2021年第50卷第8期文章目次
2021, 50(8):2663-2669.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200507
摘要:
Li4SiO4小球与ODS钢的化学相容性对聚变反应器的安全运行具有重要意义。研究了在500、600、700 ℃的氩气环境中保温300 h后ODS钢与小球接触界面组织和成分的变化。结果表明，在600~700 ℃时，Li4SiO4小球与ODS钢的界面发生了严重的元素互扩散和反应。在Li4SiO4小球表面，由于ODS钢中Fe和Cr的扩散，出现了一层薄薄的反应层，这也导致了密度的增加，破碎负荷从51 N （500 ℃）下降到32 N（700 ℃）。XRD图谱显示，ODS钢表面出现了LiCrO2和LiFeO2新相，说明Li4SiO4小球中的Li和O原子可以扩散到ODS中，与Fe、Cr元素在高温下发生反应形成腐蚀层。在700 ℃时，腐蚀层可分为2个氧化层。最外层是LiFeO2和LiCrO2的混合物，下一层主要是LiFeO2。在ODS钢的表面，700 ℃/300 h条件下氧扩散系数为2.2×10-14 cm2/s，这说明ODS钢作为一种包层结构材料，在未来的包层设计中需要一层耐腐蚀涂层。
Li4SiO4小球与ODS钢的化学相容性对聚变反应器的安全运行具有重要意义。研究了在500、600、700 ℃的氩气环境中保温300 h后ODS钢与小球接触界面组织和成分的变化。结果表明，在600~700 ℃时，Li4SiO4小球与ODS钢的界面发生了严重的元素互扩散和反应。在Li4SiO4小球表面，由于ODS钢中Fe和Cr的扩散，出现了一层薄薄的反应层，这也导致了密度的增加，破碎负荷从51 N （500 ℃）下降到32 N（700 ℃）。XRD图谱显示，ODS钢表面出现了LiCrO2和LiFeO2新相，说明Li4SiO4小球中的Li和O原子可以扩散到ODS中，与Fe、Cr元素在高温下发生反应形成腐蚀层。在700 ℃时，腐蚀层可分为2个氧化层。最外层是LiFeO2和LiCrO2的混合物，下一层主要是LiFeO2。在ODS钢的表面，700 ℃/300 h条件下氧扩散系数为2.2×10-14 cm2/s，这说明ODS钢作为一种包层结构材料，在未来的包层设计中需要一层耐腐蚀涂层。
2021, 50(8):2670-2677.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200510
摘要:
采用超音速大气等离子喷涂制备全包覆TiB2-SiC涂层，研究了TiB2-SiC涂层在400和800 ℃的氧化性能，并探究其氧化机理。对TiB2-SiC涂层在900 ℃下的抗铝熔盐腐蚀性能进行研究，并探讨其耐熔盐腐蚀机理。结果表明，超音速大气等离子喷涂制备的TiB2-SiC涂层具有良好的抗氧化性，在400 ℃的氧化速率常数为1.92×10-5 mg2·cm-4·s-1，在800 ℃的氧化速率常数为1.82×10-4 mg2·cm-4·s-1。超音速大气等离子喷涂制备的TiB2-SiC涂层在900 ℃下具有良好的抗熔盐腐蚀性能，熔盐腐蚀后TiB2-SiC涂层都保持致密结构，未发生涂层的开裂及剥落。
采用超音速大气等离子喷涂制备全包覆TiB2-SiC涂层，研究了TiB2-SiC涂层在400和800 ℃的氧化性能，并探究其氧化机理。对TiB2-SiC涂层在900 ℃下的抗铝熔盐腐蚀性能进行研究，并探讨其耐熔盐腐蚀机理。结果表明，超音速大气等离子喷涂制备的TiB2-SiC涂层具有良好的抗氧化性，在400 ℃的氧化速率常数为1.92×10-5 mg2·cm-4·s-1，在800 ℃的氧化速率常数为1.82×10-4 mg2·cm-4·s-1。超音速大气等离子喷涂制备的TiB2-SiC涂层在900 ℃下具有良好的抗熔盐腐蚀性能，熔盐腐蚀后TiB2-SiC涂层都保持致密结构，未发生涂层的开裂及剥落。
2021, 50(8):2678-2685.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200524
摘要:
通过真空浸渗和反应熔渗在C/C复合材料上制备了具有微米-亚微米增强结构的ZrB2-ZrC-SiC涂层。微米-亚微米增强结构由微米级的碳化硅为骨架，亚微米级的超高温陶瓷颗粒（UHTCs）为填充料组成。采用等离子火焰对复合材料进行了烧蚀试验。结果表明，在烧蚀过程中由聚集的碳化硅颗粒和超高温陶瓷颗粒组成的微米-亚微米增强结构在烧蚀气流的侵蚀下易于形成较大的缺陷。已形成的较大缺陷容易与缺陷周围的裂纹相连形成较大的凹坑，从而导致部分涂层脱落，并导致整个涂层系统失效。
通过真空浸渗和反应熔渗在C/C复合材料上制备了具有微米-亚微米增强结构的ZrB2-ZrC-SiC涂层。微米-亚微米增强结构由微米级的碳化硅为骨架，亚微米级的超高温陶瓷颗粒（UHTCs）为填充料组成。采用等离子火焰对复合材料进行了烧蚀试验。结果表明，在烧蚀过程中由聚集的碳化硅颗粒和超高温陶瓷颗粒组成的微米-亚微米增强结构在烧蚀气流的侵蚀下易于形成较大的缺陷。已形成的较大缺陷容易与缺陷周围的裂纹相连形成较大的凹坑，从而导致部分涂层脱落，并导致整个涂层系统失效。
2021, 50(8):2686-2693.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200446
摘要:
为了提高AISI 304不锈钢的高温抗氧化性及耐磨性，利用转移等离子弧熔敷技术在AISI 304基材表面制备了TiC-MoSi2复合相增强复合涂层。对比分析了氧化前后复合涂层的显微组织，测试了复合涂层的显微硬度分布，测试并拟合了复合涂层的氧化动力学曲线，探讨了复合涂层的氧化机理。结果表明：复合涂层典型显微组织由TiC-MoSi2复合相、初生TiC枝晶和γ-(Ni,Fe)/NiSi2共晶构成，TiC-MoSi2复合相和初生TiC枝晶作为复合涂层的增强相均匀分布在γ-(Ni,Fe)/NiSi2共晶基体上。由于TiC-MoSi2复合相的增强作用以及超细γ-(Ni,Fe)/NiSi2共晶基体的粘结和支撑作用，复合涂层具有高且均匀的硬度分布、良好的强度和韧性。得益于独特的显微组织，复合涂层表现出良好的高温抗氧化性。
为了提高AISI 304不锈钢的高温抗氧化性及耐磨性，利用转移等离子弧熔敷技术在AISI 304基材表面制备了TiC-MoSi2复合相增强复合涂层。对比分析了氧化前后复合涂层的显微组织，测试了复合涂层的显微硬度分布，测试并拟合了复合涂层的氧化动力学曲线，探讨了复合涂层的氧化机理。结果表明：复合涂层典型显微组织由TiC-MoSi2复合相、初生TiC枝晶和γ-(Ni,Fe)/NiSi2共晶构成，TiC-MoSi2复合相和初生TiC枝晶作为复合涂层的增强相均匀分布在γ-(Ni,Fe)/NiSi2共晶基体上。由于TiC-MoSi2复合相的增强作用以及超细γ-(Ni,Fe)/NiSi2共晶基体的粘结和支撑作用，复合涂层具有高且均匀的硬度分布、良好的强度和韧性。得益于独特的显微组织，复合涂层表现出良好的高温抗氧化性。
2021, 50(8):2694-2699.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200428
摘要:
采用光纤激光器，在不同功率下在Q235钢表面制备了铜基合金熔覆层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和电化学工作站分别对熔覆层的显微结构、相组成及耐蚀性能进行表征。结果表明，熔覆层与基体冶金结合。熔覆层底部为胞状组织，中部为树枝晶和柱状晶。熔覆层主要包含富铜Cu(Ni, Fe)固溶体和富铁Ni(Cr, Mo, Fe)固溶体。由于其最高的自腐蚀电位和最低的自腐蚀电流，2000 W功率下所制备的熔覆层表现出最好的耐蚀性能。
采用光纤激光器，在不同功率下在Q235钢表面制备了铜基合金熔覆层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和电化学工作站分别对熔覆层的显微结构、相组成及耐蚀性能进行表征。结果表明，熔覆层与基体冶金结合。熔覆层底部为胞状组织，中部为树枝晶和柱状晶。熔覆层主要包含富铜Cu(Ni, Fe)固溶体和富铁Ni(Cr, Mo, Fe)固溶体。由于其最高的自腐蚀电位和最低的自腐蚀电流，2000 W功率下所制备的熔覆层表现出最好的耐蚀性能。
2021, 50(8):2700-2707.
