2023年第52卷第12期文章目次
2023, 52(12):4029-4039.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230322
摘要:
多孔钛合金的设计与力学性能是生物医学领域的研究热点。通过SLM技术设计并制造了2种均质和梯度的Gyroid极小曲面单胞结构，通过对其进行静态压缩试验和拉伸试验并与传统的桁架类单胞结构做对比，建立了5种不同点阵结构的准静态压缩模型。通过Hypermesh与ABAQUS联合仿真的方式，对它们进行了网格划分与分析计算，通过应力应变云图、塑性应变云图以及压缩实验过程的观察，综合分析了空心立方、G7、bcc、均质Gyroid和梯度Gyroid 5种多孔结构失效形式和变形机制，将仿真得出的应力应变曲线与试验结果进行了对比，发现该仿真方法可以较好预测出不同多孔结构的最大抗压强度。压缩和拉伸试验结果表明，Gyroid点阵材料的最大抗拉性能远高于桁架类结构，抗压性能也更优越。其中，G梯度结构的综合力学性能最优。
多孔钛合金的设计与力学性能是生物医学领域的研究热点。通过SLM技术设计并制造了2种均质和梯度的Gyroid极小曲面单胞结构，通过对其进行静态压缩试验和拉伸试验并与传统的桁架类单胞结构做对比，建立了5种不同点阵结构的准静态压缩模型。通过Hypermesh与ABAQUS联合仿真的方式，对它们进行了网格划分与分析计算，通过应力应变云图、塑性应变云图以及压缩实验过程的观察，综合分析了空心立方、G7、bcc、均质Gyroid和梯度Gyroid 5种多孔结构失效形式和变形机制，将仿真得出的应力应变曲线与试验结果进行了对比，发现该仿真方法可以较好预测出不同多孔结构的最大抗压强度。压缩和拉伸试验结果表明，Gyroid点阵材料的最大抗拉性能远高于桁架类结构，抗压性能也更优越。其中，G梯度结构的综合力学性能最优。
2023, 52(12):4073-4085.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230323
摘要:
TiAl合金因具有低密度、高比强度、高温抗氧化性等性能成为航空航天等领域最具潜力的高温轻质结构材料之一，但其具有本质脆性，在成型过程中易引入微裂纹、孔洞等缺陷，严重影响了其力学性能。超音速微粒轰击是新型表面改性技术之一，利用该技术研究了不同孪晶界数量和位置对TiAl合金力学性能和变形行为的影响。结果表明：不同孪晶界数量模型的屈服强度随孪晶界数量的增大而降低；孪晶界位置距模型上表面越近，材料屈服强度越低；随着孪晶界数量的增加，孪晶对位错运动的阻碍越明显，模型轰击后表面的塑性变形程度也越大，材料更易发生断裂；孪晶距离材料上表面越近，孪晶对位错生长的抑制越明显，进而影响材料强度；模型变形失效是位错与位错、位错与孪晶及其它缺陷共同作用的结果。
TiAl合金因具有低密度、高比强度、高温抗氧化性等性能成为航空航天等领域最具潜力的高温轻质结构材料之一，但其具有本质脆性，在成型过程中易引入微裂纹、孔洞等缺陷，严重影响了其力学性能。超音速微粒轰击是新型表面改性技术之一，利用该技术研究了不同孪晶界数量和位置对TiAl合金力学性能和变形行为的影响。结果表明：不同孪晶界数量模型的屈服强度随孪晶界数量的增大而降低；孪晶界位置距模型上表面越近，材料屈服强度越低；随着孪晶界数量的增加，孪晶对位错运动的阻碍越明显，模型轰击后表面的塑性变形程度也越大，材料更易发生断裂；孪晶距离材料上表面越近，孪晶对位错生长的抑制越明显，进而影响材料强度；模型变形失效是位错与位错、位错与孪晶及其它缺陷共同作用的结果。
2023, 52(12):4125-4132.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220934
摘要:
以TC4钛合金扩散连接区为研究对象，在变形温度920，950，980，1010 ℃及应变速率0.01，0.1，1，10 s-1的条件下进行热变形试验，研究了变形温度和应变速率对TC4钛合金扩散连接区流变应力和微观组织的影响规律。研究结果表明：TC4钛合金扩散连接区在高温下具有明显的动态软化特征，流变应力随变形温度的升高而降低，随变形速率的提高而增大；高温变形后扩散连接界面消失，随变形温度的增加，等轴α相的体积分数减少，同时伴有短棒状和板条状的次生α相出现，且次生α相的体积分数随应变速率增加逐渐降低；当变形温度达到1010 ℃时，出现马氏体α′相；以双曲正弦形式修正的Arrhenius方程为基础，建立了TC4钛合金扩散连接区双曲正弦本构方程以及热加工图，确定TC4钛合金扩散连接区的最佳变形温度为920~950 ℃，变形速率为0.01~0.1 s-1。
以TC4钛合金扩散连接区为研究对象，在变形温度920，950，980，1010 ℃及应变速率0.01，0.1，1，10 s-1的条件下进行热变形试验，研究了变形温度和应变速率对TC4钛合金扩散连接区流变应力和微观组织的影响规律。研究结果表明：TC4钛合金扩散连接区在高温下具有明显的动态软化特征，流变应力随变形温度的升高而降低，随变形速率的提高而增大；高温变形后扩散连接界面消失，随变形温度的增加，等轴α相的体积分数减少，同时伴有短棒状和板条状的次生α相出现，且次生α相的体积分数随应变速率增加逐渐降低；当变形温度达到1010 ℃时，出现马氏体α′相；以双曲正弦形式修正的Arrhenius方程为基础，建立了TC4钛合金扩散连接区双曲正弦本构方程以及热加工图，确定TC4钛合金扩散连接区的最佳变形温度为920~950 ℃，变形速率为0.01~0.1 s-1。
2023, 52(12):4133-4140.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230287
摘要:
为揭示固溶温度(850 ℃,920 ℃,960 ℃)对TC4钛合金微观组织和动态拉伸力学性能的影响,采用XRD、SEM和EBSD方法对材料晶体结构、微观组织和晶粒取向等特征进行分析,选取分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置进行了材料的动态拉伸力学性能测试,构建了Johnson-Cook(J-C)本构模型,开展了动态拉伸断口形貌分析。结果表明：随固溶温度升高,材料中α/α′含量升高,初生α相含量降低,针状α′含量升高,晶粒尺寸减小且择优取向强度增大；TC4钛合金具有明显的应变率强化效应,随固溶温度升高,材料屈服强度和维氏硬度逐渐增大,断裂延伸率降低；动态拉伸断口整体表现为韧性断裂,随固溶温度升高,材料塑性降低,固溶温度960 ℃时,试样韧性断裂特征不显著。本文结论可为TC4钛合金力学性能调控及抗冲击设计提供方法和数据支撑。
为揭示固溶温度(850 ℃,920 ℃,960 ℃)对TC4钛合金微观组织和动态拉伸力学性能的影响,采用XRD、SEM和EBSD方法对材料晶体结构、微观组织和晶粒取向等特征进行分析,选取分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置进行了材料的动态拉伸力学性能测试,构建了Johnson-Cook(J-C)本构模型,开展了动态拉伸断口形貌分析。结果表明：随固溶温度升高,材料中α/α′含量升高,初生α相含量降低,针状α′含量升高,晶粒尺寸减小且择优取向强度增大；TC4钛合金具有明显的应变率强化效应,随固溶温度升高,材料屈服强度和维氏硬度逐渐增大,断裂延伸率降低；动态拉伸断口整体表现为韧性断裂,随固溶温度升高,材料塑性降低,固溶温度960 ℃时,试样韧性断裂特征不显著。本文结论可为TC4钛合金力学性能调控及抗冲击设计提供方法和数据支撑。
2023, 52(12):4205-4211.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220890
摘要:
采用Ti-25.65Zr-13.3Cu-12.35Ni-3Co-2Mo(wt.%)非晶箔带钎料在900 ℃~1020 ℃/10 min工艺下真空钎焊连接TC4和TNM合金,并系统研究了TC4/TNM钎焊接头的界面组织和形成机理以及钎焊温度对界面组织和剪切强度的影响规律。结果表明：钎焊温度900～980 ℃时接头的组织为TC4/细小网篮状(α+β)-Ti/γ-(Ti,Zr)2(Cu,Ni) + α-Ti/Ti3Al/TNM,随钎焊温度升高,钎缝中硬脆的γ相减少、韧性的α-Ti增加。钎焊温度1000 ℃和1020 ℃时,接头的界面反应层由三层演变成两层且对应的物相分别是韧性差的粗针状(α+β)-Ti和Ti3Al,粗针状(α+β)-Ti随温度升高进一步粗化。钎焊接头剪切强度随温度升高先增加后减小,钎焊温度980 ℃时剪切强度达到最大值494.83 MPa。剪切测试的钎焊接头均脆性断裂于TNM侧的钎缝中。
