2022年第51卷第9期文章目次
2022, 51(9):3129-3132.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210907
摘要:
通过TB18钛合金在不同温度和保温时间的条件下β晶粒尺寸的变化，研究了新型超高强TB18钛合金β晶粒的长大行为。结果表明，加热温度及保温时间对TB18钛合金β晶粒长大行为具有重要影响：β晶粒尺寸随加热温度及保温时间的增加而增加，且920 ℃为合金的粗化温度。通过Beck公式计算了晶粒长大参数，采用Arrhenius公式计算了晶粒长大激活能。TB18钛合金β晶粒长大指数n为0.13~0.26，β晶粒长大激活能为34.27~60.58 kJ/mol。
通过TB18钛合金在不同温度和保温时间的条件下β晶粒尺寸的变化，研究了新型超高强TB18钛合金β晶粒的长大行为。结果表明，加热温度及保温时间对TB18钛合金β晶粒长大行为具有重要影响：β晶粒尺寸随加热温度及保温时间的增加而增加，且920 ℃为合金的粗化温度。通过Beck公式计算了晶粒长大参数，采用Arrhenius公式计算了晶粒长大激活能。TB18钛合金β晶粒长大指数n为0.13~0.26，β晶粒长大激活能为34.27~60.58 kJ/mol。
2022, 51(9):3133-3137.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210793
摘要:
提出了一种基于二代镍基单晶（SX）高温合金γ′相尺寸变化统计分析的SX高温合金固溶热处理最佳时间的选择方法。通过数值分析引入了微观结构均匀性ω，根据数据统计ω曲线可分为3个阶段：显著变化区、过渡区和稳态区。过渡区描述了固溶热处理时间选择的最佳范围。通过测量合金的γ′筏化和蠕变性能，验证了该方法的有效性。同时也通过第四代镍基SX高温合金验证了该方法的准确性。该方法能够有效地建立最优的热处理工艺，并为SX高温合金的设计和工程应用提供指导。
提出了一种基于二代镍基单晶（SX）高温合金γ′相尺寸变化统计分析的SX高温合金固溶热处理最佳时间的选择方法。通过数值分析引入了微观结构均匀性ω，根据数据统计ω曲线可分为3个阶段：显著变化区、过渡区和稳态区。过渡区描述了固溶热处理时间选择的最佳范围。通过测量合金的γ′筏化和蠕变性能，验证了该方法的有效性。同时也通过第四代镍基SX高温合金验证了该方法的准确性。该方法能够有效地建立最优的热处理工艺，并为SX高温合金的设计和工程应用提供指导。
2022, 51(9):3138-3145.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210666
摘要:
对Mg-Zn-Y-Nd-Zr合金的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明，Nd元素的加入部分取代了W相（Mg3Zn3Y2）中的Y元素，形成了新的第二相Mg3Zn3(Y, Nd)2。热挤压后观察到由细小的等轴再结晶晶粒和粗大的细长未再结晶晶粒组成的典型双峰结构。Nd元素的加入促进了热挤压过程中的动态再结晶，随着Nd含量的增加，动态再结晶率增加，挤压态合金的整体织构强度减弱。Nd的加入细化了晶粒并改善了合金的力学性能。添加0.5%（质量分数）Nd时，挤压态合金表现出高强度和高塑性的良好结合：屈服强度为362 MPa，极限抗拉伸强度为404 MPa，延伸率为10.2%。时效处理后合金的抗拉伸强度进一步提高，峰值时效极限抗拉伸强度可达421 MPa。合金的高强度主要归功于超细再结晶晶粒和析出强化。
对Mg-Zn-Y-Nd-Zr合金的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明，Nd元素的加入部分取代了W相（Mg3Zn3Y2）中的Y元素，形成了新的第二相Mg3Zn3(Y, Nd)2。热挤压后观察到由细小的等轴再结晶晶粒和粗大的细长未再结晶晶粒组成的典型双峰结构。Nd元素的加入促进了热挤压过程中的动态再结晶，随着Nd含量的增加，动态再结晶率增加，挤压态合金的整体织构强度减弱。Nd的加入细化了晶粒并改善了合金的力学性能。添加0.5%（质量分数）Nd时，挤压态合金表现出高强度和高塑性的良好结合：屈服强度为362 MPa，极限抗拉伸强度为404 MPa，延伸率为10.2%。时效处理后合金的抗拉伸强度进一步提高，峰值时效极限抗拉伸强度可达421 MPa。合金的高强度主要归功于超细再结晶晶粒和析出强化。
2022, 51(9):3146-3152.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210704
摘要:
采用热挤压工艺制备了新型高温IN690合金。采用Gleeble-3500热模拟试验机对IN690合金进行了等轴压缩试验，研究了不同温度、应变速率和变形量对IN690合金动态再结晶(DRX)的影响。采用金相显微镜和电子背散射衍射(EBSD)对IN690合金热变形前后的金相组织、晶粒取向、晶界分布和晶粒取向差进行了系统分析。试验得到的真应力-真应变曲线表明，随着温度的降低或应变速率的增加，IN690合金的流动应力增大。IN690合金变形过程中的软化机制主要是动态回复(DRV)和DRX;随着真应变的增加或应变速率的降低，大角度晶界所占比例增加，这是由于在大的真应变或低应变速率下的DRX形核所致。
采用热挤压工艺制备了新型高温IN690合金。采用Gleeble-3500热模拟试验机对IN690合金进行了等轴压缩试验，研究了不同温度、应变速率和变形量对IN690合金动态再结晶(DRX)的影响。采用金相显微镜和电子背散射衍射(EBSD)对IN690合金热变形前后的金相组织、晶粒取向、晶界分布和晶粒取向差进行了系统分析。试验得到的真应力-真应变曲线表明，随着温度的降低或应变速率的增加，IN690合金的流动应力增大。IN690合金变形过程中的软化机制主要是动态回复(DRV)和DRX;随着真应变的增加或应变速率的降低，大角度晶界所占比例增加，这是由于在大的真应变或低应变速率下的DRX形核所致。
2022, 51(9):3153-3158.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210661
摘要:
采用中频感应炉制备La0.8Ce0.2Fe11.7-xMnxSi1.3母合金并退火，将合金饱和氢化后破碎成粉末。通过环氧树脂粘结，将居里温度TC间隔为5 K的多种La0.8Ce0.2Fe11.7-xMnxSi1.3H1.8（x=0.23，0.26，0.29，0.32，质量分数，%）合金粉末进行混合粘结，提高合金的磁熵半峰宽。用VersaLab和绝热温变直接测量仪测试粘结样品的磁性能。结果表明，与单一成分粘结样品相比，混合粘结样品的最大等温磁熵变有所降低，磁熵半峰宽以及相对制冷能力有所提高。含4种成分的混合粘结样品的相对制冷能力可以达到139.2 J/kg。
采用中频感应炉制备La0.8Ce0.2Fe11.7-xMnxSi1.3母合金并退火，将合金饱和氢化后破碎成粉末。通过环氧树脂粘结，将居里温度TC间隔为5 K的多种La0.8Ce0.2Fe11.7-xMnxSi1.3H1.8（x=0.23，0.26，0.29，0.32，质量分数，%）合金粉末进行混合粘结，提高合金的磁熵半峰宽。用VersaLab和绝热温变直接测量仪测试粘结样品的磁性能。结果表明，与单一成分粘结样品相比，混合粘结样品的最大等温磁熵变有所降低，磁熵半峰宽以及相对制冷能力有所提高。含4种成分的混合粘结样品的相对制冷能力可以达到139.2 J/kg。
2022, 51(9):3159-3165.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210673
摘要:
以海绵锆为原料，采用水冷铜坩埚熔炼和铜模吸铸法制备了直径为3 mm、成分为(Zr0.55Cu0.3Al0.1Ni0.05)100-xErx (x=0，0.5，1，2，3，4，5)的锆基块体合金，通过对比不同铒含量海绵锆基合金的组织结构与性能，研究了铒元素对其非晶形成能力、热稳定性和力学性能的影响。结果表明：以海绵锆为原料时，锆基合金的非晶形成能力和力学性能明显下降。x=0时，无法制备成锆基非晶合金；添加Er元素后，海绵锆基合金的非晶形成能力和力学性能显著提高，具有非晶态结构；x=2时，海绵锆基非晶合金的力学性能最优，抗压强度σbc为2142.5 MPa，室温下塑性应变εp为10.01%。与高纯锆制备的同直径(Zr0.55Cu0.3Al0.1Ni0.05)98Er2非晶合金相比，其抗压强度恢复97.63%，室温塑性恢复69.95%。添加铒元素有利于改善和提高海绵锆基合金的非晶形成能力和力学性能，为低成本制备锆基非晶合金提供一种新思路。
以海绵锆为原料，采用水冷铜坩埚熔炼和铜模吸铸法制备了直径为3 mm、成分为(Zr0.55Cu0.3Al0.1Ni0.05)100-xErx (x=0，0.5，1，2，3，4，5)的锆基块体合金，通过对比不同铒含量海绵锆基合金的组织结构与性能，研究了铒元素对其非晶形成能力、热稳定性和力学性能的影响。结果表明：以海绵锆为原料时，锆基合金的非晶形成能力和力学性能明显下降。x=0时，无法制备成锆基非晶合金；添加Er元素后，海绵锆基合金的非晶形成能力和力学性能显著提高，具有非晶态结构；x=2时，海绵锆基非晶合金的力学性能最优，抗压强度σbc为2142.5 MPa，室温下塑性应变εp为10.01%。与高纯锆制备的同直径(Zr0.55Cu0.3Al0.1Ni0.05)98Er2非晶合金相比，其抗压强度恢复97.63%，室温塑性恢复69.95%。添加铒元素有利于改善和提高海绵锆基合金的非晶形成能力和力学性能，为低成本制备锆基非晶合金提供一种新思路。
2022, 51(9):3166-3171.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210789
摘要:
对2A12铝合金表面的微弧氧化膜进行了高温氧化实验研究。结果表明：微弧氧化膜层的高温抗氧化性能随着温度的升高而降低，但氧化指数均在2以上，说明微弧氧化膜层对于2A12铝合金起到了保护作用，有效地阻止了高温氧化时的氧扩散。微弧氧化膜层抗空冷热震性能要优于抗水冷热震性能，在60次热震循环后，水冷热震的合金边角处出现膜层脱落现象，而空冷热震的合金只在表面出现裂纹，没有膜层脱落现象出现。微弧氧化膜热震失效主要由膜层与基体热膨胀系数不同、膜层与H2O、氧气反应分别生成氢氧化物与氧化物所导致；膜层内部的CeO2起到减小孔径的作用，在热震反应初期能够有效地降低热震对膜层的影响，但随着循环次数增多，生成碱式碳酸盐和氢氧化物，导致微弧氧化膜失效。
对2A12铝合金表面的微弧氧化膜进行了高温氧化实验研究。结果表明：微弧氧化膜层的高温抗氧化性能随着温度的升高而降低，但氧化指数均在2以上，说明微弧氧化膜层对于2A12铝合金起到了保护作用，有效地阻止了高温氧化时的氧扩散。微弧氧化膜层抗空冷热震性能要优于抗水冷热震性能，在60次热震循环后，水冷热震的合金边角处出现膜层脱落现象，而空冷热震的合金只在表面出现裂纹，没有膜层脱落现象出现。微弧氧化膜热震失效主要由膜层与基体热膨胀系数不同、膜层与H2O、氧气反应分别生成氢氧化物与氧化物所导致；膜层内部的CeO2起到减小孔径的作用，在热震反应初期能够有效地降低热震对膜层的影响，但随着循环次数增多，生成碱式碳酸盐和氢氧化物，导致微弧氧化膜失效。
2022, 51(9):3172-3181.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210732