DOI: XX.XXXX/j.issn.1002-185X.2021.08.006
摘要:
为了研究SiC晶须对等离子喷涂YSZ（Y2O3部分稳定的ZrO2）涂层显微结构的影响规律，采用喷雾造粒技术制备了晶须含量分别为0%、1%、2%和3%（质量分数）的团聚YSZ颗粒（0#、1#、2#和3#粉末），利用等离子喷涂技术（APS）分别制备了0#、1#、2#和3#等4组涂层。利用扫描电镜（SEM）及金相显微镜等测试分析设备研究SiC晶须分散工艺和定量表征方法，以及团聚颗粒的形态和涂层的显微结构，并分析了含晶须涂层的成型过程。结果表明：机械搅拌时间增加至5 h时，晶须具有较好的分散程度，对应的晶须面积分数为11.03%。含晶须的团聚颗粒主要呈“水滴状”和“纺锤状”，1#、2#和3#粉末中“水滴状”和“纺锤状”团聚颗粒的数量比例分别为16.5%，22.7%和39.3%。由于非水平态晶须对颗粒中未熔融原粉末在冲击和铺展过程的阻碍作用，涂层的孔隙率随着晶须含量的增加而增加，0#涂层的孔隙率为3.89%，1#、2#和3#涂层的孔隙率分别是0#涂层的3.15倍、4.17倍和7.52倍。
为了研究SiC晶须对等离子喷涂YSZ（Y2O3部分稳定的ZrO2）涂层显微结构的影响规律，采用喷雾造粒技术制备了晶须含量分别为0%、1%、2%和3%（质量分数）的团聚YSZ颗粒（0#、1#、2#和3#粉末），利用等离子喷涂技术（APS）分别制备了0#、1#、2#和3#等4组涂层。利用扫描电镜（SEM）及金相显微镜等测试分析设备研究SiC晶须分散工艺和定量表征方法，以及团聚颗粒的形态和涂层的显微结构，并分析了含晶须涂层的成型过程。结果表明：机械搅拌时间增加至5 h时，晶须具有较好的分散程度，对应的晶须面积分数为11.03%。含晶须的团聚颗粒主要呈“水滴状”和“纺锤状”，1#、2#和3#粉末中“水滴状”和“纺锤状”团聚颗粒的数量比例分别为16.5%，22.7%和39.3%。由于非水平态晶须对颗粒中未熔融原粉末在冲击和铺展过程的阻碍作用，涂层的孔隙率随着晶须含量的增加而增加，0#涂层的孔隙率为3.89%，1#、2#和3#涂层的孔隙率分别是0#涂层的3.15倍、4.17倍和7.52倍。
2021, 50(8):2708-2714.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200431
摘要:
要满足航天器机械转动部件在恶劣工况下的工作，需研制高硬度、低摩擦系数的固体润滑薄膜。采用非平衡磁控溅射法分别制备了纯WS2薄膜、Ti掺杂WS2复合薄膜和La-Ti掺杂WS2复合薄膜。分析了薄膜的微观形貌、成分、硬度和摩擦学性能。结果表明，与纯WS2薄膜和Ti/WS2复合薄膜相比，La-Ti/WS2复合薄膜的微观结构更加致密。La-Ti/WS2复合薄膜的硬度H和弹性模量E也显著提高。此外，La-Ti/WS2复合薄膜的摩擦系数减小，并且H/E比值增大，La-Ti/WS2复合薄膜的磨损率降低。结果表明，La的掺杂有助于在摩擦接触表面形成稳定的转移膜，提高La-Ti/WS2复合薄膜的耐磨性和承载能力。
要满足航天器机械转动部件在恶劣工况下的工作，需研制高硬度、低摩擦系数的固体润滑薄膜。采用非平衡磁控溅射法分别制备了纯WS2薄膜、Ti掺杂WS2复合薄膜和La-Ti掺杂WS2复合薄膜。分析了薄膜的微观形貌、成分、硬度和摩擦学性能。结果表明，与纯WS2薄膜和Ti/WS2复合薄膜相比，La-Ti/WS2复合薄膜的微观结构更加致密。La-Ti/WS2复合薄膜的硬度H和弹性模量E也显著提高。此外，La-Ti/WS2复合薄膜的摩擦系数减小，并且H/E比值增大，La-Ti/WS2复合薄膜的磨损率降低。结果表明，La的掺杂有助于在摩擦接触表面形成稳定的转移膜，提高La-Ti/WS2复合薄膜的耐磨性和承载能力。
2021, 50(8):2715-2720.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200503
摘要:
对比研究了直流磁控溅射（dcMS）、高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）和调制脉冲磁控溅射（MPPMS）所沉积纳米晶TiN薄膜的组织结构与力学性能。结果表明，因dcMS溅射粒子离化率与动能均较低，薄膜表现为存在少量空洞的柱状晶结构，薄膜力学性能差、沉积速率为51 nm/min。HPPMS因具有较高的瞬时离化率和较低的占空比，薄膜结构致密而光滑，性能得到了显著改善，但平均沉积速率较低，仅为25 nm/min。通过MPPMS技术可大范围调节峰值靶功率和占空比，从而得到较高的离化率和平均沉积速率，薄膜结构致密光滑、力学性能优异，沉积速率达45 nm/min，接近dcMS。
对比研究了直流磁控溅射（dcMS）、高功率脉冲磁控溅射（HPPMS）和调制脉冲磁控溅射（MPPMS）所沉积纳米晶TiN薄膜的组织结构与力学性能。结果表明，因dcMS溅射粒子离化率与动能均较低，薄膜表现为存在少量空洞的柱状晶结构，薄膜力学性能差、沉积速率为51 nm/min。HPPMS因具有较高的瞬时离化率和较低的占空比，薄膜结构致密而光滑，性能得到了显著改善，但平均沉积速率较低，仅为25 nm/min。通过MPPMS技术可大范围调节峰值靶功率和占空比，从而得到较高的离化率和平均沉积速率，薄膜结构致密光滑、力学性能优异，沉积速率达45 nm/min，接近dcMS。
2021, 50(8):2721-2727.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200453
摘要:
CR340轧制差厚板（TRB）在轧制过程中，其不同的厚度区形成了不同的织构，分别是薄区的{111}<0
CR340轧制差厚板（TRB）在轧制过程中，其不同的厚度区形成了不同的织构，分别是薄区的{111}<0
2021, 50(8):2728-2737.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200477
摘要:
结合密度泛函理论框架内的周期性平板模型，运用第一性原理计算方法研究了CO2在δ-Pu(100)表面的吸附行为。结果表明，CO2分子以C端向下和C-Pu、O-Pu多键结合的方式吸附在δ-Pu(100)表面。吸附类型属于强化学吸附，最稳定的吸附构型是H1-C4O4，此时吸附能为-6.430 eV，吸附稳定性顺序为穴位>桥位>顶位。CO2分子主要和表面Pu原子反应，而与其它3层Pu原子的反应较弱。更多的电子向CO2 2πu轨道转移有利于C-O键的弯曲和活化。此外，CO2分子和Pu原子之间的化学键主要是离子态，反应机理是CO2的C 2s、C 2p、O 2s 和O 2p轨道与Pu 6p、Pu 6d、Pu 5f轨道发生了重叠杂化作用，产生了新的键结构。H1-C4O4构型的功函数变化最小，表明其它电子容易从该构型表面逃逸，且需要的能量最小。
结合密度泛函理论框架内的周期性平板模型，运用第一性原理计算方法研究了CO2在δ-Pu(100)表面的吸附行为。结果表明，CO2分子以C端向下和C-Pu、O-Pu多键结合的方式吸附在δ-Pu(100)表面。吸附类型属于强化学吸附，最稳定的吸附构型是H1-C4O4，此时吸附能为-6.430 eV，吸附稳定性顺序为穴位>桥位>顶位。CO2分子主要和表面Pu原子反应，而与其它3层Pu原子的反应较弱。更多的电子向CO2 2πu轨道转移有利于C-O键的弯曲和活化。此外，CO2分子和Pu原子之间的化学键主要是离子态，反应机理是CO2的C 2s、C 2p、O 2s 和O 2p轨道与Pu 6p、Pu 6d、Pu 5f轨道发生了重叠杂化作用，产生了新的键结构。H1-C4O4构型的功函数变化最小，表明其它电子容易从该构型表面逃逸，且需要的能量最小。
2021, 50(8):2738-2744.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200497
摘要:
针对AZ31镁合金长轴波纹管提出差温局部热态气压成形新工艺。首先在温度范围573~673 K、应变速率范围0.001~0.1 s-1条件下对AZ31镁合金管材进行了热拉伸实验，分析了温度、应变速率对其力学性能的影响。设计制造了长轴波纹管差温局部热态气压成形装置，利用该装置，通过单波波纹管的热气胀成形研究了成形温度、成形内压对波纹管成形时间、壁厚分布的影响规律，从而确定最佳成形工艺窗口，并通过五波长轴波纹管的成形验证该新工艺的可行性。结果表明，差温成形过程中，低温区最高温度不超过50 ℃，高温区温度可以精确控制，误差在±5 ℃以内。在温度623 K、恒定气压14 MPa条件下，通过小模具成功成形出五波长轴镁合金波纹管。成形后波峰位置平均晶粒尺寸从21.8 μm细化到16.56 μm，其主要原因为成形过程中发生了动态再结晶。
针对AZ31镁合金长轴波纹管提出差温局部热态气压成形新工艺。首先在温度范围573~673 K、应变速率范围0.001~0.1 s-1条件下对AZ31镁合金管材进行了热拉伸实验，分析了温度、应变速率对其力学性能的影响。设计制造了长轴波纹管差温局部热态气压成形装置，利用该装置，通过单波波纹管的热气胀成形研究了成形温度、成形内压对波纹管成形时间、壁厚分布的影响规律，从而确定最佳成形工艺窗口，并通过五波长轴波纹管的成形验证该新工艺的可行性。结果表明，差温成形过程中，低温区最高温度不超过50 ℃，高温区温度可以精确控制，误差在±5 ℃以内。在温度623 K、恒定气压14 MPa条件下，通过小模具成功成形出五波长轴镁合金波纹管。成形后波峰位置平均晶粒尺寸从21.8 μm细化到16.56 μm，其主要原因为成形过程中发生了动态再结晶。
2021, 50(8):2745-2751.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200439
摘要:
纯镁为密排六方结构，具有较少的独立滑移系导致其塑性较差。研究了纯镁变形后的微观组织演变、力学性能、腐蚀行为。结果表明，纯镁经过等径角挤压（ECAP）变形后晶粒明显细化以及基面织构发生了弱化，导致纯镁的塑性得到了显著地提高。等径角挤压变形后纯镁强度降低主要是因为基面织构弱化影响大于晶粒细化。此外，等径角挤压变形后纯镁自腐蚀电位和腐蚀电流密度明显增加，纯镁的抗腐蚀性能显著提高。纯镁的腐蚀机理可能从局部腐蚀向均匀腐蚀转变，从而减少了样品在标准模拟体液浸泡中的腐蚀脱落，确保了试样的完整性。
纯镁为密排六方结构，具有较少的独立滑移系导致其塑性较差。研究了纯镁变形后的微观组织演变、力学性能、腐蚀行为。结果表明，纯镁经过等径角挤压（ECAP）变形后晶粒明显细化以及基面织构发生了弱化，导致纯镁的塑性得到了显著地提高。等径角挤压变形后纯镁强度降低主要是因为基面织构弱化影响大于晶粒细化。此外，等径角挤压变形后纯镁自腐蚀电位和腐蚀电流密度明显增加，纯镁的抗腐蚀性能显著提高。纯镁的腐蚀机理可能从局部腐蚀向均匀腐蚀转变，从而减少了样品在标准模拟体液浸泡中的腐蚀脱落，确保了试样的完整性。
2021, 50(8):2752-2759.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200492
摘要:
