2023年第52卷第3期文章目次
2023, 52(3):785-790.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220025
摘要:
在1203~1283 K的温度范围内，以20 K的温度间隔对O相Ti-22Al-25Nb合金进行了等温单向拉伸试验，应变速率为2.5×10-4、5.0×10-4、1×10-3、2×10-3、4×10-3、1×10-2和5×10-2 s-1，并对不同变形温度下的试样组织进行了表征。通过实验结果，确定了本构模型的材料常数；α2+B2/β+O三相区（1203~1243 K）和α2+B2两相区（1243~1283 K）的拉伸变形激活能分别为845 165和412 779 J/mol。构建了Arrhenius本构模型来描述Ti-22Al-25Nb合金在不同温度下的拉伸变形行为。
在1203~1283 K的温度范围内，以20 K的温度间隔对O相Ti-22Al-25Nb合金进行了等温单向拉伸试验，应变速率为2.5×10-4、5.0×10-4、1×10-3、2×10-3、4×10-3、1×10-2和5×10-2 s-1，并对不同变形温度下的试样组织进行了表征。通过实验结果，确定了本构模型的材料常数；α2+B2/β+O三相区（1203~1243 K）和α2+B2两相区（1243~1283 K）的拉伸变形激活能分别为845 165和412 779 J/mol。构建了Arrhenius本构模型来描述Ti-22Al-25Nb合金在不同温度下的拉伸变形行为。
2023, 52(3):791-797.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220489
摘要:
采用有限元法分析了钛合金无缝管多机架连轧下的温度状态。模拟结果表明：随轧制道次的增加，辊底下的外表面温度以逐渐减缓的速率降低，中心温度整体上以逐渐减缓的速率上升，而辊缝下外表面温度持续升高。中心温度的周向不均匀性在奇数道次时减小，在偶数道次时增大，而外表面温度分布的不均匀性与此相反。前一机架压下量与后机架辊缝处温升呈负相关，降低前一机架压下量可显著提升后机架周向温度不均匀性。温度测量和晶粒形貌分析的结果表明，模拟结果与实验结果吻合度较高。
采用有限元法分析了钛合金无缝管多机架连轧下的温度状态。模拟结果表明：随轧制道次的增加，辊底下的外表面温度以逐渐减缓的速率降低，中心温度整体上以逐渐减缓的速率上升，而辊缝下外表面温度持续升高。中心温度的周向不均匀性在奇数道次时减小，在偶数道次时增大，而外表面温度分布的不均匀性与此相反。前一机架压下量与后机架辊缝处温升呈负相关，降低前一机架压下量可显著提升后机架周向温度不均匀性。温度测量和晶粒形貌分析的结果表明，模拟结果与实验结果吻合度较高。
2023, 52(3):798-805.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220018
摘要:
基于SYSWELD专业焊接仿真软件，利用瞬态法对航空发动机TC4大型薄壁、多焊缝零件氩弧焊过程进行了数值模拟，分析了焊接线能量、夹具约束状态、焊接顺序3个因素对焊接温度场、焊接变形、残余应力的影响。结果表明：焊接变形随着线能量的增加呈指数增长；适宜的氩弧焊焊接线能量为310 J/mm；使用焊接工装约束可以有效减少焊接变形，但会导致焊接残余应力变大且残余应力分布区域更大；采用分散对称焊接的顺序焊接多焊缝零件可以降低零件整体变形。
基于SYSWELD专业焊接仿真软件，利用瞬态法对航空发动机TC4大型薄壁、多焊缝零件氩弧焊过程进行了数值模拟，分析了焊接线能量、夹具约束状态、焊接顺序3个因素对焊接温度场、焊接变形、残余应力的影响。结果表明：焊接变形随着线能量的增加呈指数增长；适宜的氩弧焊焊接线能量为310 J/mm；使用焊接工装约束可以有效减少焊接变形，但会导致焊接残余应力变大且残余应力分布区域更大；采用分散对称焊接的顺序焊接多焊缝零件可以降低零件整体变形。
2023, 52(3):806-814.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220644
摘要:
通过气压胀形实验和数值模拟研究了Ti-22Al-25Nb合金板材在高温下的热成形行为，并分析了在930和970 ℃下的胀形球壳形状和壁厚分布，讨论了胀形部分的微观结构和力学性能。结果表明，在胀形初期，胀形球壳接近球面，随胀形高度的增加逐渐椭球化。在930和970 ℃下，最终胀形高度分别达到46.25和49.85 mm，壳顶的曲率半径分别达到49.33和49.19 mm。胀形部分壁厚不均匀，从底部至顶部逐渐减小。变形温度对球壳形状影响较大，在930 ℃时胀形局部形状更加不均。在相同的胀形高度下，930 ℃下的胀形球壳曲率半径较小且壁厚减薄率较高。此外，在930 ℃胀形过程中，O相析出并球化，导致O型、V型空洞的产生且硬度下降。而在970 ℃胀形后，微观组织分布均匀，O相在冷却过程中以层片形式析出，强化了胀形件。
通过气压胀形实验和数值模拟研究了Ti-22Al-25Nb合金板材在高温下的热成形行为，并分析了在930和970 ℃下的胀形球壳形状和壁厚分布，讨论了胀形部分的微观结构和力学性能。结果表明，在胀形初期，胀形球壳接近球面，随胀形高度的增加逐渐椭球化。在930和970 ℃下，最终胀形高度分别达到46.25和49.85 mm，壳顶的曲率半径分别达到49.33和49.19 mm。胀形部分壁厚不均匀，从底部至顶部逐渐减小。变形温度对球壳形状影响较大，在930 ℃时胀形局部形状更加不均。在相同的胀形高度下，930 ℃下的胀形球壳曲率半径较小且壁厚减薄率较高。此外，在930 ℃胀形过程中，O相析出并球化，导致O型、V型空洞的产生且硬度下降。而在970 ℃胀形后，微观组织分布均匀，O相在冷却过程中以层片形式析出，强化了胀形件。
2023, 52(3):815-822.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220726
摘要:
采用Fluent软件模拟了钛合金TC4真空自耗熔炼过程中温度场、流场和溶质场相互作用，研究了与铸锭直接相关的3个工艺参数（熔速、铸锭上表面温度和冷却强度）对铸锭宏观偏析的影响规律。结果表明：不同熔炼条件下，在铸锭1000 mm高度处的铁元素径向偏析均呈钟形分布，即铸锭芯部为正偏析，表面区域为负偏析，且负偏析程度均大于正偏析。熔炼速度对铸锭温度场和宏观偏析的影响最为明显：当熔炼速度由0.15 mm/s增加到0.18 mm/s时，铸锭达到稳定熔炼阶段时的高度由1200 mm增加到1600 mm，熔池深度由494 mm增加到738 mm。当距铸锭中心距离小于130 mm时，偏析随熔炼速度增加而减小，在熔炼速度为0.15 mm/s时达到最大值，为3.36%；当距铸锭中心距离大于295 mm时，偏析随熔炼速度增大而增大，在熔炼速度为0.21 mm/s时达到最大值6.23%。铸锭上表面温度和冷却强度对宏观偏析和熔池深度的影响不明显。通过正交分析得到3个主要工艺参数对宏观偏析影响程度为：熔炼速度＞冷却强度＞铸锭上表面温度，并得到最优工艺参数为熔炼速度0.15 mm/s、铸锭上表面温度2179 K、冷却强度500（底部）/1000（侧面） W·m-2·K-1。
采用Fluent软件模拟了钛合金TC4真空自耗熔炼过程中温度场、流场和溶质场相互作用，研究了与铸锭直接相关的3个工艺参数（熔速、铸锭上表面温度和冷却强度）对铸锭宏观偏析的影响规律。结果表明：不同熔炼条件下，在铸锭1000 mm高度处的铁元素径向偏析均呈钟形分布，即铸锭芯部为正偏析，表面区域为负偏析，且负偏析程度均大于正偏析。熔炼速度对铸锭温度场和宏观偏析的影响最为明显：当熔炼速度由0.15 mm/s增加到0.18 mm/s时，铸锭达到稳定熔炼阶段时的高度由1200 mm增加到1600 mm，熔池深度由494 mm增加到738 mm。当距铸锭中心距离小于130 mm时，偏析随熔炼速度增加而减小，在熔炼速度为0.15 mm/s时达到最大值，为3.36%；当距铸锭中心距离大于295 mm时，偏析随熔炼速度增大而增大，在熔炼速度为0.21 mm/s时达到最大值6.23%。铸锭上表面温度和冷却强度对宏观偏析和熔池深度的影响不明显。通过正交分析得到3个主要工艺参数对宏观偏析影响程度为：熔炼速度＞冷却强度＞铸锭上表面温度，并得到最优工艺参数为熔炼速度0.15 mm/s、铸锭上表面温度2179 K、冷却强度500（底部）/1000（侧面） W·m-2·K-1。
