损量的15.7%、11.8%。
非晶合金拥有独特的短程有序、长程无序原子排列结构,具有高强度、高硬度及优异的耐腐蚀和耐磨损等性能,在防护涂层领域具有很强的应用潜力。以低温固态沉积为特点的冷喷涂层制备技术,可有效避免喷涂过程中非晶合金材料的氧化和晶化问题,但是冷喷涂技术严重依赖于粉末的塑性变形能力。为提高非晶合金颗粒在高速撞击下的沉积变形性能,本论文创新采用液氮-常温循环深冷处理工艺方法对Fe87.4Cr2.5Si6.8B2.4C0.9非晶合金粉末进行预处理,通过调控冷喷涂工艺参数,成功在6061铝合金基体表面制备非晶涂层。同时研究了深冷处理工艺对非晶粉末沉积行为以及涂层微观组织的影响机理,通过摩擦磨损试验研究非晶合金涂层的摩擦磨损性能。结果表明：使用原始非晶粉末制备得到的涂层厚度仅为6μm,且非晶颗粒在基体表面不连续分布,只有粒径较小的非晶颗粒可发生有效的塑性变形,但是粉末沉积过程中晶化率较低；使用经过深冷预处理的非晶粉末制备的涂层平均厚度为67μm,且涂层内非晶合金颗粒分布均匀,粒径较大的非晶颗粒也可发生有效塑性变形,但是粉末沉积过程中晶化率较高。在摩擦磨损过程中6061铝合金基体的主要磨损机制为粘着磨损与疲劳磨损,非晶涂层的主要磨损机制为磨粒磨损,且使用原始非晶粉末和循环深冷处理粉末制备得到的非晶涂层的质量磨损量较低,分别为6061铝合金基体质量磨损量的15.7%、11.8%。
2021, 50(6):2194-2200.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200549
摘要:
本文对Cu-2.0wt%Be合金晶界处不连续析出相的形貌及其与热处理参数之间的关系进行了研究,利用正交试验设计的方法选取热处理参数,制备微观结构差距较大的样品,从中筛选所需样品研究了晶界反应物对滞弹性行为的影响。不连续析出相主要存在于晶界处,主要由γ相和α基体相组成。根据极差分析结果,影响晶界反应量的热处理参数主要为二级时效温度,其次为一级时效时间和二级时效时间。滞弹性行为分析表明,晶界反应量对样品加载过程中的变形量影响较大,这是由于不连续析出形成的γ相与基体为非共格关系,在γ相周围存在原子无序区域,位错在此处的湮灭引起原子重排,因此晶体产生滑移,造成合金塑性变形。而无晶界反应物的晶界两侧交错排列着γ’相,位错容易在此处塞积,阻碍晶体滑移。
本文对Cu-2.0wt%Be合金晶界处不连续析出相的形貌及其与热处理参数之间的关系进行了研究,利用正交试验设计的方法选取热处理参数,制备微观结构差距较大的样品,从中筛选所需样品研究了晶界反应物对滞弹性行为的影响。不连续析出相主要存在于晶界处,主要由γ相和α基体相组成。根据极差分析结果,影响晶界反应量的热处理参数主要为二级时效温度,其次为一级时效时间和二级时效时间。滞弹性行为分析表明,晶界反应量对样品加载过程中的变形量影响较大,这是由于不连续析出形成的γ相与基体为非共格关系,在γ相周围存在原子无序区域,位错在此处的湮灭引起原子重排,因此晶体产生滑移,造成合金塑性变形。而无晶界反应物的晶界两侧交错排列着γ’相,位错容易在此处塞积,阻碍晶体滑移。
2021, 50(6):2201-2207.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200550
摘要:
大功率电推进技术的发展对低电子逸出功LaB6阴极材料的需求非常迫切。为此，本文采用稀土金属Ce元素固溶掺杂改性LaB6以降低其电子逸出功的策略，先通过熔盐法制备出La1-xCexB6固溶体纳米粉体（x=0.2，0.4，0.6，0.8），后经热压烧结得到La1-xCexB6阴极材料。利用XRD、SEM等技术表征了La1-xCexB6阴极材料的组成结构，并研究了Ce元素固溶掺杂对LaB6阴极材料电子逸出功的影响。结果表明所制备的La1-xCexB6阴极材料为单相固溶体，致密度高，相对密度介于98.49%~98.98%之间。相对于未掺杂LaB6阴极材料，La1-xCexB6阴极材料的电子逸出功更低，且随着Ce掺杂含量增加先减小后增大，整体介于1.85eV~2.54eV之间，其中La0.6Ce0.4B6阴极材料的电子逸出功最低，仅为1.85eV。固溶掺杂Ce元素是降低LaB6阴极材料电子逸出功的有效途径。
大功率电推进技术的发展对低电子逸出功LaB6阴极材料的需求非常迫切。为此，本文采用稀土金属Ce元素固溶掺杂改性LaB6以降低其电子逸出功的策略，先通过熔盐法制备出La1-xCexB6固溶体纳米粉体（x=0.2，0.4，0.6，0.8），后经热压烧结得到La1-xCexB6阴极材料。利用XRD、SEM等技术表征了La1-xCexB6阴极材料的组成结构，并研究了Ce元素固溶掺杂对LaB6阴极材料电子逸出功的影响。结果表明所制备的La1-xCexB6阴极材料为单相固溶体，致密度高，相对密度介于98.49%~98.98%之间。相对于未掺杂LaB6阴极材料，La1-xCexB6阴极材料的电子逸出功更低，且随着Ce掺杂含量增加先减小后增大，整体介于1.85eV~2.54eV之间，其中La0.6Ce0.4B6阴极材料的电子逸出功最低，仅为1.85eV。固溶掺杂Ce元素是降低LaB6阴极材料电子逸出功的有效途径。
2021, 50(6):2208-2214.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200491
摘要:
高熵形状记忆合金是在等原子比NiTi合金的基础上,结合高熵合金的概念,逐渐发展起来的一种新型高温形状记忆合金。近年来,已开发出了综合性能优异的(TiZrHf)50(NiCoCu)50系和(TiZrHf)50(NiCuPd)50系高熵形状记忆合金,引起了广泛的关注和研究兴趣。本文从物相组成、微观组织、马氏体相变行为、形状记忆效应和超弹性等角度出发,综述了高熵形状记忆合金的研究进展,并对高熵形状记忆合金未来的研究重点进行了展望。
高熵形状记忆合金是在等原子比NiTi合金的基础上,结合高熵合金的概念,逐渐发展起来的一种新型高温形状记忆合金。近年来,已开发出了综合性能优异的(TiZrHf)50(NiCoCu)50系和(TiZrHf)50(NiCuPd)50系高熵形状记忆合金,引起了广泛的关注和研究兴趣。本文从物相组成、微观组织、马氏体相变行为、形状记忆效应和超弹性等角度出发,综述了高熵形状记忆合金的研究进展,并对高熵形状记忆合金未来的研究重点进行了展望。
2021, 50(6):2215-2228.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200483
摘要:
为了解决严苛环境下长期服役的重型装备敏感损伤失效等问题，开发新型性能优异的工程材料已迫在眉睫。高熵非晶合金是近年来备受学者关注的一种新兴的结构和功能材料，它以其特殊的成分设计理念，兼顾了传统非晶合金的结构优势与高熵合金优异的综合性能。尽管其诞生至今仅十余年，但其相关研究工作已取得了长足进步。鉴于此，本文简述了高熵非晶合金的概念与历史，归纳了影响高熵合金相稳定性的因素及其相形成规律，总结了现有高熵非晶合金成分体系及其主要特点，重点阐述高熵非晶合金的室温力学性能、锯齿流变行为和摩擦磨损性能的最新研究成果，并对高熵非晶合金的热稳定性研究进展进行概述，最后对其未来研究趋势与应用前景进行了展望。
