2022年第51卷第7期文章目次
2022, 51(7):2329-2335.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210425
摘要:
为研究复合装甲中Ti-6Al-4V（TC4）合金与碳化硅陶瓷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的最佳组合形式，分析了2种复合结构SiC/UHMWPE/TC4（I）和SiC/TC4/UHMWPE（II）的抗侵彻性能和宏观损伤以及TC4合金的微观损伤。结果表明：复合结构Ⅰ中TC4合金的微观组织表现为弹孔边缘较为平滑，没有出现裂纹，绝热剪切带（ASB）数量较少，并且为直线传播；复合结构Ⅱ中TC4合金微观组织表现为弹孔边缘粗糙，存在裂纹，背部存在崩落损伤，ASB数量多，并且呈弯曲和分叉现象。TC4合金在复合结构Ⅱ中的侵彻过程分为开坑阶段、稳定侵彻阶段和穿孔阶段。复合结构Ⅱ中TC4合金的绝热剪切行为更为复杂，导致耗能更多。此外，复合结构Ⅱ中UHMWPE产生拉伸破坏也属于高耗能失效机制。因此，SiC/TC4/UHMWPE复合结构能够充分发挥TC4和UHMWPE的高耗能机制，抗侵彻性能好于复合结构Ⅰ。
为研究复合装甲中Ti-6Al-4V（TC4）合金与碳化硅陶瓷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的最佳组合形式，分析了2种复合结构SiC/UHMWPE/TC4（I）和SiC/TC4/UHMWPE（II）的抗侵彻性能和宏观损伤以及TC4合金的微观损伤。结果表明：复合结构Ⅰ中TC4合金的微观组织表现为弹孔边缘较为平滑，没有出现裂纹，绝热剪切带（ASB）数量较少，并且为直线传播；复合结构Ⅱ中TC4合金微观组织表现为弹孔边缘粗糙，存在裂纹，背部存在崩落损伤，ASB数量多，并且呈弯曲和分叉现象。TC4合金在复合结构Ⅱ中的侵彻过程分为开坑阶段、稳定侵彻阶段和穿孔阶段。复合结构Ⅱ中TC4合金的绝热剪切行为更为复杂，导致耗能更多。此外，复合结构Ⅱ中UHMWPE产生拉伸破坏也属于高耗能失效机制。因此，SiC/TC4/UHMWPE复合结构能够充分发挥TC4和UHMWPE的高耗能机制，抗侵彻性能好于复合结构Ⅰ。
2022, 51(7):2336-2343.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210013
摘要:
设计了4种不同Mo含量的TiAl合金，使用扫描电子显微镜、纳米压痕、热模拟压缩等手段对Mo-TiAl合金的微观组织以及力学性能进行了研究。结果显示，随着Mo含量升高，组织中γ相含量逐渐减少，而β相含量逐渐增多。Mo元素主要以β相的形式存在于TiAl合金中。在热等静压过程中，Mo元素从γ相和α2相向β相中扩散；Mo-TiAl合金的纳米压痕硬度在Mo含量为1.59%（原子分数，下同）时达到最大，并且纳米压痕硬度和片层间距呈负相关；随着Mo含量升高，Mo-TiAl合金热压缩流变应力降低，Mo含量为2.11%和3.94%的TiAl合金由于Al元素偏析导致其塑性较差。
设计了4种不同Mo含量的TiAl合金，使用扫描电子显微镜、纳米压痕、热模拟压缩等手段对Mo-TiAl合金的微观组织以及力学性能进行了研究。结果显示，随着Mo含量升高，组织中γ相含量逐渐减少，而β相含量逐渐增多。Mo元素主要以β相的形式存在于TiAl合金中。在热等静压过程中，Mo元素从γ相和α2相向β相中扩散；Mo-TiAl合金的纳米压痕硬度在Mo含量为1.59%（原子分数，下同）时达到最大，并且纳米压痕硬度和片层间距呈负相关；随着Mo含量升高，Mo-TiAl合金热压缩流变应力降低，Mo含量为2.11%和3.94%的TiAl合金由于Al元素偏析导致其塑性较差。
2022, 51(7):2344-2348.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210532
摘要:
研究了Yb元素对Ag30-Cu-Zn-Sn（BAg30）钎料热性能、润湿性和微观组织的影响，分析了焊点的剪切强度和断口形貌，优化了钎料组分。结果表明，BAg30钎料添加1%（质量分数，下同）Yb后可以显著降低钎料液相线-固相线差值，促进钎料在钢基板表面的润湿性，细化微观组织。然而，当Yb添加量超过1%后，过量的Yb元素会降低钎料的性能，粗化微观组织。通过焊点剪切测试，BAg30-1% Yb钎料的焊点抗剪切强度和断裂形貌表现出明显的优越性，抗剪切强度相较于BAg30钎料焊点明显提高，断口形貌出现均匀细小的韧窝，表现为韧性断裂机制。
研究了Yb元素对Ag30-Cu-Zn-Sn（BAg30）钎料热性能、润湿性和微观组织的影响，分析了焊点的剪切强度和断口形貌，优化了钎料组分。结果表明，BAg30钎料添加1%（质量分数，下同）Yb后可以显著降低钎料液相线-固相线差值，促进钎料在钢基板表面的润湿性，细化微观组织。然而，当Yb添加量超过1%后，过量的Yb元素会降低钎料的性能，粗化微观组织。通过焊点剪切测试，BAg30-1% Yb钎料的焊点抗剪切强度和断裂形貌表现出明显的优越性，抗剪切强度相较于BAg30钎料焊点明显提高，断口形貌出现均匀细小的韧窝，表现为韧性断裂机制。
2022, 51(7):2349-2355.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210504
摘要:
利用HfC-TaC对C/SiC-ZrC陶瓷基热结构复合材料进行改性，提升C/SiC-ZrC材料的抗氧化性能。结合前驱体浸渍裂解和化学气相沉积法制备陶瓷基复合材料，并通过静态氧化实验（1600 ℃/5 h和1600 ℃/20 h）检验其抗氧化性能。结合弯曲强度测试和失重情况分析，发现HfC-TaC可以有效改善C/SiC-ZrC复合材料的氧化行为，且能够使其满足力学性能要求。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪等仪器，对复合材料的晶相结构、微观结构等进行了分析，结果显示：均匀的元素分布和基体中各陶瓷组元间良好的融合度是C/SiC-ZrC复合材料抗氧化性能提升的原因。
利用HfC-TaC对C/SiC-ZrC陶瓷基热结构复合材料进行改性，提升C/SiC-ZrC材料的抗氧化性能。结合前驱体浸渍裂解和化学气相沉积法制备陶瓷基复合材料，并通过静态氧化实验（1600 ℃/5 h和1600 ℃/20 h）检验其抗氧化性能。结合弯曲强度测试和失重情况分析，发现HfC-TaC可以有效改善C/SiC-ZrC复合材料的氧化行为，且能够使其满足力学性能要求。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪等仪器，对复合材料的晶相结构、微观结构等进行了分析，结果显示：均匀的元素分布和基体中各陶瓷组元间良好的融合度是C/SiC-ZrC复合材料抗氧化性能提升的原因。
2022, 51(7):2356-2360.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210503
摘要:
研究了经粉末冶金的镍基U720Li高温合金在680、700和730 ℃长期时效（3000 h）下的组织演变及力学性能变化，表征了γ′相在长期时效过程中的形貌与尺寸变化。结果表明，γ′相粗化行为由扩散过程控制。在680和700 ℃下的长期时效过程中，U720Li高温合金的抗拉伸和蠕变性能保持稳定；但在730 ℃/500 h长期时效后，合金屈服强度逐渐降低，塑性增加。在730 ℃长期时效过程中，U720Li高温合金的疲劳和蠕变性能急剧下降，这与γ′相的形貌演变有关。
研究了经粉末冶金的镍基U720Li高温合金在680、700和730 ℃长期时效（3000 h）下的组织演变及力学性能变化，表征了γ′相在长期时效过程中的形貌与尺寸变化。结果表明，γ′相粗化行为由扩散过程控制。在680和700 ℃下的长期时效过程中，U720Li高温合金的抗拉伸和蠕变性能保持稳定；但在730 ℃/500 h长期时效后，合金屈服强度逐渐降低，塑性增加。在730 ℃长期时效过程中，U720Li高温合金的疲劳和蠕变性能急剧下降，这与γ′相的形貌演变有关。
2022, 51(7):2361-2369.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210543
摘要:
采用放电等离子烧结（SPS）制备了含YbB6的Ti-6Al-4V钛合金，并研究了YbB6对Ti-6Al-4V钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，随着YbB6含量的增加，复合材料的显微组织发生转变，晶粒明显细化，原位反应生成的TiB晶须和Yb2O3颗粒有利于复合材料力学性能的提高。此外，当添加0.6%（质量分数）YbB6后，烧结样品的相对密度、显微硬度、屈服强度、极限拉伸强度和延伸率分别为99.43%、4030 MPa、903 MPa、1148 MPa和3.3%。与Ti-6Al-4V试样相比，其数值分别提高了0.37%、13.8%、38.07%和17.14%。强化机制主要是组织转变、晶粒细化和弥散强化。随着YbB6含量的增加，断裂方式主要为韧性断裂和脆性断裂。
采用放电等离子烧结（SPS）制备了含YbB6的Ti-6Al-4V钛合金，并研究了YbB6对Ti-6Al-4V钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，随着YbB6含量的增加，复合材料的显微组织发生转变，晶粒明显细化，原位反应生成的TiB晶须和Yb2O3颗粒有利于复合材料力学性能的提高。此外，当添加0.6%（质量分数）YbB6后，烧结样品的相对密度、显微硬度、屈服强度、极限拉伸强度和延伸率分别为99.43%、4030 MPa、903 MPa、1148 MPa和3.3%。与Ti-6Al-4V试样相比，其数值分别提高了0.37%、13.8%、38.07%和17.14%。强化机制主要是组织转变、晶粒细化和弥散强化。随着YbB6含量的增加，断裂方式主要为韧性断裂和脆性断裂。
2022, 51(7):2370-2378.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210424
摘要:
采用直流平衡磁控溅射在TA2基材表面制备了无定型碳涂层，并采用电化学和表面接触电阻测试分析了TA2基材和无定型碳涂层在质子交换膜燃料电池（PEMFC）不同F-浓度环境中的耐腐蚀性和导电性。无定型碳涂层的耐腐蚀性和导电性均优于TA2基材，随着F-浓度由1×10-6 mol/L逐渐增加到1×10-3 mol/L，TA2基材和无定型涂层的缺陷密度增加，试样耐腐蚀性均有所下降。在高F-浓度环境中（1×10-3 mol/L），无定型碳涂层在0.6 V电位下的腐蚀电流密度为0.68 μA/cm2，依然能够对基材形成良好的保护。此外，TA2基材表面制备无定型碳涂层后，试样的表面导电性有所提升，其界面接触电阻值由76.40 mΩ·cm2（TA2）下降至6.52 mΩ·cm2。
采用直流平衡磁控溅射在TA2基材表面制备了无定型碳涂层，并采用电化学和表面接触电阻测试分析了TA2基材和无定型碳涂层在质子交换膜燃料电池（PEMFC）不同F-浓度环境中的耐腐蚀性和导电性。无定型碳涂层的耐腐蚀性和导电性均优于TA2基材，随着F-浓度由1×10-6 mol/L逐渐增加到1×10-3 mol/L，TA2基材和无定型涂层的缺陷密度增加，试样耐腐蚀性均有所下降。在高F-浓度环境中（1×10-3 mol/L），无定型碳涂层在0.6 V电位下的腐蚀电流密度为0.68 μA/cm2，依然能够对基材形成良好的保护。此外，TA2基材表面制备无定型碳涂层后，试样的表面导电性有所提升，其界面接触电阻值由76.40 mΩ·cm2（TA2）下降至6.52 mΩ·cm2。
2022, 51(7):2379-2386.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210516
摘要:
研究了铸态Mg-2Ga和Mg-5Ga合金的力学性能、生物腐蚀行为、细胞相容性与其微观组织结构的变化关系。采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观组织结构进行了分析。结果表明：添加Ga元素后，在镁基体的晶界上形成了球状和带状的Mg5Ga2析出相，Ga元素显著细化了镁基体的晶粒尺寸。力学拉伸试验结果表明，Ga元素可通过固溶强化、晶界强化、析出强化等作用提高Mg-Ga合金的力学性能。在37 ℃模拟体液中的电化学腐蚀和浸泡腐蚀试验结果表明，低Ga含量能够提高Mg-Ga合金的表面稳定性，从而改善其腐蚀行为。此外，间接接触细胞培养试验结果表明，Mg-2Ga与Mg-5Ga合金均对小鼠成纤维细胞（L929）表现出良好的细胞相容性，未对其产生明显的细胞毒性。
研究了铸态Mg-2Ga和Mg-5Ga合金的力学性能、生物腐蚀行为、细胞相容性与其微观组织结构的变化关系。采用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对材料的微观组织结构进行了分析。结果表明：添加Ga元素后，在镁基体的晶界上形成了球状和带状的Mg5Ga2析出相，Ga元素显著细化了镁基体的晶粒尺寸。力学拉伸试验结果表明，Ga元素可通过固溶强化、晶界强化、析出强化等作用提高Mg-Ga合金的力学性能。在37 ℃模拟体液中的电化学腐蚀和浸泡腐蚀试验结果表明，低Ga含量能够提高Mg-Ga合金的表面稳定性，从而改善其腐蚀行为。此外，间接接触细胞培养试验结果表明，Mg-2Ga与Mg-5Ga合金均对小鼠成纤维细胞（L929）表现出良好的细胞相容性，未对其产生明显的细胞毒性。
2022, 51(7):2387-2392.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220176
摘要:
通过改变腐蚀方法，研究了使用H2C2O4和H2SO4进行钛基体表面刻蚀对金属氧化物钛阳极电化学性能和表面形貌的影响。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和光电子能谱等测试方法对样品进行了结构分析。然后利用电化学工作站测试了样品的电催化活性，利用加速寿命测试研究了样品的电化学稳定性。结果表明，通过H2C2O4和H2SO4分步腐蚀可以获得更加均匀致密的表面形貌和更好的催化稳定性。在此基础上，进一步研究了预处理对钛阳极寿命的影响原因。IrO2-Ta2O5/Ti阳极的催化活性和稳定性与酸刻蚀处理的先后顺序及表面结构密切相关，并建立了预处理方法与阳极性能之间的关系。分步腐蚀使钛表面具有合适的粗糙度，因而提升了涂层附着力。在热分解过程中，经分步腐蚀形成的氢化钛在不改变表面形貌的情况下转变为金红石结构的氧化钛，有利于电子输运，从而增强涂层附着力并延长加速寿命。
通过改变腐蚀方法，研究了使用H2C2O4和H2SO4进行钛基体表面刻蚀对金属氧化物钛阳极电化学性能和表面形貌的影响。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和光电子能谱等测试方法对样品进行了结构分析。然后利用电化学工作站测试了样品的电催化活性，利用加速寿命测试研究了样品的电化学稳定性。结果表明，通过H2C2O4和H2SO4分步腐蚀可以获得更加均匀致密的表面形貌和更好的催化稳定性。在此基础上，进一步研究了预处理对钛阳极寿命的影响原因。IrO2-Ta2O5/Ti阳极的催化活性和稳定性与酸刻蚀处理的先后顺序及表面结构密切相关，并建立了预处理方法与阳极性能之间的关系。分步腐蚀使钛表面具有合适的粗糙度，因而提升了涂层附着力。在热分解过程中，经分步腐蚀形成的氢化钛在不改变表面形貌的情况下转变为金红石结构的氧化钛，有利于电子输运，从而增强涂层附着力并延长加速寿命。
2022, 51(7):2393-2399.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210018
摘要:
采用电化学沉积技术在纯钨圆柱表面上电镀了厚度为10 μm的Ni镀层，再利用热等静压扩散连接方法制备可应用于核聚变堆部件的钨/钢圆柱体连接试样。热等静压扩散连接工艺参数设定为900 ℃/100 MPa/1 h。由组织和成分分析可知钨/钢扩散连接接头形成了良好的冶金结合，其接头抗拉伸强度约为236 MPa，但由于残余应力集中，钨/钢接头断裂失效发生在靠近连接界面的钨基体内。实验加入Cu作为软质中间层，通过蠕变或者屈服机制释放残余应力，使得钨/钢接头强度提高到312 MPa。同时分析了镀层的结合力和钨/钢连接接头界面的硬度分布。
采用电化学沉积技术在纯钨圆柱表面上电镀了厚度为10 μm的Ni镀层，再利用热等静压扩散连接方法制备可应用于核聚变堆部件的钨/钢圆柱体连接试样。热等静压扩散连接工艺参数设定为900 ℃/100 MPa/1 h。由组织和成分分析可知钨/钢扩散连接接头形成了良好的冶金结合，其接头抗拉伸强度约为236 MPa，但由于残余应力集中，钨/钢接头断裂失效发生在靠近连接界面的钨基体内。实验加入Cu作为软质中间层，通过蠕变或者屈服机制释放残余应力，使得钨/钢接头强度提高到312 MPa。同时分析了镀层的结合力和钨/钢连接接头界面的硬度分布。
2022, 51(7):2400-2408.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210454
摘要:
由于在不同温度梯度下ZL205A合金冷却速率对凝固组织的影响不同，采用不同壁厚的阶梯状结构的合金，在不同凝固条件下制备厚度不同的合金试样，探究了冷却速率及温度梯度对合金凝固组织及T5处理后合金抗拉伸强度及延伸率的影响，同时探索了合金的相变规律与组织和性能的关联效应。实验结果表明：由壁厚差引起的温度梯度对合金的微观组织及形貌会产生一定的影响，降低温度梯度的合金力学性能显著提升，T5处理后合金的抗拉伸强度达到506 MPa。
由于在不同温度梯度下ZL205A合金冷却速率对凝固组织的影响不同，采用不同壁厚的阶梯状结构的合金，在不同凝固条件下制备厚度不同的合金试样，探究了冷却速率及温度梯度对合金凝固组织及T5处理后合金抗拉伸强度及延伸率的影响，同时探索了合金的相变规律与组织和性能的关联效应。实验结果表明：由壁厚差引起的温度梯度对合金的微观组织及形貌会产生一定的影响，降低温度梯度的合金力学性能显著提升，T5处理后合金的抗拉伸强度达到506 MPa。
2022, 51(7):2409-2419.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210992
摘要:
基于正交试验结果，对近β锻+固溶时效工艺参数进行了显著性分析，并详细讨论了工艺参数对TA15钛合金显微组织的影响及合理的工艺参数，以获得性能优异的三态组织。结果表明：变形温度、固溶温度和固溶时间是3个最为重要的工艺参数，分别对等轴αp相的体积分数和直径、片层αs相的体积分数及片层αs相的厚度影响最大。较合理的TA15钛合金处理工艺参数为970 ℃/0.1 s-1/60%变形程度/水淬+930 ℃/1.5 h/空冷+550 ℃/5 h/空冷。
基于正交试验结果，对近β锻+固溶时效工艺参数进行了显著性分析，并详细讨论了工艺参数对TA15钛合金显微组织的影响及合理的工艺参数，以获得性能优异的三态组织。结果表明：变形温度、固溶温度和固溶时间是3个最为重要的工艺参数，分别对等轴αp相的体积分数和直径、片层αs相的体积分数及片层αs相的厚度影响最大。较合理的TA15钛合金处理工艺参数为970 ℃/0.1 s-1/60%变形程度/水淬+930 ℃/1.5 h/空冷+550 ℃/5 h/空冷。
2022, 51(7):2420-2428.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210482
摘要:
为了提高纯钛在林格氏模拟体液和模拟口腔唾液环境中的耐腐蚀性能，采用等通道转角挤压（ECAP）技术对激光选区熔化（SLM）技术制备的商业纯钛进行改性处理。通过透射电子显微镜和电子背向散射衍射技术对SLM纯钛和SLM+ECAP纯钛进行组织检测，并在三电极体系下进行耐腐蚀性能的测试。结果表明：SLM+ECAP纯钛比SLM纯钛试样的晶粒尺寸小，晶界多，位错密度增大，极图的择优取向不太明显，但极密度有所增加。在林格氏模拟体液和模拟口腔唾液环境中，SLM+ECAP纯钛比SLM纯钛的自腐蚀电流密度小，极化电阻大，阻抗半径大。采用ZSimpWin软件对交流阻抗谱进行等效电路拟合，拟合结果和实验测量数据较为吻合。SLM+ECAP纯钛的耐腐蚀性能比SLM纯钛好。
为了提高纯钛在林格氏模拟体液和模拟口腔唾液环境中的耐腐蚀性能，采用等通道转角挤压（ECAP）技术对激光选区熔化（SLM）技术制备的商业纯钛进行改性处理。通过透射电子显微镜和电子背向散射衍射技术对SLM纯钛和SLM+ECAP纯钛进行组织检测，并在三电极体系下进行耐腐蚀性能的测试。结果表明：SLM+ECAP纯钛比SLM纯钛试样的晶粒尺寸小，晶界多，位错密度增大，极图的择优取向不太明显，但极密度有所增加。在林格氏模拟体液和模拟口腔唾液环境中，SLM+ECAP纯钛比SLM纯钛的自腐蚀电流密度小，极化电阻大，阻抗半径大。采用ZSimpWin软件对交流阻抗谱进行等效电路拟合，拟合结果和实验测量数据较为吻合。SLM+ECAP纯钛的耐腐蚀性能比SLM纯钛好。
