2023年第52卷第11期文章目次
2023, 52(11):3715-3722.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230229
摘要:
采用增材制造与熔体渗透相结合的工艺制备了具有双连续相结构的Mg-Ti复合材料。研究了增材制造成形Ti-6Al-4V（TC4）多孔骨架增强体的孔结构类型和尺寸参数对孔隙率与力学性能的影响，使其兼具高孔隙率与良好力学强度。通过分析Mg-Ti复合材料的微观结构与界面结合机制，探究了钛合金骨架对其力学性能的强化作用。结果表明：Mg-Ti复合材料的抗压缩强度达到400 MPa，而其密度仅为2.56 g/cm3，具有用作轻量化结构材料的潜力。Mg-Ti复合材料的强度与未复合的Mg-9Al-1Zn（AZ91）合金基体相比提高了51%，这得益于Mg-Ti两相紧密的冶金结合界面，促进了载荷的有效传递。此外，双连续相结构引起的相互约束效应及钛合金骨架中超细针状α'-Ti马氏体引起的细晶强化对力学性能提升也做出了重要贡献。本研究采取的策略为复合材料的结构轻量化发展提供了新思路。
采用增材制造与熔体渗透相结合的工艺制备了具有双连续相结构的Mg-Ti复合材料。研究了增材制造成形Ti-6Al-4V（TC4）多孔骨架增强体的孔结构类型和尺寸参数对孔隙率与力学性能的影响，使其兼具高孔隙率与良好力学强度。通过分析Mg-Ti复合材料的微观结构与界面结合机制，探究了钛合金骨架对其力学性能的强化作用。结果表明：Mg-Ti复合材料的抗压缩强度达到400 MPa，而其密度仅为2.56 g/cm3，具有用作轻量化结构材料的潜力。Mg-Ti复合材料的强度与未复合的Mg-9Al-1Zn（AZ91）合金基体相比提高了51%，这得益于Mg-Ti两相紧密的冶金结合界面，促进了载荷的有效传递。此外，双连续相结构引起的相互约束效应及钛合金骨架中超细针状α'-Ti马氏体引起的细晶强化对力学性能提升也做出了重要贡献。本研究采取的策略为复合材料的结构轻量化发展提供了新思路。
2023, 52(11):3723-3729.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230180
摘要:
采用爆炸焊接技术制备尺寸为4260 mm×4260 mm×(6.5+32) mm的钛-钢复合板。采用超声波无损检测、相控阵波形显微镜、金相显微镜和扫描电子显微镜对复合材料板材的力学性能和界面形态进行分析。结果表明，当爆速、密度、炸药高度和间隔距离分别为2200~2270 m/s、0.80~0.82 g/cm3、45.0~46.0 mm和8.0~11.0 mm时，制备出的板材各项力学性能满足技术指标ASTM B898-2020。界面的波形为典型波纹状结合，界面清晰均匀，波形在漩涡区存在少量熔化，波幅和波长的比值为0.15~0.25，且在比值为0.2左右时，产品的剪切强度最高。本研究为大规格钛-钢复合板的制备提供工艺方法，并发现大规格钛-钢复合板的界面特点，为后续优化复合板爆炸焊接工艺提供理论指导。
采用爆炸焊接技术制备尺寸为4260 mm×4260 mm×(6.5+32) mm的钛-钢复合板。采用超声波无损检测、相控阵波形显微镜、金相显微镜和扫描电子显微镜对复合材料板材的力学性能和界面形态进行分析。结果表明，当爆速、密度、炸药高度和间隔距离分别为2200~2270 m/s、0.80~0.82 g/cm3、45.0~46.0 mm和8.0~11.0 mm时，制备出的板材各项力学性能满足技术指标ASTM B898-2020。界面的波形为典型波纹状结合，界面清晰均匀，波形在漩涡区存在少量熔化，波幅和波长的比值为0.15~0.25，且在比值为0.2左右时，产品的剪切强度最高。本研究为大规格钛-钢复合板的制备提供工艺方法，并发现大规格钛-钢复合板的界面特点，为后续优化复合板爆炸焊接工艺提供理论指导。
2023, 52(11):3881-3892.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220858
摘要:
研究了环境气氛氧含量对激光定向能量沉积TC4钛合金组织及力学性能的影响，通过OM、SEM和TEM及硬度实验、拉伸实验对成形试样的显微组织、力学性能和断口进行分析。结果表明：当成形气氛氧含量从50ppm、500ppm、2000ppm到5000 ppm逐渐提高，试样表面氧化程度增加，TC4钛合金试样表面颜色由由银白色逐渐过渡到黄色、蓝色和深灰色，XRD衍射图谱结果表明，试块表面氧化物种类增多，氧化层的厚度也逐渐增加；试样显微组织逐渐由网篮状组织转变为针状马氏体α′组织，板条粗化，长宽比减小；TC4钛合金试样的硬度和室温抗拉强度随成形气氛氧含量的增加逐渐提高，受金属晶格畸变及冷却速度的影响，沉积态成形试样的抗拉强度由920 MPa增加到982 MPa，延伸率由12.4%减小到10.9%。
研究了环境气氛氧含量对激光定向能量沉积TC4钛合金组织及力学性能的影响，通过OM、SEM和TEM及硬度实验、拉伸实验对成形试样的显微组织、力学性能和断口进行分析。结果表明：当成形气氛氧含量从50ppm、500ppm、2000ppm到5000 ppm逐渐提高，试样表面氧化程度增加，TC4钛合金试样表面颜色由由银白色逐渐过渡到黄色、蓝色和深灰色，XRD衍射图谱结果表明，试块表面氧化物种类增多，氧化层的厚度也逐渐增加；试样显微组织逐渐由网篮状组织转变为针状马氏体α′组织，板条粗化，长宽比减小；TC4钛合金试样的硬度和室温抗拉强度随成形气氛氧含量的增加逐渐提高，受金属晶格畸变及冷却速度的影响，沉积态成形试样的抗拉强度由920 MPa增加到982 MPa，延伸率由12.4%减小到10.9%。
2023, 52(11):3909-3914.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220869
摘要:
采用径锻加工方式制备叶片用?30mm的小规格TC4棒材，并使用金相显微镜、XRD衍射仪及电子背散射（EBSD）技术研究棒材边部到心部的显微组织、物相组成和微观织构，并分析组织和织构对棒材力学性能一致性以及超声探伤杂波水平的影响。实验结果表明，径锻棒材内部晶粒得到充分细化，从边部到心部晶粒尺寸逐渐增大，径锻棒材的β转变片层组织被破碎。棒材中含有少量等轴状β相晶粒，分布在αp的晶界和β转变组织中。棒材边部为{0001}<10-10>板织构，R/2和心部为 <10-10>//轴向的丝织构，且棒材的织构强度从边部到心部逐渐减弱。棒材抗拉和屈服强度的变异系数仅为0.24%和0.29%，具有优异的一致性。径锻加工小规格TC4棒材的超声波杂波水平为?0.8-9dB，相对于轧制棒材杂波升高，这与径锻棒材显微组织不均匀区域的晶体取向变化有关。
采用径锻加工方式制备叶片用?30mm的小规格TC4棒材，并使用金相显微镜、XRD衍射仪及电子背散射（EBSD）技术研究棒材边部到心部的显微组织、物相组成和微观织构，并分析组织和织构对棒材力学性能一致性以及超声探伤杂波水平的影响。实验结果表明，径锻棒材内部晶粒得到充分细化，从边部到心部晶粒尺寸逐渐增大，径锻棒材的β转变片层组织被破碎。棒材中含有少量等轴状β相晶粒，分布在αp的晶界和β转变组织中。棒材边部为{0001}<10-10>板织构，R/2和心部为 <10-10>//轴向的丝织构，且棒材的织构强度从边部到心部逐渐减弱。棒材抗拉和屈服强度的变异系数仅为0.24%和0.29%，具有优异的一致性。径锻加工小规格TC4棒材的超声波杂波水平为?0.8-9dB，相对于轧制棒材杂波升高，这与径锻棒材显微组织不均匀区域的晶体取向变化有关。
2023, 52(11):3981-4001.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220794
摘要:
钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀、可焊接等性能特点,广泛应用于航空航天、舰船、兵器、核工业等重要的工业领域。但是钛合金的成本限制了其进一步推广和大规模应用,是目前钛合金总体用量不高的核心原因。本文从原材料、合金制备技术、钛产业链单位的协作等三个方面对钛合金低成本化技术研究与发展进行了归纳和评述,在此基础上,提出了未来低成本钛合金发展的趋势和建议。
钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀、可焊接等性能特点,广泛应用于航空航天、舰船、兵器、核工业等重要的工业领域。但是钛合金的成本限制了其进一步推广和大规模应用,是目前钛合金总体用量不高的核心原因。本文从原材料、合金制备技术、钛产业链单位的协作等三个方面对钛合金低成本化技术研究与发展进行了归纳和评述,在此基础上,提出了未来低成本钛合金发展的趋势和建议。
2023, 52(11):4002-4012.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220809
摘要:
轻质高强耐高温的TiAl合金一直是备受瞩目的先进结构材料,在航空航天、汽车等领域应用潜力巨大。但TiAl合金热加工性差,采用传统方法热成形难度大。而粉末冶金由于近净成形的特点,在制备复杂TiAl合金零部件上具有显著优势。近年来,科研工作者在TiAl合金粉末烧结技术上展开了大量工作,并取得一定进步。本文结合TiAl合金粉末成形技术的国内外发展现状,综述了放电等离子烧结(SPS)、热等静压、热压烧结、喷射成形、金属注射成形等方法制备TiAl合金的工艺、显微组织、力学性能和零部件,论述了上述制备方法的特点以及目前存在的不足,并提出了粉末冶金成形TiAl合金零部件的建议与未来发展方向。
轻质高强耐高温的TiAl合金一直是备受瞩目的先进结构材料,在航空航天、汽车等领域应用潜力巨大。但TiAl合金热加工性差,采用传统方法热成形难度大。而粉末冶金由于近净成形的特点,在制备复杂TiAl合金零部件上具有显著优势。近年来,科研工作者在TiAl合金粉末烧结技术上展开了大量工作,并取得一定进步。本文结合TiAl合金粉末成形技术的国内外发展现状,综述了放电等离子烧结(SPS)、热等静压、热压烧结、喷射成形、金属注射成形等方法制备TiAl合金的工艺、显微组织、力学性能和零部件,论述了上述制备方法的特点以及目前存在的不足,并提出了粉末冶金成形TiAl合金零部件的建议与未来发展方向。
2023, 52(11):3685-3690.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230007
摘要:
采用激光熔覆的方法制备AlCoCrFeNiMox高熵合金涂层。研究Mo元素含量对涂层微观结构、硬度及耐腐蚀性的影响。结果表明，随着Mo含量的增加，微观组织从富(Al, Ni)的体心立方（bcc）相和富(Mo-Cr-Fe)的σ相，转变为富(Fe, Ni)的bcc相、富(Mo-Cr-Fe)的σ相、富(Al-Fe-Mo)的σ相与少量AlN相。此外，涂层的显微硬度（HV1）从6154.4 MPa增加到10652.6 MPa。随着Mo含量的添加，涂层在3.5%（质量分数）氯化钠溶液中的自腐蚀电位升高，当Mo含量为x=1.0时，涂层的耐腐蚀性能最好。
采用激光熔覆的方法制备AlCoCrFeNiMox高熵合金涂层。研究Mo元素含量对涂层微观结构、硬度及耐腐蚀性的影响。结果表明，随着Mo含量的增加，微观组织从富(Al, Ni)的体心立方（bcc）相和富(Mo-Cr-Fe)的σ相，转变为富(Fe, Ni)的bcc相、富(Mo-Cr-Fe)的σ相、富(Al-Fe-Mo)的σ相与少量AlN相。此外，涂层的显微硬度（HV1）从6154.4 MPa增加到10652.6 MPa。随着Mo含量的添加，涂层在3.5%（质量分数）氯化钠溶液中的自腐蚀电位升高，当Mo含量为x=1.0时，涂层的耐腐蚀性能最好。
2023, 52(11):3691-3696.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230022
摘要:
通过磁控溅射技术在Zr-4合金基体上沉积了厚度约为18 μm的FeCrAl涂层，以提高Zr合金的高温抗氧化性能。通过空气氧化实验研究了低Al含量的FeCrAl涂层抗氧化性能。为了评估涂层界面演变和元素迁移之间的关系，采用了场发射扫描电子显微镜、能谱仪和掠入射X射线衍射仪进行了深入分析。结果表明，尽管FeCrAl涂层在1000 ℃空气氧化后会出现分层剥落，但该涂层仍然有效地保护了Zr-4合金基体不被氧化。FeCrAl涂层性能下降的主要原因是高温下Al元素严重向外扩散以及Fe、Cr元素向内扩散，最终导致涂层内部分层和剥落。此外，还讨论了FeCrAl涂层在800、900和1000 ℃时的空气氧化行为。
通过磁控溅射技术在Zr-4合金基体上沉积了厚度约为18 μm的FeCrAl涂层，以提高Zr合金的高温抗氧化性能。通过空气氧化实验研究了低Al含量的FeCrAl涂层抗氧化性能。为了评估涂层界面演变和元素迁移之间的关系，采用了场发射扫描电子显微镜、能谱仪和掠入射X射线衍射仪进行了深入分析。结果表明，尽管FeCrAl涂层在1000 ℃空气氧化后会出现分层剥落，但该涂层仍然有效地保护了Zr-4合金基体不被氧化。FeCrAl涂层性能下降的主要原因是高温下Al元素严重向外扩散以及Fe、Cr元素向内扩散，最终导致涂层内部分层和剥落。此外，还讨论了FeCrAl涂层在800、900和1000 ℃时的空气氧化行为。
2023, 52(11):3707-3714.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230205
摘要:
以NH4Cl为活化剂，采用包埋法在309不锈钢上制备了纳米CeO2改性铝化物涂层。采用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜和能谱仪对涂层以及循环氧化50次后的表面和横截面进行了分析。微观结构研究表明，改性涂层中包含Fe4Al13相，由于基底金属的向外扩散，改性涂层捕获了少量的CeO2纳米颗粒。与不添加CeO2纳米颗粒的普通铝化物涂层相比，在900 ℃的大气环境下，分散CeO2改性铝化物涂层表现出更好的防氧化剥落性能；在50次循环氧化后，CeO2改性铝化物涂层上仍然可以发现一些Fe2Al5相，并存在向外扩散的Al层、中间的FeAl层和外部的Fe2Al5+FeAl混合层，这表明CeO2纳米颗粒可以延缓铝化物涂层的降解。
以NH4Cl为活化剂，采用包埋法在309不锈钢上制备了纳米CeO2改性铝化物涂层。采用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜和能谱仪对涂层以及循环氧化50次后的表面和横截面进行了分析。微观结构研究表明，改性涂层中包含Fe4Al13相，由于基底金属的向外扩散，改性涂层捕获了少量的CeO2纳米颗粒。与不添加CeO2纳米颗粒的普通铝化物涂层相比，在900 ℃的大气环境下，分散CeO2改性铝化物涂层表现出更好的防氧化剥落性能；在50次循环氧化后，CeO2改性铝化物涂层上仍然可以发现一些Fe2Al5相，并存在向外扩散的Al层、中间的FeAl层和外部的Fe2Al5+FeAl混合层，这表明CeO2纳米颗粒可以延缓铝化物涂层的降解。
2023, 52(11):3757-3766.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230244
摘要:
以含双陶瓷结构的700℃新型涂层双管系统为研究对象，采用有限元顺次耦合的计算方法，研究了关键特征参数对系统传热与应力分布的影响。在此基础上，基于MATLAB与ABAQUS平台，开发了一种优化算法与有限元相结合的多层异质涂层系统结构优化设计方法，用以确定涂层双管系统的最优几何结构尺寸与材料物理性能参数。结果表明:陶瓷层厚度比、外陶瓷层导热系数、热膨胀系数、冷却蒸汽温度和压力均会对涂层双管系统的温度和应力分布产生重要影响；系统结构优化前后，P91钢管内表面温度下降约27℃，系统中热生长氧化物与粘接层界面处的最大Mises应力下降约151MPa，这表明当前提出的系统结构优化方法可以用于自动确定多层异质涂层系统的最优关键特征参数。
以含双陶瓷结构的700℃新型涂层双管系统为研究对象，采用有限元顺次耦合的计算方法，研究了关键特征参数对系统传热与应力分布的影响。在此基础上，基于MATLAB与ABAQUS平台，开发了一种优化算法与有限元相结合的多层异质涂层系统结构优化设计方法，用以确定涂层双管系统的最优几何结构尺寸与材料物理性能参数。结果表明:陶瓷层厚度比、外陶瓷层导热系数、热膨胀系数、冷却蒸汽温度和压力均会对涂层双管系统的温度和应力分布产生重要影响；系统结构优化前后，P91钢管内表面温度下降约27℃，系统中热生长氧化物与粘接层界面处的最大Mises应力下降约151MPa，这表明当前提出的系统结构优化方法可以用于自动确定多层异质涂层系统的最优关键特征参数。