采用Ti-25.65Zr-13.3Cu-12.35Ni-3Co-2Mo(wt.%)非晶箔带钎料在900 ℃~1020 ℃/10 min工艺下真空钎焊连接TC4和TNM合金,并系统研究了TC4/TNM钎焊接头的界面组织和形成机理以及钎焊温度对界面组织和剪切强度的影响规律。结果表明：钎焊温度900～980 ℃时接头的组织为TC4/细小网篮状(α+β)-Ti/γ-(Ti,Zr)2(Cu,Ni) + α-Ti/Ti3Al/TNM,随钎焊温度升高,钎缝中硬脆的γ相减少、韧性的α-Ti增加。钎焊温度1000 ℃和1020 ℃时,接头的界面反应层由三层演变成两层且对应的物相分别是韧性差的粗针状(α+β)-Ti和Ti3Al,粗针状(α+β)-Ti随温度升高进一步粗化。钎焊接头剪切强度随温度升高先增加后减小,钎焊温度980 ℃时剪切强度达到最大值494.83 MPa。剪切测试的钎焊接头均脆性断裂于TNM侧的钎缝中。
2023, 52(12):4227-4237.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220922
摘要:
对比研究了网篮组织TC25G钛合金棒材在不同变形量下的组织演变及其550℃热暴露和蠕变性能变化。结果表明：随变形量的增加，合金热暴露后拉伸塑性逐渐增加，而高温抗蠕变性逐渐减弱，两种性能在变形量100%时达到良好匹配，均可满足工程应用要求。变形量的增加对应显微组织中片层α相的球化过程，在片层α相充分球化前，显微组织中多层级结构的界面强化效应使得合金具有良好的高温抗蠕变性；而α相充分球化后，等轴组织为主的显微组织使得合金具有较好的塑性。随变形量的增加，热暴露后拉伸断口韧窝尺寸逐渐变得细小均匀，且韧窝深度增加，表明合金热暴露后塑性提升。纳米显微硬度测试结果表明，合金中初生α相的显微硬度高于β转变组织，通过固溶温度调整合金中α相的含量和分布，可提升抗蠕变性，但其效果不及变形量的调控显著；为获得最佳的高温强塑性匹配，可通过控制片层α相球化程度来实现。
对比研究了网篮组织TC25G钛合金棒材在不同变形量下的组织演变及其550℃热暴露和蠕变性能变化。结果表明：随变形量的增加，合金热暴露后拉伸塑性逐渐增加，而高温抗蠕变性逐渐减弱，两种性能在变形量100%时达到良好匹配，均可满足工程应用要求。变形量的增加对应显微组织中片层α相的球化过程，在片层α相充分球化前，显微组织中多层级结构的界面强化效应使得合金具有良好的高温抗蠕变性；而α相充分球化后，等轴组织为主的显微组织使得合金具有较好的塑性。随变形量的增加，热暴露后拉伸断口韧窝尺寸逐渐变得细小均匀，且韧窝深度增加，表明合金热暴露后塑性提升。纳米显微硬度测试结果表明，合金中初生α相的显微硬度高于β转变组织，通过固溶温度调整合金中α相的含量和分布，可提升抗蠕变性，但其效果不及变形量的调控显著；为获得最佳的高温强塑性匹配，可通过控制片层α相球化程度来实现。
2023, 52(12):4245-4250.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220910
摘要:
采用多场耦合重熔工艺仿真软件MeltFlow-VAR建立的数值模型，研究了工业化大规格TC6合金在不同冷却条件下的温度场和Cr元素偏析行为，并通过制备Ф640mm规格TC6合金铸锭进行验证。模拟结果表明：增大铸锭和坩埚间的换热后，铸锭熔池和糊状区深度变浅，整体呈现自下而上的顺序凝固，Cr元素偏析范围及整锭极差减小。结合实验验证表明：采用壁厚减薄的异形坩埚加强冷却后，凝固组织转变为全柱状晶，有利于减轻偏析，得到成分均匀性较高的铸锭。
采用多场耦合重熔工艺仿真软件MeltFlow-VAR建立的数值模型，研究了工业化大规格TC6合金在不同冷却条件下的温度场和Cr元素偏析行为，并通过制备Ф640mm规格TC6合金铸锭进行验证。模拟结果表明：增大铸锭和坩埚间的换热后，铸锭熔池和糊状区深度变浅，整体呈现自下而上的顺序凝固，Cr元素偏析范围及整锭极差减小。结合实验验证表明：采用壁厚减薄的异形坩埚加强冷却后，凝固组织转变为全柱状晶，有利于减轻偏析，得到成分均匀性较高的铸锭。
2023, 52(12):4260-4267.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220924
摘要:
研究了不同准β热处理工艺对TC4-DT钛合金显微组织和力学性能的影响，并对显微组织、力学性能断口形貌进行了对比分析。结果表明随着固溶温度从Tβ+10℃升高到Tβ+25℃，合金初生片状α相长宽比变大，次生α相含量升高，塑性下降，抗拉强度升高。冷却速率的下降对于初生片状α相有粗化效果，降低初生片状α相的长宽比，对应的抗拉强度升高，塑性降低。固溶时间的延长，初生片状α相宽度变大，长宽比下降，次生片状α相长宽比变大。TC4-DT钛合金拉伸断口存在大小不一的韧窝，随固溶温度的升高和时效时间的延长，试样拉伸断口韧窝的尺寸均有不同程度的变大，同时出现了少量的撕裂棱，试样的断裂机制为以韧性断裂为主并伴有准解理断裂。
研究了不同准β热处理工艺对TC4-DT钛合金显微组织和力学性能的影响，并对显微组织、力学性能断口形貌进行了对比分析。结果表明随着固溶温度从Tβ+10℃升高到Tβ+25℃，合金初生片状α相长宽比变大，次生α相含量升高，塑性下降，抗拉强度升高。冷却速率的下降对于初生片状α相有粗化效果，降低初生片状α相的长宽比，对应的抗拉强度升高，塑性降低。固溶时间的延长，初生片状α相宽度变大，长宽比下降，次生片状α相长宽比变大。TC4-DT钛合金拉伸断口存在大小不一的韧窝，随固溶温度的升高和时效时间的延长，试样拉伸断口韧窝的尺寸均有不同程度的变大，同时出现了少量的撕裂棱，试样的断裂机制为以韧性断裂为主并伴有准解理断裂。
2023, 52(12):4268-4275.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220938
摘要:
采用拉伸、压缩的试验方法,结合Schmid因子计算和晶体塑性模拟计算研究了TA2纯钛在不同应力(拉应力、压应力)状态下织构的演化机制。结果表明：在拉伸变形过程中,较大的应变量也难以使织构发生显著变化,相对而言,压缩变形过程中织构变化较为显著。在不同应变路径下,变形初期启动的变形方式有一定的差异。在不同应变量下,随着变形程度的增加,发生基面滑移或锥面滑移或{10 2}拉伸孪生的晶粒数变多是导致了形成不同织构的主要原因。
采用拉伸、压缩的试验方法,结合Schmid因子计算和晶体塑性模拟计算研究了TA2纯钛在不同应力(拉应力、压应力)状态下织构的演化机制。结果表明：在拉伸变形过程中,较大的应变量也难以使织构发生显著变化,相对而言,压缩变形过程中织构变化较为显著。在不同应变路径下,变形初期启动的变形方式有一定的差异。在不同应变量下,随着变形程度的增加,发生基面滑移或锥面滑移或{10 2}拉伸孪生的晶粒数变多是导致了形成不同织构的主要原因。
2023, 52(12):4361-4366.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230342
摘要:
通过添加稀土Yb2O3提高TC4钛合金激光焊缝的超塑性变形能力，改善接头的超塑性变形均匀性。研究结果表明，Yb2O3的加入能够降低焊缝超塑性变形流变应力，提高延伸率，增加接头变形均匀系数值。随着Yb2O3含量增加，焊缝纵向峰值流变应力和延伸率均先降低再升高，在6%时峰值流变应力最低为11.9MPa；延伸率最高为592.3 %，此时焊缝区域组织等轴化程度最高，焊缝的超塑性最好。横向变形时随着Yb2O3含量的增加，接头变形均匀系数K值呈现先增加后减小的趋势，含量为6 wt.%时的试样K值取到最大值为0.209。
通过添加稀土Yb2O3提高TC4钛合金激光焊缝的超塑性变形能力，改善接头的超塑性变形均匀性。研究结果表明，Yb2O3的加入能够降低焊缝超塑性变形流变应力，提高延伸率，增加接头变形均匀系数值。随着Yb2O3含量增加，焊缝纵向峰值流变应力和延伸率均先降低再升高，在6%时峰值流变应力最低为11.9MPa；延伸率最高为592.3 %，此时焊缝区域组织等轴化程度最高，焊缝的超塑性最好。横向变形时随着Yb2O3含量的增加，接头变形均匀系数K值呈现先增加后减小的趋势，含量为6 wt.%时的试样K值取到最大值为0.209。
2023, 52(12):4117-4124.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220882