提出了一种镁合金管材转角焊合室分流挤压新工艺，该工艺可在有效延长焊合室长度和焊合时间前提下保证舌针刚度，从而保证管材尺寸精度，并且可通过转角剪切变形机制增加预焊合金属变形量和动态再结晶程度，从而有利于提高管材性能和焊缝焊合性能。利用有限元法揭示了转角焊合室分流挤压成形过程中金属的流动特征，应变分布特征和焊合室内的静水压力分布特征。结果表明，整个挤压过程无金属折叠，从而保证管材的表面质量；流经转角后预焊合金属变形量明显增加，有利于提高管材质量和焊缝质量。最后，研究揭示了坯料初始温度，挤压速度和模具转角对焊合室内静水压力的影响规律。结果表明，随着挤压速度的增加和模具转角的增大，转角焊合室内静水压力增大；随着坯料预热温度的增加，转角焊合室内静水压力呈先增大后减小的趋势。
提出了一种镁合金管材转角焊合室分流挤压新工艺，该工艺可在有效延长焊合室长度和焊合时间前提下保证舌针刚度，从而保证管材尺寸精度，并且可通过转角剪切变形机制增加预焊合金属变形量和动态再结晶程度，从而有利于提高管材性能和焊缝焊合性能。利用有限元法揭示了转角焊合室分流挤压成形过程中金属的流动特征，应变分布特征和焊合室内的静水压力分布特征。结果表明，整个挤压过程无金属折叠，从而保证管材的表面质量；流经转角后预焊合金属变形量明显增加，有利于提高管材质量和焊缝质量。最后，研究揭示了坯料初始温度，挤压速度和模具转角对焊合室内静水压力的影响规律。结果表明，随着挤压速度的增加和模具转角的增大，转角焊合室内静水压力增大；随着坯料预热温度的增加，转角焊合室内静水压力呈先增大后减小的趋势。
2021, 50(8):2760-2764.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200432
摘要:
研究了B和Y对Ti45Al8Nb0.2W0.25Cr (at%) 合金的微观结构、微观偏析和拉伸行为的影响。结果表明，高铌TiAl合金中的β相稳定元素促进了微观偏析区域中γ相以及大块状微观偏析区域的形成。具有低比表面积的大块状微偏析区域降低了微偏析界面处的空洞和裂纹的成核率，明显降低了晶界处的强度和合金的抗拉强度。B和Y的添加明显的细化了片层团，增加了片层团处空洞成核的机会，从而提高了变形抗力。分析了2种合金的拉伸机理。
研究了B和Y对Ti45Al8Nb0.2W0.25Cr (at%) 合金的微观结构、微观偏析和拉伸行为的影响。结果表明，高铌TiAl合金中的β相稳定元素促进了微观偏析区域中γ相以及大块状微观偏析区域的形成。具有低比表面积的大块状微偏析区域降低了微偏析界面处的空洞和裂纹的成核率，明显降低了晶界处的强度和合金的抗拉强度。B和Y的添加明显的细化了片层团，增加了片层团处空洞成核的机会，从而提高了变形抗力。分析了2种合金的拉伸机理。
2021, 50(8):2765-2770.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200436
摘要:
采用在线去应力退火工艺对线性摩擦焊TiAl合金接头进行处理，避免了焊后裂纹的产生。显微组织分析表明，接头焊缝区与热力影响区界限明显，焊缝区主要由等轴γ晶组成，并含有少量的α2相。靠近焊缝的热影响区内的层状γ晶具有明显的流线特征，其方向与焊接界面热塑性金属的流动方向一致。接头的显微硬度从母材区到焊缝区呈逐渐增加的趋势，焊缝区显微硬度相较于母材区增加了约1700 MPa；接头的室温抗拉强度与母材相当，在683 MPa到717 MPa之间。焊缝区的细晶强化效应是接头强度较高的主要原因。
采用在线去应力退火工艺对线性摩擦焊TiAl合金接头进行处理，避免了焊后裂纹的产生。显微组织分析表明，接头焊缝区与热力影响区界限明显，焊缝区主要由等轴γ晶组成，并含有少量的α2相。靠近焊缝的热影响区内的层状γ晶具有明显的流线特征，其方向与焊接界面热塑性金属的流动方向一致。接头的显微硬度从母材区到焊缝区呈逐渐增加的趋势，焊缝区显微硬度相较于母材区增加了约1700 MPa；接头的室温抗拉强度与母材相当，在683 MPa到717 MPa之间。焊缝区的细晶强化效应是接头强度较高的主要原因。
2021, 50(8):2771-2776.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200440
摘要:
通过SEM、OM和DSC，研究添加Ho的Al-Zn-Mg-Cu合金均匀化热处理制度，测试不同均匀化热处理过程中合金的电导率和硬度变化。结果表明，铸态合金中存在4种第二相：T(AlZnMgCu)，Al7Cu2Fe，Al8Cu4Ho 及S (Al2CuMg)，第二相导致合金元素分布存在严重微观偏析。合金在475 ℃均匀化热处理20 h后，T相完全回溶基体且未观察到S相，仅剩余Al7Cu2Fe和Al8Cu4Ho。硬度和电导率随T相的回溶而变化，T相的回溶使得合金硬度升高，电导率降低。同时，在475 ℃均匀化热处理5~20 h过程中，Al3Ho相析出，这一现象引起硬度和电导率的升高。结合均匀化动力学分析，确定合金适宜的均匀化热处理制度为470~475 ℃/20~25 h。
通过SEM、OM和DSC，研究添加Ho的Al-Zn-Mg-Cu合金均匀化热处理制度，测试不同均匀化热处理过程中合金的电导率和硬度变化。结果表明，铸态合金中存在4种第二相：T(AlZnMgCu)，Al7Cu2Fe，Al8Cu4Ho 及S (Al2CuMg)，第二相导致合金元素分布存在严重微观偏析。合金在475 ℃均匀化热处理20 h后，T相完全回溶基体且未观察到S相，仅剩余Al7Cu2Fe和Al8Cu4Ho。硬度和电导率随T相的回溶而变化，T相的回溶使得合金硬度升高，电导率降低。同时，在475 ℃均匀化热处理5~20 h过程中，Al3Ho相析出，这一现象引起硬度和电导率的升高。结合均匀化动力学分析，确定合金适宜的均匀化热处理制度为470~475 ℃/20~25 h。
2021, 50(8):2777-2782.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200476
摘要:
研究了一种新型仿生骨小梁结构的植入物的摩擦系数，该新型骨小梁结构采用Ti-6Al-4V合金粉末进行3D打印制备。从牛骨中取皮质骨和松质骨作为摩擦配副。从2种结构的起始接触角测试结果可知，仿生结构的接触角（87.7°）要比均匀骨小梁结构的接触角（96.9°）小一些，说明其表面润湿性相对较好。对于均匀骨小梁结构而言，其平均摩擦系数在0.71~0.82之间，明显低于仿生骨小梁结构的摩擦系数（0.82~0.99）。均匀骨小梁结构的最大静摩擦系数为0.99~1.26，而仿生骨小梁结构的最大静摩擦系数为1.52~1.96。仿生骨小梁的最大静摩擦系数1.96是在加载为10 N，摩擦配副为皮质骨时获得的。结果表明，新型仿生骨小梁结构的摩擦系数明显高于均匀骨小梁结构。因此，新型仿生骨小梁结构可以在骨-种植体界面提供足够的摩擦力，从而实现植入物初步稳定性。
研究了一种新型仿生骨小梁结构的植入物的摩擦系数，该新型骨小梁结构采用Ti-6Al-4V合金粉末进行3D打印制备。从牛骨中取皮质骨和松质骨作为摩擦配副。从2种结构的起始接触角测试结果可知，仿生结构的接触角（87.7°）要比均匀骨小梁结构的接触角（96.9°）小一些，说明其表面润湿性相对较好。对于均匀骨小梁结构而言，其平均摩擦系数在0.71~0.82之间，明显低于仿生骨小梁结构的摩擦系数（0.82~0.99）。均匀骨小梁结构的最大静摩擦系数为0.99~1.26，而仿生骨小梁结构的最大静摩擦系数为1.52~1.96。仿生骨小梁的最大静摩擦系数1.96是在加载为10 N，摩擦配副为皮质骨时获得的。结果表明，新型仿生骨小梁结构的摩擦系数明显高于均匀骨小梁结构。因此，新型仿生骨小梁结构可以在骨-种植体界面提供足够的摩擦力，从而实现植入物初步稳定性。
2021, 50(8):2783-2788.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200485
摘要:
采用真空感应熔炼法制备了Fe0.5MnNi1.5CrNbx（x=0，0.05，0.1，摩尔比）高熵合金，并分析了不同Nb含量对其组织和力学性能的影响。结果表明，不含Nb元素的合金具有单相fcc结构，其抗拉强度和断裂延伸率（即延展性）分别为519 MPa和47%。添加少量的Nb(x=0.05)后出现(200)织构和少量Fe2Nb Laves相，合金的延展性增加到55%，并且抗拉强度增加到570 MPa。当Nb含量增加到x=0.1时，织构减少，而Fe2Nb Laves相增多，抗拉强度和延展性分别为650 MPa和45%。
采用真空感应熔炼法制备了Fe0.5MnNi1.5CrNbx（x=0，0.05，0.1，摩尔比）高熵合金，并分析了不同Nb含量对其组织和力学性能的影响。结果表明，不含Nb元素的合金具有单相fcc结构，其抗拉强度和断裂延伸率（即延展性）分别为519 MPa和47%。添加少量的Nb(x=0.05)后出现(200)织构和少量Fe2Nb Laves相，合金的延展性增加到55%，并且抗拉强度增加到570 MPa。当Nb含量增加到x=0.1时，织构减少，而Fe2Nb Laves相增多，抗拉强度和延展性分别为650 MPa和45%。
2021, 50(8):2789-2798.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200688
摘要:
对一种新型第三代粉末高温合金A3在700℃、应变范围0.8%～1.4%试验条件下的低周疲劳性能进行了研究,分析了材料的循环滞后回线、Massing特性、循环应力应变响应、应变-寿命关系等特性。采用Manson-Coffin模型、拉伸滞回能模型、三参数能量模型对疲劳寿命数据进行拟合预测,结果表明Manson-Coffin模型的寿命预测精度最高,在3倍分散带以内。用扫描电子显微镜对疲劳源区观察,结果表明：低应变时疲劳源数量上呈现单源,高应变时多源特征；随应变量增大,疲劳源位置趋向于试样表面,裂纹扩展区面积减小, 瞬断区面积增大。疲劳断口典型的三个区域观察结果表明：疲劳源四周存在较多河流状线,其为裂纹扩展方向,裂纹扩展区存在较多二次裂纹,瞬断区出现韧窝与解理断裂特征。A3合金的断裂模式主要为穿晶断裂。
对一种新型第三代粉末高温合金A3在700℃、应变范围0.8%～1.4%试验条件下的低周疲劳性能进行了研究,分析了材料的循环滞后回线、Massing特性、循环应力应变响应、应变-寿命关系等特性。采用Manson-Coffin模型、拉伸滞回能模型、三参数能量模型对疲劳寿命数据进行拟合预测,结果表明Manson-Coffin模型的寿命预测精度最高,在3倍分散带以内。用扫描电子显微镜对疲劳源区观察,结果表明：低应变时疲劳源数量上呈现单源,高应变时多源特征；随应变量增大,疲劳源位置趋向于试样表面,裂纹扩展区面积减小, 瞬断区面积增大。疲劳断口典型的三个区域观察结果表明：疲劳源四周存在较多河流状线,其为裂纹扩展方向,裂纹扩展区存在较多二次裂纹,瞬断区出现韧窝与解理断裂特征。A3合金的断裂模式主要为穿晶断裂。
2021, 50(8):2799-2806.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200683
摘要:
为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响。建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel 718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布；施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。
