2022年第51卷第5期文章目次
2022, 51(5):1537-1542.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210767
摘要:
在基电解液中加入氮化硅纳米颗粒，对TC4钛合金进行微弧氧化（MAO）处理，研究了Si3N4浓度对微弧氧化层表面形貌、耐蚀性和耐磨性的影响。添加Si3N4的MAO层呈现多孔结构，当Si3N4浓度为1 g/L时，涂层厚度最大，且经过7 d的酸腐蚀试验，该涂层的耐蚀性良好，腐蚀速率最低，约为0.057 mg·cm-2·d-1。随着Si3N4的加入，MAO涂层的抗菌性能先升高后降低。当Si3N4的添加量为1 g/L时，该MAO层的抗菌性能最好。Si3N4的加入能明显提高涂层在模拟海水中的耐磨性。当Si3N4的添加量为3和4 g/L时，所得涂层的摩擦系数低且稳定，且添加3 g/L Si3N4制备来的MAO涂层表现出优异的耐磨性。
在基电解液中加入氮化硅纳米颗粒，对TC4钛合金进行微弧氧化（MAO）处理，研究了Si3N4浓度对微弧氧化层表面形貌、耐蚀性和耐磨性的影响。添加Si3N4的MAO层呈现多孔结构，当Si3N4浓度为1 g/L时，涂层厚度最大，且经过7 d的酸腐蚀试验，该涂层的耐蚀性良好，腐蚀速率最低，约为0.057 mg·cm-2·d-1。随着Si3N4的加入，MAO涂层的抗菌性能先升高后降低。当Si3N4的添加量为1 g/L时，该MAO层的抗菌性能最好。Si3N4的加入能明显提高涂层在模拟海水中的耐磨性。当Si3N4的添加量为3和4 g/L时，所得涂层的摩擦系数低且稳定，且添加3 g/L Si3N4制备来的MAO涂层表现出优异的耐磨性。
2022, 51(5):1543-1549.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210230
摘要:
采用粉末冶金法制备了双相等轴细晶Ti-45Al-7Nb（原子分数）合金，研究了该合金在温度为900、950和1000 ℃以及应变速率为1×10-3、1×10-4和5×10-5 s-1条件下的高温力学性能，并讨论了相应的变形机理。结果表明，在高温或低应变率下，Ti-45Al-7Nb合金的极限拉伸强度逐渐降低，但伸长率显著增加。由于细小晶粒容易实现变形和协调，其伸长率明显高于粗晶粒合金。高温拉伸后，合金在裂缝处形成大量的空洞，并在裂缝前部形成大量垂直于拉伸方向的长裂纹。此外，晶界的滑动、晶粒的孪生和动态再结晶也导致了合金变形，从而提高了微观组织的延展性。
采用粉末冶金法制备了双相等轴细晶Ti-45Al-7Nb（原子分数）合金，研究了该合金在温度为900、950和1000 ℃以及应变速率为1×10-3、1×10-4和5×10-5 s-1条件下的高温力学性能，并讨论了相应的变形机理。结果表明，在高温或低应变率下，Ti-45Al-7Nb合金的极限拉伸强度逐渐降低，但伸长率显著增加。由于细小晶粒容易实现变形和协调，其伸长率明显高于粗晶粒合金。高温拉伸后，合金在裂缝处形成大量的空洞，并在裂缝前部形成大量垂直于拉伸方向的长裂纹。此外，晶界的滑动、晶粒的孪生和动态再结晶也导致了合金变形，从而提高了微观组织的延展性。
2022, 51(5):1550-1557.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210223
摘要:
研究了冷轧减薄率为75%的Al-10% Mg（质量分数）合金在75~150 ℃下退火的显微组织特点和力学行为。轧制态和退火态Al-10% Mg合金的特征是晶粒细长，位错密度高，Al3Mg2相含量极低，且无弥散分布的Al3Mg2相。随着退火温度的升高，细长晶粒的宽度增加，位错密度减小。在75~150 ℃退火后，相比于轧制态合金，其屈服强度降低8%~33%，极限抗拉伸强度降低1%~12%，延伸率增加16%~83%。此外，分析了各种强化机制对屈服强度的贡献，以及原有位错和Mg溶质对塑性的贡献。
研究了冷轧减薄率为75%的Al-10% Mg（质量分数）合金在75~150 ℃下退火的显微组织特点和力学行为。轧制态和退火态Al-10% Mg合金的特征是晶粒细长，位错密度高，Al3Mg2相含量极低，且无弥散分布的Al3Mg2相。随着退火温度的升高，细长晶粒的宽度增加，位错密度减小。在75~150 ℃退火后，相比于轧制态合金，其屈服强度降低8%~33%，极限抗拉伸强度降低1%~12%，延伸率增加16%~83%。此外，分析了各种强化机制对屈服强度的贡献，以及原有位错和Mg溶质对塑性的贡献。
2022, 51(5):1558-1564.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210205
摘要:
通过多弧离子镀（MAIP）在室温下将具有不同调制比（1:2、1:3、1:5）的多层Cr/CrN厚涂层沉积在A100钢基底上。腔室温度在沉积过程中由室温逐渐升高到160~170 ℃。设计调制结构是为了使膜/基结合强度和机械性能最大化。调制比为1:2的Cr/CrN多层涂层表现出最高的膜/基结合强度（Lc=63.8 N），这可能归因于最高的材料硬度(H)/弹性模量(E)和H3/E2数值比（分别为0.083和0.138）。Cr层越厚，多层Cr/CrN厚涂层的塑性和摩擦学性能越好。干摩擦试验表明，与单层CrN相比，Cr/CrN多层涂层的平均摩擦系数和比磨损率分别最高降低了24%和94%。随着Cr层变厚，磨损机理从表面疲劳磨损转变为磨料磨损，这种现象可归因于硬度和塑性的协调变化。
通过多弧离子镀（MAIP）在室温下将具有不同调制比（1:2、1:3、1:5）的多层Cr/CrN厚涂层沉积在A100钢基底上。腔室温度在沉积过程中由室温逐渐升高到160~170 ℃。设计调制结构是为了使膜/基结合强度和机械性能最大化。调制比为1:2的Cr/CrN多层涂层表现出最高的膜/基结合强度（Lc=63.8 N），这可能归因于最高的材料硬度(H)/弹性模量(E)和H3/E2数值比（分别为0.083和0.138）。Cr层越厚，多层Cr/CrN厚涂层的塑性和摩擦学性能越好。干摩擦试验表明，与单层CrN相比，Cr/CrN多层涂层的平均摩擦系数和比磨损率分别最高降低了24%和94%。随着Cr层变厚，磨损机理从表面疲劳磨损转变为磨料磨损，这种现象可归因于硬度和塑性的协调变化。
2022, 51(5):1565-1571.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210204
摘要:
通过直接激冷铸造（DCC）与双辊铸轧（TRC）方法生产了具有不同Fe、Si、Cu和Mn含量的1XXX系铝合金坯料，随后通过均匀化、热轧、冷轧和退火等加工工艺制备了厚度为13 μm的铝箔。结果显示，铸造工艺对铝箔强度影响较小，双辊铸轧引入的较细第二相有利于铝箔塑性。在580 ℃以上进行均匀化处理可细化直接激冷铸造铸锭的粗大晶界金属间化合物，并使其在后续热轧中破碎为小颗粒。因Cu溶质原子可提高加工硬化速率，添加Cu元素的效果优于添加Fe、Si和Mn元素。中间退火时铝箔厚度对力学性能有显著影响，这和厚度与晶粒尺寸之间的比值有关。室温储存会导致较薄铝箔的力学性能下降，这与大应变后发生的回复机制有关。
通过直接激冷铸造（DCC）与双辊铸轧（TRC）方法生产了具有不同Fe、Si、Cu和Mn含量的1XXX系铝合金坯料，随后通过均匀化、热轧、冷轧和退火等加工工艺制备了厚度为13 μm的铝箔。结果显示，铸造工艺对铝箔强度影响较小，双辊铸轧引入的较细第二相有利于铝箔塑性。在580 ℃以上进行均匀化处理可细化直接激冷铸造铸锭的粗大晶界金属间化合物，并使其在后续热轧中破碎为小颗粒。因Cu溶质原子可提高加工硬化速率，添加Cu元素的效果优于添加Fe、Si和Mn元素。中间退火时铝箔厚度对力学性能有显著影响，这和厚度与晶粒尺寸之间的比值有关。室温储存会导致较薄铝箔的力学性能下降，这与大应变后发生的回复机制有关。
2022, 51(5):1572-1581.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210826
摘要:
通过浸泡实验和电化学测试研究了Mg-4.0Zn-0.2Mn-0.2Ca（质量分数）微细管的体外降解行为与腐蚀机理。结果表明，退火处理可以提高微细管的耐腐蚀性。长期浸泡实验表明腐蚀过程相对均匀，退火微细管在Hank's溶液中的腐蚀速率约为0.30 mm/a。在浸泡初期，退火管材表面生成Mg(OH)2，形成保护膜，阻碍腐蚀进行。虽然Mg(OH)2膜上形成的羟基磷灰石（HA）可以进一步降低腐蚀速率，但是镁基体中粗大的第二相会增强电偶腐蚀效应，并且生成的大量氢气，从而破坏HA膜，使腐蚀继续进行。
通过浸泡实验和电化学测试研究了Mg-4.0Zn-0.2Mn-0.2Ca（质量分数）微细管的体外降解行为与腐蚀机理。结果表明，退火处理可以提高微细管的耐腐蚀性。长期浸泡实验表明腐蚀过程相对均匀，退火微细管在Hank's溶液中的腐蚀速率约为0.30 mm/a。在浸泡初期，退火管材表面生成Mg(OH)2，形成保护膜，阻碍腐蚀进行。虽然Mg(OH)2膜上形成的羟基磷灰石（HA）可以进一步降低腐蚀速率，但是镁基体中粗大的第二相会增强电偶腐蚀效应，并且生成的大量氢气，从而破坏HA膜，使腐蚀继续进行。
2022, 51(5):1582-1588.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210215
摘要:
采用X射线衍射、扫描电子显微镜、光学显微镜和压力-成分-温度（PCT）等手段研究了氮、氧杂质对V-Ti-Cr-Fe合金微区化学成分、微观结构和贮氢能力的协同影响。V40Ti26Cr26Fe8合金的贮氢能力随着氮、氧杂质含量的增加而明显降低，主要作用机理如下：氧在V基合金中的溶解抑制了二氢化物相的形成，导致氢容量的降低（主要效应），而氮与钛结合形成了新的富氮钛相，导致了主相成分的变化和晶格参数的减小（二次效应）。
采用X射线衍射、扫描电子显微镜、光学显微镜和压力-成分-温度（PCT）等手段研究了氮、氧杂质对V-Ti-Cr-Fe合金微区化学成分、微观结构和贮氢能力的协同影响。V40Ti26Cr26Fe8合金的贮氢能力随着氮、氧杂质含量的增加而明显降低，主要作用机理如下：氧在V基合金中的溶解抑制了二氢化物相的形成，导致氢容量的降低（主要效应），而氮与钛结合形成了新的富氮钛相，导致了主相成分的变化和晶格参数的减小（二次效应）。
2022, 51(5):1589-1596.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210559
摘要:
通过原位合成法在6061Al合金表面制备了层状双氢氧化物（LDHs），使用极化曲线（Tafel）和电化学阻抗谱（EIS）研究了在3.5%（质量分数）NaCl溶液中不同溶解氧浓度（1~16 mg/L）下LDHs对6061Al合金腐蚀行为的影响。结果表明，6061Al合金与LDHs/6061Al合金的极化过程均受到溶解氧的扩散控制。随着溶解氧浓度的增加，6061Al合金的腐蚀更加剧烈，其腐蚀电流由1.273 μA增加到了1.743 μA，蚀坑深度由12 μm增加到了19 μm。而LDHs/6061Al合金在各溶解氧浓度下均未观察到蚀坑，这是由于LDHs薄膜阻碍了溶解氧的扩散，其极化过程受到了抑制。此外，随着溶解氧浓度的增加，6061Al合金的阻抗显著增加，这与Al2O3的形成有关；而LDHs/6061Al合金的阻抗在不同溶解氧浓度下未发生明显变化，表现出对溶解氧优异的隔绝性能。
