2022年第51卷第2期文章目次
2022, 51(2):369-373.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210751
摘要:
通过改变含Re单晶镍基高温合金热处理过程中的一次时效温度（1150， 1180 和1200 ℃），获得了3种不同形貌和尺寸的γ′相。随后，对含有不同γ′形貌的3种样品进行了中温高应力（760 ℃/800 MPa）持久试验。结果表明，γ′相的大小对单晶高温合金的持久性能有很大影响。适当增大γ′相的尺寸可以促进合金的均匀变形，从而提高合金的中温持久寿命。
通过改变含Re单晶镍基高温合金热处理过程中的一次时效温度（1150， 1180 和1200 ℃），获得了3种不同形貌和尺寸的γ′相。随后，对含有不同γ′形貌的3种样品进行了中温高应力（760 ℃/800 MPa）持久试验。结果表明，γ′相的大小对单晶高温合金的持久性能有很大影响。适当增大γ′相的尺寸可以促进合金的均匀变形，从而提高合金的中温持久寿命。
2022, 51(2):374-377.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210623
摘要:
准同型相界（MPB）对提升压电陶瓷的压电性能具有重要的作用。BiFeO3-BaTiO3体系的准同型相界通常位于0.70BiFeO3-0.30BaTiO3组分附近。然而，对于BiFeO3-BaTiO3体系，BaTiO3含量越高其居里温度越低。因此，在较低的BaTiO3含量组分附近构建准同型相界是使其同时获得良好的压电活性和高居里温度的有效策略。采用固相法制备了0.74BiFe1-xGaxO3-0.26BaTiO3（x=0~0.05）系列无铅压电陶瓷，研究了Ga含量对其物相结构与电性能的影响。结果表明：随着Ga含量的增加，陶瓷样品从三方相逐渐向赝立方相转变。当x≤0.01，陶瓷样品为三方相结构；而当0.04≤x≤0.05，陶瓷样品为赝立方结构，在0.02≤x≤0.03形成了准同型相界（三方-赝立方）。另外，由于容忍因子的升高，该系列陶瓷的居里温度随着Ga含量的增加而略有降低。位于准同型附近的陶瓷样品表现出良好的压电活性和较高的居里温度。
准同型相界（MPB）对提升压电陶瓷的压电性能具有重要的作用。BiFeO3-BaTiO3体系的准同型相界通常位于0.70BiFeO3-0.30BaTiO3组分附近。然而，对于BiFeO3-BaTiO3体系，BaTiO3含量越高其居里温度越低。因此，在较低的BaTiO3含量组分附近构建准同型相界是使其同时获得良好的压电活性和高居里温度的有效策略。采用固相法制备了0.74BiFe1-xGaxO3-0.26BaTiO3（x=0~0.05）系列无铅压电陶瓷，研究了Ga含量对其物相结构与电性能的影响。结果表明：随着Ga含量的增加，陶瓷样品从三方相逐渐向赝立方相转变。当x≤0.01，陶瓷样品为三方相结构；而当0.04≤x≤0.05，陶瓷样品为赝立方结构，在0.02≤x≤0.03形成了准同型相界（三方-赝立方）。另外，由于容忍因子的升高，该系列陶瓷的居里温度随着Ga含量的增加而略有降低。位于准同型附近的陶瓷样品表现出良好的压电活性和较高的居里温度。
2022, 51(2):378-385.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200940
摘要:
在钎焊温度1140~1220 ℃、钎焊时间30 min的工艺参数下，采用Ti-9.5Cu-8Ni-8Nb-7Al-2.5Zr-1.8Hf（质量分数，%）非晶钎料成功实现了Ti50Al50 (at%)合金的真空钎焊连接，并研究了钎焊温度对钎焊接头的显微组织、剪切强度的影响规律。结果表明，在任何钎焊温度下获得的Ti50Al50钎焊接头均有3个界面反应层且每个反应层都含有α2-Ti3Al和Ti2Cu(Ni) 2个物相。随着钎焊温度的增加，α2-Ti3Al和Ti2Cu(Ni)在钎焊接头中的尺寸与分布发生了明显的变化，尤其是等温凝固层Ⅱ中的Ti2Cu(Ni)相。1200 ℃下稳定存在的连续α2-Ti3Al层Ⅰ对母材和钎料原子的相互扩散具有阻隔壁垒作用，温度一旦超过1200 ℃，α2-Ti3Al相变得不稳定使得连续α2-Ti3Al层被打破从而失去阻隔壁垒效应。在钎缝中析出且弥散分布的α2-Ti3Al对焊缝中物相的形成可以起到抑制形核和细化晶粒的作用。随着钎焊温度升高，Ti50Al50钎焊接头平均抗剪切强度先增加后减小，在钎焊温度1180 ℃、钎焊时间30 min时钎焊接头的抗剪切强度最大，达184 MPa。剪切断口表面呈典型解理断裂特征且α2-Ti3Al占绝大多数。
在钎焊温度1140~1220 ℃、钎焊时间30 min的工艺参数下，采用Ti-9.5Cu-8Ni-8Nb-7Al-2.5Zr-1.8Hf（质量分数，%）非晶钎料成功实现了Ti50Al50 (at%)合金的真空钎焊连接，并研究了钎焊温度对钎焊接头的显微组织、剪切强度的影响规律。结果表明，在任何钎焊温度下获得的Ti50Al50钎焊接头均有3个界面反应层且每个反应层都含有α2-Ti3Al和Ti2Cu(Ni) 2个物相。随着钎焊温度的增加，α2-Ti3Al和Ti2Cu(Ni)在钎焊接头中的尺寸与分布发生了明显的变化，尤其是等温凝固层Ⅱ中的Ti2Cu(Ni)相。1200 ℃下稳定存在的连续α2-Ti3Al层Ⅰ对母材和钎料原子的相互扩散具有阻隔壁垒作用，温度一旦超过1200 ℃，α2-Ti3Al相变得不稳定使得连续α2-Ti3Al层被打破从而失去阻隔壁垒效应。在钎缝中析出且弥散分布的α2-Ti3Al对焊缝中物相的形成可以起到抑制形核和细化晶粒的作用。随着钎焊温度升高，Ti50Al50钎焊接头平均抗剪切强度先增加后减小，在钎焊温度1180 ℃、钎焊时间30 min时钎焊接头的抗剪切强度最大，达184 MPa。剪切断口表面呈典型解理断裂特征且α2-Ti3Al占绝大多数。
2022, 51(2):386-391.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200935
摘要:
为了解钛合金在冷压缩过程中的变形机理和微观组织演变，使用Gleeble 3800热模拟试验机进行冷压缩试验。在冷压缩试验中，通过不同应变（0.2、0.4、0.6、0.8和1.0）和不同应变率（0.1、1.0和10.0 s-1），来研究应变和应变率对钛合金冷变形中微观组织演变的影响。结果表明，较大的真应变和较高的应变率容易使材料内部产生局部晶粒粗化和绝热剪切带。真应变应选择在0.2~0.6的范围内。1.0 s-1的应变速率下，组织均匀且晶粒细小，适合冷变形。在冷变形过程中观察到的变形软化主要是由在较大的真应变和应变速率下产生的绝热温升和局部晶粒粗化引起的。
为了解钛合金在冷压缩过程中的变形机理和微观组织演变，使用Gleeble 3800热模拟试验机进行冷压缩试验。在冷压缩试验中，通过不同应变（0.2、0.4、0.6、0.8和1.0）和不同应变率（0.1、1.0和10.0 s-1），来研究应变和应变率对钛合金冷变形中微观组织演变的影响。结果表明，较大的真应变和较高的应变率容易使材料内部产生局部晶粒粗化和绝热剪切带。真应变应选择在0.2~0.6的范围内。1.0 s-1的应变速率下，组织均匀且晶粒细小，适合冷变形。在冷变形过程中观察到的变形软化主要是由在较大的真应变和应变速率下产生的绝热温升和局部晶粒粗化引起的。
2022, 51(2):392-399.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200943
摘要:
采用粉末冶金法制备了AlxCuFeNiCoCr高熵合金。研究了铝含量对合金性能和组织的影响，并讨论了合金制备过程中晶粒性能的变化。结果表明，在球磨过程中合金晶粒细化，且合金晶粒尺寸随Al含量的增加而增大。在烧结过程中，合金中会产生新的晶粒，并首先吸收一定热量形成含Al的金属间化合物。在1200 ℃加热2 h后，获得具有简单晶体结构的相，证实了高熵合金的形成。根据获得的能谱，合金组成均匀，合金化程度高。然而，随着Al含量的增加，出现了少量具有高Al含量的高对比度区域。合金具有良好的高温抗氧化性能和抗电化学腐蚀性能。随着铝含量的增加，合金的高温抗氧化性能提高。当Al含量为1mol%时，自腐蚀电压为-235 mV。随着Al含量的增加，硬度也增加。结果表明，当Al含量为1mol%时，合金具有最佳综合性能。
采用粉末冶金法制备了AlxCuFeNiCoCr高熵合金。研究了铝含量对合金性能和组织的影响，并讨论了合金制备过程中晶粒性能的变化。结果表明，在球磨过程中合金晶粒细化，且合金晶粒尺寸随Al含量的增加而增大。在烧结过程中，合金中会产生新的晶粒，并首先吸收一定热量形成含Al的金属间化合物。在1200 ℃加热2 h后，获得具有简单晶体结构的相，证实了高熵合金的形成。根据获得的能谱，合金组成均匀，合金化程度高。然而，随着Al含量的增加，出现了少量具有高Al含量的高对比度区域。合金具有良好的高温抗氧化性能和抗电化学腐蚀性能。随着铝含量的增加，合金的高温抗氧化性能提高。当Al含量为1mol%时，自腐蚀电压为-235 mV。随着Al含量的增加，硬度也增加。结果表明，当Al含量为1mol%时，合金具有最佳综合性能。
2022, 51(2):400-407.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210604
摘要:
采用Gleeble-3800热模拟试验机对含铜304L不锈钢进行热压缩实验，变形温度为900~1150 ℃，应变速率为0.01~20 s-1，并通过应力-应变曲线构建其热加工图。结果表明，随着铜含量的增加（0%Cu-304L，2.42%Cu-304L，3.60%Cu-304L），较好的热加工温度范围从200 ℃降低到75 ℃。微观组织分析发现：该材料失稳的主要原因有局部流动失稳、剪切带、空洞和裂纹；在热变形过程中，塑性变形能在短时间内转化为热量，导致变形材料局部温度升高，这使得熔点相对较低的铜偏析区易融化从而形成孔洞，成为裂纹的来源，降低了材料的热加工性。
采用Gleeble-3800热模拟试验机对含铜304L不锈钢进行热压缩实验，变形温度为900~1150 ℃，应变速率为0.01~20 s-1，并通过应力-应变曲线构建其热加工图。结果表明，随着铜含量的增加（0%Cu-304L，2.42%Cu-304L，3.60%Cu-304L），较好的热加工温度范围从200 ℃降低到75 ℃。微观组织分析发现：该材料失稳的主要原因有局部流动失稳、剪切带、空洞和裂纹；在热变形过程中，塑性变形能在短时间内转化为热量，导致变形材料局部温度升高，这使得熔点相对较低的铜偏析区易融化从而形成孔洞，成为裂纹的来源，降低了材料的热加工性。
2022, 51(2):408-413.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200995
摘要:
提出一种将多壁碳纳米管碘化后制备银/多壁碳纳米管（Ag/MWCNTs）复合材料的方法。通过球磨对碘化多壁碳纳米管进行了功能化，并通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱和热重分析（TG）对其进行了表征。结果表明，经碘化处理后，银纳米粒子（Ag-NPs）能更好地粘附在碳纳米管表面，改善了银纳米粒子与碳纳米管之间的连接。羟基（-OH）基团的伸缩振动明显增强，激活了碳纳米管的表面，增加了碳纳米管表面Ag+形核的数量。在260 ℃以下，Ag/MWCNTs复合材料的质量损失小于MWCNTs的质量损失。最后，制备了银-环氧树脂浆料，发现使用Ag/MWCNTs复合物制备的浆料具有最低的电阻率和最高的热导率。
提出一种将多壁碳纳米管碘化后制备银/多壁碳纳米管（Ag/MWCNTs）复合材料的方法。通过球磨对碘化多壁碳纳米管进行了功能化，并通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱和热重分析（TG）对其进行了表征。结果表明，经碘化处理后，银纳米粒子（Ag-NPs）能更好地粘附在碳纳米管表面，改善了银纳米粒子与碳纳米管之间的连接。羟基（-OH）基团的伸缩振动明显增强，激活了碳纳米管的表面，增加了碳纳米管表面Ag+形核的数量。在260 ℃以下，Ag/MWCNTs复合材料的质量损失小于MWCNTs的质量损失。最后，制备了银-环氧树脂浆料，发现使用Ag/MWCNTs复合物制备的浆料具有最低的电阻率和最高的热导率。
2022, 51(2):414-421.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200944
摘要:
采用低能球磨和放电等离子烧结法制备了石墨烯（GNPs）增强铜基复合材料。研究了石墨烯含量对复合材料微观结构和性能的影响。结果表明，随着石墨烯含量的增加，复合材料的力学性能呈现出先升高后降低的趋势。其中，当石墨烯含量为0.25%（质量分数）时，复合材料的极限抗压强度为409 MPa，合金的导电率高达90% IACS。石墨烯含量的增加导致其在铜基体中的团聚现象严重。此外，随着石墨烯含量的增加，合金的磨损率不断下降。石墨烯的加入显著改善了摩擦性能。屈服强度的增加是由于石墨烯在铜基体中的均匀分布。同时，载荷从铜基体转移到铬颗粒和石墨烯中，有效地阻碍了位错运动。
采用低能球磨和放电等离子烧结法制备了石墨烯（GNPs）增强铜基复合材料。研究了石墨烯含量对复合材料微观结构和性能的影响。结果表明，随着石墨烯含量的增加，复合材料的力学性能呈现出先升高后降低的趋势。其中，当石墨烯含量为0.25%（质量分数）时，复合材料的极限抗压强度为409 MPa，合金的导电率高达90% IACS。石墨烯含量的增加导致其在铜基体中的团聚现象严重。此外，随着石墨烯含量的增加，合金的磨损率不断下降。石墨烯的加入显著改善了摩擦性能。屈服强度的增加是由于石墨烯在铜基体中的均匀分布。同时，载荷从铜基体转移到铬颗粒和石墨烯中，有效地阻碍了位错运动。
2022, 51(2):422-428.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200982
摘要:
采用化学沉积法在Al2O3表面制备了Ni镀层，将所制得的Ni包覆Al2O3颗粒（Al2O3p@Ni）作为铁基体的增强颗粒，采用SPS法制备了镀镍氧化铝增强铁基复合材料（Al2O3p@Ni/Fe）。通过优化化学镀工艺，使得Al2O3表面被Ni层均匀覆盖。Ni镀层呈典型的花椰菜状结构，尺寸为1~4 μm，施镀过程中镍首先沉积在Al2O3表面的凹坑和孔洞中，然后逐渐长大向外扩展。Ni镀层与Al2O3紧密结合，厚度可达100 μm。在烧结过程中，Ni镀层不仅提高了Al2O3与铁基体之间的润湿性，而且促进了Al2O3与铁基体在界面处的扩散和反应。最终，通过机械结合、扩散反应和冶金反应形成了Al2O3/NiAl2O4/(Al0.8Cr0.2)2O3/NiFe2O4/Ni/铁基体界面，大大提高了界面结合强度。同时，对Al2O3p@Ni/Fe复合材料和无表面处理的Al2O3p/Fe复合材料进行了磨损试验，结果表明，与Al2O3p/Fe复合材料相比，Al2O3p@Ni/Fe复合材料的磨损质量损失降低了50%，摩擦系数降低了12.5%。Al2O3p@Ni/Fe复合材料的耐磨性明显提高。
采用化学沉积法在Al2O3表面制备了Ni镀层，将所制得的Ni包覆Al2O3颗粒（Al2O3p@Ni）作为铁基体的增强颗粒，采用SPS法制备了镀镍氧化铝增强铁基复合材料（Al2O3p@Ni/Fe）。通过优化化学镀工艺，使得Al2O3表面被Ni层均匀覆盖。Ni镀层呈典型的花椰菜状结构，尺寸为1~4 μm，施镀过程中镍首先沉积在Al2O3表面的凹坑和孔洞中，然后逐渐长大向外扩展。Ni镀层与Al2O3紧密结合，厚度可达100 μm。在烧结过程中，Ni镀层不仅提高了Al2O3与铁基体之间的润湿性，而且促进了Al2O3与铁基体在界面处的扩散和反应。最终，通过机械结合、扩散反应和冶金反应形成了Al2O3/NiAl2O4/(Al0.8Cr0.2)2O3/NiFe2O4/Ni/铁基体界面，大大提高了界面结合强度。同时，对Al2O3p@Ni/Fe复合材料和无表面处理的Al2O3p/Fe复合材料进行了磨损试验，结果表明，与Al2O3p/Fe复合材料相比，Al2O3p@Ni/Fe复合材料的磨损质量损失降低了50%，摩擦系数降低了12.5%。Al2O3p@Ni/Fe复合材料的耐磨性明显提高。
2022, 51(2):429-435.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200055
摘要:
采用等温压缩分析了Fe0.25Cr0.25Ni0.25Mn0.25中熵合金在900~1050 ℃、0.001~1 s-1应变速率范围内的流变行为。结果表明，热变形以动态再结晶为主，与其他低堆垛层错能的合金一样，流变曲线呈单峰形状。建立了本构模型来描述整个变形过程，分析了加工硬化行为和动态软化过程。利用Kocks-Mecking图发现，在加工硬化阶段，合金的硬化速率随应力呈线性降低，因此应力-应变行为可以用传统的位错密度模型来描述。同时，采用经典的JMAK方程描述由动态再结晶引起的软化过程。此外，对本构模型进行了进一步的修改，减少了参数的数量，简化了回归分析。所提出的半物理模型不仅可以准确地预测应变范围外的应力-应变行为，而且可用于其他低层错能合金。
采用等温压缩分析了Fe0.25Cr0.25Ni0.25Mn0.25中熵合金在900~1050 ℃、0.001~1 s-1应变速率范围内的流变行为。结果表明，热变形以动态再结晶为主，与其他低堆垛层错能的合金一样，流变曲线呈单峰形状。建立了本构模型来描述整个变形过程，分析了加工硬化行为和动态软化过程。利用Kocks-Mecking图发现，在加工硬化阶段，合金的硬化速率随应力呈线性降低，因此应力-应变行为可以用传统的位错密度模型来描述。同时，采用经典的JMAK方程描述由动态再结晶引起的软化过程。此外，对本构模型进行了进一步的修改，减少了参数的数量，简化了回归分析。所提出的半物理模型不仅可以准确地预测应变范围外的应力-应变行为，而且可用于其他低层错能合金。
2022, 51(2):436-441.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200942
摘要:
为探究非晶层结构对单晶锗纳米切削机制和力学特性的影响，采用分子动力学方法模拟不同非晶层厚度的非晶-晶体层状结构（A-C模型）的纳米切削过程。对纳米加工中切削力波动规律，应力状态，亚表面损伤和材料去除等关键问题进行分析。结果表明：非晶锗（A-Ge）厚度的增加使得切削力和应力减小，切削温度升高；材料的可塑性随着A-Ge厚度的增加而增强，这是由于切削温度升高时A-Ge的软化所致；当A-Ge的厚度与切削深度相同时，材料具有较低的亚表面损伤和较大的材料去除率，因此具有优异的力学性能。
为探究非晶层结构对单晶锗纳米切削机制和力学特性的影响，采用分子动力学方法模拟不同非晶层厚度的非晶-晶体层状结构（A-C模型）的纳米切削过程。对纳米加工中切削力波动规律，应力状态，亚表面损伤和材料去除等关键问题进行分析。结果表明：非晶锗（A-Ge）厚度的增加使得切削力和应力减小，切削温度升高；材料的可塑性随着A-Ge厚度的增加而增强，这是由于切削温度升高时A-Ge的软化所致；当A-Ge的厚度与切削深度相同时，材料具有较低的亚表面损伤和较大的材料去除率，因此具有优异的力学性能。
2022, 51(2):442-451.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200963
摘要:
富锂Li1+xM1-xO2材料的研究主要集中在其结构和电化学性能上，而很少关注其热力学性能。开发具有高能量密度和容量的新型富锂材料取决于这种材料的结构、热力学性质和电化学性质之间的固有关系。对富锂材料Li1+xM1-xO2的热力学性质了解不足，使得新型Li1+xM1-xO2材料的开发和利用受到限制。鉴于Li1+xM1-xO2材料缺乏热力学数据，根据基团贡献方法的原理对LiAlO2进行拆分。基于热力学原理，提出了用于估计LiAlO2的ΔGθf,298、ΔHθf,298和Cp的数学模型。采用基团贡献法估算了56种固体无机化合物的ΔGθf,298和ΔHθf,298以及54种固体无机化合物的Cp,298，以检验该模型的可靠性和适用性。利用基团贡献法估算了固体无机化合物的数学模型。利用基团贡献法拟合的基团参数选择的实验数据准确可靠。在结果令人满意的基础上，建立了用于估算3种类型的Li1+xM1-xO2材料的ΔGθf,298，ΔHθf,298和Cp的数学模型，并估算了63种常见Li1+xM1-xO2材料的ΔGθf,298、ΔHθf,298和Cp,298。
富锂Li1+xM1-xO2材料的研究主要集中在其结构和电化学性能上，而很少关注其热力学性能。开发具有高能量密度和容量的新型富锂材料取决于这种材料的结构、热力学性质和电化学性质之间的固有关系。对富锂材料Li1+xM1-xO2的热力学性质了解不足，使得新型Li1+xM1-xO2材料的开发和利用受到限制。鉴于Li1+xM1-xO2材料缺乏热力学数据，根据基团贡献方法的原理对LiAlO2进行拆分。基于热力学原理，提出了用于估计LiAlO2的ΔGθf,298、ΔHθf,298和Cp的数学模型。采用基团贡献法估算了56种固体无机化合物的ΔGθf,298和ΔHθf,298以及54种固体无机化合物的Cp,298，以检验该模型的可靠性和适用性。利用基团贡献法估算了固体无机化合物的数学模型。利用基团贡献法拟合的基团参数选择的实验数据准确可靠。在结果令人满意的基础上，建立了用于估算3种类型的Li1+xM1-xO2材料的ΔGθf,298，ΔHθf,298和Cp的数学模型，并估算了63种常见Li1+xM1-xO2材料的ΔGθf,298、ΔHθf,298和Cp,298。
2022, 51(2):452-460.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200993
摘要:
U-Nb形状记忆合金具有优异的抗腐蚀性和力学性能，其中亚稳α?相的典型微观组织为多层级孪晶马氏体。利用相场法模拟α?相热弹性马氏体的形成过程。结果表明，在弹性应变能最小化的驱动下，获得了多种自协调马氏体组织，也发现了多种自协调模式。对比本研究模拟结果和文献中的实验结果，认为相变变形梯度矩阵的反对称性和界面兼容性显著影响变体结对和孪晶面。另外，基于变体重排过程，预测了相变态组织在变形初期的织构演化。