为了研究稳态磁场对激光熔覆Inconel 718涂层中Fe元素分布的影响。建立基于体积平均法的三相混合凝固模型,在激光熔覆过程中耦合加入稳态磁场,模拟316L不锈钢表面制备Inconel 718涂层。采用2D瞬态模型,结合传热传质,流体流动和感应洛伦兹力,模拟激光熔覆涂层中的元素分布,并与实验结果进行对比。结果表明,未施加磁场时熔覆层中Fe元素呈均匀分布；施加稳态磁场时熔覆层中Fe元素分布不均匀,在熔覆层顶部Fe元素含量较低,熔覆层底部Fe元素含量较高。模拟结果与实验结果吻合良好,证明计算模型的可靠性,也表明稳态磁场能够抑制熔池流动,对移动熔池的传热传质产生影响,最终改变激光熔覆涂层中的元素分布。
2021, 50(8):2807-2814.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200666
摘要:
采用感应熔炼法在U-5.5Mo合金中引入Ti/Al元素,通过淬火与时效热处理来调控材料的组织与性能,获得不同热处理状态下的U-Mo-Ti/Al合金的微结构与性能。并分析析出相的组成、分布与性能的关系,探讨Ti/Al合金元素对U-5.5Mo合金力学性能的调控机制。发现在U-5.5Mo合金中加入微量Ti元素对U-Mo合金有明显固溶强化效果,使合金强度大幅提升；低温时效热处理可大幅提升U-Mo-Ti三元合金的力学性能；添加微量Al元素,促使U-Mo-Ti-Al四元合金中形成高温稳定的富钛与富铝的多元复合金属间化合物,其在基体与晶界上呈大量不规则连续分布,对合金具有显著沉淀强化效果,使U-Mo-Ti-Al四元合金的强度大幅提升,而塑性几乎降为零。
采用感应熔炼法在U-5.5Mo合金中引入Ti/Al元素,通过淬火与时效热处理来调控材料的组织与性能,获得不同热处理状态下的U-Mo-Ti/Al合金的微结构与性能。并分析析出相的组成、分布与性能的关系,探讨Ti/Al合金元素对U-5.5Mo合金力学性能的调控机制。发现在U-5.5Mo合金中加入微量Ti元素对U-Mo合金有明显固溶强化效果,使合金强度大幅提升；低温时效热处理可大幅提升U-Mo-Ti三元合金的力学性能；添加微量Al元素,促使U-Mo-Ti-Al四元合金中形成高温稳定的富钛与富铝的多元复合金属间化合物,其在基体与晶界上呈大量不规则连续分布,对合金具有显著沉淀强化效果,使U-Mo-Ti-Al四元合金的强度大幅提升,而塑性几乎降为零。
2021, 50(8):2815-2822.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200656
摘要:
为了实现工业纯钛TA2疲劳裂纹尖端循环应变场的表征,本文采用数字图像相关(Digital image correlation, DIC)方法并结合Irwin模型,研究了TA2紧凑拉伸试样在相续疲劳载荷下的裂纹扩展规律、循环应变场的实验划分方法以及循环应变环的演化规律。首先通过相续疲劳试验获得了TA2紧凑拉伸试样的疲劳裂纹扩展规律,在此基础上结合DIC和Irwin模型,建立了疲劳裂纹尖端循环应变场的实验划分方法,实现了循环塑性区、单调塑性区和弹性区的划分。另一方面采用DIC获得不同区域的滞回应变环,讨论了不同区域应变环的差异,从而论证了划分方法的有效性,并且揭示了裂纹扩展过程中裂纹尖端应变场从弹性区、单调塑性区到循环塑性区的演化规律。本文研究工作实现了TA2疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端循环应变场的表征,能够满足疲劳裂纹扩展研究的需要。
为了实现工业纯钛TA2疲劳裂纹尖端循环应变场的表征,本文采用数字图像相关(Digital image correlation, DIC)方法并结合Irwin模型,研究了TA2紧凑拉伸试样在相续疲劳载荷下的裂纹扩展规律、循环应变场的实验划分方法以及循环应变环的演化规律。首先通过相续疲劳试验获得了TA2紧凑拉伸试样的疲劳裂纹扩展规律,在此基础上结合DIC和Irwin模型,建立了疲劳裂纹尖端循环应变场的实验划分方法,实现了循环塑性区、单调塑性区和弹性区的划分。另一方面采用DIC获得不同区域的滞回应变环,讨论了不同区域应变环的差异,从而论证了划分方法的有效性,并且揭示了裂纹扩展过程中裂纹尖端应变场从弹性区、单调塑性区到循环塑性区的演化规律。本文研究工作实现了TA2疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端循环应变场的表征,能够满足疲劳裂纹扩展研究的需要。
2021, 50(8):2823-2830.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200420
摘要:
为了研究Al对铁素体耐热钢相变与性能的影响规律，通过在已有合金T92的成分基础上进行Al元素的添加及改性添加剂Ni的调整制备出了新型高铝铁素体耐热钢，研究了不同含量Al元素的加入及热处理工艺下铁素体耐热钢相变温度与淬火组织晶粒尺寸、硬度及抗氧化性的关系。结果表明，实验钢的平衡相变点随着Al元素含量的增加而升高，且实验钢的奥氏体晶粒尺寸越大，Ac1和Ac3温度越高；钢中添加的Al、Ni元素总量在2.4 wt %时，淬火后的奥氏体晶粒尺寸最小，且硬度最大；在650 ℃环境下，钢中添加3 wt %Al比添加1 wt %Al的抗高温氧化性能强；在750 ℃环境下，钢中所含改性添加剂Ni起到了一定的作用，Al-Ni比越大，钢便表现出了较强的抗氧化性。
为了研究Al对铁素体耐热钢相变与性能的影响规律，通过在已有合金T92的成分基础上进行Al元素的添加及改性添加剂Ni的调整制备出了新型高铝铁素体耐热钢，研究了不同含量Al元素的加入及热处理工艺下铁素体耐热钢相变温度与淬火组织晶粒尺寸、硬度及抗氧化性的关系。结果表明，实验钢的平衡相变点随着Al元素含量的增加而升高，且实验钢的奥氏体晶粒尺寸越大，Ac1和Ac3温度越高；钢中添加的Al、Ni元素总量在2.4 wt %时，淬火后的奥氏体晶粒尺寸最小，且硬度最大；在650 ℃环境下，钢中添加3 wt %Al比添加1 wt %Al的抗高温氧化性能强；在750 ℃环境下，钢中所含改性添加剂Ni起到了一定的作用，Al-Ni比越大，钢便表现出了较强的抗氧化性。
2021, 50(8):2831-2840.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210241
摘要:
采用球盘接触形式，在50 μm和150 μm位移振幅条件下，研究了载荷(60 N、40 N和20 N)对TC21钛合金及其表面微弧氧化(PEO)涂层切向微动磨损性能的影响。结果显示，随着位移振幅的增大和载荷的减小，TC21钛合金和PEO涂层的微动区域均由部分滑移区向滑移区转变。在部分滑移区，两种材料沿微动方向的磨痕宽度随载荷的减小而减小。虽均未出现明显的材料损失，但TC21钛合金边缘微滑区存在微裂纹的萌生和扩展，其程度随载荷的减小而加重，而微动对PEO涂层只起到了平滑作用。在滑移区，两种材料的磨痕宽度随载荷的减小而增大，且均存在局部磨损。磨损程度随振幅的增大和载荷的减小而加深。其中，PEO涂层的最大磨痕深度小于TC21钛合金，显示出更好的抗微动磨损性能。
采用球盘接触形式，在50 μm和150 μm位移振幅条件下，研究了载荷(60 N、40 N和20 N)对TC21钛合金及其表面微弧氧化(PEO)涂层切向微动磨损性能的影响。结果显示，随着位移振幅的增大和载荷的减小，TC21钛合金和PEO涂层的微动区域均由部分滑移区向滑移区转变。在部分滑移区，两种材料沿微动方向的磨痕宽度随载荷的减小而减小。虽均未出现明显的材料损失，但TC21钛合金边缘微滑区存在微裂纹的萌生和扩展，其程度随载荷的减小而加重，而微动对PEO涂层只起到了平滑作用。在滑移区，两种材料的磨痕宽度随载荷的减小而增大，且均存在局部磨损。磨损程度随振幅的增大和载荷的减小而加深。其中，PEO涂层的最大磨痕深度小于TC21钛合金，显示出更好的抗微动磨损性能。
2021, 50(8):2841-2849.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20201011
摘要:
激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形技术可实现形状复杂、尺寸精度高、力学性能优异零部件的直接成形,但成形工艺参数选择不当,则会在产品中引入缺陷,针对SLM成形钛合金内部缺陷的问题,本文研究了激光功率和扫描速度两个主要成形工艺参数对钛合金内部缺陷类型、尺寸及数量的影响,探索了缺陷的演化规律。结果表明,SLM成形钛合金内部主要有不规则形状、规则球形两种形态的缺陷。低激光功率(≤130 W)、高扫描速度(≥900 mm/s)区域主要为不规则形状缺陷,能量不足是导致形成该类型缺陷的主要原因；高激光功率(≥190 W)、低扫描速度(≤600 mm/s)区域主要为规则球形缺陷,能量过高导致合金元素气化是产生这类缺陷的主要原因。随着能量密度的增加,根据缺陷的演化规律绘制了SLM成形钛合金加工图,其中缺陷的演化呈现三个阶段,即不规则形状缺陷尺度逐渐降低区,微尺度不规则缺陷向微尺度规则球形缺陷过渡区和规则球形缺陷逐渐长大区。
激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形技术可实现形状复杂、尺寸精度高、力学性能优异零部件的直接成形,但成形工艺参数选择不当,则会在产品中引入缺陷,针对SLM成形钛合金内部缺陷的问题,本文研究了激光功率和扫描速度两个主要成形工艺参数对钛合金内部缺陷类型、尺寸及数量的影响,探索了缺陷的演化规律。结果表明,SLM成形钛合金内部主要有不规则形状、规则球形两种形态的缺陷。低激光功率(≤130 W)、高扫描速度(≥900 mm/s)区域主要为不规则形状缺陷,能量不足是导致形成该类型缺陷的主要原因；高激光功率(≥190 W)、低扫描速度(≤600 mm/s)区域主要为规则球形缺陷,能量过高导致合金元素气化是产生这类缺陷的主要原因。随着能量密度的增加,根据缺陷的演化规律绘制了SLM成形钛合金加工图,其中缺陷的演化呈现三个阶段,即不规则形状缺陷尺度逐渐降低区,微尺度不规则缺陷向微尺度规则球形缺陷过渡区和规则球形缺陷逐渐长大区。
2021, 50(8):2850-2858.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200632
摘要:
利用OM、SEM、TEM等手段研究了固溶处理对Mg-Zn-Gd-Y-Zr合金组织的影响,并对合金的耐腐蚀性能及力学性能进行了测试。结果表明：固溶处理有效改善铸态合金的组织不均匀性,在460-510 ℃温度范围固溶处理后,合金的晶粒尺寸随温度升高而逐渐增大,第二相尺寸减小并趋于球形。当固溶温度高于490 ℃时,有少量Zn2Zr3相析出,且随温度的升高,析出相有增多及粗化趋势。在490 ℃固溶8 h后,合金的组织均匀,耐蚀性相对较好,腐蚀较为均匀,失重腐蚀速率为0.472±0.048 mm/a,抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为196.2±3.5 MPa、111.1±6.4 MPa和18.9±1.3%。试验研究了合金腐蚀后的力学性能,表明：490 ℃×8 h试样在模拟体液中浸泡后,力学性能在1-7天内急剧下降,7-14天下降较为缓慢,随浸泡时间的延长断裂形式从准解理断裂转变为脆性断裂。