为了解决严苛环境下长期服役的重型装备敏感损伤失效等问题，开发新型性能优异的工程材料已迫在眉睫。高熵非晶合金是近年来备受学者关注的一种新兴的结构和功能材料，它以其特殊的成分设计理念，兼顾了传统非晶合金的结构优势与高熵合金优异的综合性能。尽管其诞生至今仅十余年，但其相关研究工作已取得了长足进步。鉴于此，本文简述了高熵非晶合金的概念与历史，归纳了影响高熵合金相稳定性的因素及其相形成规律，总结了现有高熵非晶合金成分体系及其主要特点，重点阐述高熵非晶合金的室温力学性能、锯齿流变行为和摩擦磨损性能的最新研究成果，并对高熵非晶合金的热稳定性研究进展进行概述，最后对其未来研究趋势与应用前景进行了展望。
2021, 50(6):2229-2236.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200502
摘要:
随着材料基因组计划(MGI)及集成计算材料工程(ICME)的快速发展,材料设计思路已经从过去的经验试错法转变为基于数据库、计算模型、高通量实验的集成设计。本文回顾了国内外β钛合金的发展历史与合金化思路,发现以Al、Zr、Sn、Mo、V、Cr、Fe多元素复合强化的近?合金成为高性能?合金发展趋势。在此基础上对?钛合金的设计方法进行了总结,其中包含基于经验/半经验理论的试错法、Mo当量法、e/a法以及团簇-连接原子模型法和基于基础理论计算的Bo-Md方法和Calphad方法。最后,文章对结合第一性原理(ab-initio)、计算热力学(Calphad)、晶体塑性有限元模拟(CP-FEM)的集成计算材料设计方法进行了介绍,并对该方法在钛合金设计中的应用前景进行了展望。
随着材料基因组计划(MGI)及集成计算材料工程(ICME)的快速发展,材料设计思路已经从过去的经验试错法转变为基于数据库、计算模型、高通量实验的集成设计。本文回顾了国内外β钛合金的发展历史与合金化思路,发现以Al、Zr、Sn、Mo、V、Cr、Fe多元素复合强化的近?合金成为高性能?合金发展趋势。在此基础上对?钛合金的设计方法进行了总结,其中包含基于经验/半经验理论的试错法、Mo当量法、e/a法以及团簇-连接原子模型法和基于基础理论计算的Bo-Md方法和Calphad方法。最后,文章对结合第一性原理(ab-initio)、计算热力学(Calphad)、晶体塑性有限元模拟(CP-FEM)的集成计算材料设计方法进行了介绍,并对该方法在钛合金设计中的应用前景进行了展望。
47 难熔金属增材制造研究进展
2021, 50(6):2237-2243.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200508
摘要:
难熔金属具有熔点高、高温性能良好的特点，是发动机、燃气轮机、火箭、导弹等高温服役工况条件下不可或缺的材料，在军事装备领域和国民经济生活中都发挥着十分重要的作用。然而也正是因为高的熔点和导热系数，导致其加工制备十分困难。增材制造技术是近年来发展起来的一项先进制造技术，具有很多独特的优点，为难熔金属的加工提供了一种可选途径。本文概述了钨及钨合金、多孔钽、铌合金、钼合金、难熔高熵合金等难熔金属增材制造方面的研究现状及最新进展，以期为相关领域的研究提供参考。
难熔金属具有熔点高、高温性能良好的特点，是发动机、燃气轮机、火箭、导弹等高温服役工况条件下不可或缺的材料，在军事装备领域和国民经济生活中都发挥着十分重要的作用。然而也正是因为高的熔点和导热系数，导致其加工制备十分困难。增材制造技术是近年来发展起来的一项先进制造技术，具有很多独特的优点，为难熔金属的加工提供了一种可选途径。本文概述了钨及钨合金、多孔钽、铌合金、钼合金、难熔高熵合金等难熔金属增材制造方面的研究现状及最新进展，以期为相关领域的研究提供参考。
2021, 50(6):2244-2253.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200517