2023, 52(11):3873-3880.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220853
摘要:
为了提高铝合金的耐蚀性能，本文采用阳极氧化法在铝表面制备多孔阳极氧化膜，并以阳极氧化膜为骨架，用原位生长法在其表面构筑具有层状双金属结构的镁铝水滑石（MgAl-LDH）。首次利用缓蚀剂二苄基二硫代氨基甲酸锌(ZBEC)对制备的MgAl-LDH膜层进行改性,通过SEM、EDS、XPS、FT-IR研究了改性MgAl-LDH膜层的形貌成分,通过电化学阻抗谱(EIS)技术研究了ZBEC浓度、改性温度、改性时间对改性膜层耐腐蚀性能的影响。结果表明,水滑石膜层呈垂直于基体表面的片状交错结构,ZBEC分子可以成功的和MgAl-LDH膜层进行结合。当ZBEC改性溶液的浓度为0.03 mol/L、温度45℃、时间15 min时,改性前后膜层的EIS低频模值由7.94×103Ω.cm2增加到1.995×106 （10的6次方）Ω.cm2,说明ZBEC改性提高了MgAl-LDH膜层的耐蚀性能。
为了提高铝合金的耐蚀性能，本文采用阳极氧化法在铝表面制备多孔阳极氧化膜，并以阳极氧化膜为骨架，用原位生长法在其表面构筑具有层状双金属结构的镁铝水滑石（MgAl-LDH）。首次利用缓蚀剂二苄基二硫代氨基甲酸锌(ZBEC)对制备的MgAl-LDH膜层进行改性,通过SEM、EDS、XPS、FT-IR研究了改性MgAl-LDH膜层的形貌成分,通过电化学阻抗谱(EIS)技术研究了ZBEC浓度、改性温度、改性时间对改性膜层耐腐蚀性能的影响。结果表明,水滑石膜层呈垂直于基体表面的片状交错结构,ZBEC分子可以成功的和MgAl-LDH膜层进行结合。当ZBEC改性溶液的浓度为0.03 mol/L、温度45℃、时间15 min时,改性前后膜层的EIS低频模值由7.94×103Ω.cm2增加到1.995×106 （10的6次方）Ω.cm2,说明ZBEC改性提高了MgAl-LDH膜层的耐蚀性能。
2023, 52(11):3767-3777.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230187
摘要:
利用分子动力学模拟研究了孔洞中心形成平面与加载方向的夹角（θ）对单晶镍在单轴拉伸下孔洞生长和聚集行为的影响及机理。结果表明：单晶镍的屈服应力和平均流动应力随着夹角θ的增加而下降，应力下降速率随着夹角θ的增加而加快。当夹角θ=90°时（加载方向垂直于孔洞中心平面时），单晶镍中孔洞独立生长时间最短且孔洞之间最先发生聚集，导致其最易进入软化阶段，这是由于夹角θ=90°时，单晶镍中最快的孔洞体积分数增长速率和损伤演化速率所导致。当夹角θ=90°时，单晶镍中1/6<112>（Shockley）位错长度的显著降低，以及FCC晶体结构的原子数目向Other和HCP晶体结构的最大转变速率，导致θ=90°时单晶镍的损伤演化速率最快且损伤程度最剧烈。值得注意的是，当θ=90°时单晶镍中孔洞最易聚集这是由于该条件下孔洞表面受到更大的拉应力作用所导致。通过该工作，旨在揭示金属材料在高应变率下的孔洞聚集行为及机理，并对揭示其软化行为和断裂机理提供了理论指导。
利用分子动力学模拟研究了孔洞中心形成平面与加载方向的夹角（θ）对单晶镍在单轴拉伸下孔洞生长和聚集行为的影响及机理。结果表明：单晶镍的屈服应力和平均流动应力随着夹角θ的增加而下降，应力下降速率随着夹角θ的增加而加快。当夹角θ=90°时（加载方向垂直于孔洞中心平面时），单晶镍中孔洞独立生长时间最短且孔洞之间最先发生聚集，导致其最易进入软化阶段，这是由于夹角θ=90°时，单晶镍中最快的孔洞体积分数增长速率和损伤演化速率所导致。当夹角θ=90°时，单晶镍中1/6<112>（Shockley）位错长度的显著降低，以及FCC晶体结构的原子数目向Other和HCP晶体结构的最大转变速率，导致θ=90°时单晶镍的损伤演化速率最快且损伤程度最剧烈。值得注意的是，当θ=90°时单晶镍中孔洞最易聚集这是由于该条件下孔洞表面受到更大的拉应力作用所导致。通过该工作，旨在揭示金属材料在高应变率下的孔洞聚集行为及机理，并对揭示其软化行为和断裂机理提供了理论指导。
2023, 52(11):3778-3784.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220799
摘要:
通过OM、TEM和热模拟压缩实验等分析测试方法,对DP-GH4169合金在热变形过程中片层状δ相的球化行为及动力学模型进行了研究。结果表明：片层状δ相的溶解球化行为主要为Nb原子由δ/γ相界到达基体γ的长程扩散控制；在热变形过程中,溶解球化对于片层状δ相的球化行为影响较小,片层状δ相的临界球化应变εc取决于变形温度和应变速率；在热模拟压缩实验范围内,片层状δ相的临界球化应变εc为0.04-0.10,且随着变形温度升高和应变速率降低而减小；热变形中片层状δ相的球化体积分数与热变形参数之间满足Avrami方程。
通过OM、TEM和热模拟压缩实验等分析测试方法,对DP-GH4169合金在热变形过程中片层状δ相的球化行为及动力学模型进行了研究。结果表明：片层状δ相的溶解球化行为主要为Nb原子由δ/γ相界到达基体γ的长程扩散控制；在热变形过程中,溶解球化对于片层状δ相的球化行为影响较小,片层状δ相的临界球化应变εc取决于变形温度和应变速率；在热模拟压缩实验范围内,片层状δ相的临界球化应变εc为0.04-0.10,且随着变形温度升高和应变速率降低而减小；热变形中片层状δ相的球化体积分数与热变形参数之间满足Avrami方程。
2023, 52(11):3809-3817.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220815
摘要:
K4750合金是一种新型铸造镍基高温合金,在700-750℃具有较为优异的力学性能,有望代替K4169合金使用。但是K4750合金的室温拉伸塑性波动性较大,合金室温拉伸性能、凝固组织和浇铸制度之间的关系尚不明确。本工作采用不同的浇铸温度和型壳冷却条件制备了多组K4750合金试棒,采用单轴拉伸测试了合金的室温拉伸性能,评价了合金室温拉伸性能对浇铸温度和型壳冷却速率变化的敏感性,并通过组织表征进行了机理阐述。结果表明,浇铸温度降低,合金晶粒尺寸显著减小,合金屈服强度小幅提高,塑性保持稳定；而当型壳冷却速率降低后,合金室温拉伸断后延伸率显著下降。这主要是由于型壳冷却条件显著影响了MC碳化物的析出特征。当冷却速率较低时,晶界析出粗大的长条状MC碳化物,其在应力作用下易于产生内部裂纹,从而加速合金晶界失效降低合金塑性。为优化K4750合金的室温拉伸性能,应重点关注型壳或铸件在浇铸后的冷却速率与晶界MC碳化物析出形态,抑制粗大晶界碳化物产生,提高晶界塑韧性。
K4750合金是一种新型铸造镍基高温合金,在700-750℃具有较为优异的力学性能,有望代替K4169合金使用。但是K4750合金的室温拉伸塑性波动性较大,合金室温拉伸性能、凝固组织和浇铸制度之间的关系尚不明确。本工作采用不同的浇铸温度和型壳冷却条件制备了多组K4750合金试棒,采用单轴拉伸测试了合金的室温拉伸性能,评价了合金室温拉伸性能对浇铸温度和型壳冷却速率变化的敏感性,并通过组织表征进行了机理阐述。结果表明,浇铸温度降低,合金晶粒尺寸显著减小,合金屈服强度小幅提高,塑性保持稳定；而当型壳冷却速率降低后,合金室温拉伸断后延伸率显著下降。这主要是由于型壳冷却条件显著影响了MC碳化物的析出特征。当冷却速率较低时,晶界析出粗大的长条状MC碳化物,其在应力作用下易于产生内部裂纹,从而加速合金晶界失效降低合金塑性。为优化K4750合金的室温拉伸性能,应重点关注型壳或铸件在浇铸后的冷却速率与晶界MC碳化物析出形态,抑制粗大晶界碳化物产生,提高晶界塑韧性。
2023, 52(11):3847-3856.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220837
摘要:
针对18个单晶高温合金叶片高效制备过程中温度场不均匀而导致的杂晶缺陷问题，设计了三种不同的单晶叶片模组结构，采用ProCast软件和CAFE模块对第二代单晶高温合金DD6不同模组结构在高速凝固工艺下的温度场和晶粒组织进行模拟研究，分析了不同模组结构下叶片的温度场演化和抽拉速率对杂晶的影响。结果表明，单层模组由于中柱的保温作用较小，导致叶片近中柱侧的散热效率高于近炉壁侧，凝固过程固液界面弯曲严重，凝固过冷大，杂晶形成倾向大；通过对单层模组添加套筒，以加强保温作用，可有效改善温度场，减小固液界面弯曲程度，避免杂晶形核；而双层叠加模组温度场分布均匀，凝固过冷小，杂晶形成倾向小。套筒模组和双层叠加模组在抽拉速率小于100 μm/s时均无杂晶形成，但双层叠加模组将模组直径缩小为其余两种模组结构的一半，降低了对炉体型腔尺寸的要求，有望实现单晶叶片的高效制备。