通过原位合成法在6061Al合金表面制备了层状双氢氧化物（LDHs），使用极化曲线（Tafel）和电化学阻抗谱（EIS）研究了在3.5%（质量分数）NaCl溶液中不同溶解氧浓度（1~16 mg/L）下LDHs对6061Al合金腐蚀行为的影响。结果表明，6061Al合金与LDHs/6061Al合金的极化过程均受到溶解氧的扩散控制。随着溶解氧浓度的增加，6061Al合金的腐蚀更加剧烈，其腐蚀电流由1.273 μA增加到了1.743 μA，蚀坑深度由12 μm增加到了19 μm。而LDHs/6061Al合金在各溶解氧浓度下均未观察到蚀坑，这是由于LDHs薄膜阻碍了溶解氧的扩散，其极化过程受到了抑制。此外，随着溶解氧浓度的增加，6061Al合金的阻抗显著增加，这与Al2O3的形成有关；而LDHs/6061Al合金的阻抗在不同溶解氧浓度下未发生明显变化，表现出对溶解氧优异的隔绝性能。
2022, 51(5):1597-1600.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210240
摘要:
采用自模板法合成了碗状银纳米材料，研究了银纳米碗的结构和生长机理。结果表明：AgNO3和NaOH反应生成Ag2O纳米簇，然后加入还原剂甲醛，在Ag2O模板表面形成Ag纳米壳，副产物CO2则在Ag壳内聚集。随着反应的进行，不断增大的压力最终击穿Ag壳，形成了直径约为200 nm的Ag纳米碗。该方法为特殊结构贵金属纳米材料的研究提供了理论和实验基础。
采用自模板法合成了碗状银纳米材料，研究了银纳米碗的结构和生长机理。结果表明：AgNO3和NaOH反应生成Ag2O纳米簇，然后加入还原剂甲醛，在Ag2O模板表面形成Ag纳米壳，副产物CO2则在Ag壳内聚集。随着反应的进行，不断增大的压力最终击穿Ag壳，形成了直径约为200 nm的Ag纳米碗。该方法为特殊结构贵金属纳米材料的研究提供了理论和实验基础。
2022, 51(5):1601-1605.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210257
摘要:
将纳米/亚微米级Zr0.92Y0.08O1.96（YSZ）增韧稀土复合氧化物LaTi2Al9O19（LTA）颗粒通过喷雾干燥制备出喷涂粉体，采用不同温度对其进行煅烧，并研究不同温度的热处理对喷雾干燥粉体的流动性、松装密度和形貌的影响。结果表明：未经热处理的喷雾干燥粉体呈现出疏松结构，粒径为40~80 μm。经过热处理后，LTA-YSZ颗粒之间的结合更加紧密，在1100 ℃下煅烧的粉体具有最好的喷雾特性和形貌。通过等离子喷涂进行沉积制备的LTA-YSZ涂层呈现良好的层状结构，并伴有缺陷。
将纳米/亚微米级Zr0.92Y0.08O1.96（YSZ）增韧稀土复合氧化物LaTi2Al9O19（LTA）颗粒通过喷雾干燥制备出喷涂粉体，采用不同温度对其进行煅烧，并研究不同温度的热处理对喷雾干燥粉体的流动性、松装密度和形貌的影响。结果表明：未经热处理的喷雾干燥粉体呈现出疏松结构，粒径为40~80 μm。经过热处理后，LTA-YSZ颗粒之间的结合更加紧密，在1100 ℃下煅烧的粉体具有最好的喷雾特性和形貌。通过等离子喷涂进行沉积制备的LTA-YSZ涂层呈现良好的层状结构，并伴有缺陷。
2022, 51(5):1606-1612.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210006
摘要:
通过双辊铸轧工艺制备了连续碳纤维增强的铝镁（10% Mg，质量分数）基复合材料，其中碳纤维的体积分数是6.8%。对不同浇注温度（943、963、983和1003 K）下获得的复合材料的组织和力学性能进行了研究。通过在碳纤维表面上电镀镍涂层以抑制脆性相Al4C3的形成。结果表明：碳纤维与铝镁基体具有相对较好的浸润性，并且没有形成Al4C3脆性相。随着浇注温度的升高，复合材料的抗拉伸强度（UTS）先升高后降低。当浇注温度为963 K时，复合材料的抗拉伸强度达到了185 MPa，比基体材料（131 MPa）提高了41.2%。此外，对复合材料的拉伸断面进行研究，进一步证实了碳纤维与铝镁基体之间良好的界面结合。双辊铸造法是制备碳纤维增强铝镁基复合材料的有效方法，且具有良好的研究前景。
通过双辊铸轧工艺制备了连续碳纤维增强的铝镁（10% Mg，质量分数）基复合材料，其中碳纤维的体积分数是6.8%。对不同浇注温度（943、963、983和1003 K）下获得的复合材料的组织和力学性能进行了研究。通过在碳纤维表面上电镀镍涂层以抑制脆性相Al4C3的形成。结果表明：碳纤维与铝镁基体具有相对较好的浸润性，并且没有形成Al4C3脆性相。随着浇注温度的升高，复合材料的抗拉伸强度（UTS）先升高后降低。当浇注温度为963 K时，复合材料的抗拉伸强度达到了185 MPa，比基体材料（131 MPa）提高了41.2%。此外，对复合材料的拉伸断面进行研究，进一步证实了碳纤维与铝镁基体之间良好的界面结合。双辊铸造法是制备碳纤维增强铝镁基复合材料的有效方法，且具有良好的研究前景。
2022, 51(5):1613-1619.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210261
摘要:
研究了碳纤维增强聚合物(CFRP)/Ti叠层构件钻孔时切削温度对钻孔质量的影响，分析了有无钛合金支撑层制孔时CFRP的切削力、切削热、孔壁表面和亚表面质量，并提出了亚表面损伤评价方法。结果表明，钻孔时钛合金支撑层对CFRP切削力及表面质量的影响较小，但对切削温度和亚表面质量影响显著。刀具同时加工钛合金和CFRP时会产生大量切削热，导致CFRP孔出口处温度大幅升高，高温导致CFRP树脂基体的刚度和粘结性能下降，使得CFRP孔出口附近纤维层上出现了严重的亚表面损伤。同时，采用提出的亚表面损伤评价方法对亚表面损伤进行评价，发现靠近出口处的纤维层亚表面损伤最为严重。在远离出口平面的方向上，亚表面损伤程度逐渐降低。因此，CFRP/Ti叠层构件钻孔过程中切削温度显著影响CFRP孔的亚表面质量，且亚表面的损伤程度是评价CFRP加工质量的重要因素。
研究了碳纤维增强聚合物(CFRP)/Ti叠层构件钻孔时切削温度对钻孔质量的影响，分析了有无钛合金支撑层制孔时CFRP的切削力、切削热、孔壁表面和亚表面质量，并提出了亚表面损伤评价方法。结果表明，钻孔时钛合金支撑层对CFRP切削力及表面质量的影响较小，但对切削温度和亚表面质量影响显著。刀具同时加工钛合金和CFRP时会产生大量切削热，导致CFRP孔出口处温度大幅升高，高温导致CFRP树脂基体的刚度和粘结性能下降，使得CFRP孔出口附近纤维层上出现了严重的亚表面损伤。同时，采用提出的亚表面损伤评价方法对亚表面损伤进行评价，发现靠近出口处的纤维层亚表面损伤最为严重。在远离出口平面的方向上，亚表面损伤程度逐渐降低。因此，CFRP/Ti叠层构件钻孔过程中切削温度显著影响CFRP孔的亚表面质量，且亚表面的损伤程度是评价CFRP加工质量的重要因素。
2022, 51(5):1620-1626.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210259
摘要:
采用电化学腐蚀和浸泡腐蚀试验对双轴肩搅拌摩擦焊AA2219-T87型铝合金的不同区域进行了腐蚀研究。结果表明，焊缝区具有最高的耐腐蚀性，母材的耐腐蚀性最差。母材中析出相的体积分数最高，越靠近焊核，析出相回溶数量越多。焊核区由细小的等轴晶组成，只存在少量θ相
采用电化学腐蚀和浸泡腐蚀试验对双轴肩搅拌摩擦焊AA2219-T87型铝合金的不同区域进行了腐蚀研究。结果表明，焊缝区具有最高的耐腐蚀性，母材的耐腐蚀性最差。母材中析出相的体积分数最高，越靠近焊核，析出相回溶数量越多。焊核区由细小的等轴晶组成，只存在少量θ相
2022, 51(5):1627-1636.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210856
摘要:
研究了磷化温度对烧结钕铁硼永磁合金表面磷酸盐化学转化（PCC）膜的形成、微观结构和耐蚀性能以及对磁体磁性能的影响。结果表明，随着磷化温度的升高，转化膜膜重略有增加。扫描电镜观察结果表明，转化膜呈块状结构，晶粒尺寸为5~10 μm。能量色散谱和傅里叶变换红外光谱测试表明，转化膜主要由钕磷酸盐水合物、镨磷酸盐水合物和少量铁磷酸盐水合物组成。转化膜中的氧、磷元素主要分布在晶粒表面，铁元素主要集中在晶界处，钕和镨的分布则比较均匀。电化学分析和静态全浸腐蚀试验表明，不同温度下制备的转化膜均可以提高烧结钕铁硼永磁合金的耐蚀性能。在70 ℃下制备的转化膜由于组织结构均匀致密，具有更好的耐蚀性能。磷化处理后，样品的磁性能均有所下降，但是70 ℃下处理的样品性能相对较好。因此，烧结Nd-Fe-B永磁合金的最佳磷化温度为70 ℃。
研究了磷化温度对烧结钕铁硼永磁合金表面磷酸盐化学转化（PCC）膜的形成、微观结构和耐蚀性能以及对磁体磁性能的影响。结果表明，随着磷化温度的升高，转化膜膜重略有增加。扫描电镜观察结果表明，转化膜呈块状结构，晶粒尺寸为5~10 μm。能量色散谱和傅里叶变换红外光谱测试表明，转化膜主要由钕磷酸盐水合物、镨磷酸盐水合物和少量铁磷酸盐水合物组成。转化膜中的氧、磷元素主要分布在晶粒表面，铁元素主要集中在晶界处，钕和镨的分布则比较均匀。电化学分析和静态全浸腐蚀试验表明，不同温度下制备的转化膜均可以提高烧结钕铁硼永磁合金的耐蚀性能。在70 ℃下制备的转化膜由于组织结构均匀致密，具有更好的耐蚀性能。磷化处理后，样品的磁性能均有所下降，但是70 ℃下处理的样品性能相对较好。因此，烧结Nd-Fe-B永磁合金的最佳磷化温度为70 ℃。
2022, 51(5):1637-1642.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210256
摘要:
对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料的室温力学性能以及随温度变化的动态力学性能进行了研究。结果表明，该非晶复合材料的室温拉伸强度约为1350 MPa，断裂应变约为0.13。随着温度的升高，该非晶复合材料的整体状态由弹性转变为粘弹性。在准点缺陷模型框架下，引入了诸如损耗因子、相关系数等相关物理参数，全面分析了该非晶复合材料动态力学行为，并且模型的理论曲线与实验数据拟合程度较好。因此，准点缺陷模型可以很好地描述不同温度下的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料的动态力学行为。
对Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料的室温力学性能以及随温度变化的动态力学性能进行了研究。结果表明，该非晶复合材料的室温拉伸强度约为1350 MPa，断裂应变约为0.13。随着温度的升高，该非晶复合材料的整体状态由弹性转变为粘弹性。在准点缺陷模型框架下，引入了诸如损耗因子、相关系数等相关物理参数，全面分析了该非晶复合材料动态力学行为，并且模型的理论曲线与实验数据拟合程度较好。因此，准点缺陷模型可以很好地描述不同温度下的Ti48Zr20Nb12Cu5Be15非晶复合材料的动态力学行为。