摘要:
研究了9 kV电压下CuCr25阴极材料在氧气、氩气和二氧化碳气氛下的电弧烧蚀行为。燃弧时间和电弧能量按照氧气、氩气、二氧化碳的环境气氛变化顺序依次减小，而击穿强度的变化趋势则相反。利用扫描电子显微镜和三维激光共聚焦显微镜分析了在电弧的高温、高能量作用下CuCr25材料表面形成的熔池、凸起、孔洞、飞溅和裂纹等烧蚀形貌。结果表明：CuCr25材料在氧气中烧蚀得最严重，在二氧化碳中电弧烧蚀最轻微，这可能与电弧能量的差异有关。X射线光电子能谱分析结果显示，在氧气和二氧化碳中电弧烧蚀表面发生氧化反应，生成了CuO、CrO3和Cr2O3，而在氩气环境中没有新的化合物形成。
研究了9 kV电压下CuCr25阴极材料在氧气、氩气和二氧化碳气氛下的电弧烧蚀行为。燃弧时间和电弧能量按照氧气、氩气、二氧化碳的环境气氛变化顺序依次减小，而击穿强度的变化趋势则相反。利用扫描电子显微镜和三维激光共聚焦显微镜分析了在电弧的高温、高能量作用下CuCr25材料表面形成的熔池、凸起、孔洞、飞溅和裂纹等烧蚀形貌。结果表明：CuCr25材料在氧气中烧蚀得最严重，在二氧化碳中电弧烧蚀最轻微，这可能与电弧能量的差异有关。X射线光电子能谱分析结果显示，在氧气和二氧化碳中电弧烧蚀表面发生氧化反应，生成了CuO、CrO3和Cr2O3，而在氩气环境中没有新的化合物形成。
2022, 51(9):3182-3188.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210698
摘要:
采用机械合金化和真空热压烧结工艺制备了CoCrFeNi高熵合金。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电感耦合等离子体发射光谱和光学显微镜对产物的相结构和微观结构进行了表征，并采用万能试验机、维氏硬度计和电化学工作站对其力学性能和耐腐蚀性能进行了研究。结果表明：与电化学还原联合热压烧结工艺以及电弧熔炼法制备的CoCrFeNi高熵合金性能相比，机械合金化联合真空热压烧结工艺制备的CoCrFeNi高熵合金具有良好的抗拉伸强度和断裂伸长率，其合金硬度是电弧熔炼法制备合金的2倍，在0.5 mol/L H2SO4、1 mol/L KOH和3.5%（质量分数）NaCl水溶液中，该合金具有与304不锈钢及电化学还原联合热压烧结工艺或电弧熔炼法制备的合金相当的耐腐蚀性能。
采用机械合金化和真空热压烧结工艺制备了CoCrFeNi高熵合金。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电感耦合等离子体发射光谱和光学显微镜对产物的相结构和微观结构进行了表征，并采用万能试验机、维氏硬度计和电化学工作站对其力学性能和耐腐蚀性能进行了研究。结果表明：与电化学还原联合热压烧结工艺以及电弧熔炼法制备的CoCrFeNi高熵合金性能相比，机械合金化联合真空热压烧结工艺制备的CoCrFeNi高熵合金具有良好的抗拉伸强度和断裂伸长率，其合金硬度是电弧熔炼法制备合金的2倍，在0.5 mol/L H2SO4、1 mol/L KOH和3.5%（质量分数）NaCl水溶液中，该合金具有与304不锈钢及电化学还原联合热压烧结工艺或电弧熔炼法制备的合金相当的耐腐蚀性能。
2022, 51(9):3189-3196.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210708
摘要:
研究了Al-7.88Zn-2.05Mg-1.70Cu-0.19Er合金薄带的组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明，对厚度为0.5 mm的冷轧态薄带试样进行475 ℃/1 h/水冷固溶处理及120 ℃/6 h+150 ℃/24 h双级时效处理后，薄带合金具有优良综合性能，其硬度、极限抗拉伸强度、屈服强度和伸长率分别为1859.1 MPa、669.4 MPa、624.1 MPa和11.2%，该力学性能与峰值时效态合金的力学性能相当。该状态下合金的电导率、剥落腐蚀等级和应力腐蚀敏感指数分别为35.5%IACS、EA和4.07%。细小的球状Al3(Er，Zr)和η?相均匀分布在Al基体中，且大部分析出物与Al基体晶格共格。细小不连续分布的晶界析出η相是该合金具有较低应力腐蚀敏感性的主要原因。
研究了Al-7.88Zn-2.05Mg-1.70Cu-0.19Er合金薄带的组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明，对厚度为0.5 mm的冷轧态薄带试样进行475 ℃/1 h/水冷固溶处理及120 ℃/6 h+150 ℃/24 h双级时效处理后，薄带合金具有优良综合性能，其硬度、极限抗拉伸强度、屈服强度和伸长率分别为1859.1 MPa、669.4 MPa、624.1 MPa和11.2%，该力学性能与峰值时效态合金的力学性能相当。该状态下合金的电导率、剥落腐蚀等级和应力腐蚀敏感指数分别为35.5%IACS、EA和4.07%。细小的球状Al3(Er，Zr)和η?相均匀分布在Al基体中，且大部分析出物与Al基体晶格共格。细小不连续分布的晶界析出η相是该合金具有较低应力腐蚀敏感性的主要原因。
2022, 51(9):3197-3203.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210659
摘要:
通过搅拌摩擦搭接焊接6061铝合金/QP980钢异种材料，讨论了搅拌针长度（1.5和2.1 mm）对焊接接头组织和性能的影响。结果表明，6061铝合金/QP980钢搅拌摩擦搭接焊接头分为3层结构：上层为铝合金层，中间层为Fe、Al及金属间化合物混合层状结构，下层为钢层。其中，当搅拌针长2.1 mm时，铝合金层含有散落的钢碎片。在中间层检测到2种金属间化合物，靠近Al的深灰色层为Fe4Al13相，靠近钢的是Fe2Al5相。随着搅拌针长度的增加，接头的失效载荷从4 kN降低到3 kN。短探针焊接的接头在接合界面处断裂，而长探针焊接的接头在铝和钢的混合区断裂。孔洞缺陷和钢碎片是导致断裂位置发生变化的主要原因。此外，嵌入铝基体中的铁屑在变形过程中起应力集中和裂纹萌生的作用，降低了接头的力学性能。
通过搅拌摩擦搭接焊接6061铝合金/QP980钢异种材料，讨论了搅拌针长度（1.5和2.1 mm）对焊接接头组织和性能的影响。结果表明，6061铝合金/QP980钢搅拌摩擦搭接焊接头分为3层结构：上层为铝合金层，中间层为Fe、Al及金属间化合物混合层状结构，下层为钢层。其中，当搅拌针长2.1 mm时，铝合金层含有散落的钢碎片。在中间层检测到2种金属间化合物，靠近Al的深灰色层为Fe4Al13相，靠近钢的是Fe2Al5相。随着搅拌针长度的增加，接头的失效载荷从4 kN降低到3 kN。短探针焊接的接头在接合界面处断裂，而长探针焊接的接头在铝和钢的混合区断裂。孔洞缺陷和钢碎片是导致断裂位置发生变化的主要原因。此外，嵌入铝基体中的铁屑在变形过程中起应力集中和裂纹萌生的作用，降低了接头的力学性能。
2022, 51(9):3204-3213.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210644
摘要:
采用光学显微镜和X射线衍射仪对Cu0.6Cr合金经低温扩展路径等通道转角挤压（ECAP）后的组织演变规律进行了研究。采用扫描电子显微镜和能谱仪研究了Cu0.6Cr合金经不同时效热处理条件后的晶粒大小、析出相分布规律和断裂特征。并且分别测试了合金经低温ECAP和低温ECAP+时效热处理后的抗拉伸强度、硬度和导电率。结果表明，Cu0.6Cr合金经低温ECAP变形后形成明显细化且相互交割的纤维组织，并且合金在变形中始终保持（111）面的择优取向。时效热处理的合金变形量越大，析出相的数目和尺寸就越大，第二相析出速率也越快。5道次合金经450 ℃时效2 h后的抗拉伸强度为568.1 MPa，维氏硬度为1624.8 MPa，导电率为82%IACS。
采用光学显微镜和X射线衍射仪对Cu0.6Cr合金经低温扩展路径等通道转角挤压（ECAP）后的组织演变规律进行了研究。采用扫描电子显微镜和能谱仪研究了Cu0.6Cr合金经不同时效热处理条件后的晶粒大小、析出相分布规律和断裂特征。并且分别测试了合金经低温ECAP和低温ECAP+时效热处理后的抗拉伸强度、硬度和导电率。结果表明，Cu0.6Cr合金经低温ECAP变形后形成明显细化且相互交割的纤维组织，并且合金在变形中始终保持（111）面的择优取向。时效热处理的合金变形量越大，析出相的数目和尺寸就越大，第二相析出速率也越快。5道次合金经450 ℃时效2 h后的抗拉伸强度为568.1 MPa，维氏硬度为1624.8 MPa，导电率为82%IACS。
2022, 51(9):3214-3222.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210707
摘要:
研究了真空感应熔炼气体雾化（VIGA）技术中喷嘴堵塞的过程。为了更准确地了解导流管顶端形状对喷嘴堵塞的影响，采用计算模拟流体体积界面跟踪方法，对一次雾化区的两相流进行了模拟。结果表明，导流管末端的小平台是导致喷嘴堵塞的关键因素。因此，改进了输送管的扩张角（30°、35°、40°、45°），缩短了小平台的宽度，解决了喷嘴堵塞的问题，实现了雾化连续性，提高了雾化效率。此外，当扩张角为40°~45°时，粉末具有较好的微观形貌，粒径为21~25 μm。不同改进角度下的数值模拟结果与实验结果显示出相似的趋势。本研究对了解VIGA工艺喷嘴堵塞过程具有指导意义和参考价值。
研究了真空感应熔炼气体雾化（VIGA）技术中喷嘴堵塞的过程。为了更准确地了解导流管顶端形状对喷嘴堵塞的影响，采用计算模拟流体体积界面跟踪方法，对一次雾化区的两相流进行了模拟。结果表明，导流管末端的小平台是导致喷嘴堵塞的关键因素。因此，改进了输送管的扩张角（30°、35°、40°、45°），缩短了小平台的宽度，解决了喷嘴堵塞的问题，实现了雾化连续性，提高了雾化效率。此外，当扩张角为40°~45°时，粉末具有较好的微观形貌，粒径为21~25 μm。不同改进角度下的数值模拟结果与实验结果显示出相似的趋势。本研究对了解VIGA工艺喷嘴堵塞过程具有指导意义和参考价值。
2022, 51(9):3223-3229.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210687
摘要:
利用Lammps软件对AgCuNi钎料真空钎焊高氮不锈钢的相关二元体系（Fe-Cu和Fe-Ni）元素扩散过程进行分子动力学模拟。结果表明，Fe-Cu和Fe-Ni二元体系相互扩散现象明显，扩散层厚度随着扩散时间增加而增加。在Fe-Cu体系的扩散过程中只有原子相互扩散，但Fe-Ni体系的扩散过程中既有原子扩散又有中间相生成。在Fe-Cu二元体系中，Fe原子的均方位移和扩散系数均大于Cu原子，因此Fe原子的扩散能力大于Cu原子。在Fe-Ni二元体系中，Fe原子的均方位移和扩散系数都大于Ni原子，因此Fe原子的扩散能力也大于Ni原子。随着扩散温度升高，原子均方位移和扩散系数增大，扩散能力越强。
利用Lammps软件对AgCuNi钎料真空钎焊高氮不锈钢的相关二元体系（Fe-Cu和Fe-Ni）元素扩散过程进行分子动力学模拟。结果表明，Fe-Cu和Fe-Ni二元体系相互扩散现象明显，扩散层厚度随着扩散时间增加而增加。在Fe-Cu体系的扩散过程中只有原子相互扩散，但Fe-Ni体系的扩散过程中既有原子扩散又有中间相生成。在Fe-Cu二元体系中，Fe原子的均方位移和扩散系数均大于Cu原子，因此Fe原子的扩散能力大于Cu原子。在Fe-Ni二元体系中，Fe原子的均方位移和扩散系数都大于Ni原子，因此Fe原子的扩散能力也大于Ni原子。随着扩散温度升高，原子均方位移和扩散系数增大，扩散能力越强。