U-Nb形状记忆合金具有优异的抗腐蚀性和力学性能，其中亚稳α?相的典型微观组织为多层级孪晶马氏体。利用相场法模拟α?相热弹性马氏体的形成过程。结果表明，在弹性应变能最小化的驱动下，获得了多种自协调马氏体组织，也发现了多种自协调模式。对比本研究模拟结果和文献中的实验结果，认为相变变形梯度矩阵的反对称性和界面兼容性显著影响变体结对和孪晶面。另外，基于变体重排过程，预测了相变态组织在变形初期的织构演化。
2022, 51(2):461-468.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200973
摘要:
为解决Inconel 617合金的高温加工问题，对锻造Inconel 617合金的高温热变形行为进行了研究。利用Gleeble-3500热模拟试验机研究了Inconel 617合金在900~1200 ℃、应变速率为0.001~10 s-1范围内的热塑性行为。推导了该温度和应变速率下的本构方程，得到了该温度范围内的热加工图。用电子背散射衍射研究了合金压缩后的动态再结晶。确定了失稳区的位置，并表明在热变形条件下，确实发生了动态再结晶，获得了细小的晶粒。Inconel 617热处理的最佳温度范围为1075~1175 ℃，该温度范围处于材料的安全区。
为解决Inconel 617合金的高温加工问题，对锻造Inconel 617合金的高温热变形行为进行了研究。利用Gleeble-3500热模拟试验机研究了Inconel 617合金在900~1200 ℃、应变速率为0.001~10 s-1范围内的热塑性行为。推导了该温度和应变速率下的本构方程，得到了该温度范围内的热加工图。用电子背散射衍射研究了合金压缩后的动态再结晶。确定了失稳区的位置，并表明在热变形条件下，确实发生了动态再结晶，获得了细小的晶粒。Inconel 617热处理的最佳温度范围为1075~1175 ℃，该温度范围处于材料的安全区。
2022, 51(2):469-473.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200932
摘要:
基于镁及镁合金优异的生物降解性、生物相容性和综合力学性能，对镁合金在血管支架领域的应用进行了探索。采用转化处理在AZ31B镁合金表面成功制备出氟转化涂层；随后分别采用溶血实验、凝血试验和血小板黏附试验研究了氟转化处理后的AZ31B镁合金的血液相容性能；为了分析其血液相容性能的机制，同时开展了材料表面能的测定。结果表明，氟转化处理AZ31B镁合金在冠脉介入治疗领域极具应用潜力。
基于镁及镁合金优异的生物降解性、生物相容性和综合力学性能，对镁合金在血管支架领域的应用进行了探索。采用转化处理在AZ31B镁合金表面成功制备出氟转化涂层；随后分别采用溶血实验、凝血试验和血小板黏附试验研究了氟转化处理后的AZ31B镁合金的血液相容性能；为了分析其血液相容性能的机制，同时开展了材料表面能的测定。结果表明，氟转化处理AZ31B镁合金在冠脉介入治疗领域极具应用潜力。
2022, 51(2):474-483.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200996
摘要:
研究了挤压温度对挤压态Mg-2Zn-1Y-0.5Zr生物可降解镁合金动态再结晶、织构和拉伸性能的影响，基于显微组织和腐蚀形态阐述了挤压态合金在模拟体液中的腐蚀机理。结果表明，在440 ℃（E440）下挤压的合金出现双峰结构，具有粗大的未再结晶（unDRXed）晶粒和细小的再结晶（DRXed）晶粒。未再结晶区域的变形晶粒对织构强度的影响最大。460 ℃的挤压合金（E460）具有均匀的再结晶晶粒，晶粒细化后拉伸性能显著改善。同时，均匀的再结晶晶粒会弱化织构强度。E460的样品表现出最佳耐腐蚀性，腐蚀速率为0.669±0.017 mm·a-1。
研究了挤压温度对挤压态Mg-2Zn-1Y-0.5Zr生物可降解镁合金动态再结晶、织构和拉伸性能的影响，基于显微组织和腐蚀形态阐述了挤压态合金在模拟体液中的腐蚀机理。结果表明，在440 ℃（E440）下挤压的合金出现双峰结构，具有粗大的未再结晶（unDRXed）晶粒和细小的再结晶（DRXed）晶粒。未再结晶区域的变形晶粒对织构强度的影响最大。460 ℃的挤压合金（E460）具有均匀的再结晶晶粒，晶粒细化后拉伸性能显著改善。同时，均匀的再结晶晶粒会弱化织构强度。E460的样品表现出最佳耐腐蚀性，腐蚀速率为0.669±0.017 mm·a-1。
2022, 51(2):484-490.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200970
摘要:
采用显微组织观察、EDS分析、失重实验和电化学测试研究了固溶和固溶-时效WE43合金的腐蚀性能。结果表明，通过热处理改变基体中第二相，可得到不同腐蚀性能，固溶-时效试样经0和6 h浸泡后的腐蚀速率高于固溶处理试样的腐蚀速率，然而在浸泡24 h后腐蚀速率低于固溶处理试样。镁合金在腐蚀过程中，腐蚀速率先减小后增大。通过建立数学模型解释第二相对腐蚀性能的影响，以及腐蚀速率随时间改变的原因。
采用显微组织观察、EDS分析、失重实验和电化学测试研究了固溶和固溶-时效WE43合金的腐蚀性能。结果表明，通过热处理改变基体中第二相，可得到不同腐蚀性能，固溶-时效试样经0和6 h浸泡后的腐蚀速率高于固溶处理试样的腐蚀速率，然而在浸泡24 h后腐蚀速率低于固溶处理试样。镁合金在腐蚀过程中，腐蚀速率先减小后增大。通过建立数学模型解释第二相对腐蚀性能的影响，以及腐蚀速率随时间改变的原因。
2022, 51(2):491-510.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200056
摘要:
等通道转角挤压（ECAP）是一种高效率的大塑性变形（SPD）技术，用于生产具有优异性能的超细晶粒（UFG）材料。本文总结了经ECAP加工的各种Mg-Li合金的力学性能、加工参数的影响及其相关机理，为未来提高镁锂合金力学性能提供研究方向与支持。
等通道转角挤压（ECAP）是一种高效率的大塑性变形（SPD）技术，用于生产具有优异性能的超细晶粒（UFG）材料。本文总结了经ECAP加工的各种Mg-Li合金的力学性能、加工参数的影响及其相关机理，为未来提高镁锂合金力学性能提供研究方向与支持。
2022, 51(2):511-515.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210618
摘要:
通过固相烧结法微量掺杂Zr到(Bi0.5Na0.5)0.91Pr0.02Ba0.07TiO3无铅铁电陶瓷，对其相结构、微观形貌、储能行为及介电行为进行了研究。所有的样品都形成了单一的钙钛矿相，晶粒细小均匀。Zr的掺杂有效地提高了击穿场强，掺杂量为0.03 mol时陶瓷在场强138 kV/cm下最大有效储能密度达到1.38 J/cm3，储能效率达到52.44%，同时显示了稳定的高温铁电特性，并获得了较大的介电常数1150且保持稳定。
通过固相烧结法微量掺杂Zr到(Bi0.5Na0.5)0.91Pr0.02Ba0.07TiO3无铅铁电陶瓷，对其相结构、微观形貌、储能行为及介电行为进行了研究。所有的样品都形成了单一的钙钛矿相，晶粒细小均匀。Zr的掺杂有效地提高了击穿场强，掺杂量为0.03 mol时陶瓷在场强138 kV/cm下最大有效储能密度达到1.38 J/cm3，储能效率达到52.44%，同时显示了稳定的高温铁电特性，并获得了较大的介电常数1150且保持稳定。
2022, 51(2):516-524.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210118
摘要:
因SnO2-NiO特殊的异质结结构，被用作气敏材料和超级电容器电极添加材料，在电催化氧化污水方面研究较少。本文通过添加活性氧化物IrO2提高其导电性来研究SnO2-NiO-IrO2电极电催化甲基橙溶液的效果。热分解法制备不同IrO2含量的Ti/SnO2-NiO-IrO2电极，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面(BET)、循环伏安法(CV)、交流阻抗谱法(EIS)、极化曲线(LSV)、总有机碳(TOC)、紫外可见光谱(UV)、强化寿命等方法系统研究Ti/SnO2-NiO-IrO2电极的电催化性能。结果表明：IrO2改变SnO2晶格中氧空位的浓度，使SnO2晶体结构中产生杂质缺陷，细化晶粒，进而增大复合氧化物涂层的比表面积和导电性，提高活性自由基向内层扩散的速度，从而优化电极的催化活性和稳定性。IrO2掺杂量为23.1%的电极对甲基橙具有最好的降解效果。IrO2掺杂量为23.1%时，电极对甲基橙具有最高降解率为93%，电解反应累加时间最高可达678 h。
因SnO2-NiO特殊的异质结结构，被用作气敏材料和超级电容器电极添加材料，在电催化氧化污水方面研究较少。本文通过添加活性氧化物IrO2提高其导电性来研究SnO2-NiO-IrO2电极电催化甲基橙溶液的效果。热分解法制备不同IrO2含量的Ti/SnO2-NiO-IrO2电极，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面(BET)、循环伏安法(CV)、交流阻抗谱法(EIS)、极化曲线(LSV)、总有机碳(TOC)、紫外可见光谱(UV)、强化寿命等方法系统研究Ti/SnO2-NiO-IrO2电极的电催化性能。结果表明：IrO2改变SnO2晶格中氧空位的浓度，使SnO2晶体结构中产生杂质缺陷，细化晶粒，进而增大复合氧化物涂层的比表面积和导电性，提高活性自由基向内层扩散的速度，从而优化电极的催化活性和稳定性。IrO2掺杂量为23.1%的电极对甲基橙具有最好的降解效果。IrO2掺杂量为23.1%时，电极对甲基橙具有最高降解率为93%，电解反应累加时间最高可达678 h。
2022, 51(2):525-534.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210164
摘要:
铝合金中第二相粒子是在铸造过程中产生并对材料的物理化学性能有着显著影响的显微组织。目前常用的第二相的定量表征方法存在人工工作量和消耗时间过大的问题。本文提出一种基于深度学习的大尺寸铝合金中第二相的快速提取与定量统计表征方法，通过对图像中的第二相特征的快速、智能化提取，实现多角度精细化的定量统计。研究结果显示，该方法的图像处理时间与软件批量处理时间一样为0.4s/张，但图像分割精度从42.74%提升到91.12%。从数据集制作方面，本方法用MIPAR软件结合人工微调代替传统的手工标记，大大节省了人工时间。为了满足精细化表征的要求，对11万张包括四种类型的全视场7B05铝合金扫描电镜图像进行分割提取，计算了第二相的长宽比、最短间距、面分布以及线分布等新的表征参数，其中线分布结果证明，与传统的随机选取视场的统计结果相比较，本文使用的全视场多角度的统计表征方式误差更小，特征信息更全面。定量统计结果显示，厚度为6mm的铸轧7B05-T4铝合金截面，在最近邻上下表面的位置第二相的平均面积最小，在厚度在3mm的位置存在波谷值；将截面均分为三个区域，第二相的平均面积分别为1.99μm2、1.84μm2、2.18μm2，平均长宽比分别为1.89、1.95、1.84，第二相数量分别为33574、33207、42035个。以上结果表明，基于深度学习的铝合金中第二相的快速提取与定量统计表征方法可进行多角度的分析数据与挖掘，为组织、性能研究提供依据。