2022, 51(7):2429-2435.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210537
摘要:
通过实验和粘塑性自洽（VPSC）模型，研究了在室温下挤压态ZK60镁合金沿不同方向拉伸时的变形机制开动情况，及其与流动曲线、织构演变和显微组织的对应关系。通过调节VPSC模型的参数，建立了滑移和孪生耦合的晶体塑性力学模型。比较了不同方向拉伸过程中织构演变的差异，分析了变形机制对屈服不对称性的影响。实验和模拟结果表明：当沿垂直于挤压方向（PED）拉伸时，由于｛10
通过实验和粘塑性自洽（VPSC）模型，研究了在室温下挤压态ZK60镁合金沿不同方向拉伸时的变形机制开动情况，及其与流动曲线、织构演变和显微组织的对应关系。通过调节VPSC模型的参数，建立了滑移和孪生耦合的晶体塑性力学模型。比较了不同方向拉伸过程中织构演变的差异，分析了变形机制对屈服不对称性的影响。实验和模拟结果表明：当沿垂直于挤压方向（PED）拉伸时，由于｛10
2022, 51(7):2436-2445.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210014
摘要:
采用分子动力学模拟方法，分别研究了晶粒尺寸和孪晶密度对纳米多晶铝合金塑性变形的影响。模拟结果表明，弛豫后的位错密度对纳米多晶Al的微观结构演变和逆Hall-Petch关系产生了重要影响。变形受晶粒大小限制，在细晶中可形成层错四面体和复杂层错结构，从而激活了晶界的辅助变形。当孪晶界间距（TBS）较大时，Shockley分位错在晶界处形核并增殖。然而，随着TBS的减小，孪晶界成为Shockley分位错的来源。孪晶界上大量的分位错形核会导致孪晶界迁移甚至消失。在塑性变形过程中还观察到形变纳米孪晶。研究结果为开发具有可调节力学性能的先进纳米多晶Al提供了理论基础。
采用分子动力学模拟方法，分别研究了晶粒尺寸和孪晶密度对纳米多晶铝合金塑性变形的影响。模拟结果表明，弛豫后的位错密度对纳米多晶Al的微观结构演变和逆Hall-Petch关系产生了重要影响。变形受晶粒大小限制，在细晶中可形成层错四面体和复杂层错结构，从而激活了晶界的辅助变形。当孪晶界间距（TBS）较大时，Shockley分位错在晶界处形核并增殖。然而，随着TBS的减小，孪晶界成为Shockley分位错的来源。孪晶界上大量的分位错形核会导致孪晶界迁移甚至消失。在塑性变形过程中还观察到形变纳米孪晶。研究结果为开发具有可调节力学性能的先进纳米多晶Al提供了理论基础。
2022, 51(7):2446-2453.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210446
摘要:
使用了一种多尺度耦合的方法来预测大型TC18钛合金棒材织构。首先采用宏观有限元方法，模拟了TC18钛合金棒材在接近实际工艺条件下的多火次锻造过程，并得出了在锻造过程中棒材芯部与边部的等效应变及剪切应力σXY分布不均匀的特征。然后，通过宏观有限元模型与介观粘塑性自洽模型（VPSC）多尺度耦合的方法模拟得到了锻造过程中棒材芯部和边部织构的演变情况。结果表明，六方锻造方式使棒材芯部由｛110｝<112>织构过渡到｛111｝<110>织构，并由｛110｝<110>织构过渡到｛111｝<110>织构。整个锻造过程中即是｛111｝型织构与｛110｝型织构相互转变的过程。这种过渡织构在极图中呈现出类似于剪切织构的特点，经分析：这种织构并非是剪切织构，而是锻造过程中由六方锻造方式和｛110｝、｛111｝型2类织构间的相互转变共同作用下形成的。经过棒材的形变过程，边部形成了｛100｝和｛111｝型2种织构。通过对比发现，六方锻造方式不仅不易生成｛100｝型织构，而且有利于｛100｝型织构的减弱和消除。拉伸试验结果表明，六方锻造样品的力学性能均达到标准要求。
使用了一种多尺度耦合的方法来预测大型TC18钛合金棒材织构。首先采用宏观有限元方法，模拟了TC18钛合金棒材在接近实际工艺条件下的多火次锻造过程，并得出了在锻造过程中棒材芯部与边部的等效应变及剪切应力σXY分布不均匀的特征。然后，通过宏观有限元模型与介观粘塑性自洽模型（VPSC）多尺度耦合的方法模拟得到了锻造过程中棒材芯部和边部织构的演变情况。结果表明，六方锻造方式使棒材芯部由｛110｝<112>织构过渡到｛111｝<110>织构，并由｛110｝<110>织构过渡到｛111｝<110>织构。整个锻造过程中即是｛111｝型织构与｛110｝型织构相互转变的过程。这种过渡织构在极图中呈现出类似于剪切织构的特点，经分析：这种织构并非是剪切织构，而是锻造过程中由六方锻造方式和｛110｝、｛111｝型2类织构间的相互转变共同作用下形成的。经过棒材的形变过程，边部形成了｛100｝和｛111｝型2种织构。通过对比发现，六方锻造方式不仅不易生成｛100｝型织构，而且有利于｛100｝型织构的减弱和消除。拉伸试验结果表明，六方锻造样品的力学性能均达到标准要求。
2022, 51(7):2454-2459.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210016
摘要:
基于当量的概念（所有合金元素对材料热物理性能的影响可以通过一个参考元素的等效作用来表示），以Zn为参考元素，通过对7XXX系铝合金二元相图富Al端液相线的数值拟合，得到当量算法所需参数，并将其他元素的当量浓度和参考元素的实际浓度之和用于计算材料的液相线温度和潜热。计算结果与差示扫描量热仪（DSC）测得的数据吻合。与Jmatpro软件获得的数值相比，该算法展现出更好的准确性。
基于当量的概念（所有合金元素对材料热物理性能的影响可以通过一个参考元素的等效作用来表示），以Zn为参考元素，通过对7XXX系铝合金二元相图富Al端液相线的数值拟合，得到当量算法所需参数，并将其他元素的当量浓度和参考元素的实际浓度之和用于计算材料的液相线温度和潜热。计算结果与差示扫描量热仪（DSC）测得的数据吻合。与Jmatpro软件获得的数值相比，该算法展现出更好的准确性。
2022, 51(7):2460-2466.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210420
摘要:
选用FeCrAl合金中具有代表性的C35M合金为研究对象，建立小型燃料棒模型，基于用户材料子程序（UMAT），将C35M合金的辐照蠕变模型嵌入子程序中，通过有限元软件ABAQUS计算了其在中子辐照下的热力耦合行为。选用Zr-2合金作为对比，分析了包壳的温度场、应力场、位移场以及间隙距离随时间的演变。结果表明，2种合金的温度场、应力场分布相同，温度分布主要受冷却剂影响，应力场则与温度、蠕变速率有关。在运行过程中，Zr-2合金以辐照生长为主，C35M合金则为辐照蠕变以及少量的热膨胀变形。Zr-2合金的间隙闭合速率远大于C35M合金，这表明C35M合金可以延长事故反应时间，但为了适应反应堆内的复杂环境，材料仍需继续优化，提高其强度以及蠕变速率。
选用FeCrAl合金中具有代表性的C35M合金为研究对象，建立小型燃料棒模型，基于用户材料子程序（UMAT），将C35M合金的辐照蠕变模型嵌入子程序中，通过有限元软件ABAQUS计算了其在中子辐照下的热力耦合行为。选用Zr-2合金作为对比，分析了包壳的温度场、应力场、位移场以及间隙距离随时间的演变。结果表明，2种合金的温度场、应力场分布相同，温度分布主要受冷却剂影响，应力场则与温度、蠕变速率有关。在运行过程中，Zr-2合金以辐照生长为主，C35M合金则为辐照蠕变以及少量的热膨胀变形。Zr-2合金的间隙闭合速率远大于C35M合金，这表明C35M合金可以延长事故反应时间，但为了适应反应堆内的复杂环境，材料仍需继续优化，提高其强度以及蠕变速率。
2022, 51(7):2467-2474.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210546
摘要:
本文采用分子动力学方法研究了单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的声发射响应。从原子尺度阐述了单晶γ-TiAl合金切削过程中裂纹形成机理。研究发现：切削初期随着切削力持续增大,剪切区域产生周期性的剪切带；与此同时,在高压应力和弹性应力波共同作用下,类晶粒晶界的非晶原子带产生并阻碍了剪切带的持续发射,使主剪切区的应力无法及时通过剪切带释放,产生局部应力集中现象,导致裂纹萌生并扩展；通过对采集的声发射信号分析,压应力会导致切削过程中声发射功率下降。在时域上,通过对微观缺陷演化和声发射功率-频率对比分析,阐述了纳米切削过程中晶格振动、剪切带以及裂纹萌生与扩展的声发射响应特征,并通过聚类分析得到损伤的功率和频率特性。
本文采用分子动力学方法研究了单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的声发射响应。从原子尺度阐述了单晶γ-TiAl合金切削过程中裂纹形成机理。研究发现：切削初期随着切削力持续增大,剪切区域产生周期性的剪切带；与此同时,在高压应力和弹性应力波共同作用下,类晶粒晶界的非晶原子带产生并阻碍了剪切带的持续发射,使主剪切区的应力无法及时通过剪切带释放,产生局部应力集中现象,导致裂纹萌生并扩展；通过对采集的声发射信号分析,压应力会导致切削过程中声发射功率下降。在时域上,通过对微观缺陷演化和声发射功率-频率对比分析,阐述了纳米切削过程中晶格振动、剪切带以及裂纹萌生与扩展的声发射响应特征,并通过聚类分析得到损伤的功率和频率特性。
2022, 51(7):2475-2482.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210582
摘要:
铸造一体化成形技术有助于制备大尺寸、复杂结构的陶瓷/金属复合构件,具有重要的理论意义和应用价值。本文基于有限元方法,针对SiC陶瓷/K4169合金复合铸件,探究铸造充型过程的流场,陶瓷-金属的热交互作用以及凝固过程中复合铸件热应力、残余应力的产生与分布特性。结果表明,金属液充型过程在内浇口处出现不稳定流动；陶瓷在接触金属液后,表面温度陡升,且在陶瓷内部形成20-30℃/mm的温度梯度；铸造热应力呈现出先降低后升高的趋势；残余应力集中在陶瓷和金属界面,且较大应力在陶瓷一侧,陶瓷端残余应力峰值在距离界面2-3mm处。