摘要:
通过向包埋渗铝剂中添加Y2O3粉末在纯Nb基体表面制备了Y改性的渗铝涂层,研究了Y对涂层微观组织和生长机制的影响。结果表明,Y对涂层的相组成和NbAl3相的晶粒形态均无明显影响。随包埋剂中Y2O3添加量的增加,涂层表面的Y含量升高。Y改性后,涂层的生长机制由受Al原子的沿晶扩散控制转变为受Al原子的晶内扩散控制,降低了涂层的生长速率,并使NbAl3相的柱状晶区形成了<010>//ND和<110>//ND的两种丝织构。
通过向包埋渗铝剂中添加Y2O3粉末在纯Nb基体表面制备了Y改性的渗铝涂层,研究了Y对涂层微观组织和生长机制的影响。结果表明,Y对涂层的相组成和NbAl3相的晶粒形态均无明显影响。随包埋剂中Y2O3添加量的增加,涂层表面的Y含量升高。Y改性后,涂层的生长机制由受Al原子的沿晶扩散控制转变为受Al原子的晶内扩散控制,降低了涂层的生长速率,并使NbAl3相的柱状晶区形成了<010>//ND和<110>//ND的两种丝织构。
2023, 52(12):4200-4204.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220928
摘要:
生物污损是威胁海工材料安全高效服役的重要因素，因此开发环保、成本低廉的防污材料非常必要。本文通过一步热分解法分别在450 ℃和750 ℃制备α-MoO3粉末材料，即S450和S750。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱（FTIR）对样品进行表征。结果显示，450 ℃和750 ℃获得的α-MoO3分别表现为纳米级板状结构和微米级长板状结构。利用平板计数法评价两种材料在无光条件下对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的抗菌性能。结果显示，S450和S750在浓度为0.25，0.5，0.75，和1 mg/ml时，其抗菌率分别为27.3%，99%，100%，100%和16.1%，30.1%，52.3%，73.6%。表明两个条件下获得的α-MoO3在无光条件下均表现出良好的抗菌性能，并且溶液pH值随α-MoO3样品浓度的升高而降低，Mo离子溶出量随α-MoO3样品浓度的升高而增加。α-MoO3在无光条件下的抗菌活性源于H3O+和Mo离子溶出的协同作用影响。与S750相比，S450表现出更高的抗菌率，这可能源于S450在溶液中具有更高的溶解度，因而导致更多的H3O+和Mo离子溶出。
生物污损是威胁海工材料安全高效服役的重要因素，因此开发环保、成本低廉的防污材料非常必要。本文通过一步热分解法分别在450 ℃和750 ℃制备α-MoO3粉末材料，即S450和S750。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱（FTIR）对样品进行表征。结果显示，450 ℃和750 ℃获得的α-MoO3分别表现为纳米级板状结构和微米级长板状结构。利用平板计数法评价两种材料在无光条件下对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的抗菌性能。结果显示，S450和S750在浓度为0.25，0.5，0.75，和1 mg/ml时，其抗菌率分别为27.3%，99%，100%，100%和16.1%，30.1%，52.3%，73.6%。表明两个条件下获得的α-MoO3在无光条件下均表现出良好的抗菌性能，并且溶液pH值随α-MoO3样品浓度的升高而降低，Mo离子溶出量随α-MoO3样品浓度的升高而增加。α-MoO3在无光条件下的抗菌活性源于H3O+和Mo离子溶出的协同作用影响。与S750相比，S450表现出更高的抗菌率，这可能源于S450在溶液中具有更高的溶解度，因而导致更多的H3O+和Mo离子溶出。
2023, 52(12):4238-4244.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220904
摘要:
提出一种在金刚石表面制备Ti涂层的新方法，将感应加热到一定温度的Ti棒，在电磁屏蔽保护下的聚晶金刚石表面以旋转挤压的方式进行摩擦涂覆，实现了金刚石表面的金属化。通过红外测温仪测试聚晶金刚石表面温度，利用扫描电子显微镜观察Ti涂层的界面形貌、内表面形貌以及聚晶金刚石/硬质合金之间的界面形貌，采用X射线衍射仪检测Ti涂层内表面物相组成，通过能谱分析仪对Ti涂层界面和内表面进行元素分析。研究结果发现:高温Ti棒与聚晶金刚石表面进行摩擦涂覆，在聚晶金刚石与Ti涂层界面处发生了C、Ti元素的相互扩散，且在界面处产生有点状碳化物TiC。将聚晶金刚石置于具有电磁屏蔽的装置中，可有效避免聚晶金刚石/硬质合金界面处的热损伤。Ti涂层的形成过程可分为三个阶段:新鲜表面相互接触、初始扩散、扩散带形成。本文提出的感应加热摩擦法工艺简便，能够显著提高涂覆效率，可以有效避免金刚石热损伤。
提出一种在金刚石表面制备Ti涂层的新方法，将感应加热到一定温度的Ti棒，在电磁屏蔽保护下的聚晶金刚石表面以旋转挤压的方式进行摩擦涂覆，实现了金刚石表面的金属化。通过红外测温仪测试聚晶金刚石表面温度，利用扫描电子显微镜观察Ti涂层的界面形貌、内表面形貌以及聚晶金刚石/硬质合金之间的界面形貌，采用X射线衍射仪检测Ti涂层内表面物相组成，通过能谱分析仪对Ti涂层界面和内表面进行元素分析。研究结果发现:高温Ti棒与聚晶金刚石表面进行摩擦涂覆，在聚晶金刚石与Ti涂层界面处发生了C、Ti元素的相互扩散，且在界面处产生有点状碳化物TiC。将聚晶金刚石置于具有电磁屏蔽的装置中，可有效避免聚晶金刚石/硬质合金界面处的热损伤。Ti涂层的形成过程可分为三个阶段:新鲜表面相互接触、初始扩散、扩散带形成。本文提出的感应加热摩擦法工艺简便，能够显著提高涂覆效率，可以有效避免金刚石热损伤。
2023, 52(12):4276-4283.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220919
摘要:
采用扩散共渗方法在TiAl合金表面制备了Si-Co-Y渗层,分析了渗层的组织结构、形成机理及其在950 ℃时的抗氧化性能。所制备的Si-Co-Y渗层组织致密,呈多层结构：主要由TiSi2表层,TiSi2+Ti5Si4+Ti5Si3混合组成的外层,Ti5Si3中间层和TiAl2内层组成；渗层生长过程由Si的向内扩散控制,且遵循先沉积Si后沉积Co的有序过程。氧化实验结果表明,Si-Co-Y渗层具有良好的高温抗氧化性能,在950 ℃氧化100 h后表面形成了由SiO2, TiO2和Al2O3组成的保护性氧化膜；该氧化膜的生长遵循抛物线规律,氧化增重的抛物线速率常数约为6.3×10-2 mg2/cm4 h1/2,较基体合金低约一个数量级。
采用扩散共渗方法在TiAl合金表面制备了Si-Co-Y渗层,分析了渗层的组织结构、形成机理及其在950 ℃时的抗氧化性能。所制备的Si-Co-Y渗层组织致密,呈多层结构：主要由TiSi2表层,TiSi2+Ti5Si4+Ti5Si3混合组成的外层,Ti5Si3中间层和TiAl2内层组成；渗层生长过程由Si的向内扩散控制,且遵循先沉积Si后沉积Co的有序过程。氧化实验结果表明,Si-Co-Y渗层具有良好的高温抗氧化性能,在950 ℃氧化100 h后表面形成了由SiO2, TiO2和Al2O3组成的保护性氧化膜；该氧化膜的生长遵循抛物线规律,氧化增重的抛物线速率常数约为6.3×10-2 mg2/cm4 h1/2,较基体合金低约一个数量级。
2023, 52(12):4355-4360.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230422
摘要:
在第三代单晶高温合金DD90上制备热障涂层,采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备NiCrAlY+NiCoCrAlTaY双层结构的粘结层,大气等离子喷涂(APS)制备YSZ和MSZ/YSZ结构的陶瓷层。在1150℃抗氧化试验中,YSZ涂层增重量明显高于MSZ涂层。在1200℃热循环250次后,两种涂层没有发生明显相变,MSZ涂层抗烧结性更优异。两种涂层TGO 主要由Al2O3及少量尖晶石结构的混合氧化物组成。双层粘结层减少了Al元素向基材的扩散,而Cr元素由于浓度梯度扩散导致拓扑密堆(TCP)相的析出及二次反应区(SRZ)深度的增加。