2022, 51(9):3230-3235.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210664
摘要:
通过分子动力学方法研究了Al0.1CoCrFeNi单晶高熵合金在室温（300 K）下沿轴向拉伸后的组织和力学性能变化。通过改变模拟应变速率和温度，分析了单晶高熵合金的拉伸性能；通过模拟室温拉伸实验，研究了含表面小裂纹单晶的显微组织和抗拉伸性能。结果表明，当应变速率在一定范围内时，抗拉伸强度随应变速率增大而增大；当应变速率为1010 s-1时，杨氏模量和抗拉伸强度随温度降低而增大。表面有贯穿小裂纹的单晶高熵合金在拉伸一段时间后出现颈缩现象，随着大量滑移位错的快速发展，裂纹尖端出现应力集中，导致快速断裂。
通过分子动力学方法研究了Al0.1CoCrFeNi单晶高熵合金在室温（300 K）下沿轴向拉伸后的组织和力学性能变化。通过改变模拟应变速率和温度，分析了单晶高熵合金的拉伸性能；通过模拟室温拉伸实验，研究了含表面小裂纹单晶的显微组织和抗拉伸性能。结果表明，当应变速率在一定范围内时，抗拉伸强度随应变速率增大而增大；当应变速率为1010 s-1时，杨氏模量和抗拉伸强度随温度降低而增大。表面有贯穿小裂纹的单晶高熵合金在拉伸一段时间后出现颈缩现象，随着大量滑移位错的快速发展，裂纹尖端出现应力集中，导致快速断裂。
2022, 51(9):3236-3243.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210780
摘要:
采用分子动力学方法模拟了γ-TiAl在纳米尺度下的加工响应。采用规则生成的粗糙工件表面，研究其对原子去除机理的影响。通过改变织构密度和刀具半径，研究了切削过程。结果表明，工件表面形貌对亚表面缺陷的产生和原子去除有不可忽视的影响，粗糙表面会影响剪切模式下切削过程中层错剪切带的形成。提高织构密度增加了亚表面缺陷的数量，加工表面的完整性因切割方式的不同而不同。刀具的相对锐度对切削机制和纹理效果有一定影响。
采用分子动力学方法模拟了γ-TiAl在纳米尺度下的加工响应。采用规则生成的粗糙工件表面，研究其对原子去除机理的影响。通过改变织构密度和刀具半径，研究了切削过程。结果表明，工件表面形貌对亚表面缺陷的产生和原子去除有不可忽视的影响，粗糙表面会影响剪切模式下切削过程中层错剪切带的形成。提高织构密度增加了亚表面缺陷的数量，加工表面的完整性因切割方式的不同而不同。刀具的相对锐度对切削机制和纹理效果有一定影响。
2022, 51(9):3244-3251.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210690
摘要:
提出了一种镁合金无缝管穿孔新方法（二辊斜轧穿孔），并利用三维有限元分析软件DEFORM-3D对二辊斜轧穿孔过程进行了模拟，分析了穿孔过程中的微观组织演变。结果表明，模拟的微观结构与实验的微观结构具有相同的演变规律，平均晶粒尺寸接近，证明了采用二辊穿孔新工艺穿制AZ31大口径镁合金无缝管的可行性和DEFORM-3D软件模拟结果的可靠性。
提出了一种镁合金无缝管穿孔新方法（二辊斜轧穿孔），并利用三维有限元分析软件DEFORM-3D对二辊斜轧穿孔过程进行了模拟，分析了穿孔过程中的微观组织演变。结果表明，模拟的微观结构与实验的微观结构具有相同的演变规律，平均晶粒尺寸接近，证明了采用二辊穿孔新工艺穿制AZ31大口径镁合金无缝管的可行性和DEFORM-3D软件模拟结果的可靠性。
2022, 51(9):3252-3262.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210691
摘要:
建立了TA32钛合金本构模型，在模具上添加了不同的拉延筋，并对其进行了优化以消除皱纹。使用Barlat 89和Hill 48屈服准则来比较有限元模拟的预测精度。通过热冲压成形实验，测量了TA32钛合金马鞍形零件的厚度分布，并与模拟结果进行比较。结果表明；添加X轴和Y轴拉延筋可以有效消除皱纹，实现马鞍形零件精确成形，并且无任何缺陷。采用Barlat 89屈服准则的有限元模型比采用Hill 48屈服准则的模型具有更好的预测精度，该有限元模拟具有较好的理论预测意义。研究了成形后零件的力学性能和显微组织，各项性能均达到了实际工程需要。
建立了TA32钛合金本构模型，在模具上添加了不同的拉延筋，并对其进行了优化以消除皱纹。使用Barlat 89和Hill 48屈服准则来比较有限元模拟的预测精度。通过热冲压成形实验，测量了TA32钛合金马鞍形零件的厚度分布，并与模拟结果进行比较。结果表明；添加X轴和Y轴拉延筋可以有效消除皱纹，实现马鞍形零件精确成形，并且无任何缺陷。采用Barlat 89屈服准则的有限元模型比采用Hill 48屈服准则的模型具有更好的预测精度，该有限元模拟具有较好的理论预测意义。研究了成形后零件的力学性能和显微组织，各项性能均达到了实际工程需要。
2022, 51(9):3263-3275.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220041
摘要:
采用摩擦氧浓度实验方法点燃近 α 型TA19钛合金，获得富氧条件下临界着火和扩展燃烧后的着火损伤试样，结合扫描电子显微镜、能谱分析、透射电子显微镜和X射线衍射分析等手段研究燃烧产物的相组成、燃烧组织特征及形成机理。结果表明：TA19钛合金临界着火产物主要有TiO、Ti3O、金红石型和锐钛矿型TiO2，起始燃烧温度在500℃左右；扩展燃烧产物主要有TiO和金红石型TiO2，结合熔凝区形成的四方结构ZrO2判断持续燃烧温度在1170℃以上。从燃烧表面到钛合金基体可分为四个区域：燃烧区、熔凝区、热影响区和过渡区。临界着火时在熔凝区形成富O的Zr固溶体、富O的 α-Ti 固溶体和富Al/Sn/Mo的 β 相；在热影响区形成大量富O的 α-Ti 固溶体和少量富Al/Sn/Mo的 β 相。扩展燃烧时在熔凝区形成富O的Al固溶体，富O的Zr固溶体，富O的 α-Ti 固溶体和富Al/Sn/Mo的 β 相；在热影响区形成大量富O的 α-Ti 固溶体和少量富O和Zr的 β 相，两者构成致密的层状组织阻止了O的向内扩散，同时也阻止了Ti的向外扩散。TA19钛合金在燃烧过程中首先扩散到熔凝区界面前沿的是元素Zr，其次为Al，这与TA15钛合金燃烧过程中Al先扩散到熔凝区界面前沿有差异，其原因可能是由于TA19钛合金中的Zr含量是TA15钛合金Zr含量的2倍，Zr的活度更高。近 α 型高温钛合金的主要燃烧机理是富O固溶体的形成，从组织角度，较高的等轴相含量有利于固溶更多的O；从合金成分角度，适当控制Ti、Al、Zr元素含量有利于获得致密的富O固溶体。
采用摩擦氧浓度实验方法点燃近 α 型TA19钛合金，获得富氧条件下临界着火和扩展燃烧后的着火损伤试样，结合扫描电子显微镜、能谱分析、透射电子显微镜和X射线衍射分析等手段研究燃烧产物的相组成、燃烧组织特征及形成机理。结果表明：TA19钛合金临界着火产物主要有TiO、Ti3O、金红石型和锐钛矿型TiO2，起始燃烧温度在500℃左右；扩展燃烧产物主要有TiO和金红石型TiO2，结合熔凝区形成的四方结构ZrO2判断持续燃烧温度在1170℃以上。从燃烧表面到钛合金基体可分为四个区域：燃烧区、熔凝区、热影响区和过渡区。临界着火时在熔凝区形成富O的Zr固溶体、富O的 α-Ti 固溶体和富Al/Sn/Mo的 β 相；在热影响区形成大量富O的 α-Ti 固溶体和少量富Al/Sn/Mo的 β 相。扩展燃烧时在熔凝区形成富O的Al固溶体，富O的Zr固溶体，富O的 α-Ti 固溶体和富Al/Sn/Mo的 β 相；在热影响区形成大量富O的 α-Ti 固溶体和少量富O和Zr的 β 相，两者构成致密的层状组织阻止了O的向内扩散，同时也阻止了Ti的向外扩散。TA19钛合金在燃烧过程中首先扩散到熔凝区界面前沿的是元素Zr，其次为Al，这与TA15钛合金燃烧过程中Al先扩散到熔凝区界面前沿有差异，其原因可能是由于TA19钛合金中的Zr含量是TA15钛合金Zr含量的2倍，Zr的活度更高。近 α 型高温钛合金的主要燃烧机理是富O固溶体的形成，从组织角度，较高的等轴相含量有利于固溶更多的O；从合金成分角度，适当控制Ti、Al、Zr元素含量有利于获得致密的富O固溶体。
2022, 51(9):3276-3281.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210714
摘要:
高功率脉冲磁控溅射技术虽能实现提高镀料离化率以增强镀层力学性能的设计初衷,但其极低的沉积速率降低了工作效率,阻碍了该技术产业化的成功推广。因此,期望在达到镀料高离化率的同时,兼顾高速沉积是本研究的主要目的,为此本文提出一种创新性的研究思路,利用自主研发的双级脉冲电场,通过分别调控两个脉冲阶段的电场参量引发阴极靶面气体放电由辉光向弧光转变,借助弧光放电产生的高密度等离子体,增强靶面氩离子的碰撞动能和金属靶材产生的焦耳热,诱发镀料以高离化率、高产额的热发射方式脱离靶材。实验结果表明：在持续提高铜靶和钛靶的靶电流密度时,阴极靶材与阳极腔体间的伏安特性会由正比例的递增关系转变为反比例的递减关系,这说明气体放电会由辉光放电向弧光放电转变,并以此诱发镀料由碰撞溅射脱靶转变为溅射+热发射脱靶。实验以钛靶作为研究对象,采用双级脉冲电场在提高钛靶电流密度时,靶面形貌由具有阶梯状直线条纹的多边形凹坑结构转变为具有直线条纹的多边形凹坑和水流波纹状的圆形凹坑的混合结构,说明此时靶面镀料的脱靶方式除典型的碰撞溅射外,已逐渐向碰撞溅射加热发射双重脱靶方式转变,镀层的沉积速率也由6 nm/min大幅增大至26 nm/min。
高功率脉冲磁控溅射技术虽能实现提高镀料离化率以增强镀层力学性能的设计初衷,但其极低的沉积速率降低了工作效率,阻碍了该技术产业化的成功推广。因此,期望在达到镀料高离化率的同时,兼顾高速沉积是本研究的主要目的,为此本文提出一种创新性的研究思路,利用自主研发的双级脉冲电场,通过分别调控两个脉冲阶段的电场参量引发阴极靶面气体放电由辉光向弧光转变,借助弧光放电产生的高密度等离子体,增强靶面氩离子的碰撞动能和金属靶材产生的焦耳热,诱发镀料以高离化率、高产额的热发射方式脱离靶材。实验结果表明：在持续提高铜靶和钛靶的靶电流密度时,阴极靶材与阳极腔体间的伏安特性会由正比例的递增关系转变为反比例的递减关系,这说明气体放电会由辉光放电向弧光放电转变,并以此诱发镀料由碰撞溅射脱靶转变为溅射+热发射脱靶。实验以钛靶作为研究对象,采用双级脉冲电场在提高钛靶电流密度时,靶面形貌由具有阶梯状直线条纹的多边形凹坑结构转变为具有直线条纹的多边形凹坑和水流波纹状的圆形凹坑的混合结构,说明此时靶面镀料的脱靶方式除典型的碰撞溅射外,已逐渐向碰撞溅射加热发射双重脱靶方式转变,镀层的沉积速率也由6 nm/min大幅增大至26 nm/min。
2022, 51(9):3282-3288.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210715
摘要:
采用选区激光熔化(SLM)和选区电子束熔化(SEBM)技术成形纯钨,对比研究了两种成形方法对纯钨的宏/微观组织和力学性能的影响,利用SEM和EBSD等表征技术,分析了裂纹萌生位置及形成机制。研究结果表明,通过调控纯钨打印过程的工艺参数,可有效地减少 SLM和SEBM成形样品内部的裂纹。SLM和SEBM打印态纯钨的致密度和硬度与输入样品的能量密度呈正比例关系。与SLM相比,SEBM成形时样品内部的温度梯度更低,热应力累积更少,成形后样品中的裂纹更少。SLM打印态样品的内部裂纹多存在于搭接区域,SLM和SEBM制备过程中产生的裂纹均具有沿晶界分布的特征,而且裂纹多萌生于大角度晶界。
采用选区激光熔化(SLM)和选区电子束熔化(SEBM)技术成形纯钨,对比研究了两种成形方法对纯钨的宏/微观组织和力学性能的影响,利用SEM和EBSD等表征技术,分析了裂纹萌生位置及形成机制。研究结果表明,通过调控纯钨打印过程的工艺参数,可有效地减少 SLM和SEBM成形样品内部的裂纹。SLM和SEBM打印态纯钨的致密度和硬度与输入样品的能量密度呈正比例关系。与SLM相比,SEBM成形时样品内部的温度梯度更低,热应力累积更少,成形后样品中的裂纹更少。SLM打印态样品的内部裂纹多存在于搭接区域,SLM和SEBM制备过程中产生的裂纹均具有沿晶界分布的特征,而且裂纹多萌生于大角度晶界。
2022, 51(9):3289-3296.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210702
摘要:
本工作以Inconel 625合金作为参照对象,基于界面调控的合金设计思路,采用热力学软件设计出一种低合金化低层错能的镍基变形高温合金。通过表面机械碾压处理(SMGT)技术,研究层错能对镍基合金梯度结构的演化机制和晶粒细化机制的影响规律。结果表明,经SMGT处理在Inconel 625合金、M1和M2合金表层中分别制备出了450 μm、300 μm和250 μm厚的梯度结构层。此外,不同合金梯度组织的演化机制也不同,在Inconel 625合金中,随着应变的逐渐增加,其微观结构细化机制逐步从位错分割机制转变为剪切带和孪晶分割机制；而在M合金中,以形变孪晶分割机制为主。因此,基于设计理念及对应的组织演变机制,可为低层错能镍基变形高温合金的成分设计提供一定的参考。
本工作以Inconel 625合金作为参照对象,基于界面调控的合金设计思路,采用热力学软件设计出一种低合金化低层错能的镍基变形高温合金。通过表面机械碾压处理(SMGT)技术,研究层错能对镍基合金梯度结构的演化机制和晶粒细化机制的影响规律。结果表明,经SMGT处理在Inconel 625合金、M1和M2合金表层中分别制备出了450 μm、300 μm和250 μm厚的梯度结构层。此外,不同合金梯度组织的演化机制也不同,在Inconel 625合金中,随着应变的逐渐增加,其微观结构细化机制逐步从位错分割机制转变为剪切带和孪晶分割机制；而在M合金中,以形变孪晶分割机制为主。因此,基于设计理念及对应的组织演变机制,可为低层错能镍基变形高温合金的成分设计提供一定的参考。
2022, 51(9):3297-3306.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210703
摘要:
当金属件的特征尺寸缩小到微尺度时,会产生尺寸效应,从而使对微成形的理解变得复杂。本文以0.1mm厚的时效态Inconel 718薄板为研究对象,对其进行了力学性能测试。基于力学测试数据,探究了时效态Inconel 718薄板在相同应变速率、不同拉伸方向上各向异性、延伸率、屈服强度及最大抗拉强度的变化规律,并建立了介微观尺度下各向异性及屈服强度的预测模型和考虑应变量及应变速率的准静态硬化模型。结果表明：时效态Inconel 718薄板具有明显的各向异性,其延伸率以45°为极值点呈现先增大后减小的变化规律,屈服强度和最大抗拉强度的变化规律与之相反。由于尺寸效应的存在需要两组不同的材料参数对各向异性及屈服强度进行预测。当应变速率大于0.1 s-1时,材料屈服强度表现出明显的应变速率敏感性,该硬化模型不再适用。
当金属件的特征尺寸缩小到微尺度时,会产生尺寸效应,从而使对微成形的理解变得复杂。本文以0.1mm厚的时效态Inconel 718薄板为研究对象,对其进行了力学性能测试。基于力学测试数据,探究了时效态Inconel 718薄板在相同应变速率、不同拉伸方向上各向异性、延伸率、屈服强度及最大抗拉强度的变化规律,并建立了介微观尺度下各向异性及屈服强度的预测模型和考虑应变量及应变速率的准静态硬化模型。结果表明：时效态Inconel 718薄板具有明显的各向异性,其延伸率以45°为极值点呈现先增大后减小的变化规律,屈服强度和最大抗拉强度的变化规律与之相反。由于尺寸效应的存在需要两组不同的材料参数对各向异性及屈服强度进行预测。当应变速率大于0.1 s-1时,材料屈服强度表现出明显的应变速率敏感性,该硬化模型不再适用。
2022, 51(9):3307-3315.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220284
摘要:
基于Gleeble等温热压缩实验,并结合OM、SEM、EBSD等分析手段,系统研究了一种新型热挤压态第三代镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)在超塑性压缩变形过程中的流动特性和微观组织演化规律。给出了不同温度1050、1100 ℃,不同应变速率0.001、0.005 s-1,不同变形量(应变)条件下的超塑性变形行为及其变形机理。结果表明：FGH4113A(WZ-A3)合金在热压缩变形过程中表现出良好的超塑性,未发现孔洞或裂纹；1100 ℃/0.001 s-1大变形后期(60%-80%变形量)晶粒有长大趋势,其余变形条件晶粒尺寸变化不大；在超塑性压缩变形过程中,累积的位错主要通过动态回复和动态再结晶所湮灭,晶界滑移是发生大变形而未开裂的主要原因。研究结果为新型的FGH4113A(WZ-A3)合金超塑性等温锻造工艺制定奠定了良好的基础。
基于Gleeble等温热压缩实验,并结合OM、SEM、EBSD等分析手段,系统研究了一种新型热挤压态第三代镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)在超塑性压缩变形过程中的流动特性和微观组织演化规律。给出了不同温度1050、1100 ℃,不同应变速率0.001、0.005 s-1,不同变形量(应变)条件下的超塑性变形行为及其变形机理。结果表明：FGH4113A(WZ-A3)合金在热压缩变形过程中表现出良好的超塑性,未发现孔洞或裂纹；1100 ℃/0.001 s-1大变形后期(60%-80%变形量)晶粒有长大趋势,其余变形条件晶粒尺寸变化不大；在超塑性压缩变形过程中,累积的位错主要通过动态回复和动态再结晶所湮灭,晶界滑移是发生大变形而未开裂的主要原因。研究结果为新型的FGH4113A(WZ-A3)合金超塑性等温锻造工艺制定奠定了良好的基础。
2022, 51(9):3316-3322.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210699
摘要:
本文基于微观相场法和原子间相互作用势方程，计算出Co-Pt合金中L10结构第一近邻原子间相互作用势，计算结果得到Co-Pt合金中L10结构第一近邻原子间相互作用势随温度增大而增大，随浓度增大而增大，且计算得到的随温度和浓度变化的原子间相互作用势与之前的实验值符合较好。利用计算的原子间相互作用势模拟了Co-Pt合金沉淀过程以及最终形貌，模拟结果能得到L10和L12结构，根据序参数可以得到L10结构的沉淀转变机制特征是失稳分解，而后粗化长大且最终两相体积分数接近，合金沉淀形貌与实验结果符合。相场法计算Co-Pt合金中L10结构原子间相互作用势，拓展了相场法在含L10结构的合金设计中的应用范围。
本文基于微观相场法和原子间相互作用势方程，计算出Co-Pt合金中L10结构第一近邻原子间相互作用势，计算结果得到Co-Pt合金中L10结构第一近邻原子间相互作用势随温度增大而增大，随浓度增大而增大，且计算得到的随温度和浓度变化的原子间相互作用势与之前的实验值符合较好。利用计算的原子间相互作用势模拟了Co-Pt合金沉淀过程以及最终形貌，模拟结果能得到L10和L12结构，根据序参数可以得到L10结构的沉淀转变机制特征是失稳分解，而后粗化长大且最终两相体积分数接近，合金沉淀形貌与实验结果符合。相场法计算Co-Pt合金中L10结构原子间相互作用势，拓展了相场法在含L10结构的合金设计中的应用范围。
2022, 51(9):3323-3329.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210730
摘要:
采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及X射线衍射仪(XRD)等设备对46Fe-33Ni-15Cr和50Fe-27Ni-20Cr两种气阀合金中的析出相进行了研究,结果表明,固溶时效后,46Fe-33Ni-15Cr合金中有γ"相、σ相和MC相,而50Fe-27Ni-20Cr合金中有γ"相、σ相、MC相和Laves相；46Fe-33Ni-15Cr合金中的γ"相有球状和胞状两种形态,50Fe-27Ni-20Cr合金中的γ"相都呈球状,尺寸略小,约为20nm~40nm；46Fe-33Ni-15Cr合金中的σ相成条状沿晶界分布,50Fe-27Ni-20Cr合金中的σ相呈针状与晶界呈一定位向分布。在700℃时效2000小时,随着时效时间的延长,46Fe-33Ni-15Cr中的σ相数量增长幅度远大于50Fe-27Ni-20Cr。
采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及X射线衍射仪(XRD)等设备对46Fe-33Ni-15Cr和50Fe-27Ni-20Cr两种气阀合金中的析出相进行了研究,结果表明,固溶时效后,46Fe-33Ni-15Cr合金中有γ"相、σ相和MC相,而50Fe-27Ni-20Cr合金中有γ"相、σ相、MC相和Laves相；46Fe-33Ni-15Cr合金中的γ"相有球状和胞状两种形态,50Fe-27Ni-20Cr合金中的γ"相都呈球状,尺寸略小,约为20nm~40nm；46Fe-33Ni-15Cr合金中的σ相成条状沿晶界分布,50Fe-27Ni-20Cr合金中的σ相呈针状与晶界呈一定位向分布。在700℃时效2000小时,随着时效时间的延长,46Fe-33Ni-15Cr中的σ相数量增长幅度远大于50Fe-27Ni-20Cr。
2022, 51(9):3330-3335.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210747
摘要:
铂(Pt)具有优良的催化活性,在能源和储能等领域都有广泛应用。研究表明,Pt的催化能力取决于表面活性位点的数量和种类,但其表面活性的调控机制尚不完全清楚。本研究利用分子动力学方法,基于LAMMPS软件,研究了Pt 纳米粒子的结构特性和相变规律。结果表明,Pt纳米粒子无序原子占比随粒子半径增大而减小,Pt纳米粒子的整体熔化温度随着粒子半径的减小而减小。此外,Pt纳米粒子根据配位数可以更深入地划分为核心和壳体两个部分,核心的配位数与块体材料相同为12,壳体的厚度为0.27 nm (约为2层原子的厚度),且其配位数随核心距离的增大而减小。这一独特的核壳结构中壳体原子的势能比核心原子低。研究发现温度为1300K时,粒子半径为3nm Pt壳层原子熔化,而核内原子未熔化；因此,通过相变规律可以调控Pt催化剂的结构特性,为表面活性的调控提供理论依据。