利用OM、SEM、TEM等手段研究了固溶处理对Mg-Zn-Gd-Y-Zr合金组织的影响,并对合金的耐腐蚀性能及力学性能进行了测试。结果表明：固溶处理有效改善铸态合金的组织不均匀性,在460-510 ℃温度范围固溶处理后,合金的晶粒尺寸随温度升高而逐渐增大,第二相尺寸减小并趋于球形。当固溶温度高于490 ℃时,有少量Zn2Zr3相析出,且随温度的升高,析出相有增多及粗化趋势。在490 ℃固溶8 h后,合金的组织均匀,耐蚀性相对较好,腐蚀较为均匀,失重腐蚀速率为0.472±0.048 mm/a,抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为196.2±3.5 MPa、111.1±6.4 MPa和18.9±1.3%。试验研究了合金腐蚀后的力学性能,表明：490 ℃×8 h试样在模拟体液中浸泡后,力学性能在1-7天内急剧下降,7-14天下降较为缓慢,随浸泡时间的延长断裂形式从准解理断裂转变为脆性断裂。
2021, 50(8):2859-2866.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200646
摘要:
为克服高锡含量的AgCuZnSn钎料因脆性大而难以加工成形的问题,借鉴药芯焊丝的理念,设计了添加CuSn合金粉粉芯的复合药芯银钎料,研究了粉芯中添加30wt%~70wt%Cu60Sn40合金粉对药芯银钎料的润湿性、紫铜/Q235钢钎焊接头组织、界面显微硬度及抗拉强度的影响。结果表明,钎焊过程中芯部CuSn合金粉和外层BAg30CuZnSn原位反应合成高锡含量的AgCuZnSn钎料,获得了成分均匀,结合良好的接头组织。随着药芯粉芯中合金粉含量的升高,复合药芯银钎料在紫铜板及Q235钢板上的润湿面积不断增大,Cu/Q235钢钎焊接头显微硬度不断升高,抗拉强度呈现先升高后降低的趋势。当药芯粉芯中CuSn合金粉的含量为30wt%时,Cu/Q235钢钎焊接头的抗拉强度取得最大值(198.91MPa),提高了23.4%。
为克服高锡含量的AgCuZnSn钎料因脆性大而难以加工成形的问题,借鉴药芯焊丝的理念,设计了添加CuSn合金粉粉芯的复合药芯银钎料,研究了粉芯中添加30wt%~70wt%Cu60Sn40合金粉对药芯银钎料的润湿性、紫铜/Q235钢钎焊接头组织、界面显微硬度及抗拉强度的影响。结果表明,钎焊过程中芯部CuSn合金粉和外层BAg30CuZnSn原位反应合成高锡含量的AgCuZnSn钎料,获得了成分均匀,结合良好的接头组织。随着药芯粉芯中合金粉含量的升高,复合药芯银钎料在紫铜板及Q235钢板上的润湿面积不断增大,Cu/Q235钢钎焊接头显微硬度不断升高,抗拉强度呈现先升高后降低的趋势。当药芯粉芯中CuSn合金粉的含量为30wt%时,Cu/Q235钢钎焊接头的抗拉强度取得最大值(198.91MPa),提高了23.4%。
2021, 50(8):2867-2875.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200645
摘要:
利用真空感应炉制备了三种W含量（1.02 wt.%、0.52 wt.%和0 wt.% W）的难变形高温合金U720Li铸件并对其进行了均匀化处理，重点研究了W对均匀化态U720Li合金热变形行为和开裂特征的影响。结果表明，W含量的减少导致均匀化炉冷态合金在1000 ℃的变形抗力逐渐降低，当W含量减少至0 wt.%时拉伸塑性大幅提高，断裂模式由沿晶断裂转变为沿晶-穿晶混合断裂。随着W含量的降低均匀化炉冷态和空冷态合金晶内的显微硬度均逐渐下降，γ′尺寸明显增大，体积分数逐渐减小。W对变形抗力和热塑性造成影响的主要原因是，W的减少不仅降低了固溶强化程度，还改变了γ′的特征，促进动态再结晶的发生。另外，本文揭示了W主要分布在γ基体中，并据此讨论了W对γ′析出的作用机理。
利用真空感应炉制备了三种W含量（1.02 wt.%、0.52 wt.%和0 wt.% W）的难变形高温合金U720Li铸件并对其进行了均匀化处理，重点研究了W对均匀化态U720Li合金热变形行为和开裂特征的影响。结果表明，W含量的减少导致均匀化炉冷态合金在1000 ℃的变形抗力逐渐降低，当W含量减少至0 wt.%时拉伸塑性大幅提高，断裂模式由沿晶断裂转变为沿晶-穿晶混合断裂。随着W含量的降低均匀化炉冷态和空冷态合金晶内的显微硬度均逐渐下降，γ′尺寸明显增大，体积分数逐渐减小。W对变形抗力和热塑性造成影响的主要原因是，W的减少不仅降低了固溶强化程度，还改变了γ′的特征，促进动态再结晶的发生。另外，本文揭示了W主要分布在γ基体中，并据此讨论了W对γ′析出的作用机理。
2021, 50(8):2876-2882.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200653
摘要:
为改善Ti6Al4V(TC4)作为骨科硬组织植入物长期在人体内服役时发生细菌感染及体液腐蚀后有害离子释放的弊端,采用溶胶-凝胶法梯度动态升温处理氧化锌(ZnO)溶胶,分别在TC4表面成功制备了纳米ZnO涂层和ZnO/PDA(聚多巴胺)复合涂层。系统分析了两种涂层的物相结构、微观形貌、涂层结合力、润湿性以及在模拟体液中的腐蚀性能。研究结果表明：TC4基材上所制备的ZnO/PDA复合涂层相较于单一ZnO涂层具有更为均匀的纳米ZnO颗粒分布,PDA对金属离子的螯合作用通过Ti-O-Zn键促进了基底与ZnO间的结合力,同时PDA的引入进一步提升了ZnO涂层的润湿性、降低其表面粗糙度、改善了TC4的耐腐蚀性能。
为改善Ti6Al4V(TC4)作为骨科硬组织植入物长期在人体内服役时发生细菌感染及体液腐蚀后有害离子释放的弊端,采用溶胶-凝胶法梯度动态升温处理氧化锌(ZnO)溶胶,分别在TC4表面成功制备了纳米ZnO涂层和ZnO/PDA(聚多巴胺)复合涂层。系统分析了两种涂层的物相结构、微观形貌、涂层结合力、润湿性以及在模拟体液中的腐蚀性能。研究结果表明：TC4基材上所制备的ZnO/PDA复合涂层相较于单一ZnO涂层具有更为均匀的纳米ZnO颗粒分布,PDA对金属离子的螯合作用通过Ti-O-Zn键促进了基底与ZnO间的结合力,同时PDA的引入进一步提升了ZnO涂层的润湿性、降低其表面粗糙度、改善了TC4的耐腐蚀性能。
2021, 50(8):2883-2891.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200654
摘要:
为提高钛合金的摩擦磨损和高温抗氧化性能，采用激光熔覆技术在Ti6AI4V钛合金（TC4）表面制备了近等原子比的AlCoCrFeMoVTi高熵合金（HEA）涂层。借助X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等分析了涂层的物相组成和显微组织；运用HDX-1000维氏硬度仪测试了熔覆层显微硬度；通过UMT-3摩擦磨损试验机和GSL-1400X 型管式电阻炉分别测试了HEA涂层的摩擦磨损性能和高温抗氧化性能。结果表明，HEA涂层主要由面心立方（FCC）、体心立方（BCC）二元共晶相组成；HEA涂层最高显微硬度为1099 HV0.2，是基体TC4的3.29倍；涂层摩擦系数为0.31，磨损体积为1.79×10-4 mm3，分别为基体的59.62%和12.01%；在800℃恒温下氧化50 h后，HEA涂层的氧化增重为1.49 mg，仅为基体的16.37%。激光熔覆高熵合金AlCoCrFeMoVTi涂层能显著改善Ti6Al4V钛合金的摩擦磨损和高温抗氧化性能。
为提高钛合金的摩擦磨损和高温抗氧化性能，采用激光熔覆技术在Ti6AI4V钛合金（TC4）表面制备了近等原子比的AlCoCrFeMoVTi高熵合金（HEA）涂层。借助X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等分析了涂层的物相组成和显微组织；运用HDX-1000维氏硬度仪测试了熔覆层显微硬度；通过UMT-3摩擦磨损试验机和GSL-1400X 型管式电阻炉分别测试了HEA涂层的摩擦磨损性能和高温抗氧化性能。结果表明，HEA涂层主要由面心立方（FCC）、体心立方（BCC）二元共晶相组成；HEA涂层最高显微硬度为1099 HV0.2，是基体TC4的3.29倍；涂层摩擦系数为0.31，磨损体积为1.79×10-4 mm3，分别为基体的59.62%和12.01%；在800℃恒温下氧化50 h后，HEA涂层的氧化增重为1.49 mg，仅为基体的16.37%。激光熔覆高熵合金AlCoCrFeMoVTi涂层能显著改善Ti6Al4V钛合金的摩擦磨损和高温抗氧化性能。
2021, 50(8):2892-2896.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200657
摘要:
本文制备了一种针对CO的石墨烯负载氯化钯的气敏传感材料。扫描电镜分析表明：材料由明显的两种不同形貌材料构成：二维薄片状和三位颗粒状；透射电镜和高分辨透射电镜照片以及选取电子衍射照片显示,石墨烯负载的氯化钯材料颗粒粒度小于10纳米,为单晶材料。性能测试分析表明,以该材料制备成电极材料制作的气敏器件,对CO气体检测下限为100ppb水平,敏感度高,灵敏度为63.34 mV/ppm,该传感器的响应时间大约为8~9秒。
本文制备了一种针对CO的石墨烯负载氯化钯的气敏传感材料。扫描电镜分析表明：材料由明显的两种不同形貌材料构成：二维薄片状和三位颗粒状；透射电镜和高分辨透射电镜照片以及选取电子衍射照片显示,石墨烯负载的氯化钯材料颗粒粒度小于10纳米,为单晶材料。性能测试分析表明,以该材料制备成电极材料制作的气敏器件,对CO气体检测下限为100ppb水平,敏感度高,灵敏度为63.34 mV/ppm,该传感器的响应时间大约为8~9秒。
2021, 50(8):2897-2904.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200659
摘要:
本文通过分子动力学模拟对重复纳米加工单晶镍中的表面形貌、亚表面损伤和刀具受力情况进行了分析。并通过纳米划痕实验适当验证了理论分析的结论。论文对加工中一系列原子的坐标进行追踪，揭示了重复加工时表面凹槽的形成及变化原因。通过共近邻分析和位错提取技术，得出在单晶镍纳米加工中，重复加工一次会对工件亚表面质量有所改善，而重复加工两遍则基本没有区别。同时，刀具在第一次加工中所受切向力和法向力明显较大，而之后的两次重复加工则刀具受力基本相同。采用原子力显微镜对纳米划痕实验后的单晶镍进行表面粗糙度检测，发现重复一次加工会适当的提高加工后工件表面质量。
本文通过分子动力学模拟对重复纳米加工单晶镍中的表面形貌、亚表面损伤和刀具受力情况进行了分析。并通过纳米划痕实验适当验证了理论分析的结论。论文对加工中一系列原子的坐标进行追踪，揭示了重复加工时表面凹槽的形成及变化原因。通过共近邻分析和位错提取技术，得出在单晶镍纳米加工中，重复加工一次会对工件亚表面质量有所改善，而重复加工两遍则基本没有区别。同时，刀具在第一次加工中所受切向力和法向力明显较大，而之后的两次重复加工则刀具受力基本相同。采用原子力显微镜对纳米划痕实验后的单晶镍进行表面粗糙度检测，发现重复一次加工会适当的提高加工后工件表面质量。