针对18个单晶高温合金叶片高效制备过程中温度场不均匀而导致的杂晶缺陷问题，设计了三种不同的单晶叶片模组结构，采用ProCast软件和CAFE模块对第二代单晶高温合金DD6不同模组结构在高速凝固工艺下的温度场和晶粒组织进行模拟研究，分析了不同模组结构下叶片的温度场演化和抽拉速率对杂晶的影响。结果表明，单层模组由于中柱的保温作用较小，导致叶片近中柱侧的散热效率高于近炉壁侧，凝固过程固液界面弯曲严重，凝固过冷大，杂晶形成倾向大；通过对单层模组添加套筒，以加强保温作用，可有效改善温度场，减小固液界面弯曲程度，避免杂晶形核；而双层叠加模组温度场分布均匀，凝固过冷小，杂晶形成倾向小。套筒模组和双层叠加模组在抽拉速率小于100 μm/s时均无杂晶形成，但双层叠加模组将模组直径缩小为其余两种模组结构的一半，降低了对炉体型腔尺寸的要求，有望实现单晶叶片的高效制备。
2023, 52(11):3939-3946.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220877
摘要:
为了研究Ta元素和Mo元素合金化对Co-Al-W基高温合金γ′相强度和形貌的影响，构建γ′-L12超胞结构，对其六个非等效点位进行掺杂计算，分析能量结构和力学性能；并制备Co-8.8Al-9.8W-2X(X=Ta, Mo)合金，对合金进行5%和10%的压缩变形，使用透射电镜（TEM）技术对合金γ′相形貌和位错形态进行分析。结果表明:Ta原子掺杂时优先占据Al2位置，Mo原子掺杂时优先占据W6位置，Ta原子占据Al2位置会使得γ′-L12掺杂结构的强度以及组织稳定性升高，Mo原子在W6位置的掺杂则效果相反；由于在合金化时Ta原子优先占据在Al2位置，导致了γ′相强度升高，2Ta合金在进行压缩变形时γ′相形貌可以保持为立方状，位错对γ′相的切割破坏较为有限，而2Mo合金由于Mo原子优先占据W6位置导致γ′相强度降低，进行压缩变形时γ′相形貌由立方状转变为筏排状，位错对γ′相的破坏较为严重。
为了研究Ta元素和Mo元素合金化对Co-Al-W基高温合金γ′相强度和形貌的影响，构建γ′-L12超胞结构，对其六个非等效点位进行掺杂计算，分析能量结构和力学性能；并制备Co-8.8Al-9.8W-2X(X=Ta, Mo)合金，对合金进行5%和10%的压缩变形，使用透射电镜（TEM）技术对合金γ′相形貌和位错形态进行分析。结果表明:Ta原子掺杂时优先占据Al2位置，Mo原子掺杂时优先占据W6位置，Ta原子占据Al2位置会使得γ′-L12掺杂结构的强度以及组织稳定性升高，Mo原子在W6位置的掺杂则效果相反；由于在合金化时Ta原子优先占据在Al2位置，导致了γ′相强度升高，2Ta合金在进行压缩变形时γ′相形貌可以保持为立方状，位错对γ′相的切割破坏较为有限，而2Mo合金由于Mo原子优先占据W6位置导致γ′相强度降低，进行压缩变形时γ′相形貌由立方状转变为筏排状，位错对γ′相的破坏较为严重。
2023, 52(11):3697-3706.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230192
摘要:
为改善医用镁合金微观组织特征与降解行为，采用挤压形变工艺改变医用镁合金的晶粒尺寸特征及析出相/金属间化合物尺寸、分布规律，探究了挤压态医用Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金微观结构特征及降解行为。结果表明：不同的热挤压变形并没有改变 Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金中第二相的类型，但改变了第二相的分布和形貌。Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金的成分主为α-Mg和W-Mg3Y2Zn3。电化学测试结果表明，铸态、挤压370 ℃和挤压390 ℃合金腐蚀电流密度分别为2.498、3.656、1.012 μA·cm-2。这是由于铸态组织中析出相/金属间化合物呈带状分布在基体中，可作为微阴极形成电偶腐蚀位点，加速合金腐蚀速率。合金在370 ℃挤压时，由于实际温度较低，部分粗化相未能充分溶解到α-Mg基体中，随着析出相数量增加及分布混乱无序，微阴极面积比例增大，进而导致腐蚀速率加剧。而390 ℃挤压态镁合金的挤压速度快、耗散行为慢，且铸锭与挤压机间摩擦强烈，已发生充分动态再结晶行为，降低了微阴极数量/面积，增强了合金耐腐蚀性能。
为改善医用镁合金微观组织特征与降解行为，采用挤压形变工艺改变医用镁合金的晶粒尺寸特征及析出相/金属间化合物尺寸、分布规律，探究了挤压态医用Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金微观结构特征及降解行为。结果表明：不同的热挤压变形并没有改变 Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金中第二相的类型，但改变了第二相的分布和形貌。Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金的成分主为α-Mg和W-Mg3Y2Zn3。电化学测试结果表明，铸态、挤压370 ℃和挤压390 ℃合金腐蚀电流密度分别为2.498、3.656、1.012 μA·cm-2。这是由于铸态组织中析出相/金属间化合物呈带状分布在基体中，可作为微阴极形成电偶腐蚀位点，加速合金腐蚀速率。合金在370 ℃挤压时，由于实际温度较低，部分粗化相未能充分溶解到α-Mg基体中，随着析出相数量增加及分布混乱无序，微阴极面积比例增大，进而导致腐蚀速率加剧。而390 ℃挤压态镁合金的挤压速度快、耗散行为慢，且铸锭与挤压机间摩擦强烈，已发生充分动态再结晶行为，降低了微阴极数量/面积，增强了合金耐腐蚀性能。
2023, 52(11):3730-3735.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230238
摘要:
以柠檬酸（CA）为螯合剂，即以有机物为碳源，通过溶胶-凝胶法辅助碳热还原氮化反应制备了CeN粉末。整个反应过程分为水相过程和热处理过程。水相过程主要是Ce3+和CA的螯合和聚酯，形成稳定的Ce3+-CA螯合物前驱体。通过水相过程实现Ce源与C源在分子水平上的均匀混合。热处理过程包括原位碳化和碳热还原氮化反应两部分。原位碳化过程形成的CeO2/C粉末促进了CeO2和C之间的紧密接触，从而减少Ce源和C源原子的扩散距离，以促进碳热还原氮化过程。
以柠檬酸（CA）为螯合剂，即以有机物为碳源，通过溶胶-凝胶法辅助碳热还原氮化反应制备了CeN粉末。整个反应过程分为水相过程和热处理过程。水相过程主要是Ce3+和CA的螯合和聚酯，形成稳定的Ce3+-CA螯合物前驱体。通过水相过程实现Ce源与C源在分子水平上的均匀混合。热处理过程包括原位碳化和碳热还原氮化反应两部分。原位碳化过程形成的CeO2/C粉末促进了CeO2和C之间的紧密接触，从而减少Ce源和C源原子的扩散距离，以促进碳热还原氮化过程。
2023, 52(11):3736-3740.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230236
摘要:
为改善单晶锗的硬脆力学特征，用分子动力学模拟方法研究了3种不同剂量的离子注入对单晶锗表面的改性机理。分析结果表明，离子注入对锗基体造成了非晶相损伤，纳米压痕过程表现为晶格演化。纳米压痕结果揭示了非晶相的存在能够降低单晶锗的硬度和脆性，提高塑性。此外，锗基体的非晶相损伤程度和硬度与离子剂量有关。随着剂量的增加，非晶损伤程度加深，硬度降低。
为改善单晶锗的硬脆力学特征，用分子动力学模拟方法研究了3种不同剂量的离子注入对单晶锗表面的改性机理。分析结果表明，离子注入对锗基体造成了非晶相损伤，纳米压痕过程表现为晶格演化。纳米压痕结果揭示了非晶相的存在能够降低单晶锗的硬度和脆性，提高塑性。此外，锗基体的非晶相损伤程度和硬度与离子剂量有关。随着剂量的增加，非晶损伤程度加深，硬度降低。
2023, 52(11):3741-3747.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230174