铂(Pt)具有优良的催化活性,在能源和储能等领域都有广泛应用。研究表明,Pt的催化能力取决于表面活性位点的数量和种类,但其表面活性的调控机制尚不完全清楚。本研究利用分子动力学方法,基于LAMMPS软件,研究了Pt 纳米粒子的结构特性和相变规律。结果表明,Pt纳米粒子无序原子占比随粒子半径增大而减小,Pt纳米粒子的整体熔化温度随着粒子半径的减小而减小。此外,Pt纳米粒子根据配位数可以更深入地划分为核心和壳体两个部分,核心的配位数与块体材料相同为12,壳体的厚度为0.27 nm (约为2层原子的厚度),且其配位数随核心距离的增大而减小。这一独特的核壳结构中壳体原子的势能比核心原子低。研究发现温度为1300K时,粒子半径为3nm Pt壳层原子熔化,而核内原子未熔化；因此,通过相变规律可以调控Pt催化剂的结构特性,为表面活性的调控提供理论依据。
2022, 51(9):3336-3344.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210693
摘要:
为了探讨脉冲磁场对TC4钛合金析出行为的影响，本文在其时效过程中施加了脉冲磁场，分别在形核阶段和长大阶段进行观察与分析，利用扫描电镜、透射电镜、拉伸试验机研究脉冲磁场在TC4时效过程中对显微组织、强度和塑性的的影响，并通过经典形核理论及扩散理论分析了脉冲磁场在时效过程中的作用机理。结果表明，由于脉冲磁场的加入，TC4析出速度明显提高，相同时间下析出相体积分数增加，在保证力学性能的前提下，降低了时效所需的时间。施加脉冲磁场时效2h相较于未施加脉冲磁场4h塑性提高了22.67%，抗拉强度基本一致。在脉冲磁场和温度场耦合作用下时效，可使TC4提前（2h）进入过时效阶段；在拉伸断口方面，施加脉冲磁场在2h前断口形貌为韧窝断口，但当时间增加至2h后，断口逐渐转变为准解理断口形貌，表明脉冲磁场可以加速时效进程。分析认为，脉冲磁场通过磁吉布斯自由能促进了TC4在时效过程中次生相的析出及长大，是由于降低临界形核功和促进原子扩散的协同效应所致。
为了探讨脉冲磁场对TC4钛合金析出行为的影响，本文在其时效过程中施加了脉冲磁场，分别在形核阶段和长大阶段进行观察与分析，利用扫描电镜、透射电镜、拉伸试验机研究脉冲磁场在TC4时效过程中对显微组织、强度和塑性的的影响，并通过经典形核理论及扩散理论分析了脉冲磁场在时效过程中的作用机理。结果表明，由于脉冲磁场的加入，TC4析出速度明显提高，相同时间下析出相体积分数增加，在保证力学性能的前提下，降低了时效所需的时间。施加脉冲磁场时效2h相较于未施加脉冲磁场4h塑性提高了22.67%，抗拉强度基本一致。在脉冲磁场和温度场耦合作用下时效，可使TC4提前（2h）进入过时效阶段；在拉伸断口方面，施加脉冲磁场在2h前断口形貌为韧窝断口，但当时间增加至2h后，断口逐渐转变为准解理断口形貌，表明脉冲磁场可以加速时效进程。分析认为，脉冲磁场通过磁吉布斯自由能促进了TC4在时效过程中次生相的析出及长大，是由于降低临界形核功和促进原子扩散的协同效应所致。
2022, 51(9):3345-3352.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210717
摘要:
研究了Ti-Al-Mo系钛合金熔池凝固后的高温焊缝金属在500~1300℃范围内不同温度下冷却过程中的非等温氧化行为，对比分析了空气和CO2两种气氛环境下的氧化行为机制。采用氧化增重法、XRD、SEM和XPS等分析测试手段研究了试样表面氧化程度、氧化膜形貌和物相等，结果表明：相比空气气氛，CO2气氛中试样氧化程度更低，并且其氧化层的氧化物颗粒尺寸更小，致密度更高。两种气氛下氧化层主要物相均为金红石型TiO2，在最表层为(TiO2+Al2O3)混合氧化物，并且CO2气氛下所含Al2O3比例更高。CO2气氛下的氧化层孔隙率更低，减少了CO2向内部基体的扩散，同时钛合金与CO2的热力学反应倾向显著低于空气，因此钛合金在CO2环境气氛中进行焊接将具有更低的氧化倾向，CO2可以作为钛合金焊缝金属冷却过程中一定温度范围内的保护气体。
研究了Ti-Al-Mo系钛合金熔池凝固后的高温焊缝金属在500~1300℃范围内不同温度下冷却过程中的非等温氧化行为，对比分析了空气和CO2两种气氛环境下的氧化行为机制。采用氧化增重法、XRD、SEM和XPS等分析测试手段研究了试样表面氧化程度、氧化膜形貌和物相等，结果表明：相比空气气氛，CO2气氛中试样氧化程度更低，并且其氧化层的氧化物颗粒尺寸更小，致密度更高。两种气氛下氧化层主要物相均为金红石型TiO2，在最表层为(TiO2+Al2O3)混合氧化物，并且CO2气氛下所含Al2O3比例更高。CO2气氛下的氧化层孔隙率更低，减少了CO2向内部基体的扩散，同时钛合金与CO2的热力学反应倾向显著低于空气，因此钛合金在CO2环境气氛中进行焊接将具有更低的氧化倾向，CO2可以作为钛合金焊缝金属冷却过程中一定温度范围内的保护气体。
2022, 51(9):3353-3359.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210741
摘要:
对TC21钛合金进行三重热处理试验,研究了热处理温度和冷却速率对TC21钛合金网篮组织及拉伸性能的影响。结果表明,TC21合金在β单相区高温(990℃)固溶后,再经历两相区高温(870~910℃)时效和低温(590℃)时效后,合金的显微组织呈现典型的网篮组织。随着第二重热处理温度的上升,片状α相含量和长度显著降低,厚度增加,合金的强度增加,塑性下降。经不同的冷却速率处理后,水冷和空冷试样的显微组织均由α相、β相和马氏体α′组成,而炉冷试样仅由α相和β相组成。三者的拉伸性能相比较,水冷和空冷试样表现为强度较好,塑形较差；炉冷试样表现为塑形较好,强度较差。TC21合金较好的三重热处理工艺为：990 ℃/1 h AC+870℃/1 h AC+590℃/4 h AC。
对TC21钛合金进行三重热处理试验,研究了热处理温度和冷却速率对TC21钛合金网篮组织及拉伸性能的影响。结果表明,TC21合金在β单相区高温(990℃)固溶后,再经历两相区高温(870~910℃)时效和低温(590℃)时效后,合金的显微组织呈现典型的网篮组织。随着第二重热处理温度的上升,片状α相含量和长度显著降低,厚度增加,合金的强度增加,塑性下降。经不同的冷却速率处理后,水冷和空冷试样的显微组织均由α相、β相和马氏体α′组成,而炉冷试样仅由α相和β相组成。三者的拉伸性能相比较,水冷和空冷试样表现为强度较好,塑形较差；炉冷试样表现为塑形较好,强度较差。TC21合金较好的三重热处理工艺为：990 ℃/1 h AC+870℃/1 h AC+590℃/4 h AC。
2022, 51(9):3360-3365.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210762
摘要:
针对激光熔覆制备SiCf/Ti-6Al-4V复合材料过程中反应时间短和扩散时间短的问题，开展了不同真空热暴露条件下SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面特性和微观力学性能的研究。借助扫描电子显微镜SEM、能谱仪EDS、透射电子显微镜TEM、纳米压痕仪，表征了经不同温度、不同时间真空热暴露后界面反应层厚度、界面处化学成分、微观力学性能。研究发现，激光熔覆叠层技术制备复合材料过程中增强体、C涂层、基体之间会发生界面反应，其主要界面反应产物为TiC。短时真空热暴露会使得界面反应层厚度增加，C涂层厚度减小，随着热暴露时间延长，反应层的生长符合抛物线规律，反应的动力学参数频率因子k0 =6.005×10-3 m.s-1/2，反应激活能Q=143.13 kJ.mol-1。经900 ℃短时真空热暴露，纤维、C涂层、基体及界面反应层的硬度值和弹性模量没有发生明显的变化，表明该材料在900℃及以下温度具有良好的短时热稳定性。
针对激光熔覆制备SiCf/Ti-6Al-4V复合材料过程中反应时间短和扩散时间短的问题，开展了不同真空热暴露条件下SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面特性和微观力学性能的研究。借助扫描电子显微镜SEM、能谱仪EDS、透射电子显微镜TEM、纳米压痕仪，表征了经不同温度、不同时间真空热暴露后界面反应层厚度、界面处化学成分、微观力学性能。研究发现，激光熔覆叠层技术制备复合材料过程中增强体、C涂层、基体之间会发生界面反应，其主要界面反应产物为TiC。短时真空热暴露会使得界面反应层厚度增加，C涂层厚度减小，随着热暴露时间延长，反应层的生长符合抛物线规律，反应的动力学参数频率因子k0 =6.005×10-3 m.s-1/2，反应激活能Q=143.13 kJ.mol-1。经900 ℃短时真空热暴露，纤维、C涂层、基体及界面反应层的硬度值和弹性模量没有发生明显的变化，表明该材料在900℃及以下温度具有良好的短时热稳定性。
2022, 51(9):3366-3371.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210719
摘要:
本文针对镍基825合金斜轧穿孔生产无缝钢管过程中产生的裂纹现象进行研究分析,通过借助金相组织观察和有限元分析手段对开裂的原因进行了探讨,认为热加工过程中局部温升和增大的剪切应力是导致开裂的主要原因。此外,从管坯初始孔径、初始温度、顶头润滑条件等3个工艺参数的角度对管坯中心开裂现象进行了规律性研究,发现影响管坯局部温升的最主要因素是顶头润滑条件,通过降低顶头摩擦系数可明显降低局部温升现象,而工艺参数对最大切应力的影响并不明显。为此认为斜轧穿孔过程导致的温升是管坯质量控制的最关键影响因素。
本文针对镍基825合金斜轧穿孔生产无缝钢管过程中产生的裂纹现象进行研究分析,通过借助金相组织观察和有限元分析手段对开裂的原因进行了探讨,认为热加工过程中局部温升和增大的剪切应力是导致开裂的主要原因。此外,从管坯初始孔径、初始温度、顶头润滑条件等3个工艺参数的角度对管坯中心开裂现象进行了规律性研究,发现影响管坯局部温升的最主要因素是顶头润滑条件,通过降低顶头摩擦系数可明显降低局部温升现象,而工艺参数对最大切应力的影响并不明显。为此认为斜轧穿孔过程导致的温升是管坯质量控制的最关键影响因素。
2022, 51(9):3372-3380.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210740
摘要:
采用真空感应炉制备了一种高Al+Ti含量镍基变形高温合金铸锭，然后将其重熔成三种Zr含量的铸锭。观察了这些铸锭的显微组织并对其进行了均匀化处理，重点研究了Zr对这类合金均匀化后显微组织演变的影响。结果表明，Zr对铸锭原始晶粒的尺寸和形貌没有明显影响。添加Zr显著促进了非平衡(γ + γ′)共晶和富Zr相在枝晶间析出，并且增加了枝晶间区域显微孔洞的形成。经均匀化处理后，三种Zr含量铸锭中的非平衡相完全溶解，枝晶偏析明显减轻，晶粒发生了明显长大，且Zr含量越高晶粒长大的越显著。三种Zr含量铸锭中显微孔洞的尺寸和面积分数均较原始铸态的明显增加，且Zr含量越高孔洞形成越多。Zr增加铸态合金中孔洞形成主要与Zr向剩余液相中的富集阻碍合金凝固有关。Zr促进均匀化过程中晶粒长大和孔洞形成的主要原因是，较多(γ + γ′)共晶和富Zr相的析出加剧了溶质元素间的相互扩散。