摘要:
表层纳米化处理可以改变材料表层的组织结构,提高材料的表面性能,而钛合金耐综合性能优异,有着广泛的应用,可以通过表层纳米化技术可以在钛合金表层制备出一定厚度的纳米层,进一步提升钛合金的耐腐蚀性能。本文介绍了表层纳米化技术和钛合金表层纳米化的作用机理,并综述了目前国内外表层纳米化对钛合金电化学腐蚀影响的研究进展,重点阐述了表层纳米化后钛合金的表面状态、成分、残余应力和微观结构对耐蚀性的影响,探索了钛合金表层纳米化今后的研究方向。
表层纳米化处理可以改变材料表层的组织结构,提高材料的表面性能,而钛合金耐综合性能优异,有着广泛的应用,可以通过表层纳米化技术可以在钛合金表层制备出一定厚度的纳米层,进一步提升钛合金的耐腐蚀性能。本文介绍了表层纳米化技术和钛合金表层纳米化的作用机理,并综述了目前国内外表层纳米化对钛合金电化学腐蚀影响的研究进展,重点阐述了表层纳米化后钛合金的表面状态、成分、残余应力和微观结构对耐蚀性的影响,探索了钛合金表层纳米化今后的研究方向。
2021, 50(6):2254-2257.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200835
摘要:
针对低品位含钛多金属矿储量巨大无法直接利用的现状，提出了梯度磁选-涡流还原法制备钛硅铁合金新工艺。先通过弱磁选处理低品位含钛多金属矿，得到弱磁铁精粉产品。弱磁尾矿经中磁选得到中磁含钛精矿。对中磁含钛精矿进行涡流熔融还原，得到钛硅铁合金。结果表明，铁能有效降低二氧化硅的还原温度。二氧化钛的直接碳热还原限制环节是低价钛氧化物的还原（TiO→Ti）。硅和铁能降低二氧化钛的碳热还原温度，实现钛硅铁合金的成功制备。
针对低品位含钛多金属矿储量巨大无法直接利用的现状，提出了梯度磁选-涡流还原法制备钛硅铁合金新工艺。先通过弱磁选处理低品位含钛多金属矿，得到弱磁铁精粉产品。弱磁尾矿经中磁选得到中磁含钛精矿。对中磁含钛精矿进行涡流熔融还原，得到钛硅铁合金。结果表明，铁能有效降低二氧化硅的还原温度。二氧化钛的直接碳热还原限制环节是低价钛氧化物的还原（TiO→Ti）。硅和铁能降低二氧化钛的碳热还原温度，实现钛硅铁合金的成功制备。
2021, 50(6):2258-2262.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200849
摘要:
本研究分析TiH2高温分解释氢的特性，将其应用于高纯WTi合金靶材的热压成型制备中。讨论了热压过程工艺对烧结样品纯度及原料配比对烧结坯微观组织的影响，以金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、碳硫分析、氧氮氢分析仪、辉光放电质谱法（GDMS）等检测WTi10样品的微观形貌及杂质含量。研究结果表明，随着TiH2在Ti成分中占比的提高，烧结出WTi合金的气体元素杂质含量减少；烧结WTi10合金的微观组织更趋均匀；W元素少无扩散至Ti基体内形成纤维状富钨相的倾向。课题研制出纯度99.9993%的超高纯WTi10靶材制品。
本研究分析TiH2高温分解释氢的特性，将其应用于高纯WTi合金靶材的热压成型制备中。讨论了热压过程工艺对烧结样品纯度及原料配比对烧结坯微观组织的影响，以金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、碳硫分析、氧氮氢分析仪、辉光放电质谱法（GDMS）等检测WTi10样品的微观形貌及杂质含量。研究结果表明，随着TiH2在Ti成分中占比的提高，烧结出WTi合金的气体元素杂质含量减少；烧结WTi10合金的微观组织更趋均匀；W元素少无扩散至Ti基体内形成纤维状富钨相的倾向。课题研制出纯度99.9993%的超高纯WTi10靶材制品。