2021, 50(8):2905-2912.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200660
摘要:
本文以废旧紫铜片为基体，Ni粉、Cr粉为覆膜材料，通过活化反应烧结法制备了Ni-Cr-Cu三元合金电极材料。采用X射线衍射分析(XRD)、场发射电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)等对电极的物相、形貌结构、元素分布、以及析氢产物进行表征；通过循环伏安、线性极化、交流阻抗等方法测试了合金电极材料的电催化析氢性能。结果表明Ni-Cr-Cu三元合金薄膜电极具有优异的析氢性能，调节Cr元素的含量可提高其析氢催化活性，在室温条件下，Ni30wt%Cr-Cu三元合金电极材料在6mol/L KOH的溶液中析氢性能较好，其析氢过电位仅有-0.13V (vs SCE)，交换电流密度为10mA/cm2时对应的极化电位为-0.145V (vs SCE)；经开路电位测试36000 s后，电极材料的开路电位（η）从0.05V变化为0.02V，仅降低0.03 V，表明析氢电极化学稳定性良好。
本文以废旧紫铜片为基体，Ni粉、Cr粉为覆膜材料，通过活化反应烧结法制备了Ni-Cr-Cu三元合金电极材料。采用X射线衍射分析(XRD)、场发射电镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)等对电极的物相、形貌结构、元素分布、以及析氢产物进行表征；通过循环伏安、线性极化、交流阻抗等方法测试了合金电极材料的电催化析氢性能。结果表明Ni-Cr-Cu三元合金薄膜电极具有优异的析氢性能，调节Cr元素的含量可提高其析氢催化活性，在室温条件下，Ni30wt%Cr-Cu三元合金电极材料在6mol/L KOH的溶液中析氢性能较好，其析氢过电位仅有-0.13V (vs SCE)，交换电流密度为10mA/cm2时对应的极化电位为-0.145V (vs SCE)；经开路电位测试36000 s后，电极材料的开路电位（η）从0.05V变化为0.02V，仅降低0.03 V，表明析氢电极化学稳定性良好。
2021, 50(8):2913-2920.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200662
摘要:
以粒径分布为15-106 μm多孔球形团聚W粉为原料，采用SPS在不同烧结温度(1450℃、1500℃、1550℃)，轴向恒压40Mpa，保温5min下制备出高强度(347.8±10.6 Mpa(1450℃)、407.4±14.2 Mpa(1500℃)、543.9±8.7 Mpa(1550℃))、多级孔结构（3-10 μm\200-500 nm）W骨架。结合XRD、SEM、万能试验机等检测技术，对SPS烧结过程中粉末致密化行为、显微组织变化及力学性能进行了系统研究。结果表明: SPS可制得烧结前后物相无明显变化、孔隙率介于30%-40%、烧结颈发育完全多级孔结构钨骨架。该多级孔W骨架SPS烧结致密化过程可分为4个阶段，第一阶段为升压阶段，烧结试样相对密度随压力升高而迅速升高；第二阶段为典型的颗粒重排阶段；第三阶段烧结温度高于1000℃，烧结试样相对密度随温度的升高而升高，属于典型的烧结中期；第四阶段为烧结末期，烧结体内部高温蠕变引起致密化程度进一步提高。利用高温蠕变模型研究了该多孔球形W粉的致密化机理为纯扩散致密化，通过颈长方程确定该多孔球形钨粉在整个SPS烧结过程中的致密化机理是以体积扩散为主，晶界扩散为辅。
以粒径分布为15-106 μm多孔球形团聚W粉为原料，采用SPS在不同烧结温度(1450℃、1500℃、1550℃)，轴向恒压40Mpa，保温5min下制备出高强度(347.8±10.6 Mpa(1450℃)、407.4±14.2 Mpa(1500℃)、543.9±8.7 Mpa(1550℃))、多级孔结构（3-10 μm\200-500 nm）W骨架。结合XRD、SEM、万能试验机等检测技术，对SPS烧结过程中粉末致密化行为、显微组织变化及力学性能进行了系统研究。结果表明: SPS可制得烧结前后物相无明显变化、孔隙率介于30%-40%、烧结颈发育完全多级孔结构钨骨架。该多级孔W骨架SPS烧结致密化过程可分为4个阶段，第一阶段为升压阶段，烧结试样相对密度随压力升高而迅速升高；第二阶段为典型的颗粒重排阶段；第三阶段烧结温度高于1000℃，烧结试样相对密度随温度的升高而升高，属于典型的烧结中期；第四阶段为烧结末期，烧结体内部高温蠕变引起致密化程度进一步提高。利用高温蠕变模型研究了该多孔球形W粉的致密化机理为纯扩散致密化，通过颈长方程确定该多孔球形钨粉在整个SPS烧结过程中的致密化机理是以体积扩散为主，晶界扩散为辅。
2021, 50(8):2921-2926.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200664
摘要:
本文对含有残余铁素体的奥氏体不锈钢进行不同温度的固溶处理,使用SEM、EBSD、TEM和显微硬度等技术分析试验样品的微观组织、织构和析出相。结果表明：奥氏体不锈钢在900~1100℃固溶处理30min后水淬,存在奥氏体、铁素体和Sigma三相,未发现M23C6和Chi相。在900~1000℃范围内生成Sigma相,Sigma相会提高基体硬度。Sigma相主要由残余δ铁素体分解生成, {001}<110>和{001}<100>取向的δ铁素体优先向Sigma相转变。且随着温度的升高,Sigma含量降低,奥氏体平均晶粒尺寸增加,硬度呈逐渐下降趋势。固溶温度超过1050℃后,Sigma相完全固溶进奥氏体中,奥氏体平均晶粒尺寸显著长大,硬度值快速降低,残余铁素体中{001}<110>和{001}<100>织构重新增强。1100℃固溶处理后,残余铁素体含量降低至0.2%。
本文对含有残余铁素体的奥氏体不锈钢进行不同温度的固溶处理,使用SEM、EBSD、TEM和显微硬度等技术分析试验样品的微观组织、织构和析出相。结果表明：奥氏体不锈钢在900~1100℃固溶处理30min后水淬,存在奥氏体、铁素体和Sigma三相,未发现M23C6和Chi相。在900~1000℃范围内生成Sigma相,Sigma相会提高基体硬度。Sigma相主要由残余δ铁素体分解生成, {001}<110>和{001}<100>取向的δ铁素体优先向Sigma相转变。且随着温度的升高,Sigma含量降低,奥氏体平均晶粒尺寸增加,硬度呈逐渐下降趋势。固溶温度超过1050℃后,Sigma相完全固溶进奥氏体中,奥氏体平均晶粒尺寸显著长大,硬度值快速降低,残余铁素体中{001}<110>和{001}<100>织构重新增强。1100℃固溶处理后,残余铁素体含量降低至0.2%。
2021, 50(8):2927-2932.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200672
摘要:
为了研究服役过程中38CaO-5MgO-8AlO1.5-49SiO2(CMAS)对镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19)的高温侵蚀行为,利用大气等离子喷涂技术制备了LaMgAl11O19涂层。本文通过SEM、EDS和XRD表征了1050℃、1250℃下LaMgAl11O19涂层被CMAS侵蚀后的微观组织和相结构。研究表明,LaMgAl11O19涂层中在1250℃被侵蚀24 h后的腐蚀产物是CaAl2Si2O8和MgAl2O4。此外,通过研究侵蚀层厚度与侵蚀温度、侵蚀时间的关系,计算得到了在1050℃~1250℃温度下,CMAS侵蚀LaMgAl11O19涂层的反应活化能为94.1 kJ/mol。
为了研究服役过程中38CaO-5MgO-8AlO1.5-49SiO2(CMAS)对镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19)的高温侵蚀行为,利用大气等离子喷涂技术制备了LaMgAl11O19涂层。本文通过SEM、EDS和XRD表征了1050℃、1250℃下LaMgAl11O19涂层被CMAS侵蚀后的微观组织和相结构。研究表明,LaMgAl11O19涂层中在1250℃被侵蚀24 h后的腐蚀产物是CaAl2Si2O8和MgAl2O4。此外,通过研究侵蚀层厚度与侵蚀温度、侵蚀时间的关系,计算得到了在1050℃~1250℃温度下,CMAS侵蚀LaMgAl11O19涂层的反应活化能为94.1 kJ/mol。
2021, 50(8):2933-2940.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200677
摘要:
针对140mm厚TC4钛合金镂空承重框的结构特征提出双道双侧不等熔深的电子束焊接（EBW）方案，进行焊接试验并对接头组织性能进行了分析。发现焊缝区组织性能在厚度方向有较明显的不均匀现象，两道焊缝根部重叠区是最值得关注的部位。两道焊缝根部重叠区存在大量针状α′相和点状离散分布的β相，针状相短小、相互交错现象明显；接头中其它焊缝区域观察到针状α′相和分布在原始β晶界的α相，但板条较长且排列具有较明显方向性。两道焊缝根部重叠区显微硬度比接头其它焊缝区域显微硬度（341HV~346HV）高出约10%。两道焊缝根部重叠区的焊缝室温冲击功比接头中其它焊缝区域室温冲击功（约47J）低约11%。两道焊缝根部发生重叠的区域焊接接头抗拉强度最低。结合有限元仿真发现大厚度TC4双道双侧不等熔深EBW接头焊缝根部重叠区在900℃附近冷却速度高于焊缝其它区域，是导致重叠区域与焊缝其它区域之间组织性能差异的重要原因。接头拉伸都断裂在母材区。研究表明采用双道双侧不等熔深EBW焊接方案制造大厚度镂空钛合金承重框是可行的，建议实践中可采取提高母材厚度方向组织性能均匀性、严格控制两道焊接之间时间间隔等措施。
针对140mm厚TC4钛合金镂空承重框的结构特征提出双道双侧不等熔深的电子束焊接（EBW）方案，进行焊接试验并对接头组织性能进行了分析。发现焊缝区组织性能在厚度方向有较明显的不均匀现象，两道焊缝根部重叠区是最值得关注的部位。两道焊缝根部重叠区存在大量针状α′相和点状离散分布的β相，针状相短小、相互交错现象明显；接头中其它焊缝区域观察到针状α′相和分布在原始β晶界的α相，但板条较长且排列具有较明显方向性。两道焊缝根部重叠区显微硬度比接头其它焊缝区域显微硬度（341HV~346HV）高出约10%。两道焊缝根部重叠区的焊缝室温冲击功比接头中其它焊缝区域室温冲击功（约47J）低约11%。两道焊缝根部发生重叠的区域焊接接头抗拉强度最低。结合有限元仿真发现大厚度TC4双道双侧不等熔深EBW接头焊缝根部重叠区在900℃附近冷却速度高于焊缝其它区域，是导致重叠区域与焊缝其它区域之间组织性能差异的重要原因。接头拉伸都断裂在母材区。研究表明采用双道双侧不等熔深EBW焊接方案制造大厚度镂空钛合金承重框是可行的，建议实践中可采取提高母材厚度方向组织性能均匀性、严格控制两道焊接之间时间间隔等措施。