2023, 52(3):823-833.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220493
摘要:
为了研究Ti-55511合金在近β区域的热流动行为，在温度973–1223 K、应变速率0.001–1 s-1条件下，利用Gleeble-3500热模拟试验机进行了等温压缩试验。对实验获得的流动应力曲线进行了修正，降低了摩擦与绝热温升等因素对流动应力的影响。采用考虑材料参数演化的修正Arrhenius模型和反向传播人工神经网络（BP-ANN）模型对钛合金热变形过程中的流动应力进行预测，并通过统计分析对预测模型精度进行了评估。将2种预测模型扩展的应力、应变数据植入有限元，模拟了热压缩实验过程。结果表明，Ti-55511合金的流变应力与应变速率呈正相关，与温度呈负相关，合金软化机制主要为再结晶。修正后的Arrhenius模型和BP-ANN模型都能描述流体的流动行为，BP-ANN模型在α+β区域的拟合精度高于修正后的Arrhenius模型，而在β区域的拟合精度低于修正后的Arrhenius模型。
为了研究Ti-55511合金在近β区域的热流动行为，在温度973–1223 K、应变速率0.001–1 s-1条件下，利用Gleeble-3500热模拟试验机进行了等温压缩试验。对实验获得的流动应力曲线进行了修正，降低了摩擦与绝热温升等因素对流动应力的影响。采用考虑材料参数演化的修正Arrhenius模型和反向传播人工神经网络（BP-ANN）模型对钛合金热变形过程中的流动应力进行预测，并通过统计分析对预测模型精度进行了评估。将2种预测模型扩展的应力、应变数据植入有限元，模拟了热压缩实验过程。结果表明，Ti-55511合金的流变应力与应变速率呈正相关，与温度呈负相关，合金软化机制主要为再结晶。修正后的Arrhenius模型和BP-ANN模型都能描述流体的流动行为，BP-ANN模型在α+β区域的拟合精度高于修正后的Arrhenius模型，而在β区域的拟合精度低于修正后的Arrhenius模型。
2023, 52(3):834-839.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220472
摘要:
研究了TC11和TC17异种钛合金在不同摩擦压力（22~47 MPa）下的线性摩擦焊组织演变和超扩散机理。通过扫描电子显微镜分析接头的微观结构，并通过电子探针分析了接头界面近域的原子浓度。结果表明，焊缝区域温度超过β相变温度，焊接后接头温度迅速下降，焊缝组织转变为完全再结晶组织。焊缝界面处原子发生了超扩散现象，典型原子的扩散系数约为扩散焊接处原子的100倍。在试验参数范围内，增加摩擦压力会增加典型原子扩散距离。
研究了TC11和TC17异种钛合金在不同摩擦压力（22~47 MPa）下的线性摩擦焊组织演变和超扩散机理。通过扫描电子显微镜分析接头的微观结构，并通过电子探针分析了接头界面近域的原子浓度。结果表明，焊缝区域温度超过β相变温度，焊接后接头温度迅速下降，焊缝组织转变为完全再结晶组织。焊缝界面处原子发生了超扩散现象，典型原子的扩散系数约为扩散焊接处原子的100倍。在试验参数范围内，增加摩擦压力会增加典型原子扩散距离。
2023, 52(3):899-910.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220095
摘要:
TA18钛合金管材因使用环境要求应具有特定的径向基面织构,退火温度是其重要影响因素之一,为了揭示管材退火织构的形成机制,文章选取Φ8×0.6 mm冷轧管材以及经450、500、550、600、650、700、750 ℃/3h等温度退火管材为实验材料,利用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了管材晶粒在不同退火温度下的取向特性。结果表明：初始冷轧管材具有较强的径向基面织构,且<10-10>晶向主要平行于管材轴向；管材在450～550 ℃、550～650 ℃、650～750 ℃退火时分别发生了回复、再结晶及晶粒长大,管材织构的转变主要发生在再结晶及晶粒长大阶段,随着再结晶的发生,管材径向织构不断增强,再结晶后的<11-20>晶向主要平行于管材轴向。再结晶退火使管材径向织构增强的主要原因是,原冷轧管材中的细小晶粒具有比基体更强的径向取向,再结晶晶粒优先在这些细小晶粒处形核生长,并获得了强径向取向,在随后的晶粒长大过程中,这些强径向取向晶粒不断长大并占据优势,从而使管材表现出强径向分布的“再结晶织构”。