摘要:
为了探究材料和载荷的随机性对TP304不锈钢裂尖驱动力的影响规律，通过将弹塑性有限元和Kriging代理模型相结合，实现裂尖驱动力的概率预测。为了提高有限元分析的效率，使用MATLAB对ABAQUS软件的前置处理和后置处理程序进行二次开发，实现随机样本的自动更改、批量计算和概率预测结果的自动分析。研究得到了随机因素作用下TP304不锈钢材料裂尖驱动力的统计分布规律，以及失效概率、失效概率密度函数、累计概率密度函数等概率特征，并对各随机因素的灵敏度进行了分析。最后，通过与Monte Carlo法对比分析了该方法的有效性和效率。结果表明，载荷和材料参数的随机性会显著影响TP304不锈钢裂纹尖端的驱动力，从而影响TP304不锈钢的失效概率，载荷和应变硬化指数对奥氏体TP304不锈钢材料裂尖驱动力的分散性影响最大。
为了探究材料和载荷的随机性对TP304不锈钢裂尖驱动力的影响规律，通过将弹塑性有限元和Kriging代理模型相结合，实现裂尖驱动力的概率预测。为了提高有限元分析的效率，使用MATLAB对ABAQUS软件的前置处理和后置处理程序进行二次开发，实现随机样本的自动更改、批量计算和概率预测结果的自动分析。研究得到了随机因素作用下TP304不锈钢材料裂尖驱动力的统计分布规律，以及失效概率、失效概率密度函数、累计概率密度函数等概率特征，并对各随机因素的灵敏度进行了分析。最后，通过与Monte Carlo法对比分析了该方法的有效性和效率。结果表明，载荷和材料参数的随机性会显著影响TP304不锈钢裂纹尖端的驱动力，从而影响TP304不锈钢的失效概率，载荷和应变硬化指数对奥氏体TP304不锈钢材料裂尖驱动力的分散性影响最大。
2023, 52(11):3748-3756.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230245
摘要:
利用第一性原理计算研究了掺杂第四周期过渡金属元素对Mo2CoB2的结构、力学和热力学性质的影响。通过计算结合能和形成焓以及与Born-Huang标准比较，发现所有模型都满足力学与热力学稳定条件。采用点缺陷理论确定了掺杂元素在Mo2CoB2晶体中的占位以及占位偏好。结果表明，Sc和Ti对Mo点位表现出强烈的占位偏好，V对Mo点位仅有较弱的占位偏好。同时，Cr、Mn、Fe、Cu和Zn对Co点位具有较弱的占位偏好，而Ni对Co点位有较强的占位偏好。通过对比计算得到德拜温度，发现除Mo7TiCo4B8、Mo7VCo4B8和Mo7CrCo4B8外，其他掺杂模型的德拜温度都低于未掺杂模型，这说明实验中应尽量避免在Mo2CoB2硬质相中大量添加除Ti、V和Cr以外的过渡金属元素。最后，除Cr掺杂模型外，其他掺杂模型的硬度计算结果都低于未掺杂的模型。同时，占据偏好点位的掺杂元素模型的硬度通常比占据非偏好点位的更高。本研究为开发性能更好的Mo2CoB2金属陶瓷提供了理论支持。
利用第一性原理计算研究了掺杂第四周期过渡金属元素对Mo2CoB2的结构、力学和热力学性质的影响。通过计算结合能和形成焓以及与Born-Huang标准比较，发现所有模型都满足力学与热力学稳定条件。采用点缺陷理论确定了掺杂元素在Mo2CoB2晶体中的占位以及占位偏好。结果表明，Sc和Ti对Mo点位表现出强烈的占位偏好，V对Mo点位仅有较弱的占位偏好。同时，Cr、Mn、Fe、Cu和Zn对Co点位具有较弱的占位偏好，而Ni对Co点位有较强的占位偏好。通过对比计算得到德拜温度，发现除Mo7TiCo4B8、Mo7VCo4B8和Mo7CrCo4B8外，其他掺杂模型的德拜温度都低于未掺杂模型，这说明实验中应尽量避免在Mo2CoB2硬质相中大量添加除Ti、V和Cr以外的过渡金属元素。最后，除Cr掺杂模型外，其他掺杂模型的硬度计算结果都低于未掺杂的模型。同时，占据偏好点位的掺杂元素模型的硬度通常比占据非偏好点位的更高。本研究为开发性能更好的Mo2CoB2金属陶瓷提供了理论支持。
2023, 52(11):3785-3793.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220803
摘要:
水平连铸是生产铜板带坯的常用方法,探索工艺参数变化对铸坯质量的影响规律十分重要。采用数值模拟的方法分析了水平连铸拉速变化对结晶器内温度场、液穴深度、冷却速率等的影响规律,并结合工艺试验揭示了拉速变化对铸坯组织的影响机理。结果表明,随着铸坯拉速的不断提高,结晶器内的液穴深度持续增加,铸坯表面和芯部沿牵引方向的冷却速率均逐渐降低,且二者的冷却速率差值逐渐减小,当拉速为149mm/min时,二者冷却速率达到相同；随着铸坯拉速的不断提高,铸坯截面上晶粒生长方向与牵引方向的夹角逐渐增大,晶粒生长距离缩短,铸坯表面上晶粒数目增加,平均晶粒直径从1.96mm逐渐减小到1.05mm,整体组织均匀性明显提高。
水平连铸是生产铜板带坯的常用方法,探索工艺参数变化对铸坯质量的影响规律十分重要。采用数值模拟的方法分析了水平连铸拉速变化对结晶器内温度场、液穴深度、冷却速率等的影响规律,并结合工艺试验揭示了拉速变化对铸坯组织的影响机理。结果表明,随着铸坯拉速的不断提高,结晶器内的液穴深度持续增加,铸坯表面和芯部沿牵引方向的冷却速率均逐渐降低,且二者的冷却速率差值逐渐减小,当拉速为149mm/min时,二者冷却速率达到相同；随着铸坯拉速的不断提高,铸坯截面上晶粒生长方向与牵引方向的夹角逐渐增大,晶粒生长距离缩短,铸坯表面上晶粒数目增加,平均晶粒直径从1.96mm逐渐减小到1.05mm,整体组织均匀性明显提高。
2023, 52(11):3794-3800.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220806
摘要:
为提高热管换热器的性能和紧凑度，设计并采用金属增材制造获得了直翅片型(DPHE-1)和周期排列翅片型(DPHE-2)两类密集纵向翅片套管换热单元。通过剖切及几何检测，总结了制造偏差分布特点，显示其内部结构完整。通过光学检测，显示出倾斜翅片两侧的粗糙度分布不均。采用稳态传热实验方法对四种密集纵向翅片套管换热单元进行了传热特性研究。结果显示，由于换热面积的增大和流动掺混作用的增强，在Re=2000~15000工况范围内，DPHE-2的平均传热努塞尔数是DPHE-1的1.3~1.4倍，DPHE-2的平均阻力系数是DPHE-1的12.6~28.6倍。对比综合传热性能，直翅片型中的长翅片结构，即DPHE-1-B具有相对最优的强化传热性能。
为提高热管换热器的性能和紧凑度，设计并采用金属增材制造获得了直翅片型(DPHE-1)和周期排列翅片型(DPHE-2)两类密集纵向翅片套管换热单元。通过剖切及几何检测，总结了制造偏差分布特点，显示其内部结构完整。通过光学检测，显示出倾斜翅片两侧的粗糙度分布不均。采用稳态传热实验方法对四种密集纵向翅片套管换热单元进行了传热特性研究。结果显示，由于换热面积的增大和流动掺混作用的增强，在Re=2000~15000工况范围内，DPHE-2的平均传热努塞尔数是DPHE-1的1.3~1.4倍，DPHE-2的平均阻力系数是DPHE-1的12.6~28.6倍。对比综合传热性能，直翅片型中的长翅片结构，即DPHE-1-B具有相对最优的强化传热性能。
2023, 52(11):3801-3808.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220824
摘要:
采用中心Mg扩散工艺(IMD)设计并成功制备了两种不同导体结构(Cu 芯和CuNb 芯)的百米级MgB2线材，分别测试了线材的力学性能和超导传输性能；超导层临界电流密度(Layer Jc)达到4.3×105 A/cm2 (4.2 K，4 T)。采用不同方法分析了两根线材纵向MgB2超导层分布的均匀性，发现随着线材直径的减小，超导层分布更趋于均匀化，Φ 0.8 mm的线材基超比波动范围最小，基超比极差为0.02；MgB2 层分布均匀性的研究结果表明该线材中Mg、B密度分布均匀性良好；超导电性的测试结果显示Cu 替换芯线材临界电流Ic比CuNb替换芯线材临界电流Ic高出19 A (4.2 K, 4 T)，而Jc性能基本一致；相同磁场强度下Cu替换芯线材的n值均高于CuNb 替换芯线材n值，该研究结果表明IMD工艺制备的MgB2线材能应用于绕制小型磁体以及Mg/B/Nb/Monel基体能够开发百米级高性能的MgB2线材。