铝合金中第二相粒子是在铸造过程中产生并对材料的物理化学性能有着显著影响的显微组织。目前常用的第二相的定量表征方法存在人工工作量和消耗时间过大的问题。本文提出一种基于深度学习的大尺寸铝合金中第二相的快速提取与定量统计表征方法，通过对图像中的第二相特征的快速、智能化提取，实现多角度精细化的定量统计。研究结果显示，该方法的图像处理时间与软件批量处理时间一样为0.4s/张，但图像分割精度从42.74%提升到91.12%。从数据集制作方面，本方法用MIPAR软件结合人工微调代替传统的手工标记，大大节省了人工时间。为了满足精细化表征的要求，对11万张包括四种类型的全视场7B05铝合金扫描电镜图像进行分割提取，计算了第二相的长宽比、最短间距、面分布以及线分布等新的表征参数，其中线分布结果证明，与传统的随机选取视场的统计结果相比较，本文使用的全视场多角度的统计表征方式误差更小，特征信息更全面。定量统计结果显示，厚度为6mm的铸轧7B05-T4铝合金截面，在最近邻上下表面的位置第二相的平均面积最小，在厚度在3mm的位置存在波谷值；将截面均分为三个区域，第二相的平均面积分别为1.99μm2、1.84μm2、2.18μm2，平均长宽比分别为1.89、1.95、1.84，第二相数量分别为33574、33207、42035个。以上结果表明，基于深度学习的铝合金中第二相的快速提取与定量统计表征方法可进行多角度的分析数据与挖掘，为组织、性能研究提供依据。
2022, 51(2):535-544.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210183
摘要:
建立了以Al、Ga、In、Sn等元素为例的主族元素掺杂SmCo5合金的计算模型,基于第一性原理结合统计热力学方法研究了添加元素本征特性、掺杂浓度和温度对合金物相结构和磁学性能的影响。计算结果表明,主族元素的优先占位受元素理化性质和掺杂体系占位空间大小两方面的影响；Al和Ga的添加有利于SmCo5体系保持结构稳定性,且Al的占位概率随温度变化不明显,适用于较宽的温度范围。几种主族元素添加均削弱SmCo5体系的总磁矩,而In掺杂体系具有相对较大的总磁矩,主要原因是In原子半径较大,引起掺杂体系晶格畸变,使In周围次近邻的Co原子出现磁矩增大的现象,对体系的总磁矩下降具有弥补作用。基于计算结果分析优选出利于SmCo5体系结构稳定性和磁性能的主族元素Al和In,且预测了Al和In的最佳掺杂浓度范围。
建立了以Al、Ga、In、Sn等元素为例的主族元素掺杂SmCo5合金的计算模型,基于第一性原理结合统计热力学方法研究了添加元素本征特性、掺杂浓度和温度对合金物相结构和磁学性能的影响。计算结果表明,主族元素的优先占位受元素理化性质和掺杂体系占位空间大小两方面的影响；Al和Ga的添加有利于SmCo5体系保持结构稳定性,且Al的占位概率随温度变化不明显,适用于较宽的温度范围。几种主族元素添加均削弱SmCo5体系的总磁矩,而In掺杂体系具有相对较大的总磁矩,主要原因是In原子半径较大,引起掺杂体系晶格畸变,使In周围次近邻的Co原子出现磁矩增大的现象,对体系的总磁矩下降具有弥补作用。基于计算结果分析优选出利于SmCo5体系结构稳定性和磁性能的主族元素Al和In,且预测了Al和In的最佳掺杂浓度范围。
2022, 51(2):545-551.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210159
摘要:
热障涂层是燃气轮机高温部件保护的重要材料之一，SmTaO4陶瓷具有优异的高温相稳定性和力学性能，有望成为新型热障涂层材料。本研究采用固相法制备TiO2掺杂SmTaO4陶瓷，研究结果表明：掺杂TiO2未改变SmTaO4陶瓷晶体结构，样品均为单斜相，掺杂2% mol TiO2的SmTaO4陶瓷烧结过程中出现的第二相为Sm0.33TaO3；随着TiO2含量增加，SmTaO4陶瓷的热导率先下降后上升，当TiO2掺杂含量为2%时，热导率最低为1.42W?m?1?K?1，低于SmTaO4（1.59W?m-1?K-1，900℃），与7-8YSZ相比（2.1~2.7 W?m?1?K?1，100~900℃）下降了近30%。掺杂2%TiO2的SmTaO4陶瓷热膨胀性系数最大值为10.8×10-6K-1，大于YSZ（~10.0×10-6K-1）和SmTaO4（9.62×10-6K-1，1200℃），与纯SmTaO4相比，TiO2掺杂提高了SmTaO4陶瓷的热膨胀系数。因此，TiO2掺杂SmTaO4陶瓷有望作为新型热障涂层材料使用。
热障涂层是燃气轮机高温部件保护的重要材料之一，SmTaO4陶瓷具有优异的高温相稳定性和力学性能，有望成为新型热障涂层材料。本研究采用固相法制备TiO2掺杂SmTaO4陶瓷，研究结果表明：掺杂TiO2未改变SmTaO4陶瓷晶体结构，样品均为单斜相，掺杂2% mol TiO2的SmTaO4陶瓷烧结过程中出现的第二相为Sm0.33TaO3；随着TiO2含量增加，SmTaO4陶瓷的热导率先下降后上升，当TiO2掺杂含量为2%时，热导率最低为1.42W?m?1?K?1，低于SmTaO4（1.59W?m-1?K-1，900℃），与7-8YSZ相比（2.1~2.7 W?m?1?K?1，100~900℃）下降了近30%。掺杂2%TiO2的SmTaO4陶瓷热膨胀性系数最大值为10.8×10-6K-1，大于YSZ（~10.0×10-6K-1）和SmTaO4（9.62×10-6K-1，1200℃），与纯SmTaO4相比，TiO2掺杂提高了SmTaO4陶瓷的热膨胀系数。因此，TiO2掺杂SmTaO4陶瓷有望作为新型热障涂层材料使用。
2022, 51(2):552-558.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210177
摘要:
以化学共沉淀法合成的锡酸铋（Bi2Sn2O7）为改性组元，采用座滴法研究了Bi2Sn2O7掺杂对Ag/SnO2界面润湿角的影响规律，并利用机械合金化技术结合成型烧结工艺制备了Ag/SnO2(x)-Bi2Sn2O7(y)电接触材料。采用扫描电镜、X射线衍射仪、视频光学接触角测量仪、电阻测试仪、硬度计以及密度计等表征手段对材料的物相结构、电学及力学性能进行了表征。结果表明：所合成的Bi2Sn2O7粉体呈无规则颗粒状，尺寸在1-10μm之间。Bi2Sn2O7掺杂能明显改善Ag与SnO2之间界面润湿性，并且在Bi2Sn2O7与SnO2质量比在2：10时润湿角最小为82°。Ag与SnO2之间的润湿角越小，Ag/SnO2(x)-Bi2Sn2O7(y)电接触材料的电阻率越低，尤其在锡酸铋掺杂量为2wt.%时电阻率达到最低值，为2.28μΩ·cm，致密度和硬度达到最大值，分别为96.96%和90.0 HV0.3。
以化学共沉淀法合成的锡酸铋（Bi2Sn2O7）为改性组元，采用座滴法研究了Bi2Sn2O7掺杂对Ag/SnO2界面润湿角的影响规律，并利用机械合金化技术结合成型烧结工艺制备了Ag/SnO2(x)-Bi2Sn2O7(y)电接触材料。采用扫描电镜、X射线衍射仪、视频光学接触角测量仪、电阻测试仪、硬度计以及密度计等表征手段对材料的物相结构、电学及力学性能进行了表征。结果表明：所合成的Bi2Sn2O7粉体呈无规则颗粒状，尺寸在1-10μm之间。Bi2Sn2O7掺杂能明显改善Ag与SnO2之间界面润湿性，并且在Bi2Sn2O7与SnO2质量比在2：10时润湿角最小为82°。Ag与SnO2之间的润湿角越小，Ag/SnO2(x)-Bi2Sn2O7(y)电接触材料的电阻率越低，尤其在锡酸铋掺杂量为2wt.%时电阻率达到最低值，为2.28μΩ·cm，致密度和硬度达到最大值，分别为96.96%和90.0 HV0.3。
2022, 51(2):559-565.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210662
摘要:
本文建立了TiBw/Cu、(TiB2p+TiBw)/Cu、TiB2p /Cu复合材料的三维细观结构有限元模型，基于ABAQUS非耦合的热电分析理论，通过有限元数值模拟方法揭示了复合材料微观结构特征参量与宏观导电性能之间的定量关系。结果表明:TiB2颗粒体积分数为导电率主要影响因素，随体积分数增大导电率逐步减小，颗粒粒径大小对导电率影响不显著；TiB晶须体积分数和晶须取向角为导电率主要影响因素，晶须取向角平行于电流方向时导电率最好，垂直于电流方向时的导电率最差。在颗粒晶须混杂增强复合材料中，增强体体积分数和晶须取向角为导电率的主要影响因素，增强体种类对导电率影响较小。本文为颗粒晶须混杂增强铜基复合材料导电率计算提供了新的思路和方法，对颗粒和晶须增强复合材料混杂设计提供依据。
本文建立了TiBw/Cu、(TiB2p+TiBw)/Cu、TiB2p /Cu复合材料的三维细观结构有限元模型，基于ABAQUS非耦合的热电分析理论，通过有限元数值模拟方法揭示了复合材料微观结构特征参量与宏观导电性能之间的定量关系。结果表明:TiB2颗粒体积分数为导电率主要影响因素，随体积分数增大导电率逐步减小，颗粒粒径大小对导电率影响不显著；TiB晶须体积分数和晶须取向角为导电率主要影响因素，晶须取向角平行于电流方向时导电率最好，垂直于电流方向时的导电率最差。在颗粒晶须混杂增强复合材料中，增强体体积分数和晶须取向角为导电率的主要影响因素，增强体种类对导电率影响较小。本文为颗粒晶须混杂增强铜基复合材料导电率计算提供了新的思路和方法，对颗粒和晶须增强复合材料混杂设计提供依据。
2022, 51(2):566-572.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210104
摘要:
镁合金由于塑性变形能力较差,采用传统热轧工艺得到的晶粒组织往往较为粗大,导致力学性能不佳。本文采用表面机械研磨处理(SMAT)在热轧态Mg-Gd-Y合金中获得梯度组织,以提高合金的强韧性并揭示相关机理。热轧态合金在峰时效之后,强度显著上升但塑性急剧下降,这是因为沉淀相容易在粗晶内引起应力集中,诱发解理开裂、造成脆性断裂。SMAT试样在峰时效之后,强度相当、而塑性增加,显示了较好的强韧性。这是因为表面细晶层由于均匀变形能力较好导致延性断裂,阻碍了试样内部粗晶层解理开裂对试样截面的贯穿,从而抑制了早期开裂,使塑性得以提升。
镁合金由于塑性变形能力较差,采用传统热轧工艺得到的晶粒组织往往较为粗大,导致力学性能不佳。本文采用表面机械研磨处理(SMAT)在热轧态Mg-Gd-Y合金中获得梯度组织,以提高合金的强韧性并揭示相关机理。热轧态合金在峰时效之后,强度显著上升但塑性急剧下降,这是因为沉淀相容易在粗晶内引起应力集中,诱发解理开裂、造成脆性断裂。SMAT试样在峰时效之后,强度相当、而塑性增加,显示了较好的强韧性。这是因为表面细晶层由于均匀变形能力较好导致延性断裂,阻碍了试样内部粗晶层解理开裂对试样截面的贯穿,从而抑制了早期开裂,使塑性得以提升。