采用真空感应炉制备了一种高Al+Ti含量镍基变形高温合金铸锭，然后将其重熔成三种Zr含量的铸锭。观察了这些铸锭的显微组织并对其进行了均匀化处理，重点研究了Zr对这类合金均匀化后显微组织演变的影响。结果表明，Zr对铸锭原始晶粒的尺寸和形貌没有明显影响。添加Zr显著促进了非平衡(γ + γ′)共晶和富Zr相在枝晶间析出，并且增加了枝晶间区域显微孔洞的形成。经均匀化处理后，三种Zr含量铸锭中的非平衡相完全溶解，枝晶偏析明显减轻，晶粒发生了明显长大，且Zr含量越高晶粒长大的越显著。三种Zr含量铸锭中显微孔洞的尺寸和面积分数均较原始铸态的明显增加，且Zr含量越高孔洞形成越多。Zr增加铸态合金中孔洞形成主要与Zr向剩余液相中的富集阻碍合金凝固有关。Zr促进均匀化过程中晶粒长大和孔洞形成的主要原因是，较多(γ + γ′)共晶和富Zr相的析出加剧了溶质元素间的相互扩散。
2022, 51(9):3381-3393.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210757
摘要:
用带有能谱仪和电子背散射衍射仪（Electron Back-Scatter Diffractometer，EBSD）的扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、金相显微镜（Optical Microscope，OM）、热模拟试验机等对比研究了不同粉末粒度制备的一种新型镍基粉末高温合金（WZ-A3）在不同热压缩变形条件下的变形行为和组织差异性，结果表明：相比细粉制备的HIP-01而言，粗粉枝晶组织明显，成分偏析严重，其制备的HIP-02样品中残余粗大γ′较多。低温（1050℃、1080℃）高应变速率（1/s、0.1/s）时，HIP-01样品峰值应力值高于HIP-02。热压缩后HIP-01样品边缘开裂情况较HIP-02严重，HIP-01样品保留了大部分原始热等静压组织，裂纹优先在粉末原始颗粒边界（Prior Particle Boundary，PPB）处产生，HIP-02边缘出现了部分再结晶组织。1080℃-0.001/s时，HIP-02样品峰值应力较HIP-01样品低约30MPa，HIP-02样品热压缩过程再结晶现象明显，再结晶晶粒均匀，HIP-01样品出现项链晶组织，再结晶不充分。粗大γ′有利于促进1050℃和1080℃时HIP-02样品的再结晶。高温（1150℃）低应变速率（0.001/s、0.01/s）时，γ′全部溶解进基体γ中，两者热变形行为接近，样品均未出现开裂，组织全部发生完全再结晶，1150℃-0.001/s均出现异常长大晶粒。
用带有能谱仪和电子背散射衍射仪（Electron Back-Scatter Diffractometer，EBSD）的扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、金相显微镜（Optical Microscope，OM）、热模拟试验机等对比研究了不同粉末粒度制备的一种新型镍基粉末高温合金（WZ-A3）在不同热压缩变形条件下的变形行为和组织差异性，结果表明：相比细粉制备的HIP-01而言，粗粉枝晶组织明显，成分偏析严重，其制备的HIP-02样品中残余粗大γ′较多。低温（1050℃、1080℃）高应变速率（1/s、0.1/s）时，HIP-01样品峰值应力值高于HIP-02。热压缩后HIP-01样品边缘开裂情况较HIP-02严重，HIP-01样品保留了大部分原始热等静压组织，裂纹优先在粉末原始颗粒边界（Prior Particle Boundary，PPB）处产生，HIP-02边缘出现了部分再结晶组织。1080℃-0.001/s时，HIP-02样品峰值应力较HIP-01样品低约30MPa，HIP-02样品热压缩过程再结晶现象明显，再结晶晶粒均匀，HIP-01样品出现项链晶组织，再结晶不充分。粗大γ′有利于促进1050℃和1080℃时HIP-02样品的再结晶。高温（1150℃）低应变速率（0.001/s、0.01/s）时，γ′全部溶解进基体γ中，两者热变形行为接近，样品均未出现开裂，组织全部发生完全再结晶，1150℃-0.001/s均出现异常长大晶粒。
2022, 51(9):3394-3402.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210748
摘要:
研究了固溶时效处理对一研制的Re、Ru含量分别为4.0%(质量分数)的第四代镍基单晶高温合金DD476的组织及持久性能的影响。铸态试样存在明显的成分偏析,由于Al、Ti元素较少,枝晶间的γ/γ’共晶组织含量偏低。固溶处理过程中,共晶组织在1310℃下基本消除,但直到1340℃才完全消除枝晶干和枝晶间的差异且此时除了Re其他元素偏析有明显的改善。四代单晶的优势在于提高了合金在高温下的力学性能尤其是持久性能,固溶时效后单晶合金在950℃/300MPa下持久寿命约为二代单晶的两倍,而在1150℃/100MPa下持久寿命与二代单晶MC2相比更是提高了10倍以上。整个固溶时效处理过程中没有出现TCP相,合金中Ru元素的添加可能是抑制TCP相析出的主要原因。
研究了固溶时效处理对一研制的Re、Ru含量分别为4.0%(质量分数)的第四代镍基单晶高温合金DD476的组织及持久性能的影响。铸态试样存在明显的成分偏析,由于Al、Ti元素较少,枝晶间的γ/γ’共晶组织含量偏低。固溶处理过程中,共晶组织在1310℃下基本消除,但直到1340℃才完全消除枝晶干和枝晶间的差异且此时除了Re其他元素偏析有明显的改善。四代单晶的优势在于提高了合金在高温下的力学性能尤其是持久性能,固溶时效后单晶合金在950℃/300MPa下持久寿命约为二代单晶的两倍,而在1150℃/100MPa下持久寿命与二代单晶MC2相比更是提高了10倍以上。整个固溶时效处理过程中没有出现TCP相,合金中Ru元素的添加可能是抑制TCP相析出的主要原因。
2022, 51(9):3403-3408.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210736
摘要:
由于拥有优秀的综合力学性能和抗腐蚀性能，淬火态U-5.7Nb (质量分数，%) 合金是核工业领域重要的结构材料。为了提升其较低的屈服强度，本文通过电弧熔炼制备了不同Ti含量的U-5.7Nb-xTi系列合金样品，并对其相组织结构和力学性能的演化规律进行了研究。随着Ti含量的上升，淬火态U-5.7Nb-xTi合金内首先会在α″相中形成γ0相，随后完全转化为γ0相，当Ti含量进一步上升至1.8% (质量分数) 时整个材料表现出高温奥氏体的体心立方相。将Ti等原子换算为平衡铌浓度Nbeq后，各相成分的边界与U-Nb合金十分吻合。与此同时，U-5.7Nb-xTi合金的硬度随着总合金含量的上升其硬度先下降后上升。通过分析U合金马氏体相变机制及金属材料固溶强化理论，发现U合金的相结构和力学行为分别由高温母相的屈服强度和马氏体相的孪晶能所决定。由于Ti和Nb的原子半径和体模量等物理参量非常相近，导致两者在对母相的固溶强化和对马氏体相孪晶能的贡献相当，进而使得Ti可以等原子替换Nb而对相结构和力学性能的影响较小。根据相同的物理机制，U-Nb-X三元合金（或更多元合金）可通过分析合金元素X的原子半径和体模量等物理参量，较为准确地预测不同X元素添加量对相结构和力学性能的影响，这为U-5.7Nb合金的进一步强化设计提供了理论依据和指导。
由于拥有优秀的综合力学性能和抗腐蚀性能，淬火态U-5.7Nb (质量分数，%) 合金是核工业领域重要的结构材料。为了提升其较低的屈服强度，本文通过电弧熔炼制备了不同Ti含量的U-5.7Nb-xTi系列合金样品，并对其相组织结构和力学性能的演化规律进行了研究。随着Ti含量的上升，淬火态U-5.7Nb-xTi合金内首先会在α″相中形成γ0相，随后完全转化为γ0相，当Ti含量进一步上升至1.8% (质量分数) 时整个材料表现出高温奥氏体的体心立方相。将Ti等原子换算为平衡铌浓度Nbeq后，各相成分的边界与U-Nb合金十分吻合。与此同时，U-5.7Nb-xTi合金的硬度随着总合金含量的上升其硬度先下降后上升。通过分析U合金马氏体相变机制及金属材料固溶强化理论，发现U合金的相结构和力学行为分别由高温母相的屈服强度和马氏体相的孪晶能所决定。由于Ti和Nb的原子半径和体模量等物理参量非常相近，导致两者在对母相的固溶强化和对马氏体相孪晶能的贡献相当，进而使得Ti可以等原子替换Nb而对相结构和力学性能的影响较小。根据相同的物理机制，U-Nb-X三元合金（或更多元合金）可通过分析合金元素X的原子半径和体模量等物理参量，较为准确地预测不同X元素添加量对相结构和力学性能的影响，这为U-5.7Nb合金的进一步强化设计提供了理论依据和指导。
2022, 51(9):3409-3418.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210749
摘要:
本文通过原位合成法制备5 wt.% ZrB2p/6061Al复合材料，并对其进行激光焊接组织和力学性能研究。XRD和EDS分析表明，通过Al-K2ZrF6-KBF4原位反应体系成功制备5 wt.% ZrB2p/6061Al复合材料。通过OM和SEM分析，与基体6061Al合金相比，ZrB2p/6061Al复合材料中的纳米ZrB2?颗粒产生的异质形核和钉扎效应对基体晶粒具有一定的晶粒细化作用，但纳米级颗粒团簇体的存在使其细化效果受到局限。进行激光焊接试验，在保证完全焊透的情况下，采用3.6 kW、2.4 m/min的大功率高速焊接可获得成形良好的焊缝。激光快速熔凝过程使基体晶粒进一步高度细化，大量ZrB2团簇体基本消失，ZrB2颗粒基本均匀分散，通过电子显微镜研究ZrB2颗粒的迁移行为，发现激光熔池的熔体搅动和快速凝固过程实现了ZrB2颗粒的两次分布。焊缝组织的优化提高了焊接接头的维氏硬度和抗拉强度，分别最高达到57.3 HV和125.17 MPa，并探讨了焊缝的强化机制。
本文通过原位合成法制备5 wt.% ZrB2p/6061Al复合材料，并对其进行激光焊接组织和力学性能研究。XRD和EDS分析表明，通过Al-K2ZrF6-KBF4原位反应体系成功制备5 wt.% ZrB2p/6061Al复合材料。通过OM和SEM分析，与基体6061Al合金相比，ZrB2p/6061Al复合材料中的纳米ZrB2?颗粒产生的异质形核和钉扎效应对基体晶粒具有一定的晶粒细化作用，但纳米级颗粒团簇体的存在使其细化效果受到局限。进行激光焊接试验，在保证完全焊透的情况下，采用3.6 kW、2.4 m/min的大功率高速焊接可获得成形良好的焊缝。激光快速熔凝过程使基体晶粒进一步高度细化，大量ZrB2团簇体基本消失，ZrB2颗粒基本均匀分散，通过电子显微镜研究ZrB2颗粒的迁移行为，发现激光熔池的熔体搅动和快速凝固过程实现了ZrB2颗粒的两次分布。焊缝组织的优化提高了焊接接头的维氏硬度和抗拉强度，分别最高达到57.3 HV和125.17 MPa，并探讨了焊缝的强化机制。
2022, 51(9):3419-3426.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210722
摘要:
反应堆冷却剂流体振动导致的微动磨损已成为压水堆燃料包壳失效的重要原因。Cr涂层锆合金因抗高温蒸汽氧化能力强、耐腐蚀性能优异，成为最具发展前景的事故容错燃料包壳候选材料之一。然而，目前仍缺乏Cr涂层锆合金包壳微动磨损行为及机理的相关研究。本文采用三维白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪等表征技术对比研究Cr涂层Zr-1Nb合金包壳和Zr-1Nb合金包壳与格架在模拟压水堆一回路水环境下的微动磨损行为及损伤机制。结果表明，Cr涂层显著提高Zr-1Nb合金包壳的抗微动磨损性能。此外，对磨副为刚凸时，Zr-1Nb合金包壳微动磨损机制以磨粒磨损和剥层磨损为主，而Cr涂层Zr-1Nb合金包壳由于表面硬度较高，且表面形成具有保护作用的三体层，其损伤机制以黏着磨损和材料单向转移为主。对磨副为弹簧时，Zr-1Nb合金包壳微动磨损机制主要为剥层和黏着磨损，Cr涂层Zr-1Nb合金包壳主要为磨粒磨损。