采用中心Mg扩散工艺(IMD)设计并成功制备了两种不同导体结构(Cu 芯和CuNb 芯)的百米级MgB2线材，分别测试了线材的力学性能和超导传输性能；超导层临界电流密度(Layer Jc)达到4.3×105 A/cm2 (4.2 K，4 T)。采用不同方法分析了两根线材纵向MgB2超导层分布的均匀性，发现随着线材直径的减小，超导层分布更趋于均匀化，Φ 0.8 mm的线材基超比波动范围最小，基超比极差为0.02；MgB2 层分布均匀性的研究结果表明该线材中Mg、B密度分布均匀性良好；超导电性的测试结果显示Cu 替换芯线材临界电流Ic比CuNb替换芯线材临界电流Ic高出19 A (4.2 K, 4 T)，而Jc性能基本一致；相同磁场强度下Cu替换芯线材的n值均高于CuNb 替换芯线材n值，该研究结果表明IMD工艺制备的MgB2线材能应用于绕制小型磁体以及Mg/B/Nb/Monel基体能够开发百米级高性能的MgB2线材。
2023, 52(11):3818-3824.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220830
摘要:
采用闭孔泡沫铝和铝合金板制备单层夹芯板和六种多层夹芯结构。通过分析胞孔变形模式和宏观变形模式,研究了夹层板和芯层数量对结构准静态压缩力学性能和吸能特性的影响机制。结果表明：夹层板通过调节芯层间应力状态使芯层逐层坍塌,减少了由倾斜变形带的形成和延伸所导致的多芯层同步变形、横向滑动以及两侧滑移,使结构具有更高的坍塌应力、平台应力、单位体积吸能量以及更小的致密应变；芯层数量的增加导致无夹层板结构中变形带的长度和数量增加,从而改变了其宏观变形模式,致使结构两侧滑移现象加剧,同时积累了有夹层板结构中多个芯层中的胞孔缺陷,因此影响了逐层稳定变形,导致致密应变增大,坍塌应力、平台应力和单位体积吸能量减小,致密应变处的吸能效率降低。与其他结构相比,三层泡沫铝夹层板具有最佳的抗压强度和吸能性能。
采用闭孔泡沫铝和铝合金板制备单层夹芯板和六种多层夹芯结构。通过分析胞孔变形模式和宏观变形模式,研究了夹层板和芯层数量对结构准静态压缩力学性能和吸能特性的影响机制。结果表明：夹层板通过调节芯层间应力状态使芯层逐层坍塌,减少了由倾斜变形带的形成和延伸所导致的多芯层同步变形、横向滑动以及两侧滑移,使结构具有更高的坍塌应力、平台应力、单位体积吸能量以及更小的致密应变；芯层数量的增加导致无夹层板结构中变形带的长度和数量增加,从而改变了其宏观变形模式,致使结构两侧滑移现象加剧,同时积累了有夹层板结构中多个芯层中的胞孔缺陷,因此影响了逐层稳定变形,导致致密应变增大,坍塌应力、平台应力和单位体积吸能量减小,致密应变处的吸能效率降低。与其他结构相比,三层泡沫铝夹层板具有最佳的抗压强度和吸能性能。
2023, 52(11):3825-3831.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220832
摘要:
本文利用PVD技术在不同偏压下制备了一系列Ni3Al薄膜，通过XPS、XRD、SEM、AFM、纳米压痕仪以及显微硬度计等详细研究了偏压对于Ni3Al薄膜组分、沉积率、微观结构、硬度和断裂韧性的影响。结果表明：施加偏压可以增大溅射过程中被离化部分带电离子的动能，从而显著提高Ni3Al薄膜的沉积率、内部结构的致密性以及表面平整性；此外，适当偏压的引入可以诱导生成非晶包裹纳米晶的纳米复合结构，这种包裹态的双相纳米复合结构提供了大量晶界，增强了对位错的阻碍作用，位错堆积在晶界处无法继续运动从而导致硬度的增加。同时，大量存在的晶界可以消耗裂纹传播的能量、抑制宏观裂纹的产生，从而显著增强Ni3Al薄膜的断裂韧性。
本文利用PVD技术在不同偏压下制备了一系列Ni3Al薄膜，通过XPS、XRD、SEM、AFM、纳米压痕仪以及显微硬度计等详细研究了偏压对于Ni3Al薄膜组分、沉积率、微观结构、硬度和断裂韧性的影响。结果表明：施加偏压可以增大溅射过程中被离化部分带电离子的动能，从而显著提高Ni3Al薄膜的沉积率、内部结构的致密性以及表面平整性；此外，适当偏压的引入可以诱导生成非晶包裹纳米晶的纳米复合结构，这种包裹态的双相纳米复合结构提供了大量晶界，增强了对位错的阻碍作用，位错堆积在晶界处无法继续运动从而导致硬度的增加。同时，大量存在的晶界可以消耗裂纹传播的能量、抑制宏观裂纹的产生，从而显著增强Ni3Al薄膜的断裂韧性。
2023, 52(11):3832-3840.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220846
摘要:
在室温环境中对新型Ni-W-Co-Ta高密度合金进行冷轧变形，借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、背散射电子衍射、电子万能试验机及显微硬度计对新型Ni-W-Co-Ta高密度合金变形过程中的微观组织及力学性能演变规律进行表征。结果表明：随着变形量的增加，新型Ni-W-Co-Ta高密度合金等轴晶粒沿轧制方向不断被拉长，同时产生大量的滑移带协调剧烈的塑性变形，并最终形成纤维组织。变形量的增大导致位错密度急剧增加，位错交互作用显著加强，进而将晶粒尺寸细化至25.5 nm。经过90%的严重塑性变形后，抗拉强度提高到1953 MPa；屈服强度提升至1806 MPa，硬度增加至534 HV，伸长率则急剧下降至9.1%。断口形貌则由韧性断裂向韧性-准解理混合型断裂转变。
在室温环境中对新型Ni-W-Co-Ta高密度合金进行冷轧变形，借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、背散射电子衍射、电子万能试验机及显微硬度计对新型Ni-W-Co-Ta高密度合金变形过程中的微观组织及力学性能演变规律进行表征。结果表明：随着变形量的增加，新型Ni-W-Co-Ta高密度合金等轴晶粒沿轧制方向不断被拉长，同时产生大量的滑移带协调剧烈的塑性变形，并最终形成纤维组织。变形量的增大导致位错密度急剧增加，位错交互作用显著加强，进而将晶粒尺寸细化至25.5 nm。经过90%的严重塑性变形后，抗拉强度提高到1953 MPa；屈服强度提升至1806 MPa，硬度增加至534 HV，伸长率则急剧下降至9.1%。断口形貌则由韧性断裂向韧性-准解理混合型断裂转变。
2023, 52(11):3841-3846.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220833
摘要:
激光微细丝增材制造技术是一种能快速成形小型零件的制造技术,但由于受制造过程中热累积效应的影响,往往无法保证对成形零件的精准控形控性。针对这一问题,本文利用标定后的红外热像仪采集单道多层薄壁零件的表面温度,研究其制造过程温度场特征变化规律及热累积效应,为成形工艺的优化提供依据。结果表明：利用红外热像仪可实现对薄壁堆积过程温度场演化规律的研究,随着熔覆高度的增加,高温区域面积逐渐增大,热累积效应明显增强。熔覆过程中,热量向下传导,散热条件逐渐变差,各层冷却速率随层数增大而减小,直至趋于平稳。此外,当熔覆层数大于15层时,热累积效应不再对15层以下熔覆层产生影响。
激光微细丝增材制造技术是一种能快速成形小型零件的制造技术,但由于受制造过程中热累积效应的影响,往往无法保证对成形零件的精准控形控性。针对这一问题,本文利用标定后的红外热像仪采集单道多层薄壁零件的表面温度,研究其制造过程温度场特征变化规律及热累积效应,为成形工艺的优化提供依据。结果表明：利用红外热像仪可实现对薄壁堆积过程温度场演化规律的研究,随着熔覆高度的增加,高温区域面积逐渐增大,热累积效应明显增强。熔覆过程中,热量向下传导,散热条件逐渐变差,各层冷却速率随层数增大而减小,直至趋于平稳。此外,当熔覆层数大于15层时,热累积效应不再对15层以下熔覆层产生影响。
2023, 52(11):3857-3866.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220838
摘要:
利用恒温氧化试验研究了不同Y含量的新型Fe-Ni-Cr-Al合金在1300 ℃空气中的氧化行为,采用X射线衍射仪器(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了氧化产物类型和分布。研究发现Y的添加有益于提高Fe-Ni-Cr-Al合金的抗氧化能力,其原因是由于Y元素的添加促进了Fe-Ni-Cr-Al合金表面形成致密的尖晶石和氧化铬的复合保护层,减缓了基体合金元素的扩散,同时,Y的加入促进了Al2O3由内氧化向外氧化的转变,减缓了合金内氮化进程,整体提高了合金的抗氧化性能。