2022, 51(2):573-578.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210097
摘要:
采用粉床型电子束增材制造技术制备了W-3.5Nb合金,研究了电子束线能量密度对W-3.5Nb合金孔洞缺陷形成的影响规律,分析了不同类型孔洞缺陷的形成原因。研究结果表明：随着电子束线能量密度的升高,缺陷含量降低,当线能量密度升高到1.44J/mm时,缺陷的体积含量最低为0.01%,继续增大线能量密度,缺陷的体积含量和数量有所增加。合金中孔洞缺陷可分为层间熔合不良、微米级树枝状孔、微米级近球形孔、纳米级球形孔四类。在线能量密度较低(1.08J/mm)时,大尺寸(大于5000μm3)缺陷占主导,主要为层间熔合不良,形成原因主要是能量输入不足导致的熔池球化和熔化深度不足；当线能量密度升高后(1.32J/mm和1.44J/mm和2.2J/mm),小尺寸(小于2000μm3)缺陷占主导,其中的低球形度缺陷主要为微米级的树枝状孔洞,形成原因主要是熔池扰动引起的液体飞溅,高球形度的缺陷主要为微米级的近球形孔和纳米级球形孔,形成原因主要是熔池凝固过程中的凝固收缩和枝晶间的显微缩松。
采用粉床型电子束增材制造技术制备了W-3.5Nb合金,研究了电子束线能量密度对W-3.5Nb合金孔洞缺陷形成的影响规律,分析了不同类型孔洞缺陷的形成原因。研究结果表明：随着电子束线能量密度的升高,缺陷含量降低,当线能量密度升高到1.44J/mm时,缺陷的体积含量最低为0.01%,继续增大线能量密度,缺陷的体积含量和数量有所增加。合金中孔洞缺陷可分为层间熔合不良、微米级树枝状孔、微米级近球形孔、纳米级球形孔四类。在线能量密度较低(1.08J/mm)时,大尺寸(大于5000μm3)缺陷占主导,主要为层间熔合不良,形成原因主要是能量输入不足导致的熔池球化和熔化深度不足；当线能量密度升高后(1.32J/mm和1.44J/mm和2.2J/mm),小尺寸(小于2000μm3)缺陷占主导,其中的低球形度缺陷主要为微米级的树枝状孔洞,形成原因主要是熔池扰动引起的液体飞溅,高球形度的缺陷主要为微米级的近球形孔和纳米级球形孔,形成原因主要是熔池凝固过程中的凝固收缩和枝晶间的显微缩松。
2022, 51(2):579-587.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210114
摘要:
本文研究了激光喷丸强化对电化学充氢316L奥氏体不锈钢振动疲劳性能的影响。测试分析了不同激光功率密度喷丸316L不锈钢充氢试样的残余应力、显微硬度和微观组织结构,并对比研究其振动疲劳寿命和断口形貌。结果显示,激光喷丸诱导材料表层位错密度增加,并有效细化晶粒,抑制了氢原子的入侵,同时复杂晶界和高密度位错增殖结构阻碍了氢原子的聚集和扩散,降低了316L奥氏体不锈钢马氏体转变的程度,有助于抑制微裂纹的萌生；另一方面,激光喷丸诱导产生的高幅残余压应力,不仅抑制了氢原子的渗透,而且还提高了疲劳裂纹扩展阈值,减缓裂纹扩展速率。振动疲劳试验结果显示,激光喷丸316L不锈钢充氢试样的疲劳寿命均获得了显著提高,最大提升幅值可达79.36%,断口形貌分析进一步证明了激光喷丸可有效降低充氢试样疲劳裂纹扩展速率,提升材料断裂韧性,进而改善材料的振动疲劳特性。
本文研究了激光喷丸强化对电化学充氢316L奥氏体不锈钢振动疲劳性能的影响。测试分析了不同激光功率密度喷丸316L不锈钢充氢试样的残余应力、显微硬度和微观组织结构,并对比研究其振动疲劳寿命和断口形貌。结果显示,激光喷丸诱导材料表层位错密度增加,并有效细化晶粒,抑制了氢原子的入侵,同时复杂晶界和高密度位错增殖结构阻碍了氢原子的聚集和扩散,降低了316L奥氏体不锈钢马氏体转变的程度,有助于抑制微裂纹的萌生；另一方面,激光喷丸诱导产生的高幅残余压应力,不仅抑制了氢原子的渗透,而且还提高了疲劳裂纹扩展阈值,减缓裂纹扩展速率。振动疲劳试验结果显示,激光喷丸316L不锈钢充氢试样的疲劳寿命均获得了显著提高,最大提升幅值可达79.36%,断口形貌分析进一步证明了激光喷丸可有效降低充氢试样疲劳裂纹扩展速率,提升材料断裂韧性,进而改善材料的振动疲劳特性。
2022, 51(2):588-598.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210116
摘要:
钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的机械性能、耐高温性能和耐腐蚀性能,成为下一代解决稠油热采工况下高套损率的优选材料,但在热采工况下钛合金割缝筛管的性能还缺乏研究。本文在模拟辽河油田稠油热采典型工况条件下,使用有限元计算和实物试验相比对的方法,对钛合金筛管理化性能、轴向热变形、轴向热应力、大狗腿度下筛管及割缝形貌变化规律等进行系统研究,结果表明,钛合金材质的筛管在热采工况下具有较好的强度和韧性,350℃热采工况下钛合金筛管的热应力只有钢制金属网布筛管和复合筛管的19.3%和20.4%,经过7轮次的热采温度循环,在350℃热采温度下钛合金筛管的轴向伸长率仅为钢制筛管的58.7%-60.4%,在20°/30米的大弯曲度及350℃高温下,钛合金筛管抗变形能力优异,最大椭圆度只有4.13%,平行割缝保持完好且防砂能力优于同规格钢制筛管,基于本研究认为,钛合金材质的筛管及套管可以有效的降低热采管柱在热采工况中的轴向热应力、伸长量,并且具有较高的耐高温性能和抗疲劳性能,在热采工况极端弯曲条件下抗变形能力好,是解决目前我国稠油热采现场高套损问题的有效方法和发展方向之一,研究结果为钛合金筛管的设计和使用提供重要的技术参考。
钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的机械性能、耐高温性能和耐腐蚀性能,成为下一代解决稠油热采工况下高套损率的优选材料,但在热采工况下钛合金割缝筛管的性能还缺乏研究。本文在模拟辽河油田稠油热采典型工况条件下,使用有限元计算和实物试验相比对的方法,对钛合金筛管理化性能、轴向热变形、轴向热应力、大狗腿度下筛管及割缝形貌变化规律等进行系统研究,结果表明,钛合金材质的筛管在热采工况下具有较好的强度和韧性,350℃热采工况下钛合金筛管的热应力只有钢制金属网布筛管和复合筛管的19.3%和20.4%,经过7轮次的热采温度循环,在350℃热采温度下钛合金筛管的轴向伸长率仅为钢制筛管的58.7%-60.4%,在20°/30米的大弯曲度及350℃高温下,钛合金筛管抗变形能力优异,最大椭圆度只有4.13%,平行割缝保持完好且防砂能力优于同规格钢制筛管,基于本研究认为,钛合金材质的筛管及套管可以有效的降低热采管柱在热采工况中的轴向热应力、伸长量,并且具有较高的耐高温性能和抗疲劳性能,在热采工况极端弯曲条件下抗变形能力好,是解决目前我国稠油热采现场高套损问题的有效方法和发展方向之一,研究结果为钛合金筛管的设计和使用提供重要的技术参考。
2022, 51(2):599-606.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210119
摘要:
SiCf增强镍基复合材料作为一种高强度轻量化的新型高温材料设计，受到材料前沿的关注。然而剧烈的界面反应阻碍了该材料的进一步发展。由于长时制备下界面反应剧烈，因此本文采用具有短时快速制备成型特点的放电等离子烧结工艺制备并研究了Ni/SiCf复合体系。利用SEM，EDS等表征方法对Ni/SiCf复合体系的界面形貌及元素分布进行了分析。实验结果表明，Ni与SiCf发生反应生成Ni3Si和碳颗粒。反应区域进一步与Ni反应转变成Ni(Si,C)固溶体。Ni与SiCf及Ni与Ni3Si之间的强烈的反应热力学及动力学条件导致界面反应迅速发生。通过提升制备温度、延长制备时间会引起Ni3Si与碳颗粒进一步溶解，从而导致反应区域缩小，固溶体区域扩大。
SiCf增强镍基复合材料作为一种高强度轻量化的新型高温材料设计，受到材料前沿的关注。然而剧烈的界面反应阻碍了该材料的进一步发展。由于长时制备下界面反应剧烈，因此本文采用具有短时快速制备成型特点的放电等离子烧结工艺制备并研究了Ni/SiCf复合体系。利用SEM，EDS等表征方法对Ni/SiCf复合体系的界面形貌及元素分布进行了分析。实验结果表明，Ni与SiCf发生反应生成Ni3Si和碳颗粒。反应区域进一步与Ni反应转变成Ni(Si,C)固溶体。Ni与SiCf及Ni与Ni3Si之间的强烈的反应热力学及动力学条件导致界面反应迅速发生。通过提升制备温度、延长制备时间会引起Ni3Si与碳颗粒进一步溶解，从而导致反应区域缩小，固溶体区域扩大。
2022, 51(2):607-614.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210121
摘要:
采用激光熔覆技术在 304 不锈钢表层制备了纳米 TiC 增强 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层，利用扫描电镜、能谱仪、X 射线衍射仪等设备系统研究了涂层的组织形貌、相结构及元素分布；采用显微硬度计、摩擦磨损仪、超景深显微镜和电化学工作站等设备表征了涂层的硬度分布、磨损特性及耐腐蚀性能。结果表明，类球形纳米级 TiC 与棒状微米级 TiC 沉淀相均匀分布在涂层 bcc（B2）相基体中。添加 TiC 增强相后，AlCoCrFeNi 高熵合金涂层的硬度比未添加 TiC 涂层的硬度提升了 15%；表层磨损率及磨损后表面单位面积粗糙度（Sa）分别较 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层降低了 42% 和 18%，涂层中 TiC 增强相的弥散强化作用是涂层硬度、耐磨性提升的主要原因。添加 TiC 的 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层较未添加 TiC 涂层的自腐蚀电流降低了约1个数量级，TiC 增强相使涂层表面形成致密的钝化膜是其耐蚀性能好的主要原因。
采用激光熔覆技术在 304 不锈钢表层制备了纳米 TiC 增强 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层，利用扫描电镜、能谱仪、X 射线衍射仪等设备系统研究了涂层的组织形貌、相结构及元素分布；采用显微硬度计、摩擦磨损仪、超景深显微镜和电化学工作站等设备表征了涂层的硬度分布、磨损特性及耐腐蚀性能。结果表明，类球形纳米级 TiC 与棒状微米级 TiC 沉淀相均匀分布在涂层 bcc（B2）相基体中。添加 TiC 增强相后，AlCoCrFeNi 高熵合金涂层的硬度比未添加 TiC 涂层的硬度提升了 15%；表层磨损率及磨损后表面单位面积粗糙度（Sa）分别较 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层降低了 42% 和 18%，涂层中 TiC 增强相的弥散强化作用是涂层硬度、耐磨性提升的主要原因。添加 TiC 的 AlCoCrFeNi 高熵合金涂层较未添加 TiC 涂层的自腐蚀电流降低了约1个数量级，TiC 增强相使涂层表面形成致密的钝化膜是其耐蚀性能好的主要原因。