反应堆冷却剂流体振动导致的微动磨损已成为压水堆燃料包壳失效的重要原因。Cr涂层锆合金因抗高温蒸汽氧化能力强、耐腐蚀性能优异，成为最具发展前景的事故容错燃料包壳候选材料之一。然而，目前仍缺乏Cr涂层锆合金包壳微动磨损行为及机理的相关研究。本文采用三维白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪等表征技术对比研究Cr涂层Zr-1Nb合金包壳和Zr-1Nb合金包壳与格架在模拟压水堆一回路水环境下的微动磨损行为及损伤机制。结果表明，Cr涂层显著提高Zr-1Nb合金包壳的抗微动磨损性能。此外，对磨副为刚凸时，Zr-1Nb合金包壳微动磨损机制以磨粒磨损和剥层磨损为主，而Cr涂层Zr-1Nb合金包壳由于表面硬度较高，且表面形成具有保护作用的三体层，其损伤机制以黏着磨损和材料单向转移为主。对磨副为弹簧时，Zr-1Nb合金包壳微动磨损机制主要为剥层和黏着磨损，Cr涂层Zr-1Nb合金包壳主要为磨粒磨损。
2022, 51(9):3427-3434.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210694
摘要:
本文采用大气等离子喷涂成功制备了ZrSiO4及Y2O3掺杂ZrSiO4涂层，研究了Y2O3掺杂后ZrSiO4涂层微观组织结构、力学性能，并研究了涂层在1300 ℃下的烧结行为。结果表明，等离子喷涂ZrSiO4涂层主要由ZrSiO4、t-ZrO2、少量的m-ZrO2及无定型SiO2组成，而等离子喷涂ZrSiO4-5%Y2O3涂层主要由c-ZrO2、少量ZrSiO4相及无定型SiO2组成。相较于ZrSiO4涂层，Y2O3掺杂略微提高了ZrSiO4-5%Y2O3涂层的硬度和断裂韧性。在1300 ℃高温烧结48 h后等离子喷涂ZrSiO4涂层中(t,m)-ZrO2和无定型SiO2反应生成重新ZrSiO4相，该反应伴随着体积收缩，使得涂层中存在着大量孔隙和裂纹。相较于纯ZrSiO4涂层， ZrSiO4-5%Y2O3涂层中主要是c-ZrO2相和ZrSiO4相，添加Y2O3有助于涂层中的ZrO2保持在立方相（c-ZrO2），提高了ZrO2的高温相稳定性。
本文采用大气等离子喷涂成功制备了ZrSiO4及Y2O3掺杂ZrSiO4涂层，研究了Y2O3掺杂后ZrSiO4涂层微观组织结构、力学性能，并研究了涂层在1300 ℃下的烧结行为。结果表明，等离子喷涂ZrSiO4涂层主要由ZrSiO4、t-ZrO2、少量的m-ZrO2及无定型SiO2组成，而等离子喷涂ZrSiO4-5%Y2O3涂层主要由c-ZrO2、少量ZrSiO4相及无定型SiO2组成。相较于ZrSiO4涂层，Y2O3掺杂略微提高了ZrSiO4-5%Y2O3涂层的硬度和断裂韧性。在1300 ℃高温烧结48 h后等离子喷涂ZrSiO4涂层中(t,m)-ZrO2和无定型SiO2反应生成重新ZrSiO4相，该反应伴随着体积收缩，使得涂层中存在着大量孔隙和裂纹。相较于纯ZrSiO4涂层， ZrSiO4-5%Y2O3涂层中主要是c-ZrO2相和ZrSiO4相，添加Y2O3有助于涂层中的ZrO2保持在立方相（c-ZrO2），提高了ZrO2的高温相稳定性。
2022, 51(9):3435-3442.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210760
摘要:
用预退火-轧制-重熔应变诱导熔化激活法制备半固态浆料并进行反挤压成形制备铜合金轴套零件,研究预退火时间对铜合金轴套显微组织、硬度、力学性能的影响规律。结果表明：预退火时间对半固态铜合金轴套组织、力学性能、硬度的影响较大。预退火处理后ZCuSn10P1铜合金固相晶粒中Sn含量趋于均匀,700 ℃退火处理改善了ZCuSn10P1铜合金的元素偏析倾向。随着预退火时间增加,半固态铜合金轴套组织的平均晶粒尺寸逐渐增加,形状因子和液相率逐渐减小；轴套布氏硬度降低,抗拉强度和延伸率先增加后降低。综合性能较佳的预退火工艺为700 ℃退火2 h,此时ZCuSn10P1铜合金轴套组织均匀性好、元素分布更均匀,轴套平均晶粒尺寸为：73.06 μm,平均形状因子为0.72,抗拉强度为382 MPa,延伸率为5.5%,平均布氏硬度为127 HBW。
用预退火-轧制-重熔应变诱导熔化激活法制备半固态浆料并进行反挤压成形制备铜合金轴套零件,研究预退火时间对铜合金轴套显微组织、硬度、力学性能的影响规律。结果表明：预退火时间对半固态铜合金轴套组织、力学性能、硬度的影响较大。预退火处理后ZCuSn10P1铜合金固相晶粒中Sn含量趋于均匀,700 ℃退火处理改善了ZCuSn10P1铜合金的元素偏析倾向。随着预退火时间增加,半固态铜合金轴套组织的平均晶粒尺寸逐渐增加,形状因子和液相率逐渐减小；轴套布氏硬度降低,抗拉强度和延伸率先增加后降低。综合性能较佳的预退火工艺为700 ℃退火2 h,此时ZCuSn10P1铜合金轴套组织均匀性好、元素分布更均匀,轴套平均晶粒尺寸为：73.06 μm,平均形状因子为0.72,抗拉强度为382 MPa,延伸率为5.5%,平均布氏硬度为127 HBW。
2022, 51(9):3443-3450.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210713
摘要:
采用四种形状的搅拌针对3mm厚的6082-T6铝合金进行静轴肩搅拌摩擦焊焊接，研究了不同形状搅拌针焊接接头的宏观形貌，微观组织，力学性能和断口形貌，以及搅拌针的产热。结果表明三角形搅拌针与四边形搅拌针产热较低，动静体积比较大，接头处塑性金属流动性强，焊接过程中焊缝顶部与底部温差较小，可以形成无缺陷的SSFSW接头；XRD分析表明，焊核区无新的物相产生，三角形搅拌针焊接接头焊核区微晶尺寸最小；各接头的硬度均呈“U”形分布，最低点位于后退侧热机影响区与焊核区交界处，三角形搅拌针接头的硬度整体略高；三角形搅拌针焊接接头的抗拉强度与断后伸长率最高，分别为202.9MPa和3.8%；拉伸断口形貌分析表明，所有接头均为韧性断裂。
采用四种形状的搅拌针对3mm厚的6082-T6铝合金进行静轴肩搅拌摩擦焊焊接，研究了不同形状搅拌针焊接接头的宏观形貌，微观组织，力学性能和断口形貌，以及搅拌针的产热。结果表明三角形搅拌针与四边形搅拌针产热较低，动静体积比较大，接头处塑性金属流动性强，焊接过程中焊缝顶部与底部温差较小，可以形成无缺陷的SSFSW接头；XRD分析表明，焊核区无新的物相产生，三角形搅拌针焊接接头焊核区微晶尺寸最小；各接头的硬度均呈“U”形分布，最低点位于后退侧热机影响区与焊核区交界处，三角形搅拌针接头的硬度整体略高；三角形搅拌针焊接接头的抗拉强度与断后伸长率最高，分别为202.9MPa和3.8%；拉伸断口形貌分析表明，所有接头均为韧性断裂。
2022, 51(9):3451-3458.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210758
摘要:
本文采用异步轧制工艺对7075铝合金半固态坯料进行形变热处理。研究了再结晶退火工艺对变形半固态板材的组织演变及力学性能的影响。重点分析了各工艺参数条件下获得退火板材的再结晶程度及晶粒尺寸变化趋势,梳理了变形半固态板材退火过程中的再结晶机制。结果表明：显微组织的再结晶顺序依次为变形共晶相、变形初生固相、变形晶内小“液滴”。当退火工艺参数为470 ℃保温20 min时,退火板材的再结晶晶粒尺寸较小,综合力学性能较优,此退火板材的抗拉强度和伸长率依次为408 MPa、28%。退火温度的升高将导致板材由脆性断裂向韧性断裂方式转变,但过高的退火温度将引起板材的热裂,将极大地降低板材的力学性能。
本文采用异步轧制工艺对7075铝合金半固态坯料进行形变热处理。研究了再结晶退火工艺对变形半固态板材的组织演变及力学性能的影响。重点分析了各工艺参数条件下获得退火板材的再结晶程度及晶粒尺寸变化趋势,梳理了变形半固态板材退火过程中的再结晶机制。结果表明：显微组织的再结晶顺序依次为变形共晶相、变形初生固相、变形晶内小“液滴”。当退火工艺参数为470 ℃保温20 min时,退火板材的再结晶晶粒尺寸较小,综合力学性能较优,此退火板材的抗拉强度和伸长率依次为408 MPa、28%。退火温度的升高将导致板材由脆性断裂向韧性断裂方式转变,但过高的退火温度将引起板材的热裂,将极大地降低板材的力学性能。
2022, 51(9):3459-3465.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210774
摘要:
液体导弹在长期加注贮存的状态下,弹体与贮箱结构常因腐蚀损伤从而导致疲劳裂纹的产生乃至断裂等问题。采用疲劳寿命测试、扫描电镜以及能谱分析等方法,研究了2195-T8铝锂合金在N2O4中预腐蚀180天后的疲劳裂纹萌生、扩展和断裂机理,并与未腐蚀试样进行对比。结果表明：两种环境下试样的疲劳极限为145Mpa、118Mpa,循环应力降低比值约为18.62%；试样在预腐蚀的过程中,由于形成“闭塞区”,同时与富铜相粒子形成原电池,进一步加速腐蚀历程,形成多源裂纹萌生的特征,且更易从非金属夹杂区域起裂；受到晶粒间的位错、堆积等因素的影响,发现了垂直于疲劳辉纹、穿越大晶粒及途经小角度晶界的二次裂纹；两种环境中的疲劳瞬断区的断口形貌呈现出典型的沿晶韧窝和韧性断裂的特征。
液体导弹在长期加注贮存的状态下,弹体与贮箱结构常因腐蚀损伤从而导致疲劳裂纹的产生乃至断裂等问题。采用疲劳寿命测试、扫描电镜以及能谱分析等方法,研究了2195-T8铝锂合金在N2O4中预腐蚀180天后的疲劳裂纹萌生、扩展和断裂机理,并与未腐蚀试样进行对比。结果表明：两种环境下试样的疲劳极限为145Mpa、118Mpa,循环应力降低比值约为18.62%；试样在预腐蚀的过程中,由于形成“闭塞区”,同时与富铜相粒子形成原电池,进一步加速腐蚀历程,形成多源裂纹萌生的特征,且更易从非金属夹杂区域起裂；受到晶粒间的位错、堆积等因素的影响,发现了垂直于疲劳辉纹、穿越大晶粒及途经小角度晶界的二次裂纹；两种环境中的疲劳瞬断区的断口形貌呈现出典型的沿晶韧窝和韧性断裂的特征。
2022, 51(9):3466-3472.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210706
摘要:
氧化铂电极是安全壳内置氢浓度监测传感器的重要元件，因其力学和电催化性不足而使氢传感器处于瓶颈，限制了我国AP1000技术的全面国产化。本文采用反应磁控溅射法在铂基材上成功制备出氧化铂薄膜电极，并探究了不同基底温度对薄膜组成、形貌及电催化性能的影响。结果表明，在Ar/50%O2溅射气氛下可获得由PtO和PtO2组成的氧化铂薄膜。随着温度由室温（RT）升至200℃，非晶态薄膜中氧空位逐渐被修复并转化为晶态，形成具有三维纳米枝晶状、无裂纹的薄膜，其PtO2占比提高，电化学活性面积（ECSA）增加，稳定性提高；而随着温度升至400℃，薄膜中氧空位浓度大幅降低，平均晶粒尺寸进一步增加，PtO2逐步分解为PtO和Pt，ECSA减小，稳定性及氧还原活性降低。