2021, 50(8):2941-2949.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200674
摘要:
利用拉伸实验、光学显微镜和透射电镜研究了退火工艺、时效工艺和循环应变对Ti-50.8Ni-0.1Zr合金形状记忆行为的影响。350~400 ℃和600~700 ℃退火态合金呈超弹性(SE),450~550 ℃退火态合金呈形状记忆效应(SME)；300 ℃/(1~50 h)和400 ℃/1 h时效态合金呈SE,400 ℃/(5~50 h)和500 ℃/(1~50 h)时效态合金呈SME。随退火温度升高,合金应力应变曲线平台应力σM先降低后升高,最小值200MPa在500 ℃退火后取得；残余应变εR先升高后降低,最大值2.64%在500 ℃退火后取得。随时效时间延长,300 ℃时效态合金的σM降低,εR始终较小；400 ℃和500 ℃时效态合金的σM降低,εR先升高后趋于稳定。随循环次数增加,呈SE的合金由部分非线性SE转变为完全非线性SE,且σM和能耗△W先降低后趋于稳定；呈SME的合金的σM和△W先降低后趋于稳定。
利用拉伸实验、光学显微镜和透射电镜研究了退火工艺、时效工艺和循环应变对Ti-50.8Ni-0.1Zr合金形状记忆行为的影响。350~400 ℃和600~700 ℃退火态合金呈超弹性(SE),450~550 ℃退火态合金呈形状记忆效应(SME)；300 ℃/(1~50 h)和400 ℃/1 h时效态合金呈SE,400 ℃/(5~50 h)和500 ℃/(1~50 h)时效态合金呈SME。随退火温度升高,合金应力应变曲线平台应力σM先降低后升高,最小值200MPa在500 ℃退火后取得；残余应变εR先升高后降低,最大值2.64%在500 ℃退火后取得。随时效时间延长,300 ℃时效态合金的σM降低,εR始终较小；400 ℃和500 ℃时效态合金的σM降低,εR先升高后趋于稳定。随循环次数增加,呈SE的合金由部分非线性SE转变为完全非线性SE,且σM和能耗△W先降低后趋于稳定；呈SME的合金的σM和△W先降低后趋于稳定。
2021, 50(8):2950-2956.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200684
摘要:
为获得细晶TiAl合金及有效减少传统铸造带来的内部缺陷，本文采用真空热压烧结工艺制备了Ti-44Al-2Cr-4Nb-0.2W-0.2B合金，研究了烧结温度对TiAl合金微观组织及力学性能的影响。实验结果表明： Ti、Al元素粉末反应合成后，经XRD检测，三种烧结温度(1150 ℃、1240 ℃、1300 ℃)烧结后的合金主要由γ-TiAl和α2-Ti3Al两种基体相组成，随着烧结温度的增加，γ相含量增加，α2相则减少；结合SEM观察发现，改变烧结温度可获得TiAl合金不同典型组织，其中1150 ℃烧结合金为近γ组织、1240 ℃烧结为双态组织、1300 ℃烧结为近片层组织，烧结温度的升高使得合金组织愈发均匀；配合EDS分析，烧结温度的升高有助于Nb元素在基体相中的扩散，同时合金密度随烧结温度的升高逐步增加，当烧结温度升至1300 ℃，合金的密度达到4.419 g/cm3；通过力学性能检测，在1240 ℃烧结制备的TiAl合金组织为细小的双态组织，显示出较好的综合力学性能，其显微硬度为527 HV，在高温压缩时展示出良好的抗压强度。
为获得细晶TiAl合金及有效减少传统铸造带来的内部缺陷，本文采用真空热压烧结工艺制备了Ti-44Al-2Cr-4Nb-0.2W-0.2B合金，研究了烧结温度对TiAl合金微观组织及力学性能的影响。实验结果表明： Ti、Al元素粉末反应合成后，经XRD检测，三种烧结温度(1150 ℃、1240 ℃、1300 ℃)烧结后的合金主要由γ-TiAl和α2-Ti3Al两种基体相组成，随着烧结温度的增加，γ相含量增加，α2相则减少；结合SEM观察发现，改变烧结温度可获得TiAl合金不同典型组织，其中1150 ℃烧结合金为近γ组织、1240 ℃烧结为双态组织、1300 ℃烧结为近片层组织，烧结温度的升高使得合金组织愈发均匀；配合EDS分析，烧结温度的升高有助于Nb元素在基体相中的扩散，同时合金密度随烧结温度的升高逐步增加，当烧结温度升至1300 ℃，合金的密度达到4.419 g/cm3；通过力学性能检测，在1240 ℃烧结制备的TiAl合金组织为细小的双态组织，显示出较好的综合力学性能，其显微硬度为527 HV，在高温压缩时展示出良好的抗压强度。
2021, 50(8):2957-2966.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200691
摘要:
负载型贵金属纳米催化剂是提高贵金属催化剂利用率,降低经济成本的一种有效途径,也是一种新型的有潜力的表面增强拉曼光谱(SERS)的基底材料。本文首先利用静电纺丝技术构建了还原的氧化石墨烯(rGO)增强的聚丙烯腈/聚苯胺复合纤维(PAN/PANI/rGO),然后采用原位还原的方法在其表面生长金纳米颗粒得到了PAN/PANI/rGO/Au复合纤维,通过SEM, FTIR, XRD, XPS, Raman和UV-Vis光谱等手段对复合纤维进行了结构和形貌表征,最后以NaBH4还原四硝基苯酚(4-NP)为模型,研究了复合纤维的催化性能和原位SERS检测该催化还原反应的过程,并将其与同种方法制备的PAN/PANI/GO/Au和PAN/PANI/Au复合纤维进行比较。结果表明,rGO增强的PAN/PANI/rGO/Au复合纤维具有优于PAN/PANI/GO/Au和PAN/PANI/Au复合纤维的催化活性、原位增强拉曼检测的能力和循环性能。
负载型贵金属纳米催化剂是提高贵金属催化剂利用率,降低经济成本的一种有效途径,也是一种新型的有潜力的表面增强拉曼光谱(SERS)的基底材料。本文首先利用静电纺丝技术构建了还原的氧化石墨烯(rGO)增强的聚丙烯腈/聚苯胺复合纤维(PAN/PANI/rGO),然后采用原位还原的方法在其表面生长金纳米颗粒得到了PAN/PANI/rGO/Au复合纤维,通过SEM, FTIR, XRD, XPS, Raman和UV-Vis光谱等手段对复合纤维进行了结构和形貌表征,最后以NaBH4还原四硝基苯酚(4-NP)为模型,研究了复合纤维的催化性能和原位SERS检测该催化还原反应的过程,并将其与同种方法制备的PAN/PANI/GO/Au和PAN/PANI/Au复合纤维进行比较。结果表明,rGO增强的PAN/PANI/rGO/Au复合纤维具有优于PAN/PANI/GO/Au和PAN/PANI/Au复合纤维的催化活性、原位增强拉曼检测的能力和循环性能。
2021, 50(8):2967-2972.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200693
摘要:
采用激光沉积方法制备了AlxTiCrMnCu (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金。通过XRD、SEM及腐蚀电化学测试技术等研究了AlxTiCrMnCu高熵合金的微观结构及性能。研究发现,随Al含量的增加,AlxTiCrMnCu高熵合金由简单的FCC和HCP1混合固溶体结构逐渐转变为全部HCP2固溶体结构；合金的显微硬度随Al含量的增加而增大；AlxTiCrMnCu高熵合金在3.5% NaCl水溶液中的耐蚀性先提高后降低,当x=0.25时,其耐蚀性最佳。
采用激光沉积方法制备了AlxTiCrMnCu (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金。通过XRD、SEM及腐蚀电化学测试技术等研究了AlxTiCrMnCu高熵合金的微观结构及性能。研究发现,随Al含量的增加,AlxTiCrMnCu高熵合金由简单的FCC和HCP1混合固溶体结构逐渐转变为全部HCP2固溶体结构；合金的显微硬度随Al含量的增加而增大；AlxTiCrMnCu高熵合金在3.5% NaCl水溶液中的耐蚀性先提高后降低,当x=0.25时,其耐蚀性最佳。
2021, 50(8):2973-2978.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200703
摘要:
目前Ti6Al4V合金粉体的生产方法主要有雾化法、机械合金法和氢化脱氢法,它们都以Kroll法生产海绵钛为基础。使用钛的氧化物作为原料的熔盐电解法和金属热还原法仍处于研究阶段。本文依据变价金属Ti和V的氧化物在还原过程中逐级还原的特性,提出使用金属氧化物(TiO2, V2O5)作为原料的多级深度还原法制备Ti6Al4V合金粉体的新思路。首先计算了TiO2-V2O5-Mg-Ca体系的吉布斯自由能变,结果表明先进行镁热自蔓延反应,后进行钙热深度还原反应制备Ti6Al4V合金粉体在热力学上具备可行性。然后通过实验进行了的验证。镁热自蔓延反应产物酸浸后除去MgO可得到氧含量为15.84%的多孔Ti-Al-V-O前驱体。配入金属Ca后进行深度脱氧可得到低氧Ti6Al4V合金粉体(Al: 6.2wt.%, V: 3.64wt.%, O: 0.24wt.%, Mg: 0.01wt.%, Ca: < 0.01wt.%)。
目前Ti6Al4V合金粉体的生产方法主要有雾化法、机械合金法和氢化脱氢法,它们都以Kroll法生产海绵钛为基础。使用钛的氧化物作为原料的熔盐电解法和金属热还原法仍处于研究阶段。本文依据变价金属Ti和V的氧化物在还原过程中逐级还原的特性,提出使用金属氧化物(TiO2, V2O5)作为原料的多级深度还原法制备Ti6Al4V合金粉体的新思路。首先计算了TiO2-V2O5-Mg-Ca体系的吉布斯自由能变,结果表明先进行镁热自蔓延反应,后进行钙热深度还原反应制备Ti6Al4V合金粉体在热力学上具备可行性。然后通过实验进行了的验证。镁热自蔓延反应产物酸浸后除去MgO可得到氧含量为15.84%的多孔Ti-Al-V-O前驱体。配入金属Ca后进行深度脱氧可得到低氧Ti6Al4V合金粉体(Al: 6.2wt.%, V: 3.64wt.%, O: 0.24wt.%, Mg: 0.01wt.%, Ca: < 0.01wt.%)。
2021, 50(8):2979-2985.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200692
摘要:
采用 Gleeble-1500 热模拟实验机对双态组织Ti80合金在变形温度为860-980℃、应变速率为 0.01~1变形条件下进行了热压缩模拟实验，研究了合金热变形过程中的流变应力行为，利用加工硬化率确定了不同变形条件下动态再结晶临界应变。结果表明，动态再结晶是Ti80合金热变形过程中的重要软化机制，并发现动态再结晶临界应变随温度的升高和应变速率的降低而减小。基于Z参数和改进后的Avrami方程，构建了Ti80合金动态再结晶临界应变与动力学模型。
采用 Gleeble-1500 热模拟实验机对双态组织Ti80合金在变形温度为860-980℃、应变速率为 0.01~1变形条件下进行了热压缩模拟实验，研究了合金热变形过程中的流变应力行为，利用加工硬化率确定了不同变形条件下动态再结晶临界应变。结果表明，动态再结晶是Ti80合金热变形过程中的重要软化机制，并发现动态再结晶临界应变随温度的升高和应变速率的降低而减小。基于Z参数和改进后的Avrami方程，构建了Ti80合金动态再结晶临界应变与动力学模型。