在第三代单晶高温合金DD90上制备热障涂层,采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备NiCrAlY+NiCoCrAlTaY双层结构的粘结层,大气等离子喷涂(APS)制备YSZ和MSZ/YSZ结构的陶瓷层。在1150℃抗氧化试验中,YSZ涂层增重量明显高于MSZ涂层。在1200℃热循环250次后,两种涂层没有发生明显相变,MSZ涂层抗烧结性更优异。两种涂层TGO 主要由Al2O3及少量尖晶石结构的混合氧化物组成。双层粘结层减少了Al元素向基材的扩散,而Cr元素由于浓度梯度扩散导致拓扑密堆(TCP)相的析出及二次反应区(SRZ)深度的增加。
2023, 52(12):4013-4020.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230014
摘要:
界面优化是提高铝基复合材料最为有效的手段。通过化学镀工艺成功制备0.2 μm厚Ni-Co-P合金镀层修饰的玄武岩纤维，并通过真空热压烧结工艺合成Ni-Co-P镀层修饰玄武岩纤维增强2024Al复合材料（BF(Ni-Co-P)/Al）。探究了Ni-Co-P镀层对BF(Ni-Co-P)/Al复合材料界面结构及拉伸性能的影响机制。结果表明：复合材料中Ni-Co-P镀层形成稳定的Ni-Co-P中间层，不仅抑制了玄武岩纤维与铝合金基体间的有害界面反应，且优化了二者间的结合强度。BF(Ni-Co-P)/Al复合材料密度及硬度明显优于BF/Al复合材料，且当玄武岩纤维体积分数为30vol%时，BF(Ni-Co-P)/Al复合材料屈服强度和抗拉伸强度分别为252和360 MPa，大幅高于未修饰纤维增强铝基复合材料和铝合金基体，并表现出渐进累积失效的断裂模式。
界面优化是提高铝基复合材料最为有效的手段。通过化学镀工艺成功制备0.2 μm厚Ni-Co-P合金镀层修饰的玄武岩纤维，并通过真空热压烧结工艺合成Ni-Co-P镀层修饰玄武岩纤维增强2024Al复合材料（BF(Ni-Co-P)/Al）。探究了Ni-Co-P镀层对BF(Ni-Co-P)/Al复合材料界面结构及拉伸性能的影响机制。结果表明：复合材料中Ni-Co-P镀层形成稳定的Ni-Co-P中间层，不仅抑制了玄武岩纤维与铝合金基体间的有害界面反应，且优化了二者间的结合强度。BF(Ni-Co-P)/Al复合材料密度及硬度明显优于BF/Al复合材料，且当玄武岩纤维体积分数为30vol%时，BF(Ni-Co-P)/Al复合材料屈服强度和抗拉伸强度分别为252和360 MPa，大幅高于未修饰纤维增强铝基复合材料和铝合金基体，并表现出渐进累积失效的断裂模式。
2023, 52(12):4021-4028.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230016
摘要:
采用电弧熔炼的材料制备方法，研究了微量的主族元素Al掺杂对Ni48Co1Mn37In14-xAlx (0≤x≤2)磁性形状记忆合金显微组织、晶体结构、马氏体相变、力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：用Al替代部分In，合金的晶粒尺寸明显减小，掺杂2at%的Al元素，平均晶粒尺寸缩小到10 μm左右，大约为未掺杂样品的三十五分之一；当Al掺杂量在0.25at%~2at%时，金属Al完全固溶到基体中，而且Al在合金中的固溶度随掺杂量的增加有所提升，当Al掺杂量为2at%时，Al在基体中的固溶度接近2at%；随着Al对In的取代，室温下合金由L21立方奥氏体与单斜6M马氏体的两相结构转变为单一的6M调制马氏体相结构，晶胞体积逐渐减小，马氏体相变温度呈现上升趋势；合金抗压强度不断增大，Ni48Co1Mn37In12Al2的抗压缩断裂强度与Ni48Co1Mn37In14相比提高了160%，压缩应变也由5.46%增加到6.36%；适量的Al替代In后，合金在人工海水中的耐腐蚀性能总体呈现不断增强的趋势，Ni48Co1Mn37In12Al2合金的耐腐蚀性能明显高于Ni48Co1Mn37In14合金，且其耐腐蚀性接近于304不锈钢。
采用电弧熔炼的材料制备方法，研究了微量的主族元素Al掺杂对Ni48Co1Mn37In14-xAlx (0≤x≤2)磁性形状记忆合金显微组织、晶体结构、马氏体相变、力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：用Al替代部分In，合金的晶粒尺寸明显减小，掺杂2at%的Al元素，平均晶粒尺寸缩小到10 μm左右，大约为未掺杂样品的三十五分之一；当Al掺杂量在0.25at%~2at%时，金属Al完全固溶到基体中，而且Al在合金中的固溶度随掺杂量的增加有所提升，当Al掺杂量为2at%时，Al在基体中的固溶度接近2at%；随着Al对In的取代，室温下合金由L21立方奥氏体与单斜6M马氏体的两相结构转变为单一的6M调制马氏体相结构，晶胞体积逐渐减小，马氏体相变温度呈现上升趋势；合金抗压强度不断增大，Ni48Co1Mn37In12Al2的抗压缩断裂强度与Ni48Co1Mn37In14相比提高了160%，压缩应变也由5.46%增加到6.36%；适量的Al替代In后，合金在人工海水中的耐腐蚀性能总体呈现不断增强的趋势，Ni48Co1Mn37In12Al2合金的耐腐蚀性能明显高于Ni48Co1Mn37In14合金，且其耐腐蚀性接近于304不锈钢。
2023, 52(12):4040-4046.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230493
摘要:
在强磁场超导磁体应用中，特别是具有高稳定度高场超导磁体，具有极低电阻的超导接头发挥着重要作用。通过电阻焊接方法制备了Nb3Sn 和NbTi的异种材料超导接头。首先通过烧结法制备了Nb3Sn的超导接头，然后通过电阻焊接将Nb3Sn超导接头与NbTi超导体焊接成型。分析了Nb3Sn超导接头制备过程中Nb3Sn的微观组织结构和相变。利用无损检测CT对接头结构进行三维重构，分析了Nb3Sn 和NbTi超导接头内部的缺陷和2种不同材料间的微观连接状态。最后，在背景磁场下对超导接头的电阻性能进行了测试和研究。结果表明，与传统超导焊料制备的超导接头相比，电阻焊接制备的超导接头显示出良好的耐磁场性能，在1.5 T背景磁场下具有较低的电阻值。
在强磁场超导磁体应用中，特别是具有高稳定度高场超导磁体，具有极低电阻的超导接头发挥着重要作用。通过电阻焊接方法制备了Nb3Sn 和NbTi的异种材料超导接头。首先通过烧结法制备了Nb3Sn的超导接头，然后通过电阻焊接将Nb3Sn超导接头与NbTi超导体焊接成型。分析了Nb3Sn超导接头制备过程中Nb3Sn的微观组织结构和相变。利用无损检测CT对接头结构进行三维重构，分析了Nb3Sn 和NbTi超导接头内部的缺陷和2种不同材料间的微观连接状态。最后，在背景磁场下对超导接头的电阻性能进行了测试和研究。结果表明，与传统超导焊料制备的超导接头相比，电阻焊接制备的超导接头显示出良好的耐磁场性能，在1.5 T背景磁场下具有较低的电阻值。
2023, 52(12):4047-4054.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230300
摘要:
建立了基于影响函数法的数学模型，利用仿真和实验方法研究了角轧制过程中板块的平面板形演化规律。结果表明，随着第1道旋转角度的增加，板材角部与其他部位的伸长率差异增大，这是长宽夹角随第1道旋转角度增大而呈下降趋势的主要原因。随着第2道旋转角度的增加，长宽角呈上升趋势，这是由于板材角部（钝角）与他部位的伸长率差异随着第2道旋转角度的增加而增大。εw（宽度方向上的变形）随着第1道或第2道旋转角度的增加而增大，这是宽展随第1道或第2道旋转角度增大的主要原因。考虑到2次轧制的压下量相同，当第2道的旋转角度是第1道旋转角度的2倍时，板材几乎可以恢复到矩形。预测的长宽夹角和宽展值与实验值吻合较好，表明所建立的基于影响函数法的计算模型能够准确估计长宽夹角和宽展。
建立了基于影响函数法的数学模型，利用仿真和实验方法研究了角轧制过程中板块的平面板形演化规律。结果表明，随着第1道旋转角度的增加，板材角部与其他部位的伸长率差异增大，这是长宽夹角随第1道旋转角度增大而呈下降趋势的主要原因。随着第2道旋转角度的增加，长宽角呈上升趋势，这是由于板材角部（钝角）与他部位的伸长率差异随着第2道旋转角度的增加而增大。εw（宽度方向上的变形）随着第1道或第2道旋转角度的增加而增大，这是宽展随第1道或第2道旋转角度增大的主要原因。考虑到2次轧制的压下量相同，当第2道的旋转角度是第1道旋转角度的2倍时，板材几乎可以恢复到矩形。预测的长宽夹角和宽展值与实验值吻合较好，表明所建立的基于影响函数法的计算模型能够准确估计长宽夹角和宽展。