2022, 51(5):1643-1649.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210235
摘要:
基于密度泛函理论和广义梯度近似（GGA）方法，对Zr-Be二元合金中金属间化合物ZrBe2、ZrBe5、ZrBe13和Zr2Be17的结构、电子、力学和热力学性能进行了第一性原理计算。优化后的0 K点阵参数与已有的实验结果基本一致，证明了计算的可靠性。通过计算得到的形成焓和结合能表明，所有的金属间化合物都能在0 K自发形成，其中ZrBe5的合金化能力最强，ZrBe2的结构稳定性最好。随后，电子态密度（DOS）也被用于了解金属间化合物的稳定性。采用应力-应变法计算了这些金属间化合物的独立弹性常数。在此基础上，利用Voigt-Reuss-Hill近似推导出了多晶材料的体模量B、剪切模量G、杨氏模量E、泊松比ν和各向异性A等力学参数。此外，利用Pugh准则、泊松比和柯西压力对金属间化合物的延性行为进行了分析。在热力学性能方面，除了利用准调和近似（QHA）计算晶格振动能量、体模、热膨胀系数和比热随温度变化外，所有的声子色散曲线都说明了这些金属间化合物的动态稳定性。
基于密度泛函理论和广义梯度近似（GGA）方法，对Zr-Be二元合金中金属间化合物ZrBe2、ZrBe5、ZrBe13和Zr2Be17的结构、电子、力学和热力学性能进行了第一性原理计算。优化后的0 K点阵参数与已有的实验结果基本一致，证明了计算的可靠性。通过计算得到的形成焓和结合能表明，所有的金属间化合物都能在0 K自发形成，其中ZrBe5的合金化能力最强，ZrBe2的结构稳定性最好。随后，电子态密度（DOS）也被用于了解金属间化合物的稳定性。采用应力-应变法计算了这些金属间化合物的独立弹性常数。在此基础上，利用Voigt-Reuss-Hill近似推导出了多晶材料的体模量B、剪切模量G、杨氏模量E、泊松比ν和各向异性A等力学参数。此外，利用Pugh准则、泊松比和柯西压力对金属间化合物的延性行为进行了分析。在热力学性能方面，除了利用准调和近似（QHA）计算晶格振动能量、体模、热膨胀系数和比热随温度变化外，所有的声子色散曲线都说明了这些金属间化合物的动态稳定性。
2022, 51(5):1650-1659.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210208
摘要:
采用分子动力学模拟方法研究了随机粗糙度对γ-TiAl合金纳米尺度切削的影响。为了模拟真实工件表面，在考虑刀具不同前角和切削深度的情况下，采用多参数的Weierstrass-Mandelbrot（W-M）函数生成随机表面粗糙度，用工件的等效高度来量化切削深度。结果表明，粗糙度对工件的纳米切削有不可忽视的影响。此外，粗糙度的影响在不同切削参数的情况下也不同。
采用分子动力学模拟方法研究了随机粗糙度对γ-TiAl合金纳米尺度切削的影响。为了模拟真实工件表面，在考虑刀具不同前角和切削深度的情况下，采用多参数的Weierstrass-Mandelbrot（W-M）函数生成随机表面粗糙度，用工件的等效高度来量化切削深度。结果表明，粗糙度对工件的纳米切削有不可忽视的影响。此外，粗糙度的影响在不同切削参数的情况下也不同。
2022, 51(5):1660-1666.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210226
摘要:
热障涂层（TBC）被广泛应用于热端金属部件表面，使其免受高温气体侵蚀，其微观组织结构及服役性能与制备工艺和服役状态密切相关并相互作用。本文从热生长氧化物（TGO）增厚、相变、烧结等方面讨论了各种应力诱因导致的TBC失效机理，综述了目前常用于陶瓷层柱状结构制备的方法及其在缓和TBC服役过程中应力的应用。由于TBC制备工艺及服役条件不尽相同，通过与标准TBC比较，评价了不同工艺下制备的TBC使用寿命，总结了柱状结构TBC的长寿命服役机理。本文综述了柱状热障涂层的应力源、微观结构、制备工艺和使用性能的相互作用关系，为高性能TBC设计提供了参考。
热障涂层（TBC）被广泛应用于热端金属部件表面，使其免受高温气体侵蚀，其微观组织结构及服役性能与制备工艺和服役状态密切相关并相互作用。本文从热生长氧化物（TGO）增厚、相变、烧结等方面讨论了各种应力诱因导致的TBC失效机理，综述了目前常用于陶瓷层柱状结构制备的方法及其在缓和TBC服役过程中应力的应用。由于TBC制备工艺及服役条件不尽相同，通过与标准TBC比较，评价了不同工艺下制备的TBC使用寿命，总结了柱状结构TBC的长寿命服役机理。本文综述了柱状热障涂层的应力源、微观结构、制备工艺和使用性能的相互作用关系，为高性能TBC设计提供了参考。
2022, 51(5):1667-1673.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210373
摘要:
本文通过显微组织分析、数字图像相关技术（DIC）试验以及硬度测试，系统研究了15CrMoR母材与镍基焊材焊接接头各区域的局部力学性能。基于DIC方法获取了镍基焊材焊接接头拉伸过程的全场应变云纹发现：焊缝区域应变较小且不均匀，母材区域应变量大，热影响区均匀过渡。在此基础上构建了焊接接头不同区域的局部应力应变曲线，并揭示了焊接接头局部力学性能参数的分布规律。由焊接接头显微组织的分析可知，局部力学性能参数的分布与显微组织的分布存在密切联系。最后，结合显微硬度与强度参量在焊接接头的分布规律，构建了两者的关联方程，便于镍基焊材焊接接头局部力学参数的估算。
本文通过显微组织分析、数字图像相关技术（DIC）试验以及硬度测试，系统研究了15CrMoR母材与镍基焊材焊接接头各区域的局部力学性能。基于DIC方法获取了镍基焊材焊接接头拉伸过程的全场应变云纹发现：焊缝区域应变较小且不均匀，母材区域应变量大，热影响区均匀过渡。在此基础上构建了焊接接头不同区域的局部应力应变曲线，并揭示了焊接接头局部力学性能参数的分布规律。由焊接接头显微组织的分析可知，局部力学性能参数的分布与显微组织的分布存在密切联系。最后，结合显微硬度与强度参量在焊接接头的分布规律，构建了两者的关联方程，便于镍基焊材焊接接头局部力学参数的估算。
2022, 51(5):1674-1680.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210833
摘要:
本文采用纳米压入实验方法评价金属薄膜室温蠕变变形行为与材料微观组织结构的关系。金属薄膜分别选取纳米晶体心立方（BCC）金属Mo、纳米晶面心立方（FCC）金属Ni以及非晶CuZr为研究材料，加载速率为0.005，0.05，0.1，0.2 s-1。研究发现BCC-Mo、FCC-Ni以及非晶CuZr蠕变变形均表现出很强的加载应变速率依赖性，究其原因与其主导变形机制相关。BCC-Mo蠕变行为由螺型位错主导的混合位错运动为主，FCC-Ni蠕变变形由晶界发射不全位错主导，非晶CuZr蠕变行为由剪切变形转变区（STZ）主导变行为主。
本文采用纳米压入实验方法评价金属薄膜室温蠕变变形行为与材料微观组织结构的关系。金属薄膜分别选取纳米晶体心立方（BCC）金属Mo、纳米晶面心立方（FCC）金属Ni以及非晶CuZr为研究材料，加载速率为0.005，0.05，0.1，0.2 s-1。研究发现BCC-Mo、FCC-Ni以及非晶CuZr蠕变变形均表现出很强的加载应变速率依赖性，究其原因与其主导变形机制相关。BCC-Mo蠕变行为由螺型位错主导的混合位错运动为主，FCC-Ni蠕变变形由晶界发射不全位错主导，非晶CuZr蠕变行为由剪切变形转变区（STZ）主导变行为主。
2022, 51(5):1681-1689.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210834
摘要:
为了验证利用铬铁矿粉直接制备高熵合金的可行性，选取和天然铬铁矿粉成分接近的Cr、Fe、Ni、Al、Si作为基础元素，向其掺杂非等摩尔比的Ti元素混合后压制成坯，采用激光自蔓延烧结制备CrFeNiAlSiTix（x=0-1.2）高熵合金。通过共聚焦显微镜、XRD、SEM和EDS、维氏显微硬度计、电化学工作站等进行表征，分析物相结构、显微组织、密度和孔隙率、硬度、耐磨、耐蚀及高温氧化性能。结果表明：随着Ti含量的增加，合金中BCC相增多，且通过本征参数计算进行验证与实验结果吻合。树枝晶组织减少，花瓣状组织增加，枝晶中主要存在与Ti结合力强的元素。当x=1.0时，合金显微硬度最大为935.62 HV，密度最大为5.01 g/cm3，孔隙率最小为24.01 %，单位面积磨损量最小为34 mg·cm-2，氧化速率最大为5.92×10-6 mg2·cm-4·s-1，腐蚀电流为0.98 μA/cm2，年腐蚀深度为1.01×10-2 mm/a。
为了验证利用铬铁矿粉直接制备高熵合金的可行性，选取和天然铬铁矿粉成分接近的Cr、Fe、Ni、Al、Si作为基础元素，向其掺杂非等摩尔比的Ti元素混合后压制成坯，采用激光自蔓延烧结制备CrFeNiAlSiTix（x=0-1.2）高熵合金。通过共聚焦显微镜、XRD、SEM和EDS、维氏显微硬度计、电化学工作站等进行表征，分析物相结构、显微组织、密度和孔隙率、硬度、耐磨、耐蚀及高温氧化性能。结果表明：随着Ti含量的增加，合金中BCC相增多，且通过本征参数计算进行验证与实验结果吻合。树枝晶组织减少，花瓣状组织增加，枝晶中主要存在与Ti结合力强的元素。当x=1.0时，合金显微硬度最大为935.62 HV，密度最大为5.01 g/cm3，孔隙率最小为24.01 %，单位面积磨损量最小为34 mg·cm-2，氧化速率最大为5.92×10-6 mg2·cm-4·s-1，腐蚀电流为0.98 μA/cm2，年腐蚀深度为1.01×10-2 mm/a。
2022, 51(5):1690-1696.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210851
摘要:
Ti6Al4V合金是骨科中应用最为广泛的钛合金,激光选区熔化成型多孔Ti6Al4V合金能够降低其弹性模量,减少应力遮挡现象,促进骨组织的长入,但成型件的塑性通常较低。为此设计了单元尺寸在1~2 mm、孔径约在500~1200 μm、孔隙率约在60%~90%之间的菱形十二面体多孔结构并采用激光选区熔化技术成型了压缩试件,通过压缩仿真和实验对其力学性能进行研究,并研究了退火热处理对其力学性能、显微组织的影响。仿真结果表明,对模型的支杆直径进行误差补偿可获得更为准确的结果。实验结果表明当单元尺寸为1.5 mm时,试件的抗压强度在78.16~242.94 MPa之间,弹性模量在1.74~4.17 GPa之间,与人体皮质骨的力学性能相近。经820 ℃退火2 h后试件的抗压强度、弹性模量与成型态基本保持相当,而塑性有所提升,因此更适用于骨科植入体。