TA18钛合金管材因使用环境要求应具有特定的径向基面织构,退火温度是其重要影响因素之一,为了揭示管材退火织构的形成机制,文章选取Φ8×0.6 mm冷轧管材以及经450、500、550、600、650、700、750 ℃/3h等温度退火管材为实验材料,利用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了管材晶粒在不同退火温度下的取向特性。结果表明：初始冷轧管材具有较强的径向基面织构,且<10-10>晶向主要平行于管材轴向；管材在450～550 ℃、550～650 ℃、650～750 ℃退火时分别发生了回复、再结晶及晶粒长大,管材织构的转变主要发生在再结晶及晶粒长大阶段,随着再结晶的发生,管材径向织构不断增强,再结晶后的<11-20>晶向主要平行于管材轴向。再结晶退火使管材径向织构增强的主要原因是,原冷轧管材中的细小晶粒具有比基体更强的径向取向,再结晶晶粒优先在这些细小晶粒处形核生长,并获得了强径向取向,在随后的晶粒长大过程中,这些强径向取向晶粒不断长大并占据优势,从而使管材表现出强径向分布的“再结晶织构”。
2023, 52(3):947-952.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220509
摘要:
为了改善了TC17钛合金热加工性能,对TC17钛合金进行了置氢处理,通过金相观察和X射线衍射分析,研究了置氢后TC17钛合金的微观组织及相转变规律,在变形温度800 ~ 860℃、应变速率0.001 ~ 0.1s-1的条件下,对置氢TC17钛合金进行了高温压缩实验,研究了置氢TC17钛合金的热变形行为,并对其热变形激活能进行了计算分析。结果显示,TC17钛合金原始组织为典型的网篮组织,由α+β相组成,随着氢含量的增加,针状α相数量减少,β相增多,当氢含量超过0.40wt%时,钛合金中依次出现了γ氢化物和δ氢化物。置氢TC17钛合金不仅是温度敏感型材料、速率敏感型材料,也是氢含量敏感型材料,在氢含量0.2wt%时,峰值应力达到最小值,与原始合金相比,变形温度可降低40℃,应变速率可提高1个数量级。同时,氢含量0.2wt%的TC17钛合金变形激活能也达到最小值162KJ/mol,其热变形软化机制为动态回复。
为了改善了TC17钛合金热加工性能,对TC17钛合金进行了置氢处理,通过金相观察和X射线衍射分析,研究了置氢后TC17钛合金的微观组织及相转变规律,在变形温度800 ~ 860℃、应变速率0.001 ~ 0.1s-1的条件下,对置氢TC17钛合金进行了高温压缩实验,研究了置氢TC17钛合金的热变形行为,并对其热变形激活能进行了计算分析。结果显示,TC17钛合金原始组织为典型的网篮组织,由α+β相组成,随着氢含量的增加,针状α相数量减少,β相增多,当氢含量超过0.40wt%时,钛合金中依次出现了γ氢化物和δ氢化物。置氢TC17钛合金不仅是温度敏感型材料、速率敏感型材料,也是氢含量敏感型材料,在氢含量0.2wt%时,峰值应力达到最小值,与原始合金相比,变形温度可降低40℃,应变速率可提高1个数量级。同时,氢含量0.2wt%的TC17钛合金变形激活能也达到最小值162KJ/mol,其热变形软化机制为动态回复。
2023, 52(3):953-958.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220182
摘要:
对Ti6321钛合金进行动态三点弯曲加载，使其发生I型（张开型）断裂并获得波形曲线，结合实验-数值法获得了三种组织Ti6321钛合金的I型裂纹动态断裂性能。利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜对三种组织Ti6321钛合金的断口进行观察分析。结果表明，魏氏组织具有最高的I型裂纹动态断裂性能，双态组织次之，等轴组织的动态断裂性能最低。对于I型裂纹断口，等轴组织与双态组织主要为韧性断裂机制，而魏氏组织呈现出部分解理断裂的特征。魏氏组织断口的起伏最大，比表面积最大，裂纹扩展需要消耗更多能量，因此断裂性能较好。