2022, 51(2):615-621.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210123
摘要:
采用直径7.5 mm钢丸对新型Ti-Mo-V系α+β双相钛合金板材进行高速冲击试验,使用光学显微镜及扫描电镜,对等轴组织板材抗高速冲击损伤行为进行分析。结果表明：钢丸高速冲击后,损伤部位均未观察到明显的分区现象。冲击着板瞬间,相比于钢丸垂直高速冲击,钢丸冲击方向与板法线方向存在较小偏角时,板材更易发生高速冲击破坏失效,沿板材正面冲击损伤中轴线侧剖后可观察到非对称形态的冲击损伤。冲击损伤部位均形成绝热剪切带,主要分布在正面冲击损伤部位中心及两侧区域,其分布形式主要包括：(1)在冲击损伤中心处呈半弧状分布；(2)在冲击损伤部位两侧沿高速冲击方向约呈45°分布,绝热剪切失效是板材防护失效的主要原因。
采用直径7.5 mm钢丸对新型Ti-Mo-V系α+β双相钛合金板材进行高速冲击试验,使用光学显微镜及扫描电镜,对等轴组织板材抗高速冲击损伤行为进行分析。结果表明：钢丸高速冲击后,损伤部位均未观察到明显的分区现象。冲击着板瞬间,相比于钢丸垂直高速冲击,钢丸冲击方向与板法线方向存在较小偏角时,板材更易发生高速冲击破坏失效,沿板材正面冲击损伤中轴线侧剖后可观察到非对称形态的冲击损伤。冲击损伤部位均形成绝热剪切带,主要分布在正面冲击损伤部位中心及两侧区域,其分布形式主要包括：(1)在冲击损伤中心处呈半弧状分布；(2)在冲击损伤部位两侧沿高速冲击方向约呈45°分布,绝热剪切失效是板材防护失效的主要原因。
2022, 51(2):622-628.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210129
摘要:
为防控电磁污染问题,亟待开发更好的电磁屏蔽材料。本文设计了成分为Fe73.2Si16.2B6.6Nb3Cu1的合金并制备了非晶合金条带,经过高能球磨处理得到非晶合金粉体。研究了球磨处理时间对合金粉体软磁性能、微观结构、形貌和电磁波吸收性能的影响。结果表明,非晶合金粉体球磨后产生了α-(Fe,Si)相,提高了软磁性能,饱和磁化强度最高可达137.94emu/g。非晶粉体形貌为椭球状,随球磨时间增加,合金粉体粒径减小,提高了电磁波吸收性能,最小平均粒径为8.42μm。合金具有优异的电磁波吸收性能,电磁波损耗机制主要为磁损耗。球磨50h后的非晶合金粉体具有最佳的电磁波吸收性能,在频率为4.57GHz处取得的最小反射损耗达到-42.26dB,吸波剂厚度为2.5mm时的最大有效吸收(<-10dB)带宽高达5.78GHz。
为防控电磁污染问题,亟待开发更好的电磁屏蔽材料。本文设计了成分为Fe73.2Si16.2B6.6Nb3Cu1的合金并制备了非晶合金条带,经过高能球磨处理得到非晶合金粉体。研究了球磨处理时间对合金粉体软磁性能、微观结构、形貌和电磁波吸收性能的影响。结果表明,非晶合金粉体球磨后产生了α-(Fe,Si)相,提高了软磁性能,饱和磁化强度最高可达137.94emu/g。非晶粉体形貌为椭球状,随球磨时间增加,合金粉体粒径减小,提高了电磁波吸收性能,最小平均粒径为8.42μm。合金具有优异的电磁波吸收性能,电磁波损耗机制主要为磁损耗。球磨50h后的非晶合金粉体具有最佳的电磁波吸收性能,在频率为4.57GHz处取得的最小反射损耗达到-42.26dB,吸波剂厚度为2.5mm时的最大有效吸收(<-10dB)带宽高达5.78GHz。
2022, 51(2):629-636.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210125
摘要:
为研究纳米压痕过程中片层厚度和γ/α2相界对双相TiAl合金变形行为及力学性能的影响，本文针对5种不同厚度的双相TiAl合金模型，采用分子动力学的方法模拟计算了金刚石压头以垂直于γ/α2相界方向分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。结果表明：材料的硬度随片层厚度的减小而增大，当片层厚度减小至7nm时，材料的硬度达到最大值，进一步减小片层厚度时，材料的硬度反而减小。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变，与硬度呈现正比关系。此外，在纳米压痕过程中，压头压入γ相时，变形行为以{111}面的层错为主，γ/α2相界会阻碍位错的运动；压头压入α2相时，变形行为以(0001)基面的堆垛层错为主，基面上Shockley不全位错的运动会导致材料表面产生相变，且棱柱面滑移被激活。
为研究纳米压痕过程中片层厚度和γ/α2相界对双相TiAl合金变形行为及力学性能的影响，本文针对5种不同厚度的双相TiAl合金模型，采用分子动力学的方法模拟计算了金刚石压头以垂直于γ/α2相界方向分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。结果表明：材料的硬度随片层厚度的减小而增大，当片层厚度减小至7nm时，材料的硬度达到最大值，进一步减小片层厚度时，材料的硬度反而减小。材料的弹性模量也会随片层厚度的变化而改变，与硬度呈现正比关系。此外，在纳米压痕过程中，压头压入γ相时，变形行为以{111}面的层错为主，γ/α2相界会阻碍位错的运动；压头压入α2相时，变形行为以(0001)基面的堆垛层错为主，基面上Shockley不全位错的运动会导致材料表面产生相变，且棱柱面滑移被激活。
2022, 51(2):637-644.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210133
摘要:
采用金属-气体共晶定向凝固法(常称为Gasar工艺)成功制备藕状多孔Mg-Mn、Mg-Mn-Zn系合金,并研究合金元素及孔结构对藕状多孔镁合金力学性能及腐蚀性能的影响。研究结果表明：1wt.%Mn的添加,可以使藕状多孔纯镁的压缩强度从64MPa (孔隙率~36%)提升至74MPa (孔隙率~37%),而进一步添加1wt.%的Zn元素,材料的压缩强度增至115MPa (孔隙率~37%)。Zn 元素的加入可以提高藕状多孔 Mg-Mn合金的耐腐蚀性能,同时,藕状多孔Mg-1wt.%Mn-1wt.%Zn合金定向孔下方的圆锥状溶质富集区表现出良好的耐腐蚀性。孔径对藕状多孔材料腐蚀性能有一定的影响,当孔径尺寸为1026μm时,Gasar Mg-1wt.%Mn合金孔壁腐蚀较为严重,而当孔径降至306μm时,孔会被腐蚀产物封闭,孔壁的腐蚀程度较小。
采用金属-气体共晶定向凝固法(常称为Gasar工艺)成功制备藕状多孔Mg-Mn、Mg-Mn-Zn系合金,并研究合金元素及孔结构对藕状多孔镁合金力学性能及腐蚀性能的影响。研究结果表明：1wt.%Mn的添加,可以使藕状多孔纯镁的压缩强度从64MPa (孔隙率~36%)提升至74MPa (孔隙率~37%),而进一步添加1wt.%的Zn元素,材料的压缩强度增至115MPa (孔隙率~37%)。Zn 元素的加入可以提高藕状多孔 Mg-Mn合金的耐腐蚀性能,同时,藕状多孔Mg-1wt.%Mn-1wt.%Zn合金定向孔下方的圆锥状溶质富集区表现出良好的耐腐蚀性。孔径对藕状多孔材料腐蚀性能有一定的影响,当孔径尺寸为1026μm时,Gasar Mg-1wt.%Mn合金孔壁腐蚀较为严重,而当孔径降至306μm时,孔会被腐蚀产物封闭,孔壁的腐蚀程度较小。
2022, 51(2):645-650.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210158
摘要:
分别以国产近化学计量比SiC纤维和聚碳硅烷为纤维增强相和基体浸渍剂，采用聚合物先驱体浸渍裂解工艺，实现制备PyC界面层的SiC/SiC复合材料致密化。采用SEM对SiC纤维及SiC/SiC复合材料的形貌进行分析，采用三点弯曲法对材料力学性能进行测试。试验表明，国产近化学计量比SiC纤维具有高强高模的特点，界面层厚度是影响SiC/SiC复合材料的重要因素，在测试界面层厚度区间内，SiC/SiC复合材料力学性能随界面层厚度的增加先增长后降低。针对国产近化学计量比SiC纤维本征特性的聚合物先驱体浸渍裂解工艺，SiC/SiC复合材料较优异的界面层厚度为0.10μm-0.15μm。
分别以国产近化学计量比SiC纤维和聚碳硅烷为纤维增强相和基体浸渍剂，采用聚合物先驱体浸渍裂解工艺，实现制备PyC界面层的SiC/SiC复合材料致密化。采用SEM对SiC纤维及SiC/SiC复合材料的形貌进行分析，采用三点弯曲法对材料力学性能进行测试。试验表明，国产近化学计量比SiC纤维具有高强高模的特点，界面层厚度是影响SiC/SiC复合材料的重要因素，在测试界面层厚度区间内，SiC/SiC复合材料力学性能随界面层厚度的增加先增长后降低。针对国产近化学计量比SiC纤维本征特性的聚合物先驱体浸渍裂解工艺，SiC/SiC复合材料较优异的界面层厚度为0.10μm-0.15μm。
2022, 51(2):651-660.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210137
摘要:
利用扫描电子显微镜、金相显微镜、热压缩试验机、电子背散射衍射仪等研究了一种新型镍基粉末高温合金(WZ-A3)在1150℃热等静压态、热等静压+1150℃热挤压态、热等静压+1130℃热挤压态等三种不同状态下显微组织、热变形行为和组织演变。结果表明：WZ-A3材料1150℃热等静压态样品存在部分粉末原始颗粒边界(Prior Particle Boundary,PPB)和粗大γ′,经1130℃和1150℃挤压后样品PPB碎化消失,为等轴晶状态。三种状态样品在热压缩过程中均表现出加工硬化-再结晶软化现象。峰值应力热变形激活能分别是861kJ/mol、858 kJ/mol和489kJ/mol。变形温度对样品变形组织影响明显,1150℃-0.001/s条件下,热等静压态和热等静压+1130℃热挤压态样品均出现异常晶粒长大。对比三种状态,热等静压+1130℃热挤压态样品变形行为最优。
利用扫描电子显微镜、金相显微镜、热压缩试验机、电子背散射衍射仪等研究了一种新型镍基粉末高温合金(WZ-A3)在1150℃热等静压态、热等静压+1150℃热挤压态、热等静压+1130℃热挤压态等三种不同状态下显微组织、热变形行为和组织演变。结果表明：WZ-A3材料1150℃热等静压态样品存在部分粉末原始颗粒边界(Prior Particle Boundary,PPB)和粗大γ′,经1130℃和1150℃挤压后样品PPB碎化消失,为等轴晶状态。三种状态样品在热压缩过程中均表现出加工硬化-再结晶软化现象。峰值应力热变形激活能分别是861kJ/mol、858 kJ/mol和489kJ/mol。变形温度对样品变形组织影响明显,1150℃-0.001/s条件下,热等静压态和热等静压+1130℃热挤压态样品均出现异常晶粒长大。对比三种状态,热等静压+1130℃热挤压态样品变形行为最优。
2022, 51(2):661-668.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210140
摘要:
针对连续碳纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟与热性能试验结合的方法,研究了真空压力浸渗制备过程中的热收缩行为和热残余应力分布。结果表明,复合材料的横向热收缩应变量远大于轴向热收缩应变量,且具有横观各向同性,纤维随机分布的单胞有限元模型能够准确地预测复合材料轴向与横向热收缩行为曲线；复合材料制备完成后纤维和基体合金分别处于压应力和拉应力状态,基体和纤维的横向残余应力均小于其轴向残余应力,且均表现出横观各向同性；基体合金在轴向残余拉应力作用下会出现不同程度的损伤现象,特别是纤维间距较小部位过高的残余应力会引发界面的局部失效,从而不利于发挥复合材料承载性能,减少纤维局部偏聚是进一步改善提高复合材料力学性能的重要技术手段。
针对连续碳纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟与热性能试验结合的方法,研究了真空压力浸渗制备过程中的热收缩行为和热残余应力分布。结果表明,复合材料的横向热收缩应变量远大于轴向热收缩应变量,且具有横观各向同性,纤维随机分布的单胞有限元模型能够准确地预测复合材料轴向与横向热收缩行为曲线；复合材料制备完成后纤维和基体合金分别处于压应力和拉应力状态,基体和纤维的横向残余应力均小于其轴向残余应力,且均表现出横观各向同性；基体合金在轴向残余拉应力作用下会出现不同程度的损伤现象,特别是纤维间距较小部位过高的残余应力会引发界面的局部失效,从而不利于发挥复合材料承载性能,减少纤维局部偏聚是进一步改善提高复合材料力学性能的重要技术手段。
2022, 51(2):669-674.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210154
摘要:
采用离子交换法,分别以乙酸铜、氯化铜、硝酸铜和硫酸铜为前驱体制备了4种铜物种含量几乎相同的Cu/SSZ-13分子筛催化剂。探究了前驱体对NH3选择性催化还原NO(NH3-SCR)的影响,并通过XRD,ICP,N2吸-脱附,SEM,H2-TPR,XPS,NH3-TPD等表征分析对样品的物化性质进行了系统探究。催化活性结果表明,铜前驱体对Cu/SSZ-13分子筛中低温范围的氨选择性催化还原性能具有显著差异。其中催化剂起燃温度T50(转化率 ≥ 50 %时的温度)的高低顺序为Cu(乙酸铜)/SSZ-13 ＜ Cu(氯化铜)/SSZ-13 ＜ Cu(硫酸铜)/SSZ-13 ＜ Cu(硝酸铜)/SSZ-13。表征结果表明,铜前驱体会影响分子筛催化剂中铜物种的分布和数量以及酸性。以乙酸铜为前驱体制备的Cu/SSZ-13催化剂具有最多的孤立Cu2+以及强L酸位数量,有助于样品低温段NH3-SCR催化反应的进行。
采用离子交换法,分别以乙酸铜、氯化铜、硝酸铜和硫酸铜为前驱体制备了4种铜物种含量几乎相同的Cu/SSZ-13分子筛催化剂。探究了前驱体对NH3选择性催化还原NO(NH3-SCR)的影响,并通过XRD,ICP,N2吸-脱附,SEM,H2-TPR,XPS,NH3-TPD等表征分析对样品的物化性质进行了系统探究。催化活性结果表明,铜前驱体对Cu/SSZ-13分子筛中低温范围的氨选择性催化还原性能具有显著差异。其中催化剂起燃温度T50(转化率 ≥ 50 %时的温度)的高低顺序为Cu(乙酸铜)/SSZ-13 ＜ Cu(氯化铜)/SSZ-13 ＜ Cu(硫酸铜)/SSZ-13 ＜ Cu(硝酸铜)/SSZ-13。表征结果表明,铜前驱体会影响分子筛催化剂中铜物种的分布和数量以及酸性。以乙酸铜为前驱体制备的Cu/SSZ-13催化剂具有最多的孤立Cu2+以及强L酸位数量,有助于样品低温段NH3-SCR催化反应的进行。
2022, 51(2):675-681.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210155
摘要:
结合蠕变特征量-温度参数模型,研究了Incoloy800H管材在600℃-1050℃下的蠕变行为,拟合得出材料稳态蠕变速率、蠕变断裂时间、蠕变第三阶段起始时间的可靠性方程,并建立了管材容许应力与服役温度、可靠度的关系。结果表明,确定的蠕变特征量可靠性方程可以较好地预测Incoloy800H管材稳态蠕变速率、蠕变断裂时间、蠕变第三阶段起始时间的变化行为。长时蠕变数据均位于对应蠕变方程在可靠度0.997条件下的预测区域内。与ASME推荐的容许应力值相比,蠕变特征量可靠性方程可以提供更为准确的容许应力评估结果。
结合蠕变特征量-温度参数模型,研究了Incoloy800H管材在600℃-1050℃下的蠕变行为,拟合得出材料稳态蠕变速率、蠕变断裂时间、蠕变第三阶段起始时间的可靠性方程,并建立了管材容许应力与服役温度、可靠度的关系。结果表明,确定的蠕变特征量可靠性方程可以较好地预测Incoloy800H管材稳态蠕变速率、蠕变断裂时间、蠕变第三阶段起始时间的变化行为。长时蠕变数据均位于对应蠕变方程在可靠度0.997条件下的预测区域内。与ASME推荐的容许应力值相比,蠕变特征量可靠性方程可以提供更为准确的容许应力评估结果。
2022, 51(2):682-688.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210135
摘要:
钨薄膜具有高熔点、高导电性、优异的耐化学腐蚀性和强抗辐照性等特性,广泛的应用于微电子、核能工程等领域。由于薄膜的结构和性能对沉积参数具有很强的依赖性,因此控制沉积过程的工艺参数对获得优异性能的钨薄膜至关重要。采用DC磁控溅射技术在硅衬底上制备钨薄膜,探究了溅射功率和气压对钨薄膜沉积速率、电阻率和相结构的影响。采用原子力显微镜、XRD、轮廓仪、四探针电阻测量表征了薄膜的微观结构和电学性能。结果表明,薄膜的沉积速率受溅射功率和气压共同影响,随功率的增加呈线性增加,随溅射气压的增加先达到峰值,然后下降。薄膜的电阻率和表面粗糙度的大小依赖于溅射气压,且随溅射气压的增加而增加,薄膜电阻率的增加可能是由于表面粗糙度的增加导致的。在恒定的溅射功率下,β-W的形成主要取决于溅射气压,几乎所有β-W相都在高溅射气压下形成,然而,当溅射功率足够大,在较高的气压下也会观察到部分α-W相的形成。钨薄膜中特定相结构(α-W/β-W)的形成,不仅取决于沉积气压,还与溅射功率相关,归根可能与入射到基片的原子能量相关。
钨薄膜具有高熔点、高导电性、优异的耐化学腐蚀性和强抗辐照性等特性,广泛的应用于微电子、核能工程等领域。由于薄膜的结构和性能对沉积参数具有很强的依赖性,因此控制沉积过程的工艺参数对获得优异性能的钨薄膜至关重要。采用DC磁控溅射技术在硅衬底上制备钨薄膜,探究了溅射功率和气压对钨薄膜沉积速率、电阻率和相结构的影响。采用原子力显微镜、XRD、轮廓仪、四探针电阻测量表征了薄膜的微观结构和电学性能。结果表明,薄膜的沉积速率受溅射功率和气压共同影响,随功率的增加呈线性增加,随溅射气压的增加先达到峰值,然后下降。薄膜的电阻率和表面粗糙度的大小依赖于溅射气压,且随溅射气压的增加而增加,薄膜电阻率的增加可能是由于表面粗糙度的增加导致的。在恒定的溅射功率下,β-W的形成主要取决于溅射气压,几乎所有β-W相都在高溅射气压下形成,然而,当溅射功率足够大,在较高的气压下也会观察到部分α-W相的形成。钨薄膜中特定相结构(α-W/β-W)的形成,不仅取决于沉积气压,还与溅射功率相关,归根可能与入射到基片的原子能量相关。
2022, 51(2):689-697.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210169
摘要:
在以往超重力场合成梯度材料的基础上优化制备的工艺参数,制备出TiB2-TiC-Fe组分呈连续梯度变化的TiB2/42CrMo复合材料。经XRD、SEM观察其梯度层间陶瓷/合金相界呈连续梯度变化。通过硬度测试,得出硬度自陶瓷部分至金属部分呈梯度递减变化,中间梯度层的弹性模量变化形式更趋近于三角函数。在相关参数提取研究的基础上,建立层状强度解析模型。之后采取ANSYS有限元仿真的方法,模拟分析了在施加外部位移载荷的条件下,层状模型的正应力与切应力分布,得出了梯度材料底部金属所承受的最大拉应力为造成该型材料损伤失效的主要原因,与实际材料的三点弯曲实验现象相对应。最后通过研究材料长厚比对应力分布的影响,得出在一定的尺度范围内,梯度材料的力学性质不会随长厚比的增大而线性无限增大,对下一步工程材料设计具有一定指导意义。
在以往超重力场合成梯度材料的基础上优化制备的工艺参数,制备出TiB2-TiC-Fe组分呈连续梯度变化的TiB2/42CrMo复合材料。经XRD、SEM观察其梯度层间陶瓷/合金相界呈连续梯度变化。通过硬度测试,得出硬度自陶瓷部分至金属部分呈梯度递减变化,中间梯度层的弹性模量变化形式更趋近于三角函数。在相关参数提取研究的基础上,建立层状强度解析模型。之后采取ANSYS有限元仿真的方法,模拟分析了在施加外部位移载荷的条件下,层状模型的正应力与切应力分布,得出了梯度材料底部金属所承受的最大拉应力为造成该型材料损伤失效的主要原因,与实际材料的三点弯曲实验现象相对应。最后通过研究材料长厚比对应力分布的影响,得出在一定的尺度范围内,梯度材料的力学性质不会随长厚比的增大而线性无限增大,对下一步工程材料设计具有一定指导意义。
2022, 51(2):698-704.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210174
摘要:
利用真空电弧熔炼技术与急速冷却快淬设备制备了一种等原子比AlNiZrCuY高熵非晶复合材料薄带，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）、显微硬度计等手段表征了该复合材料的显微结构、相稳定性并测定其硬度；通过极化曲线和电化学阻抗谱等测试方法研究了高熵非晶复合材料室温下在模拟海水（3.5 wt.% NaCl水溶液）中的防腐蚀性能。结果表明：Al20Ni20Zr20Cu20Y20高熵非晶复合材料是由非晶态组织与金属间化合物相共同组成；利用阿基米德排水法测得材料实际密度约为5.792 g/cm3；其维氏显微硬度为461 HV0.1，击破电位(Eb)为-0.215 V，维钝电流密度( ipass)为29.44 μA/cm2。该高熵非晶复合材料在金属表面防腐与耐磨领域应用前景广阔。
利用真空电弧熔炼技术与急速冷却快淬设备制备了一种等原子比AlNiZrCuY高熵非晶复合材料薄带，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）、显微硬度计等手段表征了该复合材料的显微结构、相稳定性并测定其硬度；通过极化曲线和电化学阻抗谱等测试方法研究了高熵非晶复合材料室温下在模拟海水（3.5 wt.% NaCl水溶液）中的防腐蚀性能。结果表明：Al20Ni20Zr20Cu20Y20高熵非晶复合材料是由非晶态组织与金属间化合物相共同组成；利用阿基米德排水法测得材料实际密度约为5.792 g/cm3；其维氏显微硬度为461 HV0.1，击破电位(Eb)为-0.215 V，维钝电流密度( ipass)为29.44 μA/cm2。该高熵非晶复合材料在金属表面防腐与耐磨领域应用前景广阔。
2022, 51(2):705-711.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210186