Ti6Al4V合金是骨科中应用最为广泛的钛合金,激光选区熔化成型多孔Ti6Al4V合金能够降低其弹性模量,减少应力遮挡现象,促进骨组织的长入,但成型件的塑性通常较低。为此设计了单元尺寸在1~2 mm、孔径约在500~1200 μm、孔隙率约在60%~90%之间的菱形十二面体多孔结构并采用激光选区熔化技术成型了压缩试件,通过压缩仿真和实验对其力学性能进行研究,并研究了退火热处理对其力学性能、显微组织的影响。仿真结果表明,对模型的支杆直径进行误差补偿可获得更为准确的结果。实验结果表明当单元尺寸为1.5 mm时,试件的抗压强度在78.16~242.94 MPa之间,弹性模量在1.74~4.17 GPa之间,与人体皮质骨的力学性能相近。经820 ℃退火2 h后试件的抗压强度、弹性模量与成型态基本保持相当,而塑性有所提升,因此更适用于骨科植入体。
2022, 51(5):1697-1704.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210353
摘要:
使用三维模拟软件DEFORM-3D，模拟了7075铝合金深腔筒型件的半固态成形过程，分析了坯料温度、模具温度及加载速度对筒型件成形过程的影响。结果表明，提高模具温度和坯料温度，能显著降低坯料的变形抗力；提高模具温度和加载速度可以减少热量损失，提高半固态坯料的充型能力。最优工艺参数为：坯料温度610℃，模具温度350～400℃，加载速度15mm/s，此时，材料最大等效应力值为69.9MPa。通过试验验证表明，在模拟参数下进行半固态成形，筒型件外形完整，表面品质高，组织致密，无成形缺陷。
使用三维模拟软件DEFORM-3D，模拟了7075铝合金深腔筒型件的半固态成形过程，分析了坯料温度、模具温度及加载速度对筒型件成形过程的影响。结果表明，提高模具温度和坯料温度，能显著降低坯料的变形抗力；提高模具温度和加载速度可以减少热量损失，提高半固态坯料的充型能力。最优工艺参数为：坯料温度610℃，模具温度350～400℃，加载速度15mm/s，此时，材料最大等效应力值为69.9MPa。通过试验验证表明，在模拟参数下进行半固态成形，筒型件外形完整，表面品质高，组织致密，无成形缺陷。
2022, 51(5):1705-1712.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210355
摘要:
传统工业上获取铌板多采用单向轧制(Unidirectional-Rolling)，该工艺下获得的铌板在晶粒尺寸和织构分布上常表现出强烈的不均匀性，导致其在现代工业的使用上具有一定局限性。本实验采用135°周向轧制(135° Clock-Rolling)和单向轧制获得铌板，研究了两种工艺条件下获得的铌板在厚度方向上的组织差异。实验结果表明，135°周向轧制有助于减小高纯Nb板材在厚度方向上的织构梯度。此外，135°周向轧制工艺条件下可以获得具有更高{001}择优取向程度的铌板，且再结晶后，仍然具有较强的{001}择优取向，该织构的占优有助于获得微观组织更均匀的铌板，本实验的显微硬度曲线、再结晶组织显微表征、储存能的半定量计算结果都印证了这一点。还有一点值得注意，相比于单向轧制，135°周向轧制下获得的Nb板材在厚度方向上{111}、{100}取向的储存能差异较小，不会显示明显的能量梯度，这一点同样有助于对高纯铌组织均匀性的优化。
传统工业上获取铌板多采用单向轧制(Unidirectional-Rolling)，该工艺下获得的铌板在晶粒尺寸和织构分布上常表现出强烈的不均匀性，导致其在现代工业的使用上具有一定局限性。本实验采用135°周向轧制(135° Clock-Rolling)和单向轧制获得铌板，研究了两种工艺条件下获得的铌板在厚度方向上的组织差异。实验结果表明，135°周向轧制有助于减小高纯Nb板材在厚度方向上的织构梯度。此外，135°周向轧制工艺条件下可以获得具有更高{001}
2022, 51(5):1713-1723.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210364
摘要:
本文采用XRD、SEM、EDS、增重法测量和热力学计算等手段研究了铸态GH3625合金在900 ℃下不同腐蚀介质中(Air、75 wt.% Na2SO4+25 wt.% NaCl和2% SO2+H2O+Air)腐蚀120 h后的高温腐蚀行为,探讨了不同腐蚀介质下氧化膜的形成及破坏机制。研究表明,GH3625合金在不同介质中腐蚀后,从合金最表层到合金内部结构均分为疏松氧化层、致密氧化层、贫Cr区和合金基体,其氧化层主要由NiO、Cr2O3和NiCr2O4组成。同时,合金在熔盐和高温酸性气氛中腐蚀后的贫Cr区深度(约14 μm和11μm)均大于在空气中氧化后贫Cr区深度(约8 μm),腐蚀介质对合金表层氧化膜的破坏程度从大到小依次为熔盐介质、高温酸性气氛介质、空气介质。合金的腐蚀主要是不同介质下合金表层氧化膜的形成与溶解的相互竞争,当GH3625合金在熔盐介质中腐蚀时,腐蚀机制主要是氧化膜与Cl-反应生成气相Cl2和与Na2O反应生成铬酸盐Na2CrO4；而当GH3625合金在酸性气氛介质中腐蚀时,腐蚀机制主要是Cr、Ni元素与SO2、O2的连续硫化和氧化反应。
本文采用XRD、SEM、EDS、增重法测量和热力学计算等手段研究了铸态GH3625合金在900 ℃下不同腐蚀介质中(Air、75 wt.% Na2SO4+25 wt.% NaCl和2% SO2+H2O+Air)腐蚀120 h后的高温腐蚀行为,探讨了不同腐蚀介质下氧化膜的形成及破坏机制。研究表明,GH3625合金在不同介质中腐蚀后,从合金最表层到合金内部结构均分为疏松氧化层、致密氧化层、贫Cr区和合金基体,其氧化层主要由NiO、Cr2O3和NiCr2O4组成。同时,合金在熔盐和高温酸性气氛中腐蚀后的贫Cr区深度(约14 μm和11μm)均大于在空气中氧化后贫Cr区深度(约8 μm),腐蚀介质对合金表层氧化膜的破坏程度从大到小依次为熔盐介质、高温酸性气氛介质、空气介质。合金的腐蚀主要是不同介质下合金表层氧化膜的形成与溶解的相互竞争,当GH3625合金在熔盐介质中腐蚀时,腐蚀机制主要是氧化膜与Cl-反应生成气相Cl2和与Na2O反应生成铬酸盐Na2CrO4；而当GH3625合金在酸性气氛介质中腐蚀时,腐蚀机制主要是Cr、Ni元素与SO2、O2的连续硫化和氧化反应。
2022, 51(5):1724-1734.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210374
摘要:
本文研究了Cu-20wt%Sc中间合金在液态Al-0.12wt%Zr合金中的溶解行为。发现随着保温温度提高和保温时间延长,含Sc质点的尺寸减小,面积分数降低,Al3Zr相质点尺寸也减小,面积分数也降低。凝固后在α Al基体中的Sc、Cu和Zr的固溶量随保温时间延长和保温温度提高都增加。保温一定时间后,部分溶解到溶体中的Sc原子被吸附到Al3Zr相表面,形成中间为Al3Zr相表面富Sc的结构。Sc和Zr联合加入后,合金凝固组织细小,随着保温温度提高和保温时间延长,合金凝固组织的晶粒尺寸略有增大。大量表面富Sc的Al3Zr质点为合金凝固提供了大量的异质形核核心,细化了合金组织。添加Cu-Sc中间合金的Al-Zr合金,均匀化退火后,同添加Al-Sc-Zr中间合金一样,也析出大量“芯壳”结构的Al3(Sc,Zr)相。
本文研究了Cu-20wt%Sc中间合金在液态Al-0.12wt%Zr合金中的溶解行为。发现随着保温温度提高和保温时间延长,含Sc质点的尺寸减小,面积分数降低,Al3Zr相质点尺寸也减小,面积分数也降低。凝固后在α Al基体中的Sc、Cu和Zr的固溶量随保温时间延长和保温温度提高都增加。保温一定时间后,部分溶解到溶体中的Sc原子被吸附到Al3Zr相表面,形成中间为Al3Zr相表面富Sc的结构。Sc和Zr联合加入后,合金凝固组织细小,随着保温温度提高和保温时间延长,合金凝固组织的晶粒尺寸略有增大。大量表面富Sc的Al3Zr质点为合金凝固提供了大量的异质形核核心,细化了合金组织。添加Cu-Sc中间合金的Al-Zr合金,均匀化退火后,同添加Al-Sc-Zr中间合金一样,也析出大量“芯壳”结构的Al3(Sc,Zr)相。
2022, 51(5):1735-1740.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210375
摘要:
本文选择在低B含量的Fe42Co42Zr7B9合金和高B含量的Fe39Co39Zr7B15合金基础上添加1at.%Cu,制备Fe41.5Co41.5Zr7B9Cu1和Fe38.5Co38.5Zr7B15Cu1非晶合金,利用同步热分析仪(STA), X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)测试分析合金的晶化曲线及晶化相的结构,研究Cu添加对Fe42Co42Zr7B9和Fe39Co39Zr7B15非晶合金热稳定性和晶化过程的影响。结果表明,Cu添加稍微提高了Fe42Co42Zr7B9非晶合金的热稳定性,明显提高了Fe39Co39Zr7B15非晶合金的热稳定性。对于Fe42Co42Zr7B9和Fe39Co39Zr7B15非晶合金,晶化初期XRD存在明显的峰位移动；对于添加Cu后的Fe41.5Co41.5Zr7B9Cu1和Fe38.5Co38.5Zr7B15Cu1合金,晶化过程中几乎没有峰位移动。TEM测试表明Cu添加改善了纳米晶粒分布的均匀度。Cu添加对高B含量Fe39Co39Zr7B15合金热稳定性和晶化过程的影响大于低B含量的Fe42Co42Zr7B9合金。
本文选择在低B含量的Fe42Co42Zr7B9合金和高B含量的Fe39Co39Zr7B15合金基础上添加1at.%Cu,制备Fe41.5Co41.5Zr7B9Cu1和Fe38.5Co38.5Zr7B15Cu1非晶合金,利用同步热分析仪(STA), X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)测试分析合金的晶化曲线及晶化相的结构,研究Cu添加对Fe42Co42Zr7B9和Fe39Co39Zr7B15非晶合金热稳定性和晶化过程的影响。结果表明,Cu添加稍微提高了Fe42Co42Zr7B9非晶合金的热稳定性,明显提高了Fe39Co39Zr7B15非晶合金的热稳定性。对于Fe42Co42Zr7B9和Fe39Co39Zr7B15非晶合金,晶化初期XRD存在明显的峰位移动；对于添加Cu后的Fe41.5Co41.5Zr7B9Cu1和Fe38.5Co38.5Zr7B15Cu1合金,晶化过程中几乎没有峰位移动。TEM测试表明Cu添加改善了纳米晶粒分布的均匀度。Cu添加对高B含量Fe39Co39Zr7B15合金热稳定性和晶化过程的影响大于低B含量的Fe42Co42Zr7B9合金。
2022, 51(5):1741-1751.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210376
摘要:
针对新一代航空发动机和重型燃气轮机对长寿命、高韧性热障涂层的迫切需求，本文通过喷雾造粒法制备了长径比为10的ZrO2晶须复合YSZ喷涂粉末，采用SAPS技术制备了YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层，对复合涂层的工艺参数进行优化，研究了熔融指数对陶瓷复合涂层微观结构的影响规律；通过狭缝法收集单个摊片的实验，阐明了ZrO2晶须增韧YSZ陶瓷涂层的形成机理，建立了晶须増韧陶瓷涂层的微观结构与热力学性能的内在关系。基于晶须弥散分布于复合涂层未熔颗粒区的特征，相比纳米结构YSZ涂层，YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层的断裂韧性与热循环寿命均提高一倍。