对Ti6321钛合金进行动态三点弯曲加载，使其发生I型（张开型）断裂并获得波形曲线，结合实验-数值法获得了三种组织Ti6321钛合金的I型裂纹动态断裂性能。利用扫描电镜、激光共聚焦显微镜对三种组织Ti6321钛合金的断口进行观察分析。结果表明，魏氏组织具有最高的I型裂纹动态断裂性能，双态组织次之，等轴组织的动态断裂性能最低。对于I型裂纹断口，等轴组织与双态组织主要为韧性断裂机制，而魏氏组织呈现出部分解理断裂的特征。魏氏组织断口的起伏最大，比表面积最大，裂纹扩展需要消耗更多能量，因此断裂性能较好。
2023, 52(3):959-967.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220678
摘要:
针对钛合金材料热轧温度范围窄、温降快、变形抗力大等特点,本文将钛合金与无缝管斜连轧新工艺有机结合并开展系统研究；根据斜连轧工艺结构与特点,分别构建连轧过程速度模型、轧制力模型与张力模型；通过有限元数值模拟研究钛合金斜连轧过程金属变形机理、分析金属流动规律,获得其应力应变场、温度场、速度场分布规律,基于有限元模拟进行现场实验研究。结果表明：初轧温度1050℃、合理匹配穿孔段与轧管段参数的情况下,可成功制备钛合金无缝管,且尺寸精度高、无明显表面缺陷。理论及实验分析证明斜连轧新工艺完全适用于钛合金无缝管材制备,同时缩短生产流程,提高生产效率。
针对钛合金材料热轧温度范围窄、温降快、变形抗力大等特点,本文将钛合金与无缝管斜连轧新工艺有机结合并开展系统研究；根据斜连轧工艺结构与特点,分别构建连轧过程速度模型、轧制力模型与张力模型；通过有限元数值模拟研究钛合金斜连轧过程金属变形机理、分析金属流动规律,获得其应力应变场、温度场、速度场分布规律,基于有限元模拟进行现场实验研究。结果表明：初轧温度1050℃、合理匹配穿孔段与轧管段参数的情况下,可成功制备钛合金无缝管,且尺寸精度高、无明显表面缺陷。理论及实验分析证明斜连轧新工艺完全适用于钛合金无缝管材制备,同时缩短生产流程,提高生产效率。
2023, 52(3):968-974.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220125
摘要:
钛作为一种典型的储氢材料，在氢能材料以及氘氚聚变中子源等领域具有重要的用途；氢同位素在钛中的含量和分布会影响钛的结构以及使用性能。钛中氢同位素含量的常规测定方法有压力-体积法、称重法和热重法等；同这些常规方法相比，热脱附谱方法(Thermal desorption spectroscopy, TDS)既可以获得氢同位素含量信息，还可以区分氢、氘同位素种类信息，并且可揭示氢同位素原子在晶格中的占位信息。本工作通过优化钛的吸氢工艺，成功制备了不同氢氘含量的氢/氘化钛样品；结合X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析，给出了钛吸氢前后的晶体结构变化。利用课题组发展的热脱附谱技术，通过标准漏孔标定质谱仪的离子流信号强度，实现了钛中氢同位素脱附量的定量测定；TDS法测量结果与压力-体积法测量值之间的绝对误差小于6%。研究结果可为氢能、核能及核技术领域材料中氢同位素含量的准确测量提供有益参考。
钛作为一种典型的储氢材料，在氢能材料以及氘氚聚变中子源等领域具有重要的用途；氢同位素在钛中的含量和分布会影响钛的结构以及使用性能。钛中氢同位素含量的常规测定方法有压力-体积法、称重法和热重法等；同这些常规方法相比，热脱附谱方法(Thermal desorption spectroscopy, TDS)既可以获得氢同位素含量信息，还可以区分氢、氘同位素种类信息，并且可揭示氢同位素原子在晶格中的占位信息。本工作通过优化钛的吸氢工艺，成功制备了不同氢氘含量的氢/氘化钛样品；结合X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析，给出了钛吸氢前后的晶体结构变化。利用课题组发展的热脱附谱技术，通过标准漏孔标定质谱仪的离子流信号强度，实现了钛中氢同位素脱附量的定量测定；TDS法测量结果与压力-体积法测量值之间的绝对误差小于6%。研究结果可为氢能、核能及核技术领域材料中氢同位素含量的准确测量提供有益参考。