2023, 52(12):4055-4064.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230281
摘要:
针对航空大尺寸薄壁件因残余应力释放导致加工变形的行业问题，提出了一种电磁耦合处理的新型材料处理方法，并将其应用于调控压气机2A02铝合金叶片锻件的残余应力。研究了电、磁场工艺对锻件残余应力和力学性能的影响；并对材料组织开展准原位EBSD分析。结果表明，相较于单一物理场，电磁耦合处理对残余应力的松弛效果最显著，在磁场强度为1.5 T、电场强度为750 V/m时，叶片锻件残余应力最大降幅为53%。电磁耦合处理可以在不损害强度的情况下，改善铝合金塑性，在上述电磁场参数下，其伸长率提高14.3%，电阻下降4.9%。EBSD准原位分析表明，电磁耦合处理后，锻件的几何位错密度降低58.2%，小角度晶界减少，塞积的位错分散、湮灭，局部应变降低，宏观应力松弛。
针对航空大尺寸薄壁件因残余应力释放导致加工变形的行业问题，提出了一种电磁耦合处理的新型材料处理方法，并将其应用于调控压气机2A02铝合金叶片锻件的残余应力。研究了电、磁场工艺对锻件残余应力和力学性能的影响；并对材料组织开展准原位EBSD分析。结果表明，相较于单一物理场，电磁耦合处理对残余应力的松弛效果最显著，在磁场强度为1.5 T、电场强度为750 V/m时，叶片锻件残余应力最大降幅为53%。电磁耦合处理可以在不损害强度的情况下，改善铝合金塑性，在上述电磁场参数下，其伸长率提高14.3%，电阻下降4.9%。EBSD准原位分析表明，电磁耦合处理后，锻件的几何位错密度降低58.2%，小角度晶界减少，塞积的位错分散、湮灭，局部应变降低，宏观应力松弛。
2023, 52(12):4065-4072.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230258
摘要:
研究了钢的再结晶对热浸铝过程金属间化合物（IMCS）层的稳定性影响，结果表明：304不锈钢在热浸镀过程的再结晶结构重排造成该钢材表面形成了非保护性IMCS层，该合金的腐蚀动力学满足线性规律；再结晶程度较轻的410不锈钢表面形成了稳定且致密的Fe2Al5层，该层延缓了其在热浸铝过程的失效。钢材的再结晶对于热浸镀铝过程中界面金属间化合物的影响包括：（1）再结晶可降低IMCS的形核和生长能量，尤其是Fe4Al13相；（2）再结晶引起的晶粒沿密排方向排布可降低Al离子的扩散速率；（3）再结晶加剧了IMCS/钢界面处的应力失配，尤其是奥氏体钢。
研究了钢的再结晶对热浸铝过程金属间化合物（IMCS）层的稳定性影响，结果表明：304不锈钢在热浸镀过程的再结晶结构重排造成该钢材表面形成了非保护性IMCS层，该合金的腐蚀动力学满足线性规律；再结晶程度较轻的410不锈钢表面形成了稳定且致密的Fe2Al5层，该层延缓了其在热浸铝过程的失效。钢材的再结晶对于热浸镀铝过程中界面金属间化合物的影响包括：（1）再结晶可降低IMCS的形核和生长能量，尤其是Fe4Al13相；（2）再结晶引起的晶粒沿密排方向排布可降低Al离子的扩散速率；（3）再结晶加剧了IMCS/钢界面处的应力失配，尤其是奥氏体钢。
2023, 52(12):4086-4098.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230311
摘要:
通过热压缩实验研究了ZL270LF铝合金在变形量为70%，温度为300~550 ℃，应变速率为 0.01~10 s-1范围的热变形行为，建立了流变应力本构方程模型，绘制出了二维热加工图，确定了最佳热加工区域，采用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）技术研究了该合金的组织演变规律。结果表明：ZL270LF铝合金的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低，热变形激活能为309.05 kJ/mol，最优热加工区为温度470~530 ℃、应变速率为0.01~1 s-1。该合金在热变形过程中存在3种不同的DRX机制，即连续动态再结晶（CDRX）、不连续动态再结晶（DDRX）和几何动态再结晶（GDRX），其中CDRX是ZL270LF铝合金动态再结晶的主要机制。
通过热压缩实验研究了ZL270LF铝合金在变形量为70%，温度为300~550 ℃，应变速率为 0.01~10 s-1范围的热变形行为，建立了流变应力本构方程模型，绘制出了二维热加工图，确定了最佳热加工区域，采用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）技术研究了该合金的组织演变规律。结果表明：ZL270LF铝合金的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低，热变形激活能为309.05 kJ/mol，最优热加工区为温度470~530 ℃、应变速率为0.01~1 s-1。该合金在热变形过程中存在3种不同的DRX机制，即连续动态再结晶（CDRX）、不连续动态再结晶（DDRX）和几何动态再结晶（GDRX），其中CDRX是ZL270LF铝合金动态再结晶的主要机制。
2023, 52(12):4141-4146.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230315
摘要:
应用于核反应堆和航空航天领域的镍基ODS合金，在加工成型和热处理过程中，晶界会发生迁移，导致合金中的纳米氧化物颗粒溶解再析出或通过Ostwald熟化使纳米氧化物发生长大，使合金中氧化物颗粒尺寸增加、数密度降低，从而影响合金的力学性能。本文对冷变形后镍基ODS合金进行不同温度的退火，通过TEM、XRD和EBSD分析了合金的微观组织结构，探究了退火工艺对冷变形后镍基ODS合金微观组织结构的影响。结果表明：随着退火温度的升高，镍基ODS合金的位错密度减少，少量纳米氧化物颗粒发生粗化；冷变形态合金经过900 ℃退火后，组织均匀且纳米氧化物颗粒未发生明显长大；通过计算，确认了900 ℃退火后镍基ODS合金拉伸性能的主要贡献为位错强化和弥散强化，为合金性能的提升提供理论支撑和有效手段。
应用于核反应堆和航空航天领域的镍基ODS合金，在加工成型和热处理过程中，晶界会发生迁移，导致合金中的纳米氧化物颗粒溶解再析出或通过Ostwald熟化使纳米氧化物发生长大，使合金中氧化物颗粒尺寸增加、数密度降低，从而影响合金的力学性能。本文对冷变形后镍基ODS合金进行不同温度的退火，通过TEM、XRD和EBSD分析了合金的微观组织结构，探究了退火工艺对冷变形后镍基ODS合金微观组织结构的影响。结果表明：随着退火温度的升高，镍基ODS合金的位错密度减少，少量纳米氧化物颗粒发生粗化；冷变形态合金经过900 ℃退火后，组织均匀且纳米氧化物颗粒未发生明显长大；通过计算，确认了900 ℃退火后镍基ODS合金拉伸性能的主要贡献为位错强化和弥散强化，为合金性能的提升提供理论支撑和有效手段。
2023, 52(12):4147-4154.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230001
摘要:
研究了Hf的添加对一种镍基高硼铸造高温合金显微组织、凝固行为、疏松情况的影响。显微组织分析、差热分析(DSC)、等温凝固淬火试验结果显示,Hf在合金的凝固过程中强烈偏析于枝晶间区域,并在凝固末期以Ni5Hf相的形式从残余液相中析出；Hf的加入降低了合金的液/固相线温度、γ/γ′共晶相和硼化物析出温度,延缓了合金的凝固过程,加宽了凝固温度范围,显著增大了γ/γ′共晶相的含量。自主设计并浇铸一种薄壁管铸件,渗透检验结果显示Hf的加入使得薄壁管的疏松明显减少,合金的疏松倾向性显著降低。
研究了Hf的添加对一种镍基高硼铸造高温合金显微组织、凝固行为、疏松情况的影响。显微组织分析、差热分析(DSC)、等温凝固淬火试验结果显示,Hf在合金的凝固过程中强烈偏析于枝晶间区域,并在凝固末期以Ni5Hf相的形式从残余液相中析出；Hf的加入降低了合金的液/固相线温度、γ/γ′共晶相和硼化物析出温度,延缓了合金的凝固过程,加宽了凝固温度范围,显著增大了γ/γ′共晶相的含量。自主设计并浇铸一种薄壁管铸件,渗透检验结果显示Hf的加入使得薄壁管的疏松明显减少,合金的疏松倾向性显著降低。