利用恒温氧化试验研究了不同Y含量的新型Fe-Ni-Cr-Al合金在1300 ℃空气中的氧化行为,采用X射线衍射仪器(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了氧化产物类型和分布。研究发现Y的添加有益于提高Fe-Ni-Cr-Al合金的抗氧化能力,其原因是由于Y元素的添加促进了Fe-Ni-Cr-Al合金表面形成致密的尖晶石和氧化铬的复合保护层,减缓了基体合金元素的扩散,同时,Y的加入促进了Al2O3由内氧化向外氧化的转变,减缓了合金内氮化进程,整体提高了合金的抗氧化性能。
2023, 52(11):3867-3872.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220841
摘要:
本文对钕铁硼速凝薄带进行“氢化-歧化-脱氢-复合”工艺(HDDR)处理,研究了歧化时间、脱氢压力对HDDR磁粉磁性能的影响及磁各向异性的产生机理。通过XRD对其进行物相表征,SEM观察微观形貌及磁性能测试,结果表明：歧化时间决定了HD工艺后磁粉材料中歧化相和残余母相Nd2Fe14BH1.04的含量,残余母相能够更好地将母相的织构信息传递下去,使得新相Nd2Fe14B有很强的c轴织构,磁粉在歧化时间为40 min时各向异性达到最佳,DOA=0.55。而脱氢压力主要作为晶体生长的驱动力,压力在0.01 MPa时驱动力过大,导致脱氢之后晶粒生长方向随机,c轴织构不明显,生成的新相Nd2Fe14B的各向异性较弱；磁粉在脱氢压力为0.03 Mpa时各向异性得到显著增强,DOA=0.53。
本文对钕铁硼速凝薄带进行“氢化-歧化-脱氢-复合”工艺(HDDR)处理,研究了歧化时间、脱氢压力对HDDR磁粉磁性能的影响及磁各向异性的产生机理。通过XRD对其进行物相表征,SEM观察微观形貌及磁性能测试,结果表明：歧化时间决定了HD工艺后磁粉材料中歧化相和残余母相Nd2Fe14BH1.04的含量,残余母相能够更好地将母相的织构信息传递下去,使得新相Nd2Fe14B有很强的c轴织构,磁粉在歧化时间为40 min时各向异性达到最佳,DOA=0.55。而脱氢压力主要作为晶体生长的驱动力,压力在0.01 MPa时驱动力过大,导致脱氢之后晶粒生长方向随机,c轴织构不明显,生成的新相Nd2Fe14B的各向异性较弱；磁粉在脱氢压力为0.03 Mpa时各向异性得到显著增强,DOA=0.53。
2023, 52(11):3893-3899.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220854
摘要:
利用熔铸和形变热处理工艺制备得到了一种Cu-Sn-Fe-Ni合金，并通过静置腐蚀和电化学测试研究了合金在3.5wt.%NaCl溶液中的静态腐蚀行为，用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对合金腐蚀后微观组织和腐蚀产物进行了表征，最后讨论分析了该合金腐蚀机理。结果表明：合金在3.5wt.%NaCl溶液中静态腐蚀速率为0.0473 mm/a，耐腐蚀性能较好；合金随着浸泡时间的增加，其耐腐蚀性先增加后减弱；合金在浸泡过程有明显的优先腐蚀倾向，首先发生脱Fe腐蚀，接着Cu氧化形成较致密的钝化膜，进而降低合金腐蚀速率，随后Sn和Ni开始溶解腐蚀，形成氧化膜，使钝化膜更为致密，但此时钝化膜下层依然发生脱Fe腐蚀，促使致密的钝化膜发生局部破坏，导致合金的耐腐蚀性能下降。
利用熔铸和形变热处理工艺制备得到了一种Cu-Sn-Fe-Ni合金，并通过静置腐蚀和电化学测试研究了合金在3.5wt.%NaCl溶液中的静态腐蚀行为，用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对合金腐蚀后微观组织和腐蚀产物进行了表征，最后讨论分析了该合金腐蚀机理。结果表明：合金在3.5wt.%NaCl溶液中静态腐蚀速率为0.0473 mm/a，耐腐蚀性能较好；合金随着浸泡时间的增加，其耐腐蚀性先增加后减弱；合金在浸泡过程有明显的优先腐蚀倾向，首先发生脱Fe腐蚀，接着Cu氧化形成较致密的钝化膜，进而降低合金腐蚀速率，随后Sn和Ni开始溶解腐蚀，形成氧化膜，使钝化膜更为致密，但此时钝化膜下层依然发生脱Fe腐蚀，促使致密的钝化膜发生局部破坏，导致合金的耐腐蚀性能下降。
2023, 52(11):3900-3908.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220861
摘要:
对于铝/镁搅拌摩擦焊(FSW)接头，当母材厚度过大时，容易沿界面形成较厚的脆硬金属间化合物(IMCs)，导致接头成形极其困难。本文创新地采用界面互锁复合Zn层，研究了厚板铝/镁FSW接头界面IMCs演变和接头性能变化规律，为后续实现铝/镁 FSW接头的高强度连接提供了理论及实践依据。 结果表明，斜对接接头镁侧界面上部生成了平均厚度为69.7μm的低熔点共晶层(Mg+Al12Mg17)，中部和下部生成了平均厚度为42.7μm和21.2μm的IMCs，该IMCs层由Al12Mg17和Al3Mg2组成。相比于斜对接接头，当采用界面互锁复合Zn层时，界面局部位置生成了Al-Mg-Zn相(Al5Mg11Zn4)和Mg-Zn相(MgZn2、Mg2Zn3)替代了原有的Al-Mg IMCs，最低IMCs厚度仅为3.9μm。拉伸结果表明，接头抗拉强度由斜对接接头的2.7MPa提高至界面互锁复合Zn层接头的32.3MPa，这与界面互锁效应和IMCs厚度减薄有关。
对于铝/镁搅拌摩擦焊(FSW)接头，当母材厚度过大时，容易沿界面形成较厚的脆硬金属间化合物(IMCs)，导致接头成形极其困难。本文创新地采用界面互锁复合Zn层，研究了厚板铝/镁FSW接头界面IMCs演变和接头性能变化规律，为后续实现铝/镁 FSW接头的高强度连接提供了理论及实践依据。 结果表明，斜对接接头镁侧界面上部生成了平均厚度为69.7μm的低熔点共晶层(Mg+Al12Mg17)，中部和下部生成了平均厚度为42.7μm和21.2μm的IMCs，该IMCs层由Al12Mg17和Al3Mg2组成。相比于斜对接接头，当采用界面互锁复合Zn层时，界面局部位置生成了Al-Mg-Zn相(Al5Mg11Zn4)和Mg-Zn相(MgZn2、Mg2Zn3)替代了原有的Al-Mg IMCs，最低IMCs厚度仅为3.9μm。拉伸结果表明，接头抗拉强度由斜对接接头的2.7MPa提高至界面互锁复合Zn层接头的32.3MPa，这与界面互锁效应和IMCs厚度减薄有关。
2023, 52(11):3915-3921.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220870
摘要:
本文采用失重法、形貌分析、成分分析和电化学测试等方法研究了紫铜管长期埋藏于热带雨林土壤环境中的腐蚀行为。结果表面,紫铜管埋藏16年后,平均腐蚀速率为2.5μm/y,腐蚀失重规律符合幂函数模型,其拟合方程为C=0.4273t-0.246。紫铜管表面腐蚀产物呈淡绿色的致密鳞状结构,与金属基体结合良好。 XPS、EDS和FTIR分析结果显示该腐蚀产物主要成分为铜绿(Cu2(OH)2CO3)。电化学测试结果表明,埋藏16年后,紫铜管腐蚀速率变小,阻抗值明显增大,表明腐蚀产物膜对基体形成良好的保护作用,能有效减缓腐蚀过程的继续发展。
本文采用失重法、形貌分析、成分分析和电化学测试等方法研究了紫铜管长期埋藏于热带雨林土壤环境中的腐蚀行为。结果表面,紫铜管埋藏16年后,平均腐蚀速率为2.5μm/y,腐蚀失重规律符合幂函数模型,其拟合方程为C=0.4273t-0.246。紫铜管表面腐蚀产物呈淡绿色的致密鳞状结构,与金属基体结合良好。 XPS、EDS和FTIR分析结果显示该腐蚀产物主要成分为铜绿(Cu2(OH)2CO3)。电化学测试结果表明,埋藏16年后,紫铜管腐蚀速率变小,阻抗值明显增大,表明腐蚀产物膜对基体形成良好的保护作用,能有效减缓腐蚀过程的继续发展。
2023, 52(11):3922-3930.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220871
摘要:
采用选择性激光熔化（SLM）3D打印方式成功设计和制造了具有点阵结构的钨材，结合有限元分析、扫描电镜、准静态单轴压缩试验探究了不同点阵结构下钨材力学性能的变化规律，分析了微观组织对力学性能的影响。结果表明圆弧型点阵结构可有效降低节点处的应力集中，保持点阵结构轻质、低孔隙率特性同时还维持着钨材的高强度力学性能，平均抗压强度达到535MPa，平均质量仅为1.25g，激光打印后圆弧点阵较立方点阵平均抗压强度提升93%，其中体心圆弧点阵（BCA）显示出更优抗压性能，极限抗压强度达到721MPa，结构致密度为理论值12.8%；力学性能指标接近于变形态。与立方点阵相比，圆弧点阵具有良好的能力吸收特性，后者相较前者总能量吸收值提升223%，圆弧点阵平均能量吸收达到1664J/cm3。此外，SEM图像显示圆弧点阵因其弧形特性，减少了打印中斜支柱的悬挂距离，成型效果优于立方点阵。
采用选择性激光熔化（SLM）3D打印方式成功设计和制造了具有点阵结构的钨材，结合有限元分析、扫描电镜、准静态单轴压缩试验探究了不同点阵结构下钨材力学性能的变化规律，分析了微观组织对力学性能的影响。结果表明圆弧型点阵结构可有效降低节点处的应力集中，保持点阵结构轻质、低孔隙率特性同时还维持着钨材的高强度力学性能，平均抗压强度达到535MPa，平均质量仅为1.25g，激光打印后圆弧点阵较立方点阵平均抗压强度提升93%，其中体心圆弧点阵（BCA）显示出更优抗压性能，极限抗压强度达到721MPa，结构致密度为理论值12.8%；力学性能指标接近于变形态。与立方点阵相比，圆弧点阵具有良好的能力吸收特性，后者相较前者总能量吸收值提升223%，圆弧点阵平均能量吸收达到1664J/cm3。此外，SEM图像显示圆弧点阵因其弧形特性，减少了打印中斜支柱的悬挂距离，成型效果优于立方点阵。
2023, 52(11):3931-3938.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220875
摘要:
铂铱键合丝是一种应用于特种微电子器件封装的高强度引线键合材料，经拉拔制备的铂铱合金微细丝材的热处理是调控键合丝终服役性能的关键环节。本文以Φ25 μm超细Pt-10Ir键合丝为研究对象，通过高分辨FIB-EBSD联动表征技术，对不同退火工艺下超细丝材显微组织及形变织构进行了深入分析测定，并对其力/电学性能的演变进行了分析。结果表明：随着退火温度的升高，显微组织由拉拔态的细小纤维状晶粒逐渐转变为部分等轴组织，等轴状组织优先在晶界处形核长大且丝材织构强度逐渐下降，破断力逐渐降低，延伸率逐渐升高而电阻率则呈现出先降低后升高的趋势。Pt-10Ir超细键合丝在600℃/30 min退火后，主要发生回复，未发生明显的再结晶，织构取向演变为<111>平行于丝材拉拔方向的形变织构，破断力为37.06 cN，抗拉强度为755.29 MPa，延伸率为1.30%，电阻率为22.81 μΩ·cm，表现出好的力/电综合性能。该研究为贵金属超细键合丝材的性能优化提供理论和实验基础。
铂铱键合丝是一种应用于特种微电子器件封装的高强度引线键合材料，经拉拔制备的铂铱合金微细丝材的热处理是调控键合丝终服役性能的关键环节。本文以Φ25 μm超细Pt-10Ir键合丝为研究对象，通过高分辨FIB-EBSD联动表征技术，对不同退火工艺下超细丝材显微组织及形变织构进行了深入分析测定，并对其力/电学性能的演变进行了分析。结果表明：随着退火温度的升高，显微组织由拉拔态的细小纤维状晶粒逐渐转变为部分等轴组织，等轴状组织优先在晶界处形核长大且丝材织构强度逐渐下降，破断力逐渐降低，延伸率逐渐升高而电阻率则呈现出先降低后升高的趋势。Pt-10Ir超细键合丝在600℃/30 min退火后，主要发生回复，未发生明显的再结晶，织构取向演变为<111>平行于丝材拉拔方向的形变织构，破断力为37.06 cN，抗拉强度为755.29 MPa，延伸率为1.30%，电阻率为22.81 μΩ·cm，表现出好的力/电综合性能。该研究为贵金属超细键合丝材的性能优化提供理论和实验基础。
2023, 52(11):3947-3953.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230384
摘要:
系统的研究了不同周期的纳米凹坑和纳米柱孔氧化铝膜表面直接修饰当归多糖（ASP）或通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）共价连接修饰ASP后，乳腺癌细胞MDA-MB-231在其表面生长的细胞形态和活性规律。研究发现，当归多糖直接修饰纳米凹坑和纳米柱孔结构能够有效抑制乳腺癌细胞的活性，对细胞形态影响较小。但纳米凹坑结构的细胞活性抑制效果优于纳米柱孔结构，纳米凹坑在300 nm周期时具有最优的细胞活性抑制效果，抑制率为27.7%。用KH550共价修饰ASP的纳米凹坑和纳米柱孔结构对细胞活性的抑制效果要优于直接修饰ASP时的抑制效果，细胞形态也发生了明显的变化，胞体周围生成大量板状伪足。纳米凹坑结构上的细胞活性抑制效果要优于纳米柱孔结构，纳米凹坑在300 nm周期时抑制效果最佳，抑制率为28.2%。该结果对于药物的设计以及输运具有一定的指导作用。
系统的研究了不同周期的纳米凹坑和纳米柱孔氧化铝膜表面直接修饰当归多糖（ASP）或通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）共价连接修饰ASP后，乳腺癌细胞MDA-MB-231在其表面生长的细胞形态和活性规律。研究发现，当归多糖直接修饰纳米凹坑和纳米柱孔结构能够有效抑制乳腺癌细胞的活性，对细胞形态影响较小。但纳米凹坑结构的细胞活性抑制效果优于纳米柱孔结构，纳米凹坑在300 nm周期时具有最优的细胞活性抑制效果，抑制率为27.7%。用KH550共价修饰ASP的纳米凹坑和纳米柱孔结构对细胞活性的抑制效果要优于直接修饰ASP时的抑制效果，细胞形态也发生了明显的变化，胞体周围生成大量板状伪足。纳米凹坑结构上的细胞活性抑制效果要优于纳米柱孔结构，纳米凹坑在300 nm周期时抑制效果最佳，抑制率为28.2%。该结果对于药物的设计以及输运具有一定的指导作用。
2023, 52(11):3954-3970.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220800
摘要:
轻质高强铸造铝合金在航空航天、汽车轻量化等方面展现出独特的优势。对铸造铝合金成形性能和力学性能进一步优化,对拓宽其应用领域意义重大。本文综述了Al-Zn系高强铸造铝合金的研究现状与进展,重点归纳了高强铸造铝合金(微)合金化、晶粒细化、组织纯净化、热处理优化等方面的强化机制及现有研究成果,并对铸造铝合金目前研发中所存在的问题进行探讨,最后对高强铸造铝合金的发展方向进行了展望,对高强铸造铝合金的发展具有一定的实践和理论指导意义。
轻质高强铸造铝合金在航空航天、汽车轻量化等方面展现出独特的优势。对铸造铝合金成形性能和力学性能进一步优化,对拓宽其应用领域意义重大。本文综述了Al-Zn系高强铸造铝合金的研究现状与进展,重点归纳了高强铸造铝合金(微)合金化、晶粒细化、组织纯净化、热处理优化等方面的强化机制及现有研究成果,并对铸造铝合金目前研发中所存在的问题进行探讨,最后对高强铸造铝合金的发展方向进行了展望,对高强铸造铝合金的发展具有一定的实践和理论指导意义。
2023, 52(11):3981-4001.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220804
摘要:
按照多主元设计理念所制备的高熵合金展现了高强度、高韧性以及良好的耐磨性、耐氧化和热稳定性等优异综合性能，使其有望成为一种优异的新型结构材料。高熵合金在成分设计上可通过调整各主元元素的浓度、添加间隙原子等方式调控合金的层错能和微观结构，引入析出强化、细晶强化和相变或孪晶诱导塑性效应等强韧化机制，进而改善合金的综合力学性能。本文主要总结了近年来非等原子比和间隙碳/氮原子添加的成分设计对面心立方高熵合金体系的微观结构、力学性能和变形机制的影响，旨在为新型高性能面心立方高熵合金的设计提供理论基础。
按照多主元设计理念所制备的高熵合金展现了高强度、高韧性以及良好的耐磨性、耐氧化和热稳定性等优异综合性能，使其有望成为一种优异的新型结构材料。高熵合金在成分设计上可通过调整各主元元素的浓度、添加间隙原子等方式调控合金的层错能和微观结构，引入析出强化、细晶强化和相变或孪晶诱导塑性效应等强韧化机制，进而改善合金的综合力学性能。本文主要总结了近年来非等原子比和间隙碳/氮原子添加的成分设计对面心立方高熵合金体系的微观结构、力学性能和变形机制的影响，旨在为新型高性能面心立方高熵合金的设计提供理论基础。