2023, 52(3):1155-1161.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220503
摘要:
摘 要: 骨组织工程中，三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces，TPMS）多孔结构研究日益广泛，目前国内外的研究主要集中在常规TPMS多孔结构，有关变形TPMS多孔结构研究较少，而变形TPMS单元多孔结构在一定方向上具有力学性能优势。本文研究一种具有径向和轴向孔径梯度的变形Gyroid单元多孔结构参数化设计方法，采用激光选区熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）技术，制备出孔隙率为60%和75%的钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构样件。使用有限元法(Finite Element Method, FEM)对四组梯度多孔支架模型及两组均质模型进行静力学仿真分析，对制备的钛合金梯度多孔样件进行力学性能测试，并与已测试过的均质样件进行力学性能对比分析。有限元计算结果与力学性能试验结果共同表明：变形Gyroid单元多孔结构力学性能随孔隙率升高而降低，孔隙率相同时，径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架，更适用于皮质骨的骨缺损修复，轴向梯度多孔支架力学性能相比均质多孔支架有所减弱，更适用于松质骨。
摘 要: 骨组织工程中，三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces，TPMS）多孔结构研究日益广泛，目前国内外的研究主要集中在常规TPMS多孔结构，有关变形TPMS多孔结构研究较少，而变形TPMS单元多孔结构在一定方向上具有力学性能优势。本文研究一种具有径向和轴向孔径梯度的变形Gyroid单元多孔结构参数化设计方法，采用激光选区熔化成形（Selective Laser Melting，SLM）技术，制备出孔隙率为60%和75%的钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构样件。使用有限元法(Finite Element Method, FEM)对四组梯度多孔支架模型及两组均质模型进行静力学仿真分析，对制备的钛合金梯度多孔样件进行力学性能测试，并与已测试过的均质样件进行力学性能对比分析。有限元计算结果与力学性能试验结果共同表明：变形Gyroid单元多孔结构力学性能随孔隙率升高而降低，孔隙率相同时，径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架，更适用于皮质骨的骨缺损修复，轴向梯度多孔支架力学性能相比均质多孔支架有所减弱，更适用于松质骨。
2023, 52(3):840-845.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220712
摘要:
通过大轧制变形制备了含铜或锰的工业纯铝箔（低合金铝铁硅系），通过拉伸试验、光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和三维原子探针研究了室温停放或低温退火对铝箔力学性能和组织的影响。结果表明，室温停放后铝箔的抗拉伸强度和延伸率同时下降。亚晶合并等亚结构的回复机制导致了力学性能下降。含Mn合金因其亚晶尺寸的增加更为显著，延伸率下降更为明显。原子团簇强化可以部分补偿强度下降，而第二相的影响可忽略不计。
通过大轧制变形制备了含铜或锰的工业纯铝箔（低合金铝铁硅系），通过拉伸试验、光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和三维原子探针研究了室温停放或低温退火对铝箔力学性能和组织的影响。结果表明，室温停放后铝箔的抗拉伸强度和延伸率同时下降。亚晶合并等亚结构的回复机制导致了力学性能下降。含Mn合金因其亚晶尺寸的增加更为显著，延伸率下降更为明显。原子团簇强化可以部分补偿强度下降，而第二相的影响可忽略不计。