2023, 52(12):4155-4163.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220903
摘要:
由磁性粒子和介电材料组成的核壳结构复合纳米材料具有优良的吸波性能,已经成为吸波领域的研究热点。复合材料中不同类型吸波体的吸波机理不同,因此它们的占比对综合吸波性能有重要影响。本文提出一种简便易行的方法制备核壳型FeBP@SiO2纳米粒子,该方法利用化学还原和溶胶凝胶相结合,实现复合粒子的核壳结构可控。通过改变SiO2壳厚度,研究了壳层厚度对吸波性能的影响,并对微波吸收机理进行了分析和解释。随着SiO2壳层厚度的增加,粒子微波吸收能力先增大后减小。当SiO2壳层厚度为38 nm时,FeBP@SiO2样品具有最强的微波吸收性能,在厚度2.19 mm下反射损耗获得较好的吸收性能(-52.66 dB),这种增强的微波吸收性能主要来自新增磁-介电界面,从而提高了材料的阻抗匹配以及介电损耗的能力,通过设计复合粒子的核壳结构,可以实现复合吸波剂的性能调控,因此本研究为设计下一代新型复合微波吸收材料提供了重要参考。
由磁性粒子和介电材料组成的核壳结构复合纳米材料具有优良的吸波性能,已经成为吸波领域的研究热点。复合材料中不同类型吸波体的吸波机理不同,因此它们的占比对综合吸波性能有重要影响。本文提出一种简便易行的方法制备核壳型FeBP@SiO2纳米粒子,该方法利用化学还原和溶胶凝胶相结合,实现复合粒子的核壳结构可控。通过改变SiO2壳厚度,研究了壳层厚度对吸波性能的影响,并对微波吸收机理进行了分析和解释。随着SiO2壳层厚度的增加,粒子微波吸收能力先增大后减小。当SiO2壳层厚度为38 nm时,FeBP@SiO2样品具有最强的微波吸收性能,在厚度2.19 mm下反射损耗获得较好的吸收性能(-52.66 dB),这种增强的微波吸收性能主要来自新增磁-介电界面,从而提高了材料的阻抗匹配以及介电损耗的能力,通过设计复合粒子的核壳结构,可以实现复合吸波剂的性能调控,因此本研究为设计下一代新型复合微波吸收材料提供了重要参考。
2023, 52(12):4164-4170.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220945
摘要:
新型流态氚增殖剂主要是通过液态金属基体与液态弥散绝缘相的复合，形成一种可以流动的氚增殖复合材料。这样的液液两相混合而成的流态氚增殖材料既可抑制现有的液态金属或熔盐氚增殖剂的磁流体动力学阻力效应，又可以消除固体氚增殖材料氚释出效率低、传热性低、易碎以及锂挥发造成载气通路阻塞等问题。本文利用液态金属GaInSn合金实验模拟锂基液态氚增殖剂的流体行为，与模拟液态弥散绝缘相的淬火油复合，形成流态氚增殖材料。 本文制备出了一种低电导率特征的金属流体，液态金属GaInSn合金和液态弥散绝缘相淬火油混合成新型流体。研究了磁场、混合比例、温度对其粘度的影响规律，测试了流体的电导率随着加入态弥散绝缘相淬火油的变化。结果表明：当磁感应强度超过一定数值后，全液态金属的粘度显著大于添加淬火油复合材料的粘度，说明添加淬火油能有效降低磁流体效应，并且在强磁场下，淬火油复合材料将具有更低的流动阻力；测试了流体电导率，发现电导率随着淬火油的增加近似呈现指数型的下降；流态氚增殖剂电导率在静置一段时间后会突然增高，随后在新的电导率水平再次趋于稳定。如果将其重新超声搅拌，则可再次恢复到最初的电导率，这说明实际应用时可循环使用。
新型流态氚增殖剂主要是通过液态金属基体与液态弥散绝缘相的复合，形成一种可以流动的氚增殖复合材料。这样的液液两相混合而成的流态氚增殖材料既可抑制现有的液态金属或熔盐氚增殖剂的磁流体动力学阻力效应，又可以消除固体氚增殖材料氚释出效率低、传热性低、易碎以及锂挥发造成载气通路阻塞等问题。本文利用液态金属GaInSn合金实验模拟锂基液态氚增殖剂的流体行为，与模拟液态弥散绝缘相的淬火油复合，形成流态氚增殖材料。 本文制备出了一种低电导率特征的金属流体，液态金属GaInSn合金和液态弥散绝缘相淬火油混合成新型流体。研究了磁场、混合比例、温度对其粘度的影响规律，测试了流体的电导率随着加入态弥散绝缘相淬火油的变化。结果表明：当磁感应强度超过一定数值后，全液态金属的粘度显著大于添加淬火油复合材料的粘度，说明添加淬火油能有效降低磁流体效应，并且在强磁场下，淬火油复合材料将具有更低的流动阻力；测试了流体电导率，发现电导率随着淬火油的增加近似呈现指数型的下降；流态氚增殖剂电导率在静置一段时间后会突然增高，随后在新的电导率水平再次趋于稳定。如果将其重新超声搅拌，则可再次恢复到最初的电导率，这说明实际应用时可循环使用。
2023, 52(12):4171-4183.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220899
摘要:
为了获得高品质的阴极铜,对国内四家公司传统电解法生产的阴极铜进行了微观组织及力学性能对比研究。通过XRD、OM、SEM对阴极铜微观形貌、晶粒尺寸、晶面取向及断口形貌进行分析,通过万能试验机、冲击试验机、显微硬度仪对电解铜板的力学性能进行分析。结果表明：四家公司传统电解法生产的阴极铜表面均在(220)晶面表现出强择优取向,织构的均匀化对晶粒细化有一定的作用,同时晶粒尺寸与力学性能之间存在一定的联系,表现为晶粒尺寸越小,材料强度、硬度、韧性越高,但晶粒的细化影响了材料的塑性变形能力,延伸率降低。另外,四家公司阴极铜均呈现出典型韧性断裂所具有的特征,在拉伸过程中出现的异常断裂现象表明结瘤等缺陷的存在会对阴极铜的性能造成巨大的影响。
为了获得高品质的阴极铜,对国内四家公司传统电解法生产的阴极铜进行了微观组织及力学性能对比研究。通过XRD、OM、SEM对阴极铜微观形貌、晶粒尺寸、晶面取向及断口形貌进行分析,通过万能试验机、冲击试验机、显微硬度仪对电解铜板的力学性能进行分析。结果表明：四家公司传统电解法生产的阴极铜表面均在(220)晶面表现出强择优取向,织构的均匀化对晶粒细化有一定的作用,同时晶粒尺寸与力学性能之间存在一定的联系,表现为晶粒尺寸越小,材料强度、硬度、韧性越高,但晶粒的细化影响了材料的塑性变形能力,延伸率降低。另外,四家公司阴极铜均呈现出典型韧性断裂所具有的特征,在拉伸过程中出现的异常断裂现象表明结瘤等缺陷的存在会对阴极铜的性能造成巨大的影响。
2023, 52(12):4184-4192.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220901
摘要:
本文采用电解法制备树枝状银粉,研究了酒石酸对银粒子电化学沉积过程的形貌演变生长机制。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)分析了酒石酸对沉积过程银粉的形貌和结构影响。此外,利用阴极极化(LSV)、循环伏安(CV)和计时电流(CA)探究了酒石酸对电解法制备树枝状银粉的电化学行为影响规律。结果表明：当溶液中添加0g/L酒石酸时,银离子在850A/m2电流密度下形成类球状结构,而当溶液中添加0.05g/L酒石酸时,银离子在相同电流密度下形成棒状结构,随着酒石酸添加量增加,阴极极化程度增加,过电位增大。而当溶液中添加量增加到0.5g/L酒石酸时,成功制备出粒径3～4um左右,松装密度1.1 g/cm3,振实密度0.6 g/cm3、结晶性好的树枝状银粉。计时电流结果表明溶液体系均遵循瞬时成核过程,但添加酒石酸影响了银的成核和生长动力学,并抑制了阴极极化。
本文采用电解法制备树枝状银粉,研究了酒石酸对银粒子电化学沉积过程的形貌演变生长机制。通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)分析了酒石酸对沉积过程银粉的形貌和结构影响。此外,利用阴极极化(LSV)、循环伏安(CV)和计时电流(CA)探究了酒石酸对电解法制备树枝状银粉的电化学行为影响规律。结果表明：当溶液中添加0g/L酒石酸时,银离子在850A/m2电流密度下形成类球状结构,而当溶液中添加0.05g/L酒石酸时,银离子在相同电流密度下形成棒状结构,随着酒石酸添加量增加,阴极极化程度增加,过电位增大。而当溶液中添加量增加到0.5g/L酒石酸时,成功制备出粒径3～4um左右,松装密度1.1 g/cm3,振实密度0.6 g/cm3、结晶性好的树枝状银粉。计时电流结果表明溶液体系均遵循瞬时成核过程,但添加酒石酸影响了银的成核和生长动力学,并抑制了阴极极化。
2023, 52(12):4193-4199.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230014
摘要:
本文首先研究了铜钨合金与20钢的直接扩散连接，发现整体材料在过渡层在铜钨近过渡层界面产生了脆性的Fe2W金属间化合物薄层，恶化了接头结合质量。为了解决此问题，引入Cu-2wt.%Cr夹层，在1200℃~1380℃的范围内制备了的铜钨/20钢整体材料。加入夹层后在铜钨与20钢界面形成了一个完整的冶金过渡层，消除了直接扩散连接过程中产生的Fe2W脆性金属间化合物薄层，在光镜下观察到界面过渡层由浅色的基体包围的深色蠕虫状组织构成，XRD与EDS能谱分析结果表明，其中的浅色基体为铜基体，黑色蠕虫状组织为富铁相。随着扩散连接温度的升高，界面过渡层中的深色蠕虫状组织由20钢一侧向铜基体中延伸，并不断长大。1250℃扩散连接时，深色蠕虫状组织均匀分布于整个过渡层。并对不同温度下的铜钨20钢复合材料进行了室温力学性能测试，发现1250℃时界面强度达到最大，为145Mpa。利用SEM对拉伸断口形貌观察，发现整体界面平整无韧窝，由Cu相韧性撕裂棱与平整的富铁相区域组成。
本文首先研究了铜钨合金与20钢的直接扩散连接，发现整体材料在过渡层在铜钨近过渡层界面产生了脆性的Fe2W金属间化合物薄层，恶化了接头结合质量。为了解决此问题，引入Cu-2wt.%Cr夹层，在1200℃~1380℃的范围内制备了的铜钨/20钢整体材料。加入夹层后在铜钨与20钢界面形成了一个完整的冶金过渡层，消除了直接扩散连接过程中产生的Fe2W脆性金属间化合物薄层，在光镜下观察到界面过渡层由浅色的基体包围的深色蠕虫状组织构成，XRD与EDS能谱分析结果表明，其中的浅色基体为铜基体，黑色蠕虫状组织为富铁相。随着扩散连接温度的升高，界面过渡层中的深色蠕虫状组织由20钢一侧向铜基体中延伸，并不断长大。1250℃扩散连接时，深色蠕虫状组织均匀分布于整个过渡层。并对不同温度下的铜钨20钢复合材料进行了室温力学性能测试，发现1250℃时界面强度达到最大，为145Mpa。利用SEM对拉伸断口形貌观察，发现整体界面平整无韧窝，由Cu相韧性撕裂棱与平整的富铁相区域组成。
2023, 52(12):4214-4219.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220914
摘要:
通过激光选区熔化(SLM)技术制备了高致密度的CoCrMo和Cr3C2/CoCrMo合金，对比研究CoCrMo和Cr3C2/CoCrMo合金的组织结构、拉伸性能及磨损性能，探讨添加Cr3C2颗粒对CoCrMo合金组织及性能的影响机制。研究发现，合金的主要组成相为γ-Co和ε-Co，添加Cr3C2使合金的物相发生改变，产生M23C6相。CoCrMo与Cr3C2/CoCrMo合金的组织均由外延生长的柱状晶和等轴晶组成，添加Cr3C2使柱状晶数量减少。Cr3C2/CoCrMo合金的硬度为514±18 HV，抗拉强度为1520 MPa，相比于CoCrMo合金分别提升了27%、39%。在相同载荷下，Cr3C2/CoCrMo合金的磨损量明显小于CoCrMo合金，耐磨性能提升30%。在SLM过程中，添加的Cr3C2颗粒快速熔解，Cr固溶在基体中，产生固溶强化；在晶界处转变生成M23C6型碳化物，具有沉淀强化作用，有效提高了合金的强度和耐磨性。
通过激光选区熔化(SLM)技术制备了高致密度的CoCrMo和Cr3C2/CoCrMo合金，对比研究CoCrMo和Cr3C2/CoCrMo合金的组织结构、拉伸性能及磨损性能，探讨添加Cr3C2颗粒对CoCrMo合金组织及性能的影响机制。研究发现，合金的主要组成相为γ-Co和ε-Co，添加Cr3C2使合金的物相发生改变，产生M23C6相。CoCrMo与Cr3C2/CoCrMo合金的组织均由外延生长的柱状晶和等轴晶组成，添加Cr3C2使柱状晶数量减少。Cr3C2/CoCrMo合金的硬度为514±18 HV，抗拉强度为1520 MPa，相比于CoCrMo合金分别提升了27%、39%。在相同载荷下，Cr3C2/CoCrMo合金的磨损量明显小于CoCrMo合金，耐磨性能提升30%。在SLM过程中，添加的Cr3C2颗粒快速熔解，Cr固溶在基体中，产生固溶强化；在晶界处转变生成M23C6型碳化物，具有沉淀强化作用，有效提高了合金的强度和耐磨性。
2023, 52(12):4220-4226.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220915
摘要:
对商业纯钨和铜铬锆合金在900 ~ 980℃进行压力80 MPa、时间2h的真空扩散焊(diffusion welding, DFW)试验,并对扭转圈数为5 ~ 20圈的高压扭转(high-pressure torsion, HPT)变形钨和铜合金进行900 ℃真空扩散焊试验,获得了界面连接结合良好、力学性能优良的钨铜复合材料。借助金相显微镜(optical microscopy, OM)、元素线扫描技术(energy dispersive spectroscopy, EDS)和X射线衍射技术(X-ray diffraction, XRD),对比分析了高压扭转引入的晶体缺陷对扩散焊后钨和铜元素扩散、显微组织和显微硬度的影响规律。结果表明,随着真空扩散焊温度升高,钨和铜的元素扩散深度分别由0.4μm和0.9μm逐渐提升至0.9μm和1.7μm,高温导致晶粒组织异常长大,显微硬度显著下降。HPT变形引入的高密度位错和超细晶组织促进扩散焊过程中的原子扩散与迁移,20圈变形扩散焊试样的钨和铜元素扩散深度达到2.4μm和3.1μm,较初始态提升了5倍和2.4倍；钨变形组织在扩散焊后得到有效保留,条带状晶粒有限长大至62μm×25μm,位错密度约为1.5×1014m-2,较初始态高36%；铜合金在高温扩散焊后呈现退火孪晶和等轴晶的粗大混晶组织,高温再结晶使其位错密度回复至初始态。高压扭转变形后扩散焊后钨和铜的显微硬度分别约为469 ~ 473HV和62 ~ 73HV,较初始态扩散焊提升了48%和9%,表明该工艺为制备高性能钨铜复合材料的有效手段。
对商业纯钨和铜铬锆合金在900 ~ 980℃进行压力80 MPa、时间2h的真空扩散焊(diffusion welding, DFW)试验,并对扭转圈数为5 ~ 20圈的高压扭转(high-pressure torsion, HPT)变形钨和铜合金进行900 ℃真空扩散焊试验,获得了界面连接结合良好、力学性能优良的钨铜复合材料。借助金相显微镜(optical microscopy, OM)、元素线扫描技术(energy dispersive spectroscopy, EDS)和X射线衍射技术(X-ray diffraction, XRD),对比分析了高压扭转引入的晶体缺陷对扩散焊后钨和铜元素扩散、显微组织和显微硬度的影响规律。结果表明,随着真空扩散焊温度升高,钨和铜的元素扩散深度分别由0.4μm和0.9μm逐渐提升至0.9μm和1.7μm,高温导致晶粒组织异常长大,显微硬度显著下降。HPT变形引入的高密度位错和超细晶组织促进扩散焊过程中的原子扩散与迁移,20圈变形扩散焊试样的钨和铜元素扩散深度达到2.4μm和3.1μm,较初始态提升了5倍和2.4倍；钨变形组织在扩散焊后得到有效保留,条带状晶粒有限长大至62μm×25μm,位错密度约为1.5×1014m-2,较初始态高36%；铜合金在高温扩散焊后呈现退火孪晶和等轴晶的粗大混晶组织,高温再结晶使其位错密度回复至初始态。高压扭转变形后扩散焊后钨和铜的显微硬度分别约为469 ~ 473HV和62 ~ 73HV,较初始态扩散焊提升了48%和9%,表明该工艺为制备高性能钨铜复合材料的有效手段。
2023, 52(12):4251-4259.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220911
摘要:
以双相亚稳Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金为基体，通过添加Al元素，制备了(Fe50Mn30Co10Cr10)97Al3高熵合金。对其进行轧制及退火处理，研究了退火温度对合金再结晶行为、退火孪晶演变及力学性能的影响。结果显示，随着退火温度的升高，合金组织分别发生了部分再结晶、完全再结晶和晶粒长大现象。由于高熵合金具有严重的晶格畸变效应及迟滞扩散效应，使得合金在退火后表现出较高的再结晶温度（0.59 Tm）和抗晶粒粗化温度（700 ℃）。600～700 ℃退火态合金中形成大量退火孪晶，随着退火温度的进一步升高（800～900 ℃），由于晶界/孪晶界的迁移，退火孪晶界密度显著降低。拉伸试验结果表明，700 ℃退火态合金表现出良好的综合力学性能，抗拉强度为730 MPa，均匀延伸率为50.5%。同一退火温度下，单个晶粒中退火孪晶变体的数量与其晶粒尺寸有关，尺寸较小的晶粒中易形成单孪晶变体，尺寸较大的晶粒中易形成多孪晶变体。