针对新一代航空发动机和重型燃气轮机对长寿命、高韧性热障涂层的迫切需求，本文通过喷雾造粒法制备了长径比为10的ZrO2晶须复合YSZ喷涂粉末，采用SAPS技术制备了YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层，对复合涂层的工艺参数进行优化，研究了熔融指数对陶瓷复合涂层微观结构的影响规律；通过狭缝法收集单个摊片的实验，阐明了ZrO2晶须增韧YSZ陶瓷涂层的形成机理，建立了晶须増韧陶瓷涂层的微观结构与热力学性能的内在关系。基于晶须弥散分布于复合涂层未熔颗粒区的特征，相比纳米结构YSZ涂层，YSZ/ZrO2晶须増韧陶瓷复合涂层的断裂韧性与热循环寿命均提高一倍。
2022, 51(5):1752-1758.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210384
摘要:
本文选用复层占比约23%的6.5 mm厚铜（复层）/铝（基层）金属层状复合板作为焊接对象，研究对其进行搅拌摩擦焊接（FSW）的可行性；同时重点研究焊接工具的作用位置（复层在上和基层在上）对于焊接过程的影响；此外，结合有限元模拟技术，分析FSW过程中焊接工具的热力耦合作用对于铜复层流动行为的影响，以及接头中微观组织，尤其是界面区组织的变化。结果表明，在下压量为0.2 mm、焊接速度为150 mm/min和旋转速度为900 r/min的焊接参数下，当采用铝基层在上的焊接方式时，铜复层侧受焊接工具热机作用影响较弱，向上迁移作用较小，并且由于底部作用温度较低、铜复层熔点较高以及导热性较强，因此容易导致在接头底部形成明显的隧道缺陷；当铜复层在上时，可以获得成形良好的FSW接头，由于焊接过程中后退侧和前进侧温度存在差异，在温度较低的后退侧中的铝-铜界面区域，仅形成了少量的Al-Cu金属间化合物层；在温度较高的前进侧中铝-铜界面区域，则由较厚的脆性Al-Cu金属间化合物层组成，该FSW接头的平均抗拉强度为85.2 MPa，约为母材抗拉强度的62.7%。
本文选用复层占比约23%的6.5 mm厚铜（复层）/铝（基层）金属层状复合板作为焊接对象，研究对其进行搅拌摩擦焊接（FSW）的可行性；同时重点研究焊接工具的作用位置（复层在上和基层在上）对于焊接过程的影响；此外，结合有限元模拟技术，分析FSW过程中焊接工具的热力耦合作用对于铜复层流动行为的影响，以及接头中微观组织，尤其是界面区组织的变化。结果表明，在下压量为0.2 mm、焊接速度为150 mm/min和旋转速度为900 r/min的焊接参数下，当采用铝基层在上的焊接方式时，铜复层侧受焊接工具热机作用影响较弱，向上迁移作用较小，并且由于底部作用温度较低、铜复层熔点较高以及导热性较强，因此容易导致在接头底部形成明显的隧道缺陷；当铜复层在上时，可以获得成形良好的FSW接头，由于焊接过程中后退侧和前进侧温度存在差异，在温度较低的后退侧中的铝-铜界面区域，仅形成了少量的Al-Cu金属间化合物层；在温度较高的前进侧中铝-铜界面区域，则由较厚的脆性Al-Cu金属间化合物层组成，该FSW接头的平均抗拉强度为85.2 MPa，约为母材抗拉强度的62.7%。
2022, 51(5):1759-1766.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210391
摘要:
传统晶态材料构件或装备在低温环境中会出现可动部分卡死、龟裂、特性改变甚至脆性断裂等现象。低温极端条件如温度突变、高应变速率冲击等对材料性能带来的不利影响严重制约了其在低温极端环境领域的应用。块体非晶合金在低温条件下具有强度更高塑性更好的特殊性能,在极地科考以及航空航天等极端条件下具有极大的应用优势。本文以(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97Tm3块体非晶合金为研究对象,研究冷-热处理时间对块体非晶合金的结构、力学性能和腐蚀性能的影响。结果表明,当处理时间由30 min延长到90 min时,试样的晶化体积分数从2.3%增加到4.0%,屈服强度由1701 MPa增加到1810 MPa。在3.5 wt.% NaCl溶液中,合金具有较小的自腐蚀电流密度与较大的电化学阻抗,这意味着经冷-热处理后的块体非晶合金具有优异的耐腐蚀性能。本研究为块体非晶合金在低温极端环境领域的应用提供了强有力的理论支撑。
传统晶态材料构件或装备在低温环境中会出现可动部分卡死、龟裂、特性改变甚至脆性断裂等现象。低温极端条件如温度突变、高应变速率冲击等对材料性能带来的不利影响严重制约了其在低温极端环境领域的应用。块体非晶合金在低温条件下具有强度更高塑性更好的特殊性能,在极地科考以及航空航天等极端条件下具有极大的应用优势。本文以(Zr0.6336Cu0.1452Ni0.1012Al0.12)97Tm3块体非晶合金为研究对象,研究冷-热处理时间对块体非晶合金的结构、力学性能和腐蚀性能的影响。结果表明,当处理时间由30 min延长到90 min时,试样的晶化体积分数从2.3%增加到4.0%,屈服强度由1701 MPa增加到1810 MPa。在3.5 wt.% NaCl溶液中,合金具有较小的自腐蚀电流密度与较大的电化学阻抗,这意味着经冷-热处理后的块体非晶合金具有优异的耐腐蚀性能。本研究为块体非晶合金在低温极端环境领域的应用提供了强有力的理论支撑。
2022, 51(5):1767-1772.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210392
摘要:
通过Gleeble-1500、分离式Hopkinson压杆、金相、扫描和透射电镜探究了Al-Mg-Zn合金准静态及动态冲击过程中的力学性能和组织演化。Al-Mg-Zn合金在准静态下表现为整体应变硬化效应。合金在1300s-1~3800s-1对应变率敏感,在4800s-1时几乎无应变率敏感性。合金晶粒随应变率变化发生不同程度的变形,且随着应变率的提高,晶粒变形不均匀性加重；析出相粒子形态、密度、尺寸等在4800s-1动态冲击前后发生明显变化。
通过Gleeble-1500、分离式Hopkinson压杆、金相、扫描和透射电镜探究了Al-Mg-Zn合金准静态及动态冲击过程中的力学性能和组织演化。Al-Mg-Zn合金在准静态下表现为整体应变硬化效应。合金在1300s-1~3800s-1对应变率敏感,在4800s-1时几乎无应变率敏感性。合金晶粒随应变率变化发生不同程度的变形,且随着应变率的提高,晶粒变形不均匀性加重；析出相粒子形态、密度、尺寸等在4800s-1动态冲击前后发生明显变化。
2022, 51(5):1773-1779.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210399
摘要:
采用中频磁控溅射和超音速等离子喷涂依次在锆合金(Zr-4)基体表面制备了Zr(84.61 at.%)Cr/Zr(17.39 at.%)Cr/Al2O3(ZrCr梯度界面层)和Al2O3 (无ZrCr梯度界面层)涂层。利用XRD、SEM和HRTEM等重点分析了ZrCr梯度界面层对Zr-4/Al2O3涂层界面微观结构、结合强度和抗热震性能的影响。研究结果表明：通过增设ZrCr梯度界面层,能显著提升Zr-4/ZrCr/Al2O3体系结合强度至50.3±2.52 MPa,较Zr-4/Al2O3体系结合强度值提升约46%；循环热震条件下,Zr-4/ZrCr/Al2O3体系膜基界面完整,与ZrCr梯度界面层能显著提升界面结合强度且喷涂及热震实验过程中ZrCr梯度界面层Cr原子优先形成较致密的Cr2O3能进一步有效抑制氧扩散至Zr-4有关；Zr-4/Al2O3膜基界面则出现明显开裂甚至剥离行为,其主因是Zr-4/Al2O3两者界面热应力集中而导致Zr-4/Al2O3界面开裂；HRTEM和EDS线扫描结果证实在Zr-4/Al2O3界面开裂处形成的疏松ZrO2氧化物是后续热震循环中进一步加剧涂层大面积剥落失效的根本原因。
采用中频磁控溅射和超音速等离子喷涂依次在锆合金(Zr-4)基体表面制备了Zr(84.61 at.%)Cr/Zr(17.39 at.%)Cr/Al2O3(ZrCr梯度界面层)和Al2O3 (无ZrCr梯度界面层)涂层。利用XRD、SEM和HRTEM等重点分析了ZrCr梯度界面层对Zr-4/Al2O3涂层界面微观结构、结合强度和抗热震性能的影响。研究结果表明：通过增设ZrCr梯度界面层,能显著提升Zr-4/ZrCr/Al2O3体系结合强度至50.3±2.52 MPa,较Zr-4/Al2O3体系结合强度值提升约46%；循环热震条件下,Zr-4/ZrCr/Al2O3体系膜基界面完整,与ZrCr梯度界面层能显著提升界面结合强度且喷涂及热震实验过程中ZrCr梯度界面层Cr原子优先形成较致密的Cr2O3能进一步有效抑制氧扩散至Zr-4有关；Zr-4/Al2O3膜基界面则出现明显开裂甚至剥离行为,其主因是Zr-4/Al2O3两者界面热应力集中而导致Zr-4/Al2O3界面开裂；HRTEM和EDS线扫描结果证实在Zr-4/Al2O3界面开裂处形成的疏松ZrO2氧化物是后续热震循环中进一步加剧涂层大面积剥落失效的根本原因。
2022, 51(5):1780-1788.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210407
摘要:
利用高真空磁控溅射设备，通过顺序沉积制备富Mg的Mg2Sn热电薄膜。使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及能谱仪（EDS）研究了沉积薄膜的物相组成、表面和截面形貌、元素含量及分布。使用塞贝克（Seebeck）系数/电阻分析系统LSR-3测量了沉积薄膜的电阻率和Seebeck系数，进而研究不同Mg含量的Mg2Sn薄膜的功率因子。结果表明，采用磁控溅射法可以制备出立方反萤石结构的Mg2Sn相薄膜，XRD显示，沉积薄膜是由立方结构的Mg2Sn相和少量的纳米尺寸的金属Mg相组成。随着Mg靶溅射时间的增加，纳米金属Mg相的含量增加，电阻率和Seebeck系数均表现为先升高后降低，这归因于少量纳米金属Mg相与基体相之间存在相界面。适量的金属Mg相存在于Mg2Sn薄膜中，有利于提高Seebeck系数。含有适量纳米尺寸金属Mg相的Mg2Sn沉积膜，因其Seebeck系数较高，电阻率适当，可获得较高的功率因子。层状结构的Mg2Sn薄膜可显著提高Seebeck系数，尽管电阻率也增加，但最终使薄膜的功率因子显著提高。
利用高真空磁控溅射设备，通过顺序沉积制备富Mg的Mg2Sn热电薄膜。使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及能谱仪（EDS）研究了沉积薄膜的物相组成、表面和截面形貌、元素含量及分布。使用塞贝克（Seebeck）系数/电阻分析系统LSR-3测量了沉积薄膜的电阻率和Seebeck系数，进而研究不同Mg含量的Mg2Sn薄膜的功率因子。结果表明，采用磁控溅射法可以制备出立方反萤石结构的Mg2Sn相薄膜，XRD显示，沉积薄膜是由立方结构的Mg2Sn相和少量的纳米尺寸的金属Mg相组成。随着Mg靶溅射时间的增加，纳米金属Mg相的含量增加，电阻率和Seebeck系数均表现为先升高后降低，这归因于少量纳米金属Mg相与基体相之间存在相界面。适量的金属Mg相存在于Mg2Sn薄膜中，有利于提高Seebeck系数。含有适量纳米尺寸金属Mg相的Mg2Sn沉积膜，因其Seebeck系数较高，电阻率适当，可获得较高的功率因子。层状结构的Mg2Sn薄膜可显著提高Seebeck系数，尽管电阻率也增加，但最终使薄膜的功率因子显著提高。