2023, 52(3):846-851.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220429
摘要:
采用真空电弧熔炼制备了Al0.5Nb1.5TiV2Zr0.5高熵合金，并研究了其微观组织、密度及力学性能。结果表明，Al0.5Nb1.5TiV2Zr0.5合金由为90.6%（体积分数）的体心立方相和9.4%（体积分数）的C14-Laves第二相组成。合金基体相富含Ti和V，第二相富含Al和Zr。合金的密度为6284 kg/m3，维氏硬度为5197.9 MPa。合金的屈服强度随温度升高而降低，由室温下1082.9 MPa降低到1073 K下的645.0 MPa。压缩应变由室温下的27.20%降低到873 K下的14.94%，这与合金中原子间的相互作用力随温度升高而降低有关。在1073 K时合金应变超过50%，表现出良好的塑性而未发生断裂。压缩测试结果表明，合金韧脆转变温度在873~1073 K之间。
采用真空电弧熔炼制备了Al0.5Nb1.5TiV2Zr0.5高熵合金，并研究了其微观组织、密度及力学性能。结果表明，Al0.5Nb1.5TiV2Zr0.5合金由为90.6%（体积分数）的体心立方相和9.4%（体积分数）的C14-Laves第二相组成。合金基体相富含Ti和V，第二相富含Al和Zr。合金的密度为6284 kg/m3，维氏硬度为5197.9 MPa。合金的屈服强度随温度升高而降低，由室温下1082.9 MPa降低到1073 K下的645.0 MPa。压缩应变由室温下的27.20%降低到873 K下的14.94%，这与合金中原子间的相互作用力随温度升高而降低有关。在1073 K时合金应变超过50%，表现出良好的塑性而未发生断裂。压缩测试结果表明，合金韧脆转变温度在873~1073 K之间。
2023, 52(3):852-859.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220542
摘要:
以自制的中空多孔微纳纤维结构Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2和热塑性聚氨酯（TPU）为原料，利用静电纺丝法制备Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2/TPU（Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2添加质量分数为0%、3%、6%和9%）复合微纳米纤维薄膜。结果表明：复合薄膜的微观形貌均呈现纤维状三维网络结构；复合薄膜的抗拉伸强度和伸长率随着添加量的增加均呈现先增强后减弱的趋势，当添加量为6%时，薄膜的抗拉伸强度为2.68 MPa，伸长率为573%，是TPU薄膜的1.5和8.3倍。Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2的添加将复合薄膜的热分解温度和接触角分别提升至303 ℃和120°。复合薄膜的红外发射率随Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2添加量的增加而逐渐减小，当添加量为9%时，样品在3~5和8~14 μm波长区间的红外发射率分别为0.576和0.652。本研究制备的复合薄膜具有良好的疏水性、热稳定性、柔韧性和红外隐身性能，为轻质红外隐身材料的研究提供了实验依据，在红外隐身领域具有一定的应用前景。