铸造一体化成形技术有助于制备大尺寸、复杂结构的陶瓷/金属复合构件,具有重要的理论意义和应用价值。本文基于有限元方法,针对SiC陶瓷/K4169合金复合铸件,探究铸造充型过程的流场,陶瓷-金属的热交互作用以及凝固过程中复合铸件热应力、残余应力的产生与分布特性。结果表明,金属液充型过程在内浇口处出现不稳定流动；陶瓷在接触金属液后,表面温度陡升,且在陶瓷内部形成20-30℃/mm的温度梯度；铸造热应力呈现出先降低后升高的趋势；残余应力集中在陶瓷和金属界面,且较大应力在陶瓷一侧,陶瓷端残余应力峰值在距离界面2-3mm处。
2022, 51(7):2483-2489.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210766
摘要:
采用高分辨透射电镜(HRTEM) 和高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)中的三维重构技术，研究了7475铝合金中η相沿E/Al相界的非均匀析出行为及其形核和生长机理。结果表明，η相在不同的E相颗粒（具有不同形态和不同体积）或同一个E相颗粒的界面析出时，其形核位置、形核率、生长速率和形态有很大差异。E相的界面能和弹性应变能是η相在E/Al相界形核、生长和粗化的决定性因素。η相长大属于扩散控制转变，主要通过相界高速扩散传输溶质原子。
采用高分辨透射电镜(HRTEM) 和高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)中的三维重构技术，研究了7475铝合金中η相沿E/Al相界的非均匀析出行为及其形核和生长机理。结果表明，η相在不同的E相颗粒（具有不同形态和不同体积）或同一个E相颗粒的界面析出时，其形核位置、形核率、生长速率和形态有很大差异。E相的界面能和弹性应变能是η相在E/Al相界形核、生长和粗化的决定性因素。η相长大属于扩散控制转变，主要通过相界高速扩散传输溶质原子。
2022, 51(7):2490-2498.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210536
摘要:
本文在600 ℃、5×10-4 s-1条件下对不同γ′相尺寸的毫米级粗晶新型Ni-Cr-Co基合金进行高温拉伸实验,并结合OM,SEM和TEM研究γ′相尺寸对合金高温变形行为和锯齿流变效应的影响。结果表明,γ′相尺寸对合金力学性能影响显著,随着γ′相尺寸的增加,材料强度呈先提高后降低的趋势,合金的主要变形机制由位错切过γ′相转变为位错绕过γ′相；当γ′相尺寸持续增加时,位错运动受阻难以绕过γ′相,溶质原子钉扎可动位错,当应力增大至一定程度时位错脱钉,反复的钉扎与脱钉即动态应变时效导致合金在变形过程中出现锯齿流变效应。可通过调控γ′相尺寸弱化,当γ′相平均尺寸为57.18 nm时,锯齿流变效应微弱,临界应变最大,力学性能较高,因此γ′相最佳尺寸为57.18 nm。
本文在600 ℃、5×10-4 s-1条件下对不同γ′相尺寸的毫米级粗晶新型Ni-Cr-Co基合金进行高温拉伸实验,并结合OM,SEM和TEM研究γ′相尺寸对合金高温变形行为和锯齿流变效应的影响。结果表明,γ′相尺寸对合金力学性能影响显著,随着γ′相尺寸的增加,材料强度呈先提高后降低的趋势,合金的主要变形机制由位错切过γ′相转变为位错绕过γ′相；当γ′相尺寸持续增加时,位错运动受阻难以绕过γ′相,溶质原子钉扎可动位错,当应力增大至一定程度时位错脱钉,反复的钉扎与脱钉即动态应变时效导致合金在变形过程中出现锯齿流变效应。可通过调控γ′相尺寸弱化,当γ′相平均尺寸为57.18 nm时,锯齿流变效应微弱,临界应变最大,力学性能较高,因此γ′相最佳尺寸为57.18 nm。
2022, 51(7):2499-2506.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210583
摘要:
对不同置氢量Ti6Al4V合金在Gleeble-1500热模拟实验机上进行了等温压缩实验，实验温度为750、800、850、900、950和1000 ℃，应变速率为1 s-1。结果表明，Ti6Al4V合金的流动应力随置氢量增加先减小后增大，变形温度为750℃、800℃和850℃时，置氢量0.31wt%合金流动应力最低；变形温度为900℃、950℃、1000℃时，流动应力最小值对应的置氢量分别为0.17wt%、0.1wt%和未置氢。基于自洽模型建立了置氢Ti6Al4V合金高温变形本构模型，该模型通过调整氢对β相的强化作用和氢对β相转变温度的降低反映置氢对Ti6Al4V合金流动应力的影响。与实验结果对比表明，所建立的本构模型可以准确预测流动应力随置氢量和变形温度的变化。
对不同置氢量Ti6Al4V合金在Gleeble-1500热模拟实验机上进行了等温压缩实验，实验温度为750、800、850、900、950和1000 ℃，应变速率为1 s-1。结果表明，Ti6Al4V合金的流动应力随置氢量增加先减小后增大，变形温度为750℃、800℃和850℃时，置氢量0.31wt%合金流动应力最低；变形温度为900℃、950℃、1000℃时，流动应力最小值对应的置氢量分别为0.17wt%、0.1wt%和未置氢。基于自洽模型建立了置氢Ti6Al4V合金高温变形本构模型，该模型通过调整氢对β相的强化作用和氢对β相转变温度的降低反映置氢对Ti6Al4V合金流动应力的影响。与实验结果对比表明，所建立的本构模型可以准确预测流动应力随置氢量和变形温度的变化。
2022, 51(7):2507-2518.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211073
摘要:
采用激光增材制造工艺在锻态Ti-6246合金上以不同线能量密度制备600℃高温钛合金（AM-Ti150），结合SEM、XRD及TEM等微观表征及拉伸性能实验，对其沉积层、界面结合区的组织特征以及力学性能进行分析研究，并探讨成形机理。结果表明：AM-Ti150合金沉积层的微观组织为α"马氏体组成的网篮组织，在本研究的线能量密度范围内，随着线能量密度的增大，AM-Ti150合金沉积层的缺陷减少，致密度增大，马氏体片层的宽度增大，室温及高温的抗拉强度和延伸率均增大；当线能量密度为90 J?mm-1时，AM-Ti150合金沉积层的致密度为99.67%，试样室温抗拉强度和延伸率分别为1075 MPa和4.7 %，高温抗拉强度和延伸率分别为808.7 MPa和14.3 %；界面结合区的Ti-6246合金受热源影响形成从上至下不同的非均匀组织，上部由于Al和Mo元素扩散不充分而形成阴影结构，随着线能量密度的增大，Al和Mo元素扩散逐渐充分，阴影结构尺寸减小。
采用激光增材制造工艺在锻态Ti-6246合金上以不同线能量密度制备600℃高温钛合金（AM-Ti150），结合SEM、XRD及TEM等微观表征及拉伸性能实验，对其沉积层、界面结合区的组织特征以及力学性能进行分析研究，并探讨成形机理。结果表明：AM-Ti150合金沉积层的微观组织为α"马氏体组成的网篮组织，在本研究的线能量密度范围内，随着线能量密度的增大，AM-Ti150合金沉积层的缺陷减少，致密度增大，马氏体片层的宽度增大，室温及高温的抗拉强度和延伸率均增大；当线能量密度为90 J?mm-1时，AM-Ti150合金沉积层的致密度为99.67%，试样室温抗拉强度和延伸率分别为1075 MPa和4.7 %，高温抗拉强度和延伸率分别为808.7 MPa和14.3 %；界面结合区的Ti-6246合金受热源影响形成从上至下不同的非均匀组织，上部由于Al和Mo元素扩散不充分而形成阴影结构，随着线能量密度的增大，Al和Mo元素扩散逐渐充分，阴影结构尺寸减小。
2022, 51(7):2519-2528.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210542
摘要:
采用激光-感应复合淬火的新工艺，将激光和电磁感应两种热源复合提高42CrMo钢激光淬火的淬硬层深度和均匀性。利用COMSOL Multiphysics 5.5软件对42CrMo复合淬火过程中温度场的演变过程进行分析，通过淬火实验对模型进行了验证，淬硬层深度模拟值与实验值一致性较高。采用该模型，比较了复合淬火与单一激光和单一感应淬火在同工艺下淬硬层的表面温度和深度，分析了不同扫描速度和激光光斑尺寸对淬硬层深度的影响。通过实验对复合淬火的淬硬层深度、硬度、晶粒大小和显微组织进行分析。结果表明，激光-感应复合淬火可以有效提高试样的表面淬火温度，提高淬硬层宽度和深度，弥补单一激光淬火功率不足的缺点，通过模型预测了复合淬火最优扫描速度和光斑尺寸。相较于两种单一淬火，复合淬火的晶粒度和显微组织形态在深度方向上的变化趋势与激光淬火相似，且具有更高的淬硬层平均硬度。
采用激光-感应复合淬火的新工艺，将激光和电磁感应两种热源复合提高42CrMo钢激光淬火的淬硬层深度和均匀性。利用COMSOL Multiphysics 5.5软件对42CrMo复合淬火过程中温度场的演变过程进行分析，通过淬火实验对模型进行了验证，淬硬层深度模拟值与实验值一致性较高。采用该模型，比较了复合淬火与单一激光和单一感应淬火在同工艺下淬硬层的表面温度和深度，分析了不同扫描速度和激光光斑尺寸对淬硬层深度的影响。通过实验对复合淬火的淬硬层深度、硬度、晶粒大小和显微组织进行分析。结果表明，激光-感应复合淬火可以有效提高试样的表面淬火温度，提高淬硬层宽度和深度，弥补单一激光淬火功率不足的缺点，通过模型预测了复合淬火最优扫描速度和光斑尺寸。相较于两种单一淬火，复合淬火的晶粒度和显微组织形态在深度方向上的变化趋势与激光淬火相似，且具有更高的淬硬层平均硬度。
2022, 51(7):2529-2535.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210580
摘要:
本文利用真空感应熔炼炉制备了Al-7%Si-0.3%Mg-X%Sc(X=0、0.1、0.2、0.3、0.5和0.8)铸造合金。采用扫描电子显微镜(SEM),能谱仪(EDS)和透射电子显微镜(TEM)等测试手段,表征了实验合金的微观组织,探讨了实验合金的细化变质机制。结果表明：实验合金主要物相包括α-Al、共晶Si、Al3Sc、AlSc2Si2、富铁相(β-AlFeSi和π-AlSiMgFe)等。添加Sc元素后的实验合金组织均得到细化。随着Sc含量的增加,α-Al枝晶间距减小,共晶Si尺寸变小。当Sc含量为0.3%时,实验合金细化效果最好。α-Al细化主要归功于含Sc合金中产生大量细小的Al3Sc颗粒与基体α-Al共格,且二者晶格错配度为1.0%,Al3Sc可以作为α-Al的有效异质形核质点。添加Sc后的共晶Si发生变质及得到细化,这是因为存在于共晶Si中的稀土Sc元素,可以作为杂质元素被吸附在共晶Si{111}密排面上,从而促发共晶Si形成孪晶。此外,合金中形成的AlSc2Si2能够消耗部分Si元素,使得共晶Si数量减少、尺寸减小。