摘要:
本研究采用一步溶液浸渍法成功对La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）表面进行了La2NiO4+δ（LNO）纳米颗粒修饰。扫描电镜分析显示，LNO纳米颗粒均匀分布在LSCF表面，颗粒粒径约在50-250 nm之间。电化学测试表明，与空白LSCF相比，修饰了LNO的阴极极化电阻降低了41%~50%，并且稳定性有明显提高：在750℃保温约125 h后，其极化电阻仅增大了50.42%，而空白LSCF阴极则增大了76.89%。X射线衍射分析表明在750℃保温100 h后LNO-LSCF表面出现了La2SrOx相。X光电子能谱分析表明，长期保温100 h后，LNO-LSCF阴极的表面Sr含量比保温前减少了3.66%，而空白LSCF阴极则增多了27.95%，说明通过表面修饰LNO成功抑制LSCF表面的Sr偏析。
本研究采用一步溶液浸渍法成功对La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）表面进行了La2NiO4+δ（LNO）纳米颗粒修饰。扫描电镜分析显示，LNO纳米颗粒均匀分布在LSCF表面，颗粒粒径约在50-250 nm之间。电化学测试表明，与空白LSCF相比，修饰了LNO的阴极极化电阻降低了41%~50%，并且稳定性有明显提高：在750℃保温约125 h后，其极化电阻仅增大了50.42%，而空白LSCF阴极则增大了76.89%。X射线衍射分析表明在750℃保温100 h后LNO-LSCF表面出现了La2SrOx相。X光电子能谱分析表明，长期保温100 h后，LNO-LSCF阴极的表面Sr含量比保温前减少了3.66%，而空白LSCF阴极则增多了27.95%，说明通过表面修饰LNO成功抑制LSCF表面的Sr偏析。
2022, 51(2):712-718.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210192
摘要:
利用动电位极化和电化学阻抗谱研究了Ni元素对Zr-Cu-Al系非晶合金在3.5wt.%NaCl中性溶液中的电化学腐蚀行为的影响规律。结果表明：含Ni元素的Zr55Cu30Ni5Al10比Zr55Cu35Al10非晶合金在NaCl溶液中具有更优异的耐腐蚀性能。Zr-Cu-Al系非晶合金在NaCl溶液中发生点腐蚀,圆形腐蚀坑内布满泡沫状孔洞。通过腐蚀前后的元素分布对比,发现Zr-Cu-Al非晶合金在Cl-作用下合金元素选择性溶解。含Ni元素的非晶合金形成致密的钝化膜,抑制了金属元素的选择性溶解,从而提高了耐腐蚀性能。研究结果可为耐Cl-环境腐蚀非晶合金成分设计及其应用提供参考。
利用动电位极化和电化学阻抗谱研究了Ni元素对Zr-Cu-Al系非晶合金在3.5wt.%NaCl中性溶液中的电化学腐蚀行为的影响规律。结果表明：含Ni元素的Zr55Cu30Ni5Al10比Zr55Cu35Al10非晶合金在NaCl溶液中具有更优异的耐腐蚀性能。Zr-Cu-Al系非晶合金在NaCl溶液中发生点腐蚀,圆形腐蚀坑内布满泡沫状孔洞。通过腐蚀前后的元素分布对比,发现Zr-Cu-Al非晶合金在Cl-作用下合金元素选择性溶解。含Ni元素的非晶合金形成致密的钝化膜,抑制了金属元素的选择性溶解,从而提高了耐腐蚀性能。研究结果可为耐Cl-环境腐蚀非晶合金成分设计及其应用提供参考。
2022, 51(2):719-726.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210188
摘要:
传统单层结构粘结层热障涂层抗氧化性能不足寿命短,采用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂制备双层结构粘结层,对粘结层进行真空热处理,研究热障涂层的抗氧化性能。结果显示,经过1050℃×3h真空热处理,粘结层组织中β-(Co, Ni)Al相含量从13.91%升高至27.78%,分布更加均匀；HVOF粘结层真空热处理后粗糙度降低,等离子层的引入,使真空热处理态粘结层粗糙度由Ra 7.2μm提升至Ra 10.4μm,热障涂层结合强度达到39.4MPa；热障涂层1050℃×200h氧化速率低至0.1719g/m2.h,达到了航空工业标准的“抗氧化级”；等离子粘结层优先发生氧化反应,起到牺牲作用,并提高了粘结层/面层界面的应力容忍度,延长了涂层的使用寿命。
传统单层结构粘结层热障涂层抗氧化性能不足寿命短,采用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂制备双层结构粘结层,对粘结层进行真空热处理,研究热障涂层的抗氧化性能。结果显示,经过1050℃×3h真空热处理,粘结层组织中β-(Co, Ni)Al相含量从13.91%升高至27.78%,分布更加均匀；HVOF粘结层真空热处理后粗糙度降低,等离子层的引入,使真空热处理态粘结层粗糙度由Ra 7.2μm提升至Ra 10.4μm,热障涂层结合强度达到39.4MPa；热障涂层1050℃×200h氧化速率低至0.1719g/m2.h,达到了航空工业标准的“抗氧化级”；等离子粘结层优先发生氧化反应,起到牺牲作用,并提高了粘结层/面层界面的应力容忍度,延长了涂层的使用寿命。
2022, 51(2):727-734.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210115
摘要:
镁基储氢材料由于价格低廉、储氢量高和安全性好等优点，受到人们的广泛关注。然而较高的吸放氢温度和较慢的动力学性能在一定程度上限制了其在储氢方面的进一步研究和应用。目前，该体系的研究热点主要集中在优化不同的改性方法，目的是得到低成本、大批量、小颗粒和稳定性高的纳米MgH2，并已取得了一定的进展；但要获得能够在环境温度下具有理想热力学性能和实际应用价值的镁基储氢材料，仍面临巨大挑战。本文中，我们总结了镁基合金储氢材料的研究进展，并进一步梳理了文献中关于优化和改变热力学和动力学性能的方法，为获得具有高容量、低成本、吸放氢动力学和热力学性能优异的镁基储氢材料提供更好的实验经验和理论支持。
镁基储氢材料由于价格低廉、储氢量高和安全性好等优点，受到人们的广泛关注。然而较高的吸放氢温度和较慢的动力学性能在一定程度上限制了其在储氢方面的进一步研究和应用。目前，该体系的研究热点主要集中在优化不同的改性方法，目的是得到低成本、大批量、小颗粒和稳定性高的纳米MgH2，并已取得了一定的进展；但要获得能够在环境温度下具有理想热力学性能和实际应用价值的镁基储氢材料，仍面临巨大挑战。本文中，我们总结了镁基合金储氢材料的研究进展，并进一步梳理了文献中关于优化和改变热力学和动力学性能的方法，为获得具有高容量、低成本、吸放氢动力学和热力学性能优异的镁基储氢材料提供更好的实验经验和理论支持。
2022, 51(2):735-742.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210127
摘要:
高熵合金涂层凭借其独特的设计理念,具有优于传统合金涂层的优异力学性能和物理化学性能,在多个领域的应用潜力较强,引起了研究者的广泛关注。本文主要综述了现阶段高熵合金涂层的主要制备工艺,激光熔覆技术、热喷涂技术、冷喷涂技术、磁控溅射技术、电化学沉积技术等的最新研究进展,详细分析了每种制备工艺的优缺点及其制备的高熵合金涂层的性能特点,并提出了现阶段高熵合金涂层研究过程中存在的问题,为后续高熵合金涂层的研究、应用及发展提供参考及指导。
高熵合金涂层凭借其独特的设计理念,具有优于传统合金涂层的优异力学性能和物理化学性能,在多个领域的应用潜力较强,引起了研究者的广泛关注。本文主要综述了现阶段高熵合金涂层的主要制备工艺,激光熔覆技术、热喷涂技术、冷喷涂技术、磁控溅射技术、电化学沉积技术等的最新研究进展,详细分析了每种制备工艺的优缺点及其制备的高熵合金涂层的性能特点,并提出了现阶段高熵合金涂层研究过程中存在的问题,为后续高熵合金涂层的研究、应用及发展提供参考及指导。
2022, 51(2):743-751.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210128
摘要:
近十几年来，作为一种研究热门的新型合金，高熵合金已获得了材料界广泛的关注。其中，以等原子比CoCrFeNiMn合金为原型，已报道大量力学性能优异的fcc结构的高熵合金。近几年，由于其优异的铸造成型性能与综合力学性能，共晶高熵合金也逐渐得到科研人员的重视。本文选取CoCrFeNiNbx合金体系，以析出强化型高熵合金和共晶型高熵合金为主要研究对象，分别从成分设计，组织演变，力学性能与强韧化机制等方面总结目前的研究进展，最后分析了当前研究的不足并给出了未来研究的方向。
近十几年来，作为一种研究热门的新型合金，高熵合金已获得了材料界广泛的关注。其中，以等原子比CoCrFeNiMn合金为原型，已报道大量力学性能优异的fcc结构的高熵合金。近几年，由于其优异的铸造成型性能与综合力学性能，共晶高熵合金也逐渐得到科研人员的重视。本文选取CoCrFeNiNbx合金体系，以析出强化型高熵合金和共晶型高熵合金为主要研究对象，分别从成分设计，组织演变，力学性能与强韧化机制等方面总结目前的研究进展，最后分析了当前研究的不足并给出了未来研究的方向。
2022, 51(2):752-764.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210139
摘要:
超高温陶瓷具有能够在超高温环境下(>2000°C)以及反应气氛中(例如原子氧、等离子体环境)保持物理和化学稳定性的独特优势,因而在高速飞行器热防护系统以及火箭发动机的热端部件等领域中应用潜力极大。近年来,作为新兴的一类超高温材料,TaxHf1-xC (x=0~1)超高温陶瓷凭借其在已知物质中最高的熔点以及优异的抗氧化、耐烧蚀潜质,引起了研究人员的关注,已成为超高温陶瓷领域的新热门。本文以现有的公开报道为依据,全面综述了国内外TaxHf1-xC (x=0~1)超高温陶瓷的组成结构、制备方法、本征性能和高温氧化烧蚀性能等的研究进展。重点阐述了材料体系在制备和性能研究方面取得的相关进展,总结了现有研究的不足,并展望了未来的研究趋势,旨在为TaxHf1-xC (x=0~1)超高温陶瓷的理论、实验和应用研究提供有益的参考。
超高温陶瓷具有能够在超高温环境下(>2000°C)以及反应气氛中(例如原子氧、等离子体环境)保持物理和化学稳定性的独特优势,因而在高速飞行器热防护系统以及火箭发动机的热端部件等领域中应用潜力极大。近年来,作为新兴的一类超高温材料,TaxHf1-xC (x=0~1)超高温陶瓷凭借其在已知物质中最高的熔点以及优异的抗氧化、耐烧蚀潜质,引起了研究人员的关注,已成为超高温陶瓷领域的新热门。本文以现有的公开报道为依据,全面综述了国内外TaxHf1-xC (x=0~1)超高温陶瓷的组成结构、制备方法、本征性能和高温氧化烧蚀性能等的研究进展。重点阐述了材料体系在制备和性能研究方面取得的相关进展,总结了现有研究的不足,并展望了未来的研究趋势,旨在为TaxHf1-xC (x=0~1)超高温陶瓷的理论、实验和应用研究提供有益的参考。