2022, 51(5):1789-1796.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210401
摘要:
采用回填式搅拌摩擦点焊工艺(Refill friction stir spot welding,FSpW)对厚度均为2 mm的5A02-O铝合金和TC4钛合金板材进行焊接。通过改变停留时间和回填速度,探究不同工艺参数对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,在选定工艺范围内,焊点成型良好,搅拌区晶粒细小,热影响区晶粒长大但有限,搅拌套作用区界面原子扩散距离比搅拌针作用区更大,停留时间6 s获得的焊点界面原子扩散距离和金属间化合物(IMC)厚度在1 μm左右。随着回填速度提高,接头承载载荷总体呈现上升趋势,但仍有数值波动,回填速度为30 mm/min,停留时间为6s获得接头拉剪载荷最低为4861 N,回填速度为90 mm/min,停留时间为6 s获得接头拉剪载荷最高为6617 N,拉剪后宏观断面较为平整,断裂模式为剪切断裂,微观断口由韧窝组成。
采用回填式搅拌摩擦点焊工艺(Refill friction stir spot welding,FSpW)对厚度均为2 mm的5A02-O铝合金和TC4钛合金板材进行焊接。通过改变停留时间和回填速度,探究不同工艺参数对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,在选定工艺范围内,焊点成型良好,搅拌区晶粒细小,热影响区晶粒长大但有限,搅拌套作用区界面原子扩散距离比搅拌针作用区更大,停留时间6 s获得的焊点界面原子扩散距离和金属间化合物(IMC)厚度在1 μm左右。随着回填速度提高,接头承载载荷总体呈现上升趋势,但仍有数值波动,回填速度为30 mm/min,停留时间为6s获得接头拉剪载荷最低为4861 N,回填速度为90 mm/min,停留时间为6 s获得接头拉剪载荷最高为6617 N,拉剪后宏观断面较为平整,断裂模式为剪切断裂,微观断口由韧窝组成。
2022, 51(5):1797-1804.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210408
摘要:
为了提高铌合金的高温抗氧化性能，首先采用阴极匀速旋转电沉积法在铌合金表面制备了钼层，然后通过包埋渗硅获得硅化物复合涂层。研究了沉积态钼层和硅化物涂层的形成和微观组织结构，对比分析了有或无涂层C103合金的高温氧化行为。结果表明，阴极匀速旋转法使沉积的电流效率提高一倍多，钼层呈胞状结构、以非晶形式存在。经包埋渗硅后，生成了表层以MoSi2为主、中间层为NbSi2的复合涂层，涂层与基体结合良好。经1200 ℃氧化后，涂层试样的氧化抛物线速率常数分别为1.83×10-2 mg2cm-4h-1、8.08 mg2cm-4h-1，与之相比，裸合金的氧化抛物线速率常数则为5.87×103 mg2cm-4h-1，而且仅氧化10 h裸合金即出现了严重粉化；在高温氧化过程中，复合涂层表面生成SiO2垢层，具有优良的抗高温氧化性能。
为了提高铌合金的高温抗氧化性能，首先采用阴极匀速旋转电沉积法在铌合金表面制备了钼层，然后通过包埋渗硅获得硅化物复合涂层。研究了沉积态钼层和硅化物涂层的形成和微观组织结构，对比分析了有或无涂层C103合金的高温氧化行为。结果表明，阴极匀速旋转法使沉积的电流效率提高一倍多，钼层呈胞状结构、以非晶形式存在。经包埋渗硅后，生成了表层以MoSi2为主、中间层为NbSi2的复合涂层，涂层与基体结合良好。经1200 ℃氧化后，涂层试样的氧化抛物线速率常数分别为1.83×10-2 mg2cm-4h-1、8.08 mg2cm-4h-1，与之相比，裸合金的氧化抛物线速率常数则为5.87×103 mg2cm-4h-1，而且仅氧化10 h裸合金即出现了严重粉化；在高温氧化过程中，复合涂层表面生成SiO2垢层，具有优良的抗高温氧化性能。
2022, 51(5):1805-1812.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210409
摘要:
在Na3AlF6-NaCl-KCl氟氯混合电解质体系中，通过铝热还原法以TiO2和CeO2为Ti源和Ce源，制备Al-Ti-Ce中间合金。研究反应时间、反应温度、电解质构成（Na3AlF6质量百分含量）、K2TiF6添加量四种工艺条件对Al-Ti-Ce中间合金物相结构和合金元素浓度的影响。实验结果表明，在所有实验工艺参数范围内，制备的Al-Ti-Ce中间合金均由ɑ-Al、Al3Ti和Ti2Al20Ce三相构成。制备的最佳单因素工艺参数为：反应时间90 min，反应温度850℃，Na3AlF6质量百分含量40 %、K2TiF6添加量20 mol%。热力学分析结果从理论上进一步证明了在实验条件下几种主要化学反应的可行性。
在Na3AlF6-NaCl-KCl氟氯混合电解质体系中，通过铝热还原法以TiO2和CeO2为Ti源和Ce源，制备Al-Ti-Ce中间合金。研究反应时间、反应温度、电解质构成（Na3AlF6质量百分含量）、K2TiF6添加量四种工艺条件对Al-Ti-Ce中间合金物相结构和合金元素浓度的影响。实验结果表明，在所有实验工艺参数范围内，制备的Al-Ti-Ce中间合金均由ɑ-Al、Al3Ti和Ti2Al20Ce三相构成。制备的最佳单因素工艺参数为：反应时间90 min，反应温度850℃，Na3AlF6质量百分含量40 %、K2TiF6添加量20 mol%。热力学分析结果从理论上进一步证明了在实验条件下几种主要化学反应的可行性。
2022, 51(5):1813-1820.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210412
摘要:
采用红外测温仪结合高速摄影，对Fe40Ni40B20（at%）共晶合金深过冷熔凝过程温度曲线及凝固过程影像进行监测和记录。基于获得的高速摄影图像及温度曲线结果，结合合金对应凝固条件下组织特征分析，发现深过冷条件下合金的凝固组织随过冷度（ΔT）存在三个典型演化过程：ΔT =170K-230K，规则棒状亚稳相共晶团组织初始形成，随后残余液相中稳定两相凝固及初始亚稳组织重熔，分别对应温度曲线及高速摄影图像中的一、二次再辉；ΔT =230K-260K，规则棒状及近非规则亚稳相共晶团组织形成、亚稳相分解及残余液相中稳定相外延生长，表现为温度曲线及高速摄影图像中仅有一次再辉过程；ΔT =260K-300K，非耦合生长非规则亚稳相共晶团组织的形成，亚稳相的后续分解，表现为温度曲线中出现拐折及高速摄影图像中存在二次再辉现象。高速摄影测得一次再辉对应凝固速率表明，大过冷范围随着ΔT增大，初生组织凝固速率出现先增大而后稳定的现象；采用枝晶生长模型近似计算的亚稳相生长速率在中大过冷范围与测得一次凝固速率较好吻合，更大过冷范围速率稳定归因于生长机制转变为两相的非耦合生长，也很好的印证了以上组织演化规律。
采用红外测温仪结合高速摄影，对Fe40Ni40B20（at%）共晶合金深过冷熔凝过程温度曲线及凝固过程影像进行监测和记录。基于获得的高速摄影图像及温度曲线结果，结合合金对应凝固条件下组织特征分析，发现深过冷条件下合金的凝固组织随过冷度（ΔT）存在三个典型演化过程：ΔT =170K-230K，规则棒状亚稳相共晶团组织初始形成，随后残余液相中稳定两相凝固及初始亚稳组织重熔，分别对应温度曲线及高速摄影图像中的一、二次再辉；ΔT =230K-260K，规则棒状及近非规则亚稳相共晶团组织形成、亚稳相分解及残余液相中稳定相外延生长，表现为温度曲线及高速摄影图像中仅有一次再辉过程；ΔT =260K-300K，非耦合生长非规则亚稳相共晶团组织的形成，亚稳相的后续分解，表现为温度曲线中出现拐折及高速摄影图像中存在二次再辉现象。高速摄影测得一次再辉对应凝固速率表明，大过冷范围随着ΔT增大，初生组织凝固速率出现先增大而后稳定的现象；采用枝晶生长模型近似计算的亚稳相生长速率在中大过冷范围与测得一次凝固速率较好吻合，更大过冷范围速率稳定归因于生长机制转变为两相的非耦合生长，也很好的印证了以上组织演化规律。
2022, 51(5):1821-1827.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210411
摘要:
镍渣中铁元素的高效提取一直是镍渣高效高值化再利用关注的热点。本文利用Factsage软件对熔融氧化镍渣中磁铁矿晶体的形成及优先选择性析出行为进行预测,然后采用高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)对熔融氧化镍渣连续冷却过程中磁铁矿晶体的析出长大进行原位观察,对比研究了5~50 ℃/min冷却速率下磁铁矿晶体的生长过程,通过SEM-EDS、XRD、ICP手段对观察样品的形貌、物相和成分进行表征。结果表明,熔融氧化镍渣连续冷却过程磁铁矿晶体会从熔体中优先选择性析出,初始析出温度在1430~1450 ℃之间。较低的冷却速率(5~15 ℃/min)下,晶体初始形核析出较慢,晶粒在1200~1400 ℃稳定生长,平均生长速率可达0.141 μm/s,最终晶粒尺寸超过100 μm；较高的冷却速率(25~50 ℃/min)可以促使磁铁矿晶体在生长初期迅速形核并析出,但稳定生长速率较小,最终晶粒尺寸在20~30 μm范围。
镍渣中铁元素的高效提取一直是镍渣高效高值化再利用关注的热点。本文利用Factsage软件对熔融氧化镍渣中磁铁矿晶体的形成及优先选择性析出行为进行预测,然后采用高温激光共聚焦显微镜(HT-CLSM)对熔融氧化镍渣连续冷却过程中磁铁矿晶体的析出长大进行原位观察,对比研究了5~50 ℃/min冷却速率下磁铁矿晶体的生长过程,通过SEM-EDS、XRD、ICP手段对观察样品的形貌、物相和成分进行表征。结果表明,熔融氧化镍渣连续冷却过程磁铁矿晶体会从熔体中优先选择性析出,初始析出温度在1430~1450 ℃之间。较低的冷却速率(5~15 ℃/min)下,晶体初始形核析出较慢,晶粒在1200~1400 ℃稳定生长,平均生长速率可达0.141 μm/s,最终晶粒尺寸超过100 μm；较高的冷却速率(25~50 ℃/min)可以促使磁铁矿晶体在生长初期迅速形核并析出,但稳定生长速率较小,最终晶粒尺寸在20~30 μm范围。
2022, 51(5):1828-1836.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210414
摘要:
为了研究Zr-4合金在500 ℃条件下晶粒取向与晶粒形貌对合金基体应力分布状态的影响，采用有限元方法构建三种不同晶粒形貌的模型，以(11-20)取向晶粒占比为变量，施加氧化膜生成时作用于基体产生的应力，对Zr-4合金基体晶粒变形进行模拟。计算结果表明：晶粒形貌与不同取向晶粒占比对基体晶粒内部应力分布的影响有明显规律。随着(11-20)取向晶粒占比（14.6 %-85.4 %）的增加，Zr-4合金基体中的应力集中现象更加明显，应力集中将促使Zr-4合金在腐蚀中加速失效；晶粒形貌越接近等轴晶，模型中应力分布越均匀，应力值趋于减小，有利于提高合金的耐腐蚀性能。