以双相亚稳Fe50Mn30Co10Cr10高熵合金为基体，通过添加Al元素，制备了(Fe50Mn30Co10Cr10)97Al3高熵合金。对其进行轧制及退火处理，研究了退火温度对合金再结晶行为、退火孪晶演变及力学性能的影响。结果显示，随着退火温度的升高，合金组织分别发生了部分再结晶、完全再结晶和晶粒长大现象。由于高熵合金具有严重的晶格畸变效应及迟滞扩散效应，使得合金在退火后表现出较高的再结晶温度（0.59 Tm）和抗晶粒粗化温度（700 ℃）。600～700 ℃退火态合金中形成大量退火孪晶，随着退火温度的进一步升高（800～900 ℃），由于晶界/孪晶界的迁移，退火孪晶界密度显著降低。拉伸试验结果表明，700 ℃退火态合金表现出良好的综合力学性能，抗拉强度为730 MPa，均匀延伸率为50.5%。同一退火温度下，单个晶粒中退火孪晶变体的数量与其晶粒尺寸有关，尺寸较小的晶粒中易形成单孪晶变体，尺寸较大的晶粒中易形成多孪晶变体。
2023, 52(12):4099-4116.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230363
摘要:
Al-Cu-Li合金是航天航空工业中重要的轻质结构材料，已成为国产大飞机结构件的关键材料之一。飞行器在海洋等潮湿环境服役时，易受到具有腐蚀性的卤化物阴离子的侵蚀，尤其是在Cl-离子侵蚀作用下，Al-Cu-Li合金构件表面易出现点蚀、晶间腐蚀和剥落腐蚀现象。Al-Cu-Li合金的局部腐蚀主要归因于合金相与合金基体间存在电势差，进而导致在腐蚀介质中形成微型腐蚀原电池。综述了Al-Cu-Li合金在NaCl溶液中的腐蚀行为以及热处理工艺对合金耐腐蚀性能的影响，重点分析了粗大第二相颗粒和时效析出相对Al-Cu-Li合金腐蚀性能的影响，研究了典型第3代Al-Cu-Li（2A97-T3、2A97-T6、2060-T8和2099-T83）合金以及航空用常规高强铝合金2024-T4在3种不同浓度NaCl溶液中的侵蚀行为以及在质量分数3.5%NaCl溶液中的电化学行为。综合分析各试样的微观腐蚀形貌、腐蚀电化学参数以及腐蚀程度，最终得出各试样的耐腐蚀性能由强至弱为：2A97-T3>2A97-T6>2024-T4>2060-T8>2099-T83。最后揭示了Al-Cu-Li合金在腐蚀介质中的腐蚀机理，总结了在海洋环境下铝合金的防腐措施。本文为后续Al-Cu-Li合金防腐性能的发展和飞机耐腐蚀性能的提升提供了参考。
Al-Cu-Li合金是航天航空工业中重要的轻质结构材料，已成为国产大飞机结构件的关键材料之一。飞行器在海洋等潮湿环境服役时，易受到具有腐蚀性的卤化物阴离子的侵蚀，尤其是在Cl-离子侵蚀作用下，Al-Cu-Li合金构件表面易出现点蚀、晶间腐蚀和剥落腐蚀现象。Al-Cu-Li合金的局部腐蚀主要归因于合金相与合金基体间存在电势差，进而导致在腐蚀介质中形成微型腐蚀原电池。综述了Al-Cu-Li合金在NaCl溶液中的腐蚀行为以及热处理工艺对合金耐腐蚀性能的影响，重点分析了粗大第二相颗粒和时效析出相对Al-Cu-Li合金腐蚀性能的影响，研究了典型第3代Al-Cu-Li（2A97-T3、2A97-T6、2060-T8和2099-T83）合金以及航空用常规高强铝合金2024-T4在3种不同浓度NaCl溶液中的侵蚀行为以及在质量分数3.5%NaCl溶液中的电化学行为。综合分析各试样的微观腐蚀形貌、腐蚀电化学参数以及腐蚀程度，最终得出各试样的耐腐蚀性能由强至弱为：2A97-T3>2A97-T6>2024-T4>2060-T8>2099-T83。最后揭示了Al-Cu-Li合金在腐蚀介质中的腐蚀机理，总结了在海洋环境下铝合金的防腐措施。本文为后续Al-Cu-Li合金防腐性能的发展和飞机耐腐蚀性能的提升提供了参考。
2023, 52(12):4284-4294.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230392
摘要:
具有五种或五种以上阳离子的高熵陶瓷由于其在各种结构和功能应用中的优异性能，引起了人们的极大关注。在引入熵稳定概念后，人们开始做出重大努力来增加熵，使吉布斯自由能最小化，并实现稳定的单相高熵陶瓷。本文综述了近年来高熵陶瓷薄膜和涂层的最新研究进展。首先从高熵陶瓷薄膜和涂层中的高熵概念出发，介绍了其微观结构；然后概述了高熵陶瓷薄膜和涂层的制备方法，并详细总结了其优异性能的研究成果；最后在此基础上对高熵陶瓷薄膜和涂层进行展望。
具有五种或五种以上阳离子的高熵陶瓷由于其在各种结构和功能应用中的优异性能，引起了人们的极大关注。在引入熵稳定概念后，人们开始做出重大努力来增加熵，使吉布斯自由能最小化，并实现稳定的单相高熵陶瓷。本文综述了近年来高熵陶瓷薄膜和涂层的最新研究进展。首先从高熵陶瓷薄膜和涂层中的高熵概念出发，介绍了其微观结构；然后概述了高熵陶瓷薄膜和涂层的制备方法，并详细总结了其优异性能的研究成果；最后在此基础上对高熵陶瓷薄膜和涂层进行展望。
2023, 52(12):4295-4306.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230307
摘要:
骨植入物表面负载纳米多层结构抗菌涂层具备多重优势，可以有效提高材料抗菌率，避免了使用抗生素产生细菌耐药性的问题。相较于单层结构涂层，纳米多层结构抗菌涂层同时具有骨植入物材料所需的多种性能，促进骨细胞的增殖与分化，有效降低细胞毒性所引起的不良反应，是目前骨植入物表面涂层研究的重点。本文综述了纳米多层结构抗菌涂层的研究进展，包括涂层的性能、制备方法及抗菌机制，讨论了纳米多层结构抗菌涂层的发展方向，有望进一步解决细菌感染和骨整合等问题。
骨植入物表面负载纳米多层结构抗菌涂层具备多重优势，可以有效提高材料抗菌率，避免了使用抗生素产生细菌耐药性的问题。相较于单层结构涂层，纳米多层结构抗菌涂层同时具有骨植入物材料所需的多种性能，促进骨细胞的增殖与分化，有效降低细胞毒性所引起的不良反应，是目前骨植入物表面涂层研究的重点。本文综述了纳米多层结构抗菌涂层的研究进展，包括涂层的性能、制备方法及抗菌机制，讨论了纳米多层结构抗菌涂层的发展方向，有望进一步解决细菌感染和骨整合等问题。
2023, 52(12):4307-4324.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220810
摘要:
针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机理。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材料对焊点蠕变特性影响的研究进展。再次结合具体电子器件,采用有限元模拟,分析基于有限元的焊点蠕变响应及疲劳寿命预测,评估焊点可靠性。最后针对无铅钎料及焊点蠕变行为的未来发展进行展望,分析其研究中存在的问题及解决办法,为焊点可靠性进一步研究提供理论支撑。
针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机理。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材料对焊点蠕变特性影响的研究进展。再次结合具体电子器件,采用有限元模拟,分析基于有限元的焊点蠕变响应及疲劳寿命预测,评估焊点可靠性。最后针对无铅钎料及焊点蠕变行为的未来发展进行展望,分析其研究中存在的问题及解决办法,为焊点可靠性进一步研究提供理论支撑。
2023, 52(12):4325-4339.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220812
摘要:
本文主要介绍了自然界中几种具有多层级多孔结构和优异力学性能的生物材料,其宏观性能与其表面的多层级微纳米结构有着密切的联系。通过多层级多孔结构的构筑,生物材料不仅大幅度降低了自身的密度,同时也往往保持了优异的力学性能,即轻质高强、吸音降噪等。通过对生物材料多孔结构的模仿,有望为开发具有仿生多孔结构和优异性能的人工材料提供重要启示和帮助。
本文主要介绍了自然界中几种具有多层级多孔结构和优异力学性能的生物材料,其宏观性能与其表面的多层级微纳米结构有着密切的联系。通过多层级多孔结构的构筑,生物材料不仅大幅度降低了自身的密度,同时也往往保持了优异的力学性能,即轻质高强、吸音降噪等。通过对生物材料多孔结构的模仿,有望为开发具有仿生多孔结构和优异性能的人工材料提供重要启示和帮助。