本文利用真空感应熔炼炉制备了Al-7%Si-0.3%Mg-X%Sc(X=0、0.1、0.2、0.3、0.5和0.8)铸造合金。采用扫描电子显微镜(SEM),能谱仪(EDS)和透射电子显微镜(TEM)等测试手段,表征了实验合金的微观组织,探讨了实验合金的细化变质机制。结果表明：实验合金主要物相包括α-Al、共晶Si、Al3Sc、AlSc2Si2、富铁相(β-AlFeSi和π-AlSiMgFe)等。添加Sc元素后的实验合金组织均得到细化。随着Sc含量的增加,α-Al枝晶间距减小,共晶Si尺寸变小。当Sc含量为0.3%时,实验合金细化效果最好。α-Al细化主要归功于含Sc合金中产生大量细小的Al3Sc颗粒与基体α-Al共格,且二者晶格错配度为1.0%,Al3Sc可以作为α-Al的有效异质形核质点。添加Sc后的共晶Si发生变质及得到细化,这是因为存在于共晶Si中的稀土Sc元素,可以作为杂质元素被吸附在共晶Si{111}密排面上,从而促发共晶Si形成孪晶。此外,合金中形成的AlSc2Si2能够消耗部分Si元素,使得共晶Si数量减少、尺寸减小。
2022, 51(7):2536-2544.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210513
摘要:
人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响；点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度；点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展；能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比；能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。
人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响；点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度；点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展；能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比；能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。
2022, 51(7):2545-2551.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210539
摘要:
本文在550℃下对纯钨分别进行了1圈、2圈、5圈和10圈的高压扭转变形,并对变形前后的微观组织进行了EBSD和TEM表征。结果显示,纯钨经过大塑性变形后,晶粒得到细化,大角度晶界比例上升,同时晶内位错逐渐向晶界处移动并产生有序化排列。采用修正位错模型对变形前后的晶界能量进行了计算,计算结果表明纯钨在经过大塑性变形后,晶界上的能量升高并且能量主要来自于变形过程中在晶界处积累的额外位错。同时在变形后的试样中观察到了一种特殊的非平衡晶界,分析可知非平衡晶界的形成条件材料晶粒尺寸在位错平均自由程以下,并且是在大塑性变形材料中形成的。其在TEM高分辨下的形貌特征表现为较宽的晶界厚度和晶面干涉形成的莫尔条纹。
本文在550℃下对纯钨分别进行了1圈、2圈、5圈和10圈的高压扭转变形,并对变形前后的微观组织进行了EBSD和TEM表征。结果显示,纯钨经过大塑性变形后,晶粒得到细化,大角度晶界比例上升,同时晶内位错逐渐向晶界处移动并产生有序化排列。采用修正位错模型对变形前后的晶界能量进行了计算,计算结果表明纯钨在经过大塑性变形后,晶界上的能量升高并且能量主要来自于变形过程中在晶界处积累的额外位错。同时在变形后的试样中观察到了一种特殊的非平衡晶界,分析可知非平衡晶界的形成条件材料晶粒尺寸在位错平均自由程以下,并且是在大塑性变形材料中形成的。其在TEM高分辨下的形貌特征表现为较宽的晶界厚度和晶面干涉形成的莫尔条纹。
2022, 51(7):2552-2559.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210573
摘要:
烧结工艺对多孔材料性能有很大的影响,为了获得最佳的力学性能和需要的零件形状,有必要对烧结的热变形过程进行研究。基于SVOS粘塑性本构模型采用热力耦合计算不锈钢多孔材料在烧结过程中宏观变形。通过自由烧结实验和弯曲实验,使用4阶Gauss函数对烧结应力、体积和剪切粘度等模型参数进行了拟合。讨论了相对密度、线性收缩率等随烧结时间和温度的变化规律。结果表明：模拟过程与实验相符得较好,验证了模型的合理性。不同升温速率下,材料的线性收缩曲线变化不大,因此,升温速率对烧结过程影响较小。升温速率对计算时间影响比较大,升温速率很慢或很快时,计算不容易收敛,计算时间比较长。对模压生坯零件的烧结模拟表明,由于初始密度分布不均匀性导致最终密度分布的不均匀,但是密度变化范围不大。
烧结工艺对多孔材料性能有很大的影响,为了获得最佳的力学性能和需要的零件形状,有必要对烧结的热变形过程进行研究。基于SVOS粘塑性本构模型采用热力耦合计算不锈钢多孔材料在烧结过程中宏观变形。通过自由烧结实验和弯曲实验,使用4阶Gauss函数对烧结应力、体积和剪切粘度等模型参数进行了拟合。讨论了相对密度、线性收缩率等随烧结时间和温度的变化规律。结果表明：模拟过程与实验相符得较好,验证了模型的合理性。不同升温速率下,材料的线性收缩曲线变化不大,因此,升温速率对烧结过程影响较小。升温速率对计算时间影响比较大,升温速率很慢或很快时,计算不容易收敛,计算时间比较长。对模压生坯零件的烧结模拟表明,由于初始密度分布不均匀性导致最终密度分布的不均匀,但是密度变化范围不大。
2022, 51(7):2560-2569.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210548
摘要:
本文通过分离式霍普金森拉杆实验，研究了不同热处理状态的2219铝合金在动态加载下的力学行为和断裂机制。结果表明：2219-T6和2219-T4的抗拉强度和应变率敏感性随着应变率的增加而增加，而2219-O的则先增加后减小，且2219铝合金的应变率敏感性和应变硬化率随着应变的增加而减小；在动态加载下，材料在较高的应力集中程度下形成了局部的解理及第二相颗粒碎裂的形貌，且在较高应变率(≥650 s-1)下，随着应变率的增加，应力集中程度更高，解理形貌的占比也越大，同时由于材料在裂纹扩展的同时依旧可以发生一定量的变形，使得材料整体在较高应变率(≥650 s-1)下具有更高的成形极限，也导致材料在较高的加工硬化下形成具有低塑性特征的断口。
本文通过分离式霍普金森拉杆实验，研究了不同热处理状态的2219铝合金在动态加载下的力学行为和断裂机制。结果表明：2219-T6和2219-T4的抗拉强度和应变率敏感性随着应变率的增加而增加，而2219-O的则先增加后减小，且2219铝合金的应变率敏感性和应变硬化率随着应变的增加而减小；在动态加载下，材料在较高的应力集中程度下形成了局部的解理及第二相颗粒碎裂的形貌，且在较高应变率(≥650 s-1)下，随着应变率的增加，应力集中程度更高，解理形貌的占比也越大，同时由于材料在裂纹扩展的同时依旧可以发生一定量的变形，使得材料整体在较高应变率(≥650 s-1)下具有更高的成形极限，也导致材料在较高的加工硬化下形成具有低塑性特征的断口。
2022, 51(7):2570-2577.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210581
摘要:
为探究轻质高熵合金AlZnMgCuMn的微观组织、力学性能、耐腐蚀性能及合适的热处理工艺,本研究采用XRD、SEM、EDS分析了合金的微观组织,通过电子万能试验机和维氏硬度计测试其力学性能,利用动电位极化测试、阻抗谱、CLSM和AFM对耐腐蚀性能及其机理进行分析。结果表明,AlZnMgCuMn高熵合金由Al-Mn准晶体相和HCP相组成,前者表现为枝晶形貌,后者分布于枝晶间。热处理对两相形貌、分布和体积分数的影响较小。铸态AlZnMgCuMn的抗压强度、压缩率和维氏硬度分别为415 MPa、4.4%、461.2 HV0.5,自腐蚀电位和电流分别为-726.344 mV和1.882 μA/cm2。电化学腐蚀之后合金表面产生明显的腐蚀坑,其深度约为12 μm,枝晶Al-Mn相具有较低的电位作为阳极而优先被腐蚀,随着腐蚀的加剧,腐蚀微区彼此连接并发展成为大面积的腐蚀坑。
为探究轻质高熵合金AlZnMgCuMn的微观组织、力学性能、耐腐蚀性能及合适的热处理工艺,本研究采用XRD、SEM、EDS分析了合金的微观组织,通过电子万能试验机和维氏硬度计测试其力学性能,利用动电位极化测试、阻抗谱、CLSM和AFM对耐腐蚀性能及其机理进行分析。结果表明,AlZnMgCuMn高熵合金由Al-Mn准晶体相和HCP相组成,前者表现为枝晶形貌,后者分布于枝晶间。热处理对两相形貌、分布和体积分数的影响较小。铸态AlZnMgCuMn的抗压强度、压缩率和维氏硬度分别为415 MPa、4.4%、461.2 HV0.5,自腐蚀电位和电流分别为-726.344 mV和1.882 μA/cm2。电化学腐蚀之后合金表面产生明显的腐蚀坑,其深度约为12 μm,枝晶Al-Mn相具有较低的电位作为阳极而优先被腐蚀,随着腐蚀的加剧,腐蚀微区彼此连接并发展成为大面积的腐蚀坑。
2022, 51(7):2578-2584.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210579
摘要:
基于激光熔化沉积技术进行了高强度锻造型2A50铝合金增材制造实验,为了提高增材构件的综合力学性能,开展了增材制造高强度铝合金的热处理工艺研究。结合X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪以及拉伸试验等检测手段,研究了不同热处理工艺参数对增材试样微观组织及力学性能的影响规律。结果表明：沉积态试样具有明显的柱状树枝晶结构,热处理后粗大柱状树枝晶发生断裂,晶粒开始球化并在晶界处形成均匀分布的块状第二相；在优化的热处理工艺条件下(540 ℃×1 h+150 ℃×16 h),结合溶质元素的固溶强化与第二相的析出强化作用,增材试样的屈服强度、抗拉强度、显微硬度的平均值分别由沉积态的90.7 HV、85 MPa、207 MPa提高至热处理后的137.2 HV、245 MPa、321 MPa。
基于激光熔化沉积技术进行了高强度锻造型2A50铝合金增材制造实验,为了提高增材构件的综合力学性能,开展了增材制造高强度铝合金的热处理工艺研究。结合X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度仪以及拉伸试验等检测手段,研究了不同热处理工艺参数对增材试样微观组织及力学性能的影响规律。结果表明：沉积态试样具有明显的柱状树枝晶结构,热处理后粗大柱状树枝晶发生断裂,晶粒开始球化并在晶界处形成均匀分布的块状第二相；在优化的热处理工艺条件下(540 ℃×1 h+150 ℃×16 h),结合溶质元素的固溶强化与第二相的析出强化作用,增材试样的屈服强度、抗拉强度、显微硬度的平均值分别由沉积态的90.7 HV、85 MPa、207 MPa提高至热处理后的137.2 HV、245 MPa、321 MPa。
2022, 51(7):2585-2590.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210514
摘要:
基于典型航空结构材料GH4169合金微观组织精准控制进而优化合金综合性能，本研究将多种能量场应用于GH4169合金，利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜研究微观组织演变规律及作用机理。结果表明，与常规温度场/应力场作用下相比，温度场/应力场/脉冲电流能量场耦合作用下，GH4169合金晶界析出大量颗粒状δ相，晶粒内γ″相尺寸增大。原因在于脉冲能量场的引入促进位错运动，进而增强原子的扩散能力，有利于析出相的析出与长大。
基于典型航空结构材料GH4169合金微观组织精准控制进而优化合金综合性能，本研究将多种能量场应用于GH4169合金，利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜研究微观组织演变规律及作用机理。结果表明，与常规温度场/应力场作用下相比，温度场/应力场/脉冲电流能量场耦合作用下，GH4169合金晶界析出大量颗粒状δ相，晶粒内γ″相尺寸增大。原因在于脉冲能量场的引入促进位错运动，进而增强原子的扩散能力，有利于析出相的析出与长大。
2022, 51(7):2591-2598.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210522
摘要:
为了研究高温合金超薄带材屈服轨迹的晶粒尺度依赖性，通过单向拉伸试验和不同加载比例的双向拉伸试验获得了不同厚度和晶粒尺寸的高温合金超薄带材的试验屈服轨迹。结果表明，随着高温合金带材晶粒尺寸的增大，屈服轨迹整体向内收缩，且形状由椭圆形向方形转变，证明了高温合金带材屈服轨迹存在晶粒尺度依赖性。同时，评估了四种典型宏观屈服准则预测不同厚度与晶粒尺寸高温合金带材屈服轨迹的能力，发现Yld2000-2d屈服准则拟合精度最高，但随着带材厚度减小或晶粒尺寸增大，其预测精度逐渐下降。
为了研究高温合金超薄带材屈服轨迹的晶粒尺度依赖性，通过单向拉伸试验和不同加载比例的双向拉伸试验获得了不同厚度和晶粒尺寸的高温合金超薄带材的试验屈服轨迹。结果表明，随着高温合金带材晶粒尺寸的增大，屈服轨迹整体向内收缩，且形状由椭圆形向方形转变，证明了高温合金带材屈服轨迹存在晶粒尺度依赖性。同时，评估了四种典型宏观屈服准则预测不同厚度与晶粒尺寸高温合金带材屈服轨迹的能力，发现Yld2000-2d屈服准则拟合精度最高，但随着带材厚度减小或晶粒尺寸增大，其预测精度逐渐下降。
2022, 51(7):2599-2607.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210511
摘要:
热轧过程中的动态再结晶影响锆合金板材制备过程中的组织和织构遗传性,以及最终力学性能。在本文中,利用Gleeble 3800热模拟实验研究了Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.1Fe合金在应变速率为0.01~10s-1范围下,变形温度在550℃~700℃的动态再结晶行为。通过对实测应力-应变结果的加工硬化速率分析,确定了动态再结晶开始发生的临界应变和峰值应变。动态再结晶是通过塑性变形过程中流变应力的软化来判断的,并量化为计算的动态回复曲线和实测的应力应变曲线之间的差异。采用计算的临界应变、峰值应变、Zener-Hollomon参数和动态再结晶体积分数对动态再结晶过程进行建模,最终利用EBSD统计所得的再结晶体积分数验证了Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.1Fe合金的动态再结晶模型。
热轧过程中的动态再结晶影响锆合金板材制备过程中的组织和织构遗传性,以及最终力学性能。在本文中,利用Gleeble 3800热模拟实验研究了Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.1Fe合金在应变速率为0.01~10s-1范围下,变形温度在550℃~700℃的动态再结晶行为。通过对实测应力-应变结果的加工硬化速率分析,确定了动态再结晶开始发生的临界应变和峰值应变。动态再结晶是通过塑性变形过程中流变应力的软化来判断的,并量化为计算的动态回复曲线和实测的应力应变曲线之间的差异。采用计算的临界应变、峰值应变、Zener-Hollomon参数和动态再结晶体积分数对动态再结晶过程进行建模,最终利用EBSD统计所得的再结晶体积分数验证了Zr-1.0Sn-1.0Nb-0.1Fe合金的动态再结晶模型。
2022, 51(7):2608-2616.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210531
摘要:
为优化较大变形量节镍型奥氏体不锈钢热轧工艺，在GLEEBLE-3500热力模拟试验机上对1Cr14Mn10Ni1.5不锈钢进行了温度950-1250℃，应变速率0.01-5.0s-1，应变为0.36、0.69和0.92的等温热压缩实验。建立了基于应变影响三维热加工图，使用Arrhenius型本构方程计算出了三种应变下的热激活能，联系微观组织分析了热加工图受应变影响的演变行为。结果表明：当真应变从0.36增加到0.69和0.92时，热激活能Q从501kJ/mol分别下降到427kJ/mol和424.86kJ/mol，说明在0.36-0.69应变区间内，位错引入和生成的速度低于位错运动和湮灭的速度；热加工图显示，峰值区域和谷值区域会随着应变的增加向低温和高速方向移动，这是由于应变输入的总能量增加导致的；该实验钢在热加工图中存在三个峰值区域，0.69真应变，1175-1225℃，1.0-5.0s-1的条件下能够达到最高38%的热加工功率，这与高应变速率下的温升有关；随着应变增加到0.69和0.92，失稳区域的面积先增大后减小；应力应变曲线和微观组织证明，高功率的区域的软化机制为动态再结晶，失稳区域表现为不连续动态再结晶和动态回复。
为优化较大变形量节镍型奥氏体不锈钢热轧工艺，在GLEEBLE-3500热力模拟试验机上对1Cr14Mn10Ni1.5不锈钢进行了温度950-1250℃，应变速率0.01-5.0s-1，应变为0.36、0.69和0.92的等温热压缩实验。建立了基于应变影响三维热加工图，使用Arrhenius型本构方程计算出了三种应变下的热激活能，联系微观组织分析了热加工图受应变影响的演变行为。结果表明：当真应变从0.36增加到0.69和0.92时，热激活能Q从501kJ/mol分别下降到427kJ/mol和424.86kJ/mol，说明在0.36-0.69应变区间内，位错引入和生成的速度低于位错运动和湮灭的速度；热加工图显示，峰值区域和谷值区域会随着应变的增加向低温和高速方向移动，这是由于应变输入的总能量增加导致的；该实验钢在热加工图中存在三个峰值区域，0.69真应变，1175-1225℃，1.0-5.0s-1的条件下能够达到最高38%的热加工功率，这与高应变速率下的温升有关；随着应变增加到0.69和0.92，失稳区域的面积先增大后减小；应力应变曲线和微观组织证明，高功率的区域的软化机制为动态再结晶，失稳区域表现为不连续动态再结晶和动态回复。
2022, 51(7):2617-2624.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210547
摘要:
本文提出利用分步酸溶法准确提取镍基高温合金粉末中非金属夹杂物,实现夹杂物的定量表征。首先选用最佳配比为HCl:HNO3=6:1的混合浓酸溶解镍基高温合金粉末,然后利用H2O2-草酸体系和稀酸将酸溶产物和难溶金属元素完全溶解。利用SEM、EDS等表征手段分析了最终获得的非金属夹杂物的数量、形貌、成分和尺寸分布,结果表明,该方法具有简便快速、分离效率高、回收率高、对非金属夹杂物的影响较小、可提取夹杂物粒径范围广等优点。此外,本文还对比了分步酸溶法和水淘洗法的提取效果,发现分步酸溶法对粒径大于50μm的夹杂物提取效果与常用的水淘洗法基本一致,而对粒径小于50μm的夹杂物提取效果显著提升。
本文提出利用分步酸溶法准确提取镍基高温合金粉末中非金属夹杂物,实现夹杂物的定量表征。首先选用最佳配比为HCl:HNO3=6:1的混合浓酸溶解镍基高温合金粉末,然后利用H2O2-草酸体系和稀酸将酸溶产物和难溶金属元素完全溶解。利用SEM、EDS等表征手段分析了最终获得的非金属夹杂物的数量、形貌、成分和尺寸分布,结果表明,该方法具有简便快速、分离效率高、回收率高、对非金属夹杂物的影响较小、可提取夹杂物粒径范围广等优点。此外,本文还对比了分步酸溶法和水淘洗法的提取效果,发现分步酸溶法对粒径大于50μm的夹杂物提取效果与常用的水淘洗法基本一致,而对粒径小于50μm的夹杂物提取效果显著提升。
2022, 51(7):2625-2630.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210556