为了研究Zr-4合金在500 ℃条件下晶粒取向与晶粒形貌对合金基体应力分布状态的影响，采用有限元方法构建三种不同晶粒形貌的模型，以(11-20)取向晶粒占比为变量，施加氧化膜生成时作用于基体产生的应力，对Zr-4合金基体晶粒变形进行模拟。计算结果表明：晶粒形貌与不同取向晶粒占比对基体晶粒内部应力分布的影响有明显规律。随着(11-20)取向晶粒占比（14.6 %-85.4 %）的增加，Zr-4合金基体中的应力集中现象更加明显，应力集中将促使Zr-4合金在腐蚀中加速失效；晶粒形貌越接近等轴晶，模型中应力分布越均匀，应力值趋于减小，有利于提高合金的耐腐蚀性能。
2022, 51(5):1837-1844.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210417
摘要:
本文熔炼了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-xNb（x=0、0.15、0.50、1.00，wt.%）合金，并制备成板状样品。采用TG-DSC研究了4种锆合金在模拟LOCA工况下800~1200 ℃的抗高温蒸汽氧化行为和相变行为，利用金相显微镜分析了氧化样品横截面的显微组织。结果表明，4种锆合金的抗高温蒸汽氧化性能并没有随Nb含量的变化呈单一的变化规律，其氧化动力学大多为线性规律，只有添加0.5%Nb的合金在1000 ℃的氧化动力学发生了两次转折，由线性规律转变为幂指数规律再转变为线性规律；锆合金中基体的相转变温度随着Nb含量的增加而降低，而其氧化物的相变行为并没有随Nb含量的变化呈单一变化趋势，这说明Nb含量对锆合金氧化物的相变行为的影响比对合金相变行为的影响复杂。氧化温度为800 ℃、1000 ℃和1200 ℃时，氧化样品截面组织分别为：ZrO2和α-Zr(O)，ZrO2、α-Zr(O)和原β-Zr层，ZrO2和α-Zr(O)； 800 ℃氧化样品截面各层组织的厚度占比基本不随Nb含量发生变化；1000 ℃氧化样品截面α-Zr(O)层的厚度占比随Nb含量的增加而增大，原β-Zr层的厚度占比正好相反，出现了指状侵入的α-Zr(O)。1200 ℃氧化样品截面显微组织厚度占比随Nb含量的变化比较复杂。这说明Nb有促进β→α-Zr(O)转变的作用。
本文熔炼了Zr-0.75Sn-0.35Fe-0.15Cr-xNb（x=0、0.15、0.50、1.00，wt.%）合金，并制备成板状样品。采用TG-DSC研究了4种锆合金在模拟LOCA工况下800~1200 ℃的抗高温蒸汽氧化行为和相变行为，利用金相显微镜分析了氧化样品横截面的显微组织。结果表明，4种锆合金的抗高温蒸汽氧化性能并没有随Nb含量的变化呈单一的变化规律，其氧化动力学大多为线性规律，只有添加0.5%Nb的合金在1000 ℃的氧化动力学发生了两次转折，由线性规律转变为幂指数规律再转变为线性规律；锆合金中基体的相转变温度随着Nb含量的增加而降低，而其氧化物的相变行为并没有随Nb含量的变化呈单一变化趋势，这说明Nb含量对锆合金氧化物的相变行为的影响比对合金相变行为的影响复杂。氧化温度为800 ℃、1000 ℃和1200 ℃时，氧化样品截面组织分别为：ZrO2和α-Zr(O)，ZrO2、α-Zr(O)和原β-Zr层，ZrO2和α-Zr(O)； 800 ℃氧化样品截面各层组织的厚度占比基本不随Nb含量发生变化；1000 ℃氧化样品截面α-Zr(O)层的厚度占比随Nb含量的增加而增大，原β-Zr层的厚度占比正好相反，出现了指状侵入的α-Zr(O)。1200 ℃氧化样品截面显微组织厚度占比随Nb含量的变化比较复杂。这说明Nb有促进β→α-Zr(O)转变的作用。
2022, 51(5):1845-1856.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210421
摘要:
通过光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等研究了Ti-Nb微合金化对超纯(C+N=29 ppm)30% Cr超级铁素体不锈钢组织和性能的影响。结果表明,Ti-Nb微合金化可将该超纯材料基体中富Cr氧化物(尺寸约2~6 μm)转变为富Ti-O-N的复合包裹型脆性夹杂物(尺寸约1~4 μm)；同时会在基体中形成纳米级(Ti, Nb)(C, N)析出相。铁素体晶粒长大倾向性较大是该超纯材料的组织演变特性,Ti-Nb微合金化可减弱晶界迁移速率,起到细化晶粒的作用；Ti-Nb微合金化提高了材料的室温强度和硬度,并导致材料室温延伸率对晶粒尺寸的敏感性有所增加。此外,Ti-Nb微合金化对该超纯材料的冲击韧性具有“双重”作用,一方面可通过细化晶粒改善材料韧性,另一方面会产生脆性夹杂物恶化材料韧性,尤其是低温韧性。
通过光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等研究了Ti-Nb微合金化对超纯(C+N=29 ppm)30% Cr超级铁素体不锈钢组织和性能的影响。结果表明,Ti-Nb微合金化可将该超纯材料基体中富Cr氧化物(尺寸约2~6 μm)转变为富Ti-O-N的复合包裹型脆性夹杂物(尺寸约1~4 μm)；同时会在基体中形成纳米级(Ti, Nb)(C, N)析出相。铁素体晶粒长大倾向性较大是该超纯材料的组织演变特性,Ti-Nb微合金化可减弱晶界迁移速率,起到细化晶粒的作用；Ti-Nb微合金化提高了材料的室温强度和硬度,并导致材料室温延伸率对晶粒尺寸的敏感性有所增加。此外,Ti-Nb微合金化对该超纯材料的冲击韧性具有“双重”作用,一方面可通过细化晶粒改善材料韧性,另一方面会产生脆性夹杂物恶化材料韧性,尤其是低温韧性。
2022, 51(5):1857-1863.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210416
摘要:
Al2O3陶瓷因具有很高的强度和耐蚀性受到广泛关注。但由于相对较差的韧性限制了其广泛应用。Al2O3陶瓷增韧的方式很多,本文采用微米ZrB2来增韧氧化铝陶瓷,探讨复相陶瓷烧结工艺,并研究工艺参数对复相陶瓷力学性能及韧性的影响。结果表明：采用单因素法得到两种陶瓷最佳工艺参数分别是纯α-Al2O3陶瓷烧结温度为1500℃,成型压力为450MPa,保温时间为8h,球料比为1/2,保压时间为10min；ZrB2(wt,20%)+α-Al2O3 (wt,80%)复相陶瓷烧结温度为1450℃,成型压力为450MPa,保温时间为8h,球料比为1/2,保压时间为10min。其中成型压力、烧结温度和保温时间对复相陶瓷硬度及致密度影响最大。ZrB2的加入,在降低陶瓷烧结温度的同时,可以将纯α-Al2O3陶瓷的断裂韧性由5.2±0.3MPa.m1/2提高到6.7±0.2MPa.m1/2。
Al2O3陶瓷因具有很高的强度和耐蚀性受到广泛关注。但由于相对较差的韧性限制了其广泛应用。Al2O3陶瓷增韧的方式很多,本文采用微米ZrB2来增韧氧化铝陶瓷,探讨复相陶瓷烧结工艺,并研究工艺参数对复相陶瓷力学性能及韧性的影响。结果表明：采用单因素法得到两种陶瓷最佳工艺参数分别是纯α-Al2O3陶瓷烧结温度为1500℃,成型压力为450MPa,保温时间为8h,球料比为1/2,保压时间为10min；ZrB2(wt,20%)+α-Al2O3 (wt,80%)复相陶瓷烧结温度为1450℃,成型压力为450MPa,保温时间为8h,球料比为1/2,保压时间为10min。其中成型压力、烧结温度和保温时间对复相陶瓷硬度及致密度影响最大。ZrB2的加入,在降低陶瓷烧结温度的同时,可以将纯α-Al2O3陶瓷的断裂韧性由5.2±0.3MPa.m1/2提高到6.7±0.2MPa.m1/2。
2022, 51(5):1864-1872.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210430
摘要:
研究了低高温双重热处理对激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形TC4钛合金组织特征及断裂韧性的影响规律。结果表明：低温退火成形态合金横截面显微组织表现为大量针状马氏体α′相和β相，纵截面表现为沿成形方向生长的柱状晶，晶内针状马氏体α′相板条与成形方向的夹角成45o左右。热处理后，针状α′相转变为板条α相，形成α+β的板条组织。随着热处理温度的升高，α片层逐渐粗化，裂纹扩展路径曲折程度增加，断裂韧性由成形态的43.1 MPa?m1/2，逐渐提高至109 MPa?m1/2。
研究了低高温双重热处理对激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形TC4钛合金组织特征及断裂韧性的影响规律。结果表明：低温退火成形态合金横截面显微组织表现为大量针状马氏体α′相和β相，纵截面表现为沿成形方向生长的柱状晶，晶内针状马氏体α′相板条与成形方向的夹角成45o左右。热处理后，针状α′相转变为板条α相，形成α+β的板条组织。随着热处理温度的升高，α片层逐渐粗化，裂纹扩展路径曲折程度增加，断裂韧性由成形态的43.1 MPa?m1/2，逐渐提高至109 MPa?m1/2。
2022, 51(5):1873-1878.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210486
摘要:
CdMnTe(碲锰镉)材料作为新一代的半导体材料，在核辐射探测领域具有很高的应用价值。本文采用Te溶液垂直布里奇曼法生长Cd0.9Mn0.1Te: V晶体，研究其光电性能及深能级缺陷的分布。紫外-可见-近红外光谱分析表明晶锭中部和尾部的禁带宽度分别为1.602 eV和1.598 eV。光致发光谱中，晶体的(D0,X)峰形尖锐，半峰宽较小，表明缺陷或杂质含量低，晶体质量好。室温I-V测试晶锭中部和尾部晶体电阻率分别为2.85×1010 Ω?cm和9.54×109 Ω?cm，漏电流分别为3 nA和8.5 nA。霍尔测试表明晶体导电类型为n型。通过热激电流谱研究了Cd0.9Mn0.1Te: V晶体中缺陷的能级和浓度，其中晶锭中部和尾部样品中源于Te反位(Te2+ Cd)的深施主能级(EDD)的值分别为0.90 eV和0.812 eV。并且深施主能级EDD使费米能级位于禁带中央，从而使晶体呈现高电阻率。
CdMnTe(碲锰镉)材料作为新一代的半导体材料，在核辐射探测领域具有很高的应用价值。本文采用Te溶液垂直布里奇曼法生长Cd0.9Mn0.1Te: V晶体，研究其光电性能及深能级缺陷的分布。紫外-可见-近红外光谱分析表明晶锭中部和尾部的禁带宽度分别为1.602 eV和1.598 eV。光致发光谱中，晶体的(D0,X)峰形尖锐，半峰宽较小，表明缺陷或杂质含量低，晶体质量好。室温I-V测试晶锭中部和尾部晶体电阻率分别为2.85×1010 Ω?cm和9.54×109 Ω?cm，漏电流分别为3 nA和8.5 nA。霍尔测试表明晶体导电类型为n型。通过热激电流谱研究了Cd0.9Mn0.1Te: V晶体中缺陷的能级和浓度，其中晶锭中部和尾部样品中源于Te反位(Te2+ Cd)的深施主能级(EDD)的值分别为0.90 eV和0.812 eV。并且深施主能级EDD使费米能级位于禁带中央，从而使晶体呈现高电阻率。