2021, 50(8):2986-2992.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200585
摘要:
近年来高熵合金因具有许多优于传统合金的性能备受瞩目,而高温氧化问题大大限制了其发展应用。多元组成使高熵合金的高温氧化过程不同于单一金属,不同氧化阶段的动力学规律有很大不同。氧化前期多种元素发生氧化反应,氧化物种类和氧化膜结构随时间发生变化,直到稳定氧化阶段氧化产物才固定存在。本文从初期选择性氧化、过渡态氧化和稳定氧化期三个阶段深入剖析高熵合金高温氧化各个过程的详细机理,并总结相应的改善高温抗氧化性能的方法,为高熵合金材料设计和性能调控提供重要的理论依据。
近年来高熵合金因具有许多优于传统合金的性能备受瞩目,而高温氧化问题大大限制了其发展应用。多元组成使高熵合金的高温氧化过程不同于单一金属,不同氧化阶段的动力学规律有很大不同。氧化前期多种元素发生氧化反应,氧化物种类和氧化膜结构随时间发生变化,直到稳定氧化阶段氧化产物才固定存在。本文从初期选择性氧化、过渡态氧化和稳定氧化期三个阶段深入剖析高熵合金高温氧化各个过程的详细机理,并总结相应的改善高温抗氧化性能的方法,为高熵合金材料设计和性能调控提供重要的理论依据。
2021, 50(8):2993-3002.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200438
摘要:
柔性硬质纳米涂层具有高致密性、高表面完整性、高硬度、高韧性和高裂纹抵抗力特性，是新一代高性能纳米涂层的一个重要发展方向，但其制备难度高，难以利用传统涂层制备技术实现。深振荡磁控溅射（Deep Oscillation Magnetron Sputtering, DOMS）技术是一种新型的高功率脉冲磁控溅射技术，现已成为国际涂层研究领域的热点。DOMS技术通过一系列调制的电压微脉冲振荡波形，能够实现完全消除电弧放电和靶材近全离化，获得高密度、低离子能量和高束流密度的等离子体，能制备出具有低缺陷、高表面完整性、高致密性的高性能纳米涂层，并且对纳米涂层的成分、结构和性能实现“剪裁化”的可控制备。本文综述了柔性硬质纳米涂层的特征以及DOMS制备柔性硬质纳米涂层的最新进展。
柔性硬质纳米涂层具有高致密性、高表面完整性、高硬度、高韧性和高裂纹抵抗力特性，是新一代高性能纳米涂层的一个重要发展方向，但其制备难度高，难以利用传统涂层制备技术实现。深振荡磁控溅射（Deep Oscillation Magnetron Sputtering, DOMS）技术是一种新型的高功率脉冲磁控溅射技术，现已成为国际涂层研究领域的热点。DOMS技术通过一系列调制的电压微脉冲振荡波形，能够实现完全消除电弧放电和靶材近全离化，获得高密度、低离子能量和高束流密度的等离子体，能制备出具有低缺陷、高表面完整性、高致密性的高性能纳米涂层，并且对纳米涂层的成分、结构和性能实现“剪裁化”的可控制备。本文综述了柔性硬质纳米涂层的特征以及DOMS制备柔性硬质纳米涂层的最新进展。
2021, 50(8):3003-3010.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200652
摘要:
日本福岛核事故后，以提升反应堆在事故工况下的稳定性和安全性为目的的事故容错燃料技术研究已成为世界范围内的研究热点。涂层技术是事故容错燃料项目短期规划主要的发展方向。在锆合金燃料包壳表面制备保护性涂层能够在不改变现有燃料体系结构的前提下，提升锆合金包壳在反应堆失水事故条件下的事故容错能力。本文综述了国内外锆合金包壳涂层领域研究成果，总结了锆合金表面涂层的种类、性能、制备技术及应用前景，结合涂层的制备技术，综合分析了各种制备方法的特点以及未来需集中要解决的问题。在此基础上，提出金属Cr涂层具有良好的耐腐蚀性能，尤其是在>1200°C高温蒸汽腐蚀条件下能够有效保护锆合金基体，是目前最有希望工程化应用的事故容错涂层。同时，探索适合于工程化应用的Cr涂层制备技术，解决Cr涂层的制备缺陷，提升涂层的结构致密性以及界面性能是目前亟待解决的关键问题。
日本福岛核事故后，以提升反应堆在事故工况下的稳定性和安全性为目的的事故容错燃料技术研究已成为世界范围内的研究热点。涂层技术是事故容错燃料项目短期规划主要的发展方向。在锆合金燃料包壳表面制备保护性涂层能够在不改变现有燃料体系结构的前提下，提升锆合金包壳在反应堆失水事故条件下的事故容错能力。本文综述了国内外锆合金包壳涂层领域研究成果，总结了锆合金表面涂层的种类、性能、制备技术及应用前景，结合涂层的制备技术，综合分析了各种制备方法的特点以及未来需集中要解决的问题。在此基础上，提出金属Cr涂层具有良好的耐腐蚀性能，尤其是在>1200°C高温蒸汽腐蚀条件下能够有效保护锆合金基体，是目前最有希望工程化应用的事故容错涂层。同时，探索适合于工程化应用的Cr涂层制备技术，解决Cr涂层的制备缺陷，提升涂层的结构致密性以及界面性能是目前亟待解决的关键问题。
2021, 50(8):3011-3019.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200635
摘要:
金属增材制造技术是从20世纪90年代初期发展起来的一项先进制造技术，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。高比重W-Ni-Fe合金由于具有高密度、高强度和高塑性等特性，广泛应用于国防工业和国民经济领域。近年来，W-Ni-Fe高比重钨合金的增材制造受到了广泛关注。本文综述了国内外研究机构采用选区激光熔化技术（SLM）、激光熔化沉积技术（LMD）、电子束选区熔化技术（EBSM）和粘合喷射技术（BJP）四种增材制造技术制备W-Ni-Fe合金的研究进展，从成形工艺、成形件微观组织和力学性能等方面进行了分析，并对未来研究趋势做出了预测。
金属增材制造技术是从20世纪90年代初期发展起来的一项先进制造技术，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。高比重W-Ni-Fe合金由于具有高密度、高强度和高塑性等特性，广泛应用于国防工业和国民经济领域。近年来，W-Ni-Fe高比重钨合金的增材制造受到了广泛关注。本文综述了国内外研究机构采用选区激光熔化技术（SLM）、激光熔化沉积技术（LMD）、电子束选区熔化技术（EBSM）和粘合喷射技术（BJP）四种增材制造技术制备W-Ni-Fe合金的研究进展，从成形工艺、成形件微观组织和力学性能等方面进行了分析，并对未来研究趋势做出了预测。
48 电爆喷涂方法的研究进展
2021, 50(8):3020-3030.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200694
摘要:
电爆喷涂是一种新兴的热喷涂方法,它是利用高电压对喷涂材料脉冲放电,瞬时大电流将其加热并发生爆炸,产生高温粒子伴随冲击波喷射到基体表面形成涂层。其特点是喷射粒子速度高,设备尺寸小,适用于孔腔内壁喷涂。本文综述了电爆喷涂方法的发展现状,其经历了自由、定向和约束电爆喷涂,自由喷涂的电极直接接触,烧损严重,并对管径有限制,仅用于小直径管/孔内壁；定向喷涂的约束腔常用陶瓷材料,在爆炸冲击时易破裂或烧蚀；约束喷涂采用消融材料制作约束腔,气体放电导入电流,使这些问题得以解决。其次,阐述了该方法制备的涂层特性,即涂层与基体呈冶金结合；形成了超细晶、纳米晶结构的致密涂层,且具有良好的耐磨和抗腐蚀性及较高的硬度。给出了过程参数与涂层的关系,能量密度和喷涂距离是影响涂层性能的主要因素。最后分析了将来需要研究的问题,展望了电爆喷涂方法的发展趋势。
电爆喷涂是一种新兴的热喷涂方法,它是利用高电压对喷涂材料脉冲放电,瞬时大电流将其加热并发生爆炸,产生高温粒子伴随冲击波喷射到基体表面形成涂层。其特点是喷射粒子速度高,设备尺寸小,适用于孔腔内壁喷涂。本文综述了电爆喷涂方法的发展现状,其经历了自由、定向和约束电爆喷涂,自由喷涂的电极直接接触,烧损严重,并对管径有限制,仅用于小直径管/孔内壁；定向喷涂的约束腔常用陶瓷材料,在爆炸冲击时易破裂或烧蚀；约束喷涂采用消融材料制作约束腔,气体放电导入电流,使这些问题得以解决。其次,阐述了该方法制备的涂层特性,即涂层与基体呈冶金结合；形成了超细晶、纳米晶结构的致密涂层,且具有良好的耐磨和抗腐蚀性及较高的硬度。给出了过程参数与涂层的关系,能量密度和喷涂距离是影响涂层性能的主要因素。最后分析了将来需要研究的问题,展望了电爆喷涂方法的发展趋势。
2021, 50(8):3031-3034.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200869
摘要:
在反应堆中子辐照下，锆合金中产生的点缺陷及演化会影响其力学性能。目前辐照缺陷对Zr-Nb二元体系力学性能影响的机理还不明确，因此本工作基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了点缺陷和Nb原子掺杂对α-Zr力学性质的影响。结果表明，单空位引入使得α-Zr的剪切模量增大，Nb原子掺杂使得α-Zr的剪切模量下降。通过计算含不同点缺陷的α-Zr三维杨氏模量，得到点缺陷引入和Nb掺杂均会使α-Zr结构的各向异性减弱，从而可以在一定程度上缓解因各向异性导致的锆合金辐照效应。
在反应堆中子辐照下，锆合金中产生的点缺陷及演化会影响其力学性能。目前辐照缺陷对Zr-Nb二元体系力学性能影响的机理还不明确，因此本工作基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了点缺陷和Nb原子掺杂对α-Zr力学性质的影响。结果表明，单空位引入使得α-Zr的剪切模量增大，Nb原子掺杂使得α-Zr的剪切模量下降。通过计算含不同点缺陷的α-Zr三维杨氏模量，得到点缺陷引入和Nb掺杂均会使α-Zr结构的各向异性减弱，从而可以在一定程度上缓解因各向异性导致的锆合金辐照效应。
2021, 50(8):3035-3038.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200930
摘要:
在纯V中分别添加5 wt%的Al和5 wt% Al-5Ti-1B(ATB)中间合金(晶粒细化剂)电弧熔炼形成V-5Al和V-5ATB合金铸锭。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)和显微硬度仪等测试手段分析晶粒细化前后V-Al合金的显微组织和硬度变化。结果表明：V-5ATB合金组织中析出长针状第二相TiB使晶粒尺寸明显减小,相比V-5Al合金,V-5ATB合金由于固溶、细晶和硬质TiB第二相等强化效应导致硬度提高。
在纯V中分别添加5 wt%的Al和5 wt% Al-5Ti-1B(ATB)中间合金(晶粒细化剂)电弧熔炼形成V-5Al和V-5ATB合金铸锭。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)和显微硬度仪等测试手段分析晶粒细化前后V-Al合金的显微组织和硬度变化。结果表明：V-5ATB合金组织中析出长针状第二相TiB使晶粒尺寸明显减小,相比V-5Al合金,V-5ATB合金由于固溶、细晶和硬质TiB第二相等强化效应导致硬度提高。