摘要:
本文研究了半固态(淬火或者空冷)以及热挤压对Mg-3.88Zn-1.56Gd(wt. %)合金显微组织和力学性能的影响。结果表明半固态后淬火，第二相在合金中呈现纳米级共晶层片组织，而半固态后空冷，第二相在合金中呈三叉岛、块状和微米层片状。经过二次挤压，由于不完全再结晶，半固态+挤压后的合金均呈现典型的双峰组织。与未半固态直接二次挤压合金相比，半固态+挤压的合金均具有较高的强度。合金性能增强主要原因是由于双峰组织的形成，细小晶粒提供了晶界强化，未再结晶的粗晶粒则是通过抑制基面滑移，从而产生增强效果。其次要原因是准晶相的细化及其在基体中的弥散分布。
本文研究了半固态(淬火或者空冷)以及热挤压对Mg-3.88Zn-1.56Gd(wt. %)合金显微组织和力学性能的影响。结果表明半固态后淬火，第二相在合金中呈现纳米级共晶层片组织，而半固态后空冷，第二相在合金中呈三叉岛、块状和微米层片状。经过二次挤压，由于不完全再结晶，半固态+挤压后的合金均呈现典型的双峰组织。与未半固态直接二次挤压合金相比，半固态+挤压的合金均具有较高的强度。合金性能增强主要原因是由于双峰组织的形成，细小晶粒提供了晶界强化，未再结晶的粗晶粒则是通过抑制基面滑移，从而产生增强效果。其次要原因是准晶相的细化及其在基体中的弥散分布。
2022, 51(7):2631-2636.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210558
摘要:
三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用选择性激光熔融成型技术(Selective Laser Melting,SLM)制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明：孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%；孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。
三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用选择性激光熔融成型技术(Selective Laser Melting,SLM)制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明：孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%；孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。
2022, 51(7):2637-2644.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210552
摘要:
采用悬垂小球法在工业条件下对DD5、DD6以及 WZ30三种镍基高温合金进行熔体过冷试验，测得这三种合金的临界形核过冷度△TN分别是33、36和42K。合金DD5和DD6试样凝固时由于过冷度相对较小，形成细枝状单晶组织。合金WZ30的临界形核过冷度相对较大，试样凝固时主要形成由晶向一致的树枝状单晶基体框架和晶向散乱的碎粒状杂晶组成的的混合体组织，其中大部分碎粒状杂晶的形态和尺寸特征像是从液体中直接形核长大的等轴晶粒团簇，而不是来源于枝晶臂的熔断。
采用悬垂小球法在工业条件下对DD5、DD6以及 WZ30三种镍基高温合金进行熔体过冷试验，测得这三种合金的临界形核过冷度△TN分别是33、36和42K。合金DD5和DD6试样凝固时由于过冷度相对较小，形成细枝状单晶组织。合金WZ30的临界形核过冷度相对较大，试样凝固时主要形成由晶向一致的树枝状单晶基体框架和晶向散乱的碎粒状杂晶组成的的混合体组织，其中大部分碎粒状杂晶的形态和尺寸特征像是从液体中直接形核长大的等轴晶粒团簇，而不是来源于枝晶臂的熔断。
2022, 51(7):2645-2653.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20210527
摘要:
近β型钛合金Ti55531在INSTRON-5948R微型材料试验机上开展了经800 ℃/2 h固溶+580~640 ℃/6~10 h时效热处理后的力学性能试验,获得了不同时效工艺下Ti55531合金的力学性能及强塑积。研究了时效处理对合金微观组织演变规律及合金在拉伸变形时的断裂机制。结果表明：次生片层 α 相对时效参数变化比初生 α 相更敏感。次生片层 α 相厚度与时效温度或时效时间呈线性正相关。与时效时间对比可知,次生片层α相粗化速率对时效温度敏感性较弱,且其随时效温度和时效时间粗化速率分别约为1 nm/℃和8 nm/h。合金经固溶时效后,其力学性能显著提升,且合金在800 ℃/2 h固溶+640 ℃/8 h时效后达到最佳的综合力学性能,此时抗拉强度为1144 MPa,延伸率为8.16%,且强塑积超过9.3 GPa.%。合金经固溶时效热处理后拉伸断裂形式为韧脆混合型断裂,且以韧性断裂为主,包括晶间开裂和微孔合并。
近β型钛合金Ti55531在INSTRON-5948R微型材料试验机上开展了经800 ℃/2 h固溶+580~640 ℃/6~10 h时效热处理后的力学性能试验,获得了不同时效工艺下Ti55531合金的力学性能及强塑积。研究了时效处理对合金微观组织演变规律及合金在拉伸变形时的断裂机制。结果表明：次生片层 α 相对时效参数变化比初生 α 相更敏感。次生片层 α 相厚度与时效温度或时效时间呈线性正相关。与时效时间对比可知,次生片层α相粗化速率对时效温度敏感性较弱,且其随时效温度和时效时间粗化速率分别约为1 nm/℃和8 nm/h。合金经固溶时效后,其力学性能显著提升,且合金在800 ℃/2 h固溶+640 ℃/8 h时效后达到最佳的综合力学性能,此时抗拉强度为1144 MPa,延伸率为8.16%,且强塑积超过9.3 GPa.%。合金经固溶时效热处理后拉伸断裂形式为韧脆混合型断裂,且以韧性断裂为主,包括晶间开裂和微孔合并。
2022, 51(7):2654-2661.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210523
摘要:
为有效提高GH3230高温合金的综合高温力学性能,本文利用选区激光熔化技术成形了GH3230试样,按照优化的热处理制度做了固溶处理。分析了固溶处理前后合金的显微组织结构,测试了合金的高温拉伸力学性能,研究了析出碳化物的形态和分布对高温拉伸力学性能的影响规律,探讨了高温拉伸断裂机制。结果表明：选区激光熔化GH3230合金显微组织由生长方向与材料堆积方向一致的单一γ固溶体柱状晶构成。固溶处理后,沿γ固溶体柱状晶晶界析出了呈链状分布的M6C型碳化物颗粒,在柱状晶内部析出了弥散分布的M6C型超细碳化物颗粒,柱状晶变粗,晶粒取向差异减小,出现向等轴晶转变的趋势；高温拉伸力学性能各向异性程度减弱,由于显微组织仍为具有定向凝固特征的柱状晶组织,不同方向的高温拉伸力学性能仍在差异；纵向及横向高温拉伸断裂机制均为沿晶韧性断裂。
为有效提高GH3230高温合金的综合高温力学性能,本文利用选区激光熔化技术成形了GH3230试样,按照优化的热处理制度做了固溶处理。分析了固溶处理前后合金的显微组织结构,测试了合金的高温拉伸力学性能,研究了析出碳化物的形态和分布对高温拉伸力学性能的影响规律,探讨了高温拉伸断裂机制。结果表明：选区激光熔化GH3230合金显微组织由生长方向与材料堆积方向一致的单一γ固溶体柱状晶构成。固溶处理后,沿γ固溶体柱状晶晶界析出了呈链状分布的M6C型碳化物颗粒,在柱状晶内部析出了弥散分布的M6C型超细碳化物颗粒,柱状晶变粗,晶粒取向差异减小,出现向等轴晶转变的趋势；高温拉伸力学性能各向异性程度减弱,由于显微组织仍为具有定向凝固特征的柱状晶组织,不同方向的高温拉伸力学性能仍在差异；纵向及横向高温拉伸断裂机制均为沿晶韧性断裂。
2022, 51(7):2662-2666.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210554
摘要:
本文以高超声速飞行器表面高发射率涂层关键填料SiB4为研究对象，采用非等温热重分析法在空气条件下对粒径40 μm SiB4粉体高温热氧化过程以及氧化动力学进行研究。结果表明，SiB4热氧化开始温度为650℃，热氧化过程质量呈现恒重→增重→恒重变化趋势，其中高温区试样恒重分别是由玻璃相包覆保护作用、氧化增重与气相挥发损失竞争作用两种机制控制。升温速率对SiB4热氧化过程影响显著，升温速率越快，放热效应越明显。SiB4的平均活化能为239.14 kJ/mol，动力学指前因子A=2.1901×104 K/s，热氧化动力学函数为G(α)=ln[-ln(1-α)]^1.7574。
本文以高超声速飞行器表面高发射率涂层关键填料SiB4为研究对象，采用非等温热重分析法在空气条件下对粒径40 μm SiB4粉体高温热氧化过程以及氧化动力学进行研究。结果表明，SiB4热氧化开始温度为650℃，热氧化过程质量呈现恒重→增重→恒重变化趋势，其中高温区试样恒重分别是由玻璃相包覆保护作用、氧化增重与气相挥发损失竞争作用两种机制控制。升温速率对SiB4热氧化过程影响显著，升温速率越快，放热效应越明显。SiB4的平均活化能为239.14 kJ/mol，动力学指前因子A=2.1901×104 K/s，热氧化动力学函数为G(α)=ln[-ln(1-α)]^1.7574。
2022, 51(7):2667-2672.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210560
摘要:
本文采用大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCrAlY+YSZ热障涂层，并进行了1100 oC、1120 oC和1150 oC三个温度点的高温循环氧化行为对比研究。结果表明，随着考核温度的升高，热障涂层热循环失效寿命显著下降，失效主要是由YSZ/NiCrAlY界面附近YSZ 层中裂纹形成和扩展导致。循环失效后的YSZ与制备态的相结构一样，均为非平衡四方相t"-ZrO2，未发生t"→c+m相变。在热循环过程中，YSZ/NiCrAlY界面形成的热生长氧化物层（Thermally Grown Oxide, TGO）增厚基本符合“抛物线”规律，并且YSZ中裂纹的产生和扩展与TGO的增厚直接相关。