2022, 51(5):1879-1886.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210187
摘要:
为阐明高功率脉冲氙灯铈钨电极运行过程中的演变过程及工作机理,采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)等手段研究了运行不同发次的高功率脉冲氙灯阴极表面形貌、铈元素的价态演变及其浓度-深度分布状况,结果表明：铈钨电极工作表面出现大量的龟裂纹,其裂纹程度和深度、烧蚀状况均与运行发次有关,工作次数越多裂纹和烧蚀情况越严重；随着运行发次增加,阴极表面铈元素含量向表面扩散,含量升高,最高达12%,分布更加均匀；通过对Ce3+/Ce4+比例分析发现：运行10083发次的铈钨阴极表面活性处于较佳状态；运行14486发次的铈钨阴极表面活性层明显减小,仅有6.66nm,氙灯性能处于下降状态。
为阐明高功率脉冲氙灯铈钨电极运行过程中的演变过程及工作机理,采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)等手段研究了运行不同发次的高功率脉冲氙灯阴极表面形貌、铈元素的价态演变及其浓度-深度分布状况,结果表明：铈钨电极工作表面出现大量的龟裂纹,其裂纹程度和深度、烧蚀状况均与运行发次有关,工作次数越多裂纹和烧蚀情况越严重；随着运行发次增加,阴极表面铈元素含量向表面扩散,含量升高,最高达12%,分布更加均匀；通过对Ce3+/Ce4+比例分析发现：运行10083发次的铈钨阴极表面活性处于较佳状态；运行14486发次的铈钨阴极表面活性层明显减小,仅有6.66nm,氙灯性能处于下降状态。
2022, 51(5):1887-1895.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210437
摘要:
金属结构件表面经粉末渗锌后具有良好的耐腐蚀性能、渗锌层与基体的结合强度高等优点,但渗层结构及质量有待进一步提高。本文在金属结构件表面渗锌处理的渗锌剂中加入不同掺杂量的稀土元素La(质量分数分别为0 %,1.3 %,2.7 %,4.0 %,5.3 %),采用SEM观察表面形貌、XRD测定物相以及占比情况、激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)生成超高分辨率的3D表面形貌图像以评估表面粗糙度特性、纳米压痕(Nano Indenter G200)研究渗层的硬度评估其机械性能。结果表明,渗锌剂中添加4.0 %稀土元素La可以更好地改善渗层的微观结构、增加渗层中柱状致密的δ相使渗层组织细化且致密、减少凹坑裂纹等缺陷的产生、提高渗层的均匀性,渗层在厚度方向上硬度有所提高,并且硬度分布更加均匀。通过测量材料开路电位(OCP)、极化曲线(Tafel)和电化学阻抗谱(EIS)表明添加4.0%的La元素形成的渗层耐腐蚀性能更好。
金属结构件表面经粉末渗锌后具有良好的耐腐蚀性能、渗锌层与基体的结合强度高等优点,但渗层结构及质量有待进一步提高。本文在金属结构件表面渗锌处理的渗锌剂中加入不同掺杂量的稀土元素La(质量分数分别为0 %,1.3 %,2.7 %,4.0 %,5.3 %),采用SEM观察表面形貌、XRD测定物相以及占比情况、激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)生成超高分辨率的3D表面形貌图像以评估表面粗糙度特性、纳米压痕(Nano Indenter G200)研究渗层的硬度评估其机械性能。结果表明,渗锌剂中添加4.0 %稀土元素La可以更好地改善渗层的微观结构、增加渗层中柱状致密的δ相使渗层组织细化且致密、减少凹坑裂纹等缺陷的产生、提高渗层的均匀性,渗层在厚度方向上硬度有所提高,并且硬度分布更加均匀。通过测量材料开路电位(OCP)、极化曲线(Tafel)和电化学阻抗谱(EIS)表明添加4.0%的La元素形成的渗层耐腐蚀性能更好。
2022, 51(5):1896-1906.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210538
摘要:
通过增加材料表面区域，可以促进活性组分高度分散，加速催化剂的电子迁移并改变材料表面酸性位，极大的提高催化活性。因此，大比表面积催化材料的制备已经成为研究的热点。尽管诸多研究都已经注意到了材料比表面积变化对于催化性能的重要性，但是目前的研究系统性仍有不足，亟待揭示比表面积和催化之间的构效关系，探明大比表面积材料的结构演化机制和对性能的影响机理，构筑影响催化活性的关键结构特性，实现催化材料的可控制备。本综述系统总结了大比表面积催化材料的不同制备方法、物理化学机理、特性分析、制备面临的挑战，并对未来发展进行了展望。重点阐述了材料的形貌特性、尺度特性和元素特性对大比表面积催化材料制备的影响和限制。
通过增加材料表面区域，可以促进活性组分高度分散，加速催化剂的电子迁移并改变材料表面酸性位，极大的提高催化活性。因此，大比表面积催化材料的制备已经成为研究的热点。尽管诸多研究都已经注意到了材料比表面积变化对于催化性能的重要性，但是目前的研究系统性仍有不足，亟待揭示比表面积和催化之间的构效关系，探明大比表面积材料的结构演化机制和对性能的影响机理，构筑影响催化活性的关键结构特性，实现催化材料的可控制备。本综述系统总结了大比表面积催化材料的不同制备方法、物理化学机理、特性分析、制备面临的挑战，并对未来发展进行了展望。重点阐述了材料的形貌特性、尺度特性和元素特性对大比表面积催化材料制备的影响和限制。
2022, 51(5):1907-1918.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210519
摘要:
钛及其合金因密度低、强度高、耐蚀性好、生物相容性好等特点被广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、生物医疗、电子工程等领域，它是继钢铁、铝材之后非常重要的战略金属材料，被誉为“第三金属”、“太空金属”、“海洋金属”。多孔钛是一类兼具多孔材料和金属钛双重属性的结构功能一体化材料，也是现代高技术领域不可或缺的关键支撑材料。本文重点介绍了多孔钛的制备方法，包括粉末冶金法（无压成形法、压制成形法、空间占位法、浆料成形法和3D打印技术）和化学合成法（反应烧结法、燃烧合成法、钙热还原法、脱合金法），简要叙述了多孔钛在生物医疗、过滤与分离、电化学等领域的应用现状。孔结构是影响多孔钛应用性能的关键因素，需加强孔结构的精确控制及其与环境耦合作用机理研究；通过材料、力学、数学等多学科交叉融合，开发超轻质、超高强多孔钛的设计与制备技术。
钛及其合金因密度低、强度高、耐蚀性好、生物相容性好等特点被广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、生物医疗、电子工程等领域，它是继钢铁、铝材之后非常重要的战略金属材料，被誉为“第三金属”、“太空金属”、“海洋金属”。多孔钛是一类兼具多孔材料和金属钛双重属性的结构功能一体化材料，也是现代高技术领域不可或缺的关键支撑材料。本文重点介绍了多孔钛的制备方法，包括粉末冶金法（无压成形法、压制成形法、空间占位法、浆料成形法和3D打印技术）和化学合成法（反应烧结法、燃烧合成法、钙热还原法、脱合金法），简要叙述了多孔钛在生物医疗、过滤与分离、电化学等领域的应用现状。孔结构是影响多孔钛应用性能的关键因素，需加强孔结构的精确控制及其与环境耦合作用机理研究；通过材料、力学、数学等多学科交叉融合，开发超轻质、超高强多孔钛的设计与制备技术。
2022, 51(5):1919-1925.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211036
摘要:
采用粉末锻造法制备了钎剂复合型铝硅共晶4047复合钎料，并对比研究了自制钎剂复合4047钎料与市售药芯钎料、进口钎剂复合钎料的组织与钎焊性能。结果表明：钎剂复合4047钎料存在两个吸热峰，钎剂熔点略低于钎料合金熔点。钎剂复合4047钎料的润湿铺展面积为363 mm2，与进口钎料（353 mm2）接近，二者均优于药芯钎料（311 mm2）。在85%湿度、35 ℃环境条件下，钎剂复合4047钎料与进口钎料的抗吸潮性优良，药芯钎料放置72 h、144 h、216 h的吸潮率分别为3.88%、4.02%、4.27%，钎剂吸潮增重明显。钎剂复合4047钎料组织分析结果表明，钎剂颗粒被钎料合金包裹、固定在基体组织内，钎剂尺寸细小、分布均匀，压实系数高。钎剂复合4047钎料钎焊性能较好，钎缝区组织致密，钎着率高，6061/3003搭接接头断裂强度平均达107.5 MPa，断裂发生在3003侧热影响区。
采用粉末锻造法制备了钎剂复合型铝硅共晶4047复合钎料，并对比研究了自制钎剂复合4047钎料与市售药芯钎料、进口钎剂复合钎料的组织与钎焊性能。结果表明：钎剂复合4047钎料存在两个吸热峰，钎剂熔点略低于钎料合金熔点。钎剂复合4047钎料的润湿铺展面积为363 mm2，与进口钎料（353 mm2）接近，二者均优于药芯钎料（311 mm2）。在85%湿度、35 ℃环境条件下，钎剂复合4047钎料与进口钎料的抗吸潮性优良，药芯钎料放置72 h、144 h、216 h的吸潮率分别为3.88%、4.02%、4.27%，钎剂吸潮增重明显。钎剂复合4047钎料组织分析结果表明，钎剂颗粒被钎料合金包裹、固定在基体组织内，钎剂尺寸细小、分布均匀，压实系数高。钎剂复合4047钎料钎焊性能较好，钎缝区组织致密，钎着率高，6061/3003搭接接头断裂强度平均达107.5 MPa，断裂发生在3003侧热影响区。
2022, 51(5):1926-1932.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210415
摘要:
为了探究大蓝闪蝶翅鳞的光学功能特性及其仿生应用潜力，对其进行了响应性光学性能测试与微观结构表征，并构建了翅鳞的可视化仿生模型，进而揭示了大蓝闪蝶翅鳞多尺度分级微纳结构与可见光-近红外波段响应功能特性之间的映射关系及影响规律。研究表明，该蝶翅上下两层鳞片具有周期性精细结构，脊结构分别被几丁质片层堆叠成梳齿状堆栈结构与塔状光栅结构，瑞利散射、多层膜干涉、光子禁带等光学效应协同作用赋予它对外部环境介质填充、光照入射角度等因素变化具有独特的敏感性变色响应特征，并在近红外波段兼容有反射率可调特性。大蓝闪蝶翅鳞具有的独特光学特性可为自适应变色变发射率仿生隐身功能材料与元器件的研制提供新思路。
为了探究大蓝闪蝶翅鳞的光学功能特性及其仿生应用潜力，对其进行了响应性光学性能测试与微观结构表征，并构建了翅鳞的可视化仿生模型，进而揭示了大蓝闪蝶翅鳞多尺度分级微纳结构与可见光-近红外波段响应功能特性之间的映射关系及影响规律。研究表明，该蝶翅上下两层鳞片具有周期性精细结构，脊结构分别被几丁质片层堆叠成梳齿状堆栈结构与塔状光栅结构，瑞利散射、多层膜干涉、光子禁带等光学效应协同作用赋予它对外部环境介质填充、光照入射角度等因素变化具有独特的敏感性变色响应特征，并在近红外波段兼容有反射率可调特性。大蓝闪蝶翅鳞具有的独特光学特性可为自适应变色变发射率仿生隐身功能材料与元器件的研制提供新思路。