氧化铂电极是安全壳内置氢浓度监测传感器的重要元件，因其力学和电催化性不足而使氢传感器处于瓶颈，限制了我国AP1000技术的全面国产化。本文采用反应磁控溅射法在铂基材上成功制备出氧化铂薄膜电极，并探究了不同基底温度对薄膜组成、形貌及电催化性能的影响。结果表明，在Ar/50%O2溅射气氛下可获得由PtO和PtO2组成的氧化铂薄膜。随着温度由室温（RT）升至200℃，非晶态薄膜中氧空位逐渐被修复并转化为晶态，形成具有三维纳米枝晶状、无裂纹的薄膜，其PtO2占比提高，电化学活性面积（ECSA）增加，稳定性提高；而随着温度升至400℃，薄膜中氧空位浓度大幅降低，平均晶粒尺寸进一步增加，PtO2逐步分解为PtO和Pt，ECSA减小，稳定性及氧还原活性降低。
2022, 51(9):3473-3481.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210765
摘要:
针对选区激光熔化（SLM）成形Mar-M509合金进行了打印工艺参数优化，得到孔隙和微裂纹较少的优化工艺参数。并设计固溶、固溶+时效两种热处理制度，研究热处理对显微组织及力学性能的影响。与直接打印态样品相比，热处理主要导致两种析出相的产生，亮白色近圆形富Cr-Co碳化物颗粒和暗灰色不规则长条形富Ta-W碳化物。室温拉伸试验结果表明，沉积态样品表现出高的抗拉强度和屈服强度，固溶热处理后的抗拉强度降低500MPa，固溶+时效热处理后抗拉强度下降约350MPa。造成强度降低的主要原因是热处理过程中发生了晶粒粗化和残余应力消除。固溶处理后样品中析出物以富Cr- Co碳化物为主，少量大尺寸Ta-W碳化物沿晶界析出。固溶+时效处理后Ta-W碳化物含量增加，以沿晶界和晶内两种方式存在。热处理后材料塑性未得到改善，两种热处理制度均导致产生大量沿晶界析出的碳化物，推测会对材料塑性产生不利影响。为了改善SLM Mar-M509的强度和塑性，需通过热处理工艺对析出碳化物的尺寸和分布进一步调控。
针对选区激光熔化（SLM）成形Mar-M509合金进行了打印工艺参数优化，得到孔隙和微裂纹较少的优化工艺参数。并设计固溶、固溶+时效两种热处理制度，研究热处理对显微组织及力学性能的影响。与直接打印态样品相比，热处理主要导致两种析出相的产生，亮白色近圆形富Cr-Co碳化物颗粒和暗灰色不规则长条形富Ta-W碳化物。室温拉伸试验结果表明，沉积态样品表现出高的抗拉强度和屈服强度，固溶热处理后的抗拉强度降低500MPa，固溶+时效热处理后抗拉强度下降约350MPa。造成强度降低的主要原因是热处理过程中发生了晶粒粗化和残余应力消除。固溶处理后样品中析出物以富Cr- Co碳化物为主，少量大尺寸Ta-W碳化物沿晶界析出。固溶+时效处理后Ta-W碳化物含量增加，以沿晶界和晶内两种方式存在。热处理后材料塑性未得到改善，两种热处理制度均导致产生大量沿晶界析出的碳化物，推测会对材料塑性产生不利影响。为了改善SLM Mar-M509的强度和塑性，需通过热处理工艺对析出碳化物的尺寸和分布进一步调控。
2022, 51(9):3482-3491.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210782
摘要:
采用金属型重力铸造方法制备了Mg-6Al-2Nd-2Ca和Mg-6Al-2Nd-2Ca-1.2Zn合金，并对铸态合金进行均匀化处理和热挤压加工，通过金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、透射电镜和万能拉伸实验机等分析测试方法，研究了Zn元素对Mg-6Al-2Nd-2Ca合金显微组织和力学性能的变化。实验结果表明：Zn元素的加入有助于细化晶粒，Zn在合金中主要以固溶体的形式存在，降低了Al在α-Mg基体中的固溶度，生成更多的Al-Nd相。两种合金经过均匀化处理后，与铸态相比显微组织更加均匀，第二相数量略有减少。经热挤压后，两种合金中的硬脆相被挤碎，晶粒得到明显的细化，力学性能明显提升，在细晶强化、第二相强化的共同作用下Mg-6Al-2Nd-2Ca-1.2Zn合金表现出优良的力学性能，其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为294.0 MPa、197.1 MPa、11.6%。
采用金属型重力铸造方法制备了Mg-6Al-2Nd-2Ca和Mg-6Al-2Nd-2Ca-1.2Zn合金，并对铸态合金进行均匀化处理和热挤压加工，通过金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪、透射电镜和万能拉伸实验机等分析测试方法，研究了Zn元素对Mg-6Al-2Nd-2Ca合金显微组织和力学性能的变化。实验结果表明：Zn元素的加入有助于细化晶粒，Zn在合金中主要以固溶体的形式存在，降低了Al在α-Mg基体中的固溶度，生成更多的Al-Nd相。两种合金经过均匀化处理后，与铸态相比显微组织更加均匀，第二相数量略有减少。经热挤压后，两种合金中的硬脆相被挤碎，晶粒得到明显的细化，力学性能明显提升，在细晶强化、第二相强化的共同作用下Mg-6Al-2Nd-2Ca-1.2Zn合金表现出优良的力学性能，其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为294.0 MPa、197.1 MPa、11.6%。
2022, 51(9):3492-3496.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220051
摘要:
Ag-Cu-Ti合金作为活性焊料可以实现金属-金刚石连接,研究了碳纳米管(CNTs)对Ag-Cu-Ti焊料组织和性能的影响。结果表明：添加碳纳米管可以明显降低焊料在钢基板表面的润湿铺展面积,焊料的熔化温度可以提高~9℃,显著提高焊点的剪切强度,当纳米管添加量为0.2%时,剪切强度达到最大值,提高幅度达49.3%。对Ag-Cu-Ti-xCNTs焊料组织SEM分析,发现碳纳米管(≤0.1%)显著细化焊料基体组织,过量的碳纳米管导致焊料组织明显粗化。对Ag-Cu-Ti-xCNTs焊点断口形貌进行分析,Ag-Cu-Ti-xCNTs(x=0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.5%)焊点呈现明显的韧性断裂特征,Ag-Cu-Ti和Ag-Cu-Ti-1.0CNTs焊点则表现出明显的混合断裂特征。
Ag-Cu-Ti合金作为活性焊料可以实现金属-金刚石连接,研究了碳纳米管(CNTs)对Ag-Cu-Ti焊料组织和性能的影响。结果表明：添加碳纳米管可以明显降低焊料在钢基板表面的润湿铺展面积,焊料的熔化温度可以提高~9℃,显著提高焊点的剪切强度,当纳米管添加量为0.2%时,剪切强度达到最大值,提高幅度达49.3%。对Ag-Cu-Ti-xCNTs焊料组织SEM分析,发现碳纳米管(≤0.1%)显著细化焊料基体组织,过量的碳纳米管导致焊料组织明显粗化。对Ag-Cu-Ti-xCNTs焊点断口形貌进行分析,Ag-Cu-Ti-xCNTs(x=0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.5%)焊点呈现明显的韧性断裂特征,Ag-Cu-Ti和Ag-Cu-Ti-1.0CNTs焊点则表现出明显的混合断裂特征。
48 粉末冶金镁基材料研究进展
2022, 51(9):3497-3509.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210660
摘要:
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振和电磁屏蔽性能好、液态成型和机加工性能优良、易回收再生等优点,在航空航天、地面交通和3C产品等领域具有很好的应用前景。然而,镁合金的绝对强度偏低,耐热和耐腐蚀性能不佳,限制了其更广泛的推广应用。研究和工程实践显示,粉末冶金工艺方法在改善镁基材料力学性能和耐蚀性方面具有很大的潜力。本文综述了粉末冶金镁基材料研究的最新进展,并简要介绍了粉末冶金镁基材料在生物材料、储氢材料和结构材料等领域的应用情况,最后,展望了粉末冶金镁基材料及工艺研究的发展方向。
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减振和电磁屏蔽性能好、液态成型和机加工性能优良、易回收再生等优点,在航空航天、地面交通和3C产品等领域具有很好的应用前景。然而,镁合金的绝对强度偏低,耐热和耐腐蚀性能不佳,限制了其更广泛的推广应用。研究和工程实践显示,粉末冶金工艺方法在改善镁基材料力学性能和耐蚀性方面具有很大的潜力。本文综述了粉末冶金镁基材料研究的最新进展,并简要介绍了粉末冶金镁基材料在生物材料、储氢材料和结构材料等领域的应用情况,最后,展望了粉末冶金镁基材料及工艺研究的发展方向。
2022, 51(9):3510-3523.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210684
摘要:
增材制造为复杂结构金属材料制备及其组织、性能调控提供了全新的可能。在原材料中添加稀土是改善金属增材制造显微组织和性能的可行方法。本文总结了近期关于稀土在金属增材制造的研究工作,在简要介绍增材制造工艺及组织特征的基础上,着重对稀土在其中的作用进行了综述。本文同时讨论了目前稀土在金属增材制造中应用需要明确的几个关键基础问题。通过合理的稀土添加及对应的工艺调整,除了能够优化增材制造金属材料的显微组织和性能,还可能进一步拓展增材制造可加工材料体系的范围。
增材制造为复杂结构金属材料制备及其组织、性能调控提供了全新的可能。在原材料中添加稀土是改善金属增材制造显微组织和性能的可行方法。本文总结了近期关于稀土在金属增材制造的研究工作,在简要介绍增材制造工艺及组织特征的基础上,着重对稀土在其中的作用进行了综述。本文同时讨论了目前稀土在金属增材制造中应用需要明确的几个关键基础问题。通过合理的稀土添加及对应的工艺调整,除了能够优化增材制造金属材料的显微组织和性能,还可能进一步拓展增材制造可加工材料体系的范围。
2022, 51(9):3524-3532.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20210658
摘要:
由于其较高的表面硬度、更好的耐腐蚀性能，尤其是抗辐照性能优越，高熵合金涂层可被用于耐事故燃料组件的表面防护。物理气相沉积技术能够在不损伤基体力学性能的前提下制备出结构致密、界面结合强度高的涂层材料，是理想的燃料组件表面高熵合金涂层制备技术。本文综述了近年来面向耐事故燃料组件用PVD高熵合金金属及陶瓷涂层的研究进展，从耐事故高熵合金涂层的服役工况、成分设计、性能分析、涂层失效机制等方面分析了现有PVD高熵合金涂层体系性能及潜在的问题，提出应从工况条件下的涂层腐蚀劣化机制、结构组元设计、工程化PVD制备工艺等方面完善耐事故用PVD高熵合金涂层的研究，以期获得满足ATF应用的高熵合金涂层。
由于其较高的表面硬度、更好的耐腐蚀性能，尤其是抗辐照性能优越，高熵合金涂层可被用于耐事故燃料组件的表面防护。物理气相沉积技术能够在不损伤基体力学性能的前提下制备出结构致密、界面结合强度高的涂层材料，是理想的燃料组件表面高熵合金涂层制备技术。本文综述了近年来面向耐事故燃料组件用PVD高熵合金金属及陶瓷涂层的研究进展，从耐事故高熵合金涂层的服役工况、成分设计、性能分析、涂层失效机制等方面分析了现有PVD高熵合金涂层体系性能及潜在的问题，提出应从工况条件下的涂层腐蚀劣化机制、结构组元设计、工程化PVD制备工艺等方面完善耐事故用PVD高熵合金涂层的研究，以期获得满足ATF应用的高熵合金涂层。