本文采用大气等离子喷涂在HA188合金基材上制备NiCrAlY+YSZ热障涂层，并进行了1100 oC、1120 oC和1150 oC三个温度点的高温循环氧化行为对比研究。结果表明，随着考核温度的升高，热障涂层热循环失效寿命显著下降，失效主要是由YSZ/NiCrAlY界面附近YSZ 层中裂纹形成和扩展导致。循环失效后的YSZ与制备态的相结构一样，均为非平衡四方相t"-ZrO2，未发生t"→c+m相变。在热循环过程中，YSZ/NiCrAlY界面形成的热生长氧化物层（Thermally Grown Oxide, TGO）增厚基本符合“抛物线”规律，并且YSZ中裂纹的产生和扩展与TGO的增厚直接相关。
2022, 51(7):2673-2680.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210566
摘要:
采用机械合金化法（MA）球磨制备CoCrNi中熵合金原料粉末，结合放电等离子烧结（SPS）或高真空烧结制取CoCrNi中熵合金，研究了球磨时间以及退火对CoCrNi中熵合金原料粉末微观形貌、颗粒尺寸及相结构的影响规律，对不同烧结方式制备的合金块体进行微观结构及力学性能研究。结果表明：随着球磨时间的延长，各单质粉末颗粒尺寸不断减小并逐渐融合，在球磨25h后，原料粉末主要为FCC固溶体结构，还有少量的BCC相；在后续烧结过程中，少量BCC相发生相转变，组织中只有FCC相结构；退火烧结样品的弹性模量为6.57GPa，是真空烧结的1.55倍，屈服强度为279.28MPa，与真空烧结后样品的屈服强度相当，退火烧结的延伸率为35.97%，明显大于直接真空烧结；SPS烧结的块体合金表现出高达793.72MPa的屈服强度和61.08%的塑性应变，且维氏硬度达到399HV，与其它两种烧结方法相比，SPS在实现HEAs快速低温烧结方面更具潜力。
采用机械合金化法（MA）球磨制备CoCrNi中熵合金原料粉末，结合放电等离子烧结（SPS）或高真空烧结制取CoCrNi中熵合金，研究了球磨时间以及退火对CoCrNi中熵合金原料粉末微观形貌、颗粒尺寸及相结构的影响规律，对不同烧结方式制备的合金块体进行微观结构及力学性能研究。结果表明：随着球磨时间的延长，各单质粉末颗粒尺寸不断减小并逐渐融合，在球磨25h后，原料粉末主要为FCC固溶体结构，还有少量的BCC相；在后续烧结过程中，少量BCC相发生相转变，组织中只有FCC相结构；退火烧结样品的弹性模量为6.57GPa，是真空烧结的1.55倍，屈服强度为279.28MPa，与真空烧结后样品的屈服强度相当，退火烧结的延伸率为35.97%，明显大于直接真空烧结；SPS烧结的块体合金表现出高达793.72MPa的屈服强度和61.08%的塑性应变，且维氏硬度达到399HV，与其它两种烧结方法相比，SPS在实现HEAs快速低温烧结方面更具潜力。
2022, 51(7):2681-2688.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211020
摘要:
钨凭借其优异的性能,已成为核聚变堆面向等离子体材料的候选材料之一。在核聚变堆运行过程中,钨将面临高热负载辐照、高氢/氦等离子体辐照和高能中子辐照。其中,钨经中子辐照后会产生嬗变元素铼,随着核聚变反应的进行,这些元素将在钨中持续产生和积累,形成嬗变产物钨铼合金。因此,钨面向等离子体材料的热力学参数和耐热负载性能会发生变化,这将关系到钨面向等离子体材料的服役性能,甚至关系到反应堆的稳定运行问题。目前,由于在实验室条件下核聚变高能中子的产生受限,故而对嬗变产物钨铼合金的研究主要基于实验室制备的钨铼合金。本文综述了现阶段钨铼合金的主要制备工艺及其热负载行为,分析了钨铼合金热辐照行为中存在的问题,希望能为未来核聚变堆中钨面向等离子体材料的早日应用提供参考。
钨凭借其优异的性能,已成为核聚变堆面向等离子体材料的候选材料之一。在核聚变堆运行过程中,钨将面临高热负载辐照、高氢/氦等离子体辐照和高能中子辐照。其中,钨经中子辐照后会产生嬗变元素铼,随着核聚变反应的进行,这些元素将在钨中持续产生和积累,形成嬗变产物钨铼合金。因此,钨面向等离子体材料的热力学参数和耐热负载性能会发生变化,这将关系到钨面向等离子体材料的服役性能,甚至关系到反应堆的稳定运行问题。目前,由于在实验室条件下核聚变高能中子的产生受限,故而对嬗变产物钨铼合金的研究主要基于实验室制备的钨铼合金。本文综述了现阶段钨铼合金的主要制备工艺及其热负载行为,分析了钨铼合金热辐照行为中存在的问题,希望能为未来核聚变堆中钨面向等离子体材料的早日应用提供参考。
2022, 51(7):2689-2697.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210517
摘要:
钎焊作为制造业中材料连接较广泛的方法之一,在医疗、电力电子和汽车等领域广泛应用,国内外学术界认为钎焊是陶瓷/金属异质连接中最有效、最具有发展潜力的连接方式。本文主要对近20年国内外有关陶瓷/金属钎焊异质连接的研究报道进行详细综述。首先综述了陶瓷/金属钎焊的研究概况,其次分别从氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、陶瓷基复合材料四种陶瓷材料方面以及活性金属钎焊、空气反应钎焊、接触反应钎焊、玻璃钎焊和超声波辅助钎焊五种钎焊方法详细评述陶瓷/金属异质钎焊的研究进展。然后介绍了陶瓷/金属异质钎焊在医疗、电力电子和汽车领域的应用,最后指出陶瓷/金属异质钎焊技术研究和发展过程中存在的不足,并展望陶瓷/金属异质钎焊技术未来发展的方向,为陶瓷/金属异质材料连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑。
钎焊作为制造业中材料连接较广泛的方法之一,在医疗、电力电子和汽车等领域广泛应用,国内外学术界认为钎焊是陶瓷/金属异质连接中最有效、最具有发展潜力的连接方式。本文主要对近20年国内外有关陶瓷/金属钎焊异质连接的研究报道进行详细综述。首先综述了陶瓷/金属钎焊的研究概况,其次分别从氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、陶瓷基复合材料四种陶瓷材料方面以及活性金属钎焊、空气反应钎焊、接触反应钎焊、玻璃钎焊和超声波辅助钎焊五种钎焊方法详细评述陶瓷/金属异质钎焊的研究进展。然后介绍了陶瓷/金属异质钎焊在医疗、电力电子和汽车领域的应用,最后指出陶瓷/金属异质钎焊技术研究和发展过程中存在的不足,并展望陶瓷/金属异质钎焊技术未来发展的方向,为陶瓷/金属异质材料连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑。
2022, 51(7):2698-2708.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210525
摘要:
金属增材制造技术具有“微区超常冶金”和“激冷快速凝固”的本征属性。实现动态监测和控制增材制造过程中缺陷、应力和组织的演化,是该领域国际前沿研究的难点和热点。本文从航空、航天及汽车等领域中金属增材制造的关键共性问题入手,阐述了同步辐射和中子衍射两种方法在金属增材制造中的冶金动力学及内部缺陷原位分析,液态金属超常凝固,微观组织及相变过程,内应力的形成及演化行为的研究进展。最后,阐述了研究不足,并展望了金属增材制造的未来发展。
金属增材制造技术具有“微区超常冶金”和“激冷快速凝固”的本征属性。实现动态监测和控制增材制造过程中缺陷、应力和组织的演化,是该领域国际前沿研究的难点和热点。本文从航空、航天及汽车等领域中金属增材制造的关键共性问题入手,阐述了同步辐射和中子衍射两种方法在金属增材制造中的冶金动力学及内部缺陷原位分析,液态金属超常凝固,微观组织及相变过程,内应力的形成及演化行为的研究进展。最后,阐述了研究不足,并展望了金属增材制造的未来发展。
2022, 51(7):2709-2715.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211082
摘要:
以三种前驱气体(CH4-2O2、H2-0.5O2、C2H2-2.5O2)进行爆轰试验，研究了初始压力对爆轰参数的影响及规律，以测得的预混气爆轰压力、速度、胞格等性能参数表征了预混气爆轰特性。以测得的爆轰参数为依据自主设计了长度2m、内径80mm、壁厚8mm、点火能量为40J的爆轰管道。在自主设计的爆轰管道内采用氢气、氧气和四氯化钛为混合前驱体，通过气液爆轰法合成了纳米二氧化钛，采用TEM对产物进行了表征，结果表明获得的纳米二氧化钛其球形或者类球形颗粒大约为20-150nm。
以三种前驱气体(CH4-2O2、H2-0.5O2、C2H2-2.5O2)进行爆轰试验，研究了初始压力对爆轰参数的影响及规律，以测得的预混气爆轰压力、速度、胞格等性能参数表征了预混气爆轰特性。以测得的爆轰参数为依据自主设计了长度2m、内径80mm、壁厚8mm、点火能量为40J的爆轰管道。在自主设计的爆轰管道内采用氢气、氧气和四氯化钛为混合前驱体，通过气液爆轰法合成了纳米二氧化钛，采用TEM对产物进行了表征，结果表明获得的纳米二氧化钛其球形或者类球形颗粒大约为20-150nm。
2022, 51(7):2716-2720.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211087
摘要:
针对TC4/TC17异种钛合金开展电子束焊接研究,并进行了高温(400℃)拉伸试验。结果表明,在焊接热循环作用下,热影响区和焊缝组织与母材相比发生了显著变化；TC4侧热影响区组织为马氏体；TC17侧热影响区则是亚稳定β相,焊缝处观察到粗大的柱状晶。TC17母材硬度高于TC4母材硬度,焊缝中心硬度最高。在400℃下,TC17母材的抗拉强度最好；焊接接头的抗拉强度与TC4母材的相当；TC4/TCI7电子束焊焊接接头的断口表面存在尺寸较大,少而浅的韧窝,韧窝形状呈椭圆形,表现出较好的塑性。
针对TC4/TC17异种钛合金开展电子束焊接研究,并进行了高温(400℃)拉伸试验。结果表明,在焊接热循环作用下,热影响区和焊缝组织与母材相比发生了显著变化；TC4侧热影响区组织为马氏体；TC17侧热影响区则是亚稳定β相,焊缝处观察到粗大的柱状晶。TC17母材硬度高于TC4母材硬度,焊缝中心硬度最高。在400℃下,TC17母材的抗拉强度最好；焊接接头的抗拉强度与TC4母材的相当；TC4/TCI7电子束焊焊接接头的断口表面存在尺寸较大,少而浅的韧窝,韧窝形状呈椭圆形,表现出较好的塑性。