以自制的中空多孔微纳纤维结构Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2和热塑性聚氨酯（TPU）为原料，利用静电纺丝法制备Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2/TPU（Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2添加质量分数为0%、3%、6%和9%）复合微纳米纤维薄膜。结果表明：复合薄膜的微观形貌均呈现纤维状三维网络结构；复合薄膜的抗拉伸强度和伸长率随着添加量的增加均呈现先增强后减弱的趋势，当添加量为6%时，薄膜的抗拉伸强度为2.68 MPa，伸长率为573%，是TPU薄膜的1.5和8.3倍。Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2的添加将复合薄膜的热分解温度和接触角分别提升至303 ℃和120°。复合薄膜的红外发射率随Sn0.84Sb0.08Sm0.08O2添加量的增加而逐渐减小，当添加量为9%时，样品在3~5和8~14 μm波长区间的红外发射率分别为0.576和0.652。本研究制备的复合薄膜具有良好的疏水性、热稳定性、柔韧性和红外隐身性能，为轻质红外隐身材料的研究提供了实验依据，在红外隐身领域具有一定的应用前景。
2023, 52(3):860-866.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200886
摘要:
采用选区激光熔融法在不同扫描速度下制备了316L不锈钢成型件，通过物相分析、金相观察、拉伸试验、维氏硬度试验和表面粗糙度试验，研究了扫描速度对成型件相组成、熔池形态、表面粗糙度、密度和力学性能的影响。结果表明，在不同的扫描速度下（800~1200 mm/s）样品均能成功打印。此外，随着扫描速度的增加，未重熔的熔池深宽比降低，表面粗糙度从5.78 μm增加到22.79 μm。当扫描速度为800 mm/s时，裂痕出现；当扫描速度超过1100 mm/s时，出现收缩纹路。当扫描速度为800 mm/s时，由于激光输入能量过高，样品具有较高的孔隙率。当扫描速度为900 mm/s时，样品具有最佳的维氏硬度（2401 MPa）和最高的相对密度（99.2%）。
采用选区激光熔融法在不同扫描速度下制备了316L不锈钢成型件，通过物相分析、金相观察、拉伸试验、维氏硬度试验和表面粗糙度试验，研究了扫描速度对成型件相组成、熔池形态、表面粗糙度、密度和力学性能的影响。结果表明，在不同的扫描速度下（800~1200 mm/s）样品均能成功打印。此外，随着扫描速度的增加，未重熔的熔池深宽比降低，表面粗糙度从5.78 μm增加到22.79 μm。当扫描速度为800 mm/s时，裂痕出现；当扫描速度超过1100 mm/s时，出现收缩纹路。当扫描速度为800 mm/s时，由于激光输入能量过高，样品具有较高的孔隙率。当扫描速度为900 mm/s时，样品具有最佳的维氏硬度（2401 MPa）和最高的相对密度（99.2%）。
2023, 52(3):867-875.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220474
摘要:
研究了非等温蠕变时效处理中升温速率和峰值温度对Al-Zn-Mg-Cu合金回弹性能、力学性能和耐腐蚀性能的影响。通过透射电镜分析了合金的析出行为和时效强化机理。结果表明：随着加热速率的降低和峰值温度的升高，合金的回弹率降低；晶内析出相的尺寸增大，而体积分数先增大后减小；晶界析出相逐渐变得不连续，无析出区扩大。经非等温蠕变时效（20 ℃/h，180 ℃）处理后的合金主要析出相为致密的η'相，晶界析出相不连续，无析出区的宽度约为44.2 nm。非等温蠕变时效（20 ℃/h，180 ℃）处理的合金力学性能和耐腐蚀性能均优于常见的等温蠕变时效（120 ℃，24 h）处理的合金，并且时效时间缩短了67%。
研究了非等温蠕变时效处理中升温速率和峰值温度对Al-Zn-Mg-Cu合金回弹性能、力学性能和耐腐蚀性能的影响。通过透射电镜分析了合金的析出行为和时效强化机理。结果表明：随着加热速率的降低和峰值温度的升高，合金的回弹率降低；晶内析出相的尺寸增大，而体积分数先增大后减小；晶界析出相逐渐变得不连续，无析出区扩大。经非等温蠕变时效（20 ℃/h，180 ℃）处理后的合金主要析出相为致密的η'相，晶界析出相不连续，无析出区的宽度约为44.2 nm。非等温蠕变时效（20 ℃/h，180 ℃）处理的合金力学性能和耐腐蚀性能均优于常见的等温蠕变时效（120 ℃，24 h）处理的合金，并且时效时间缩短了67%。
2023, 52(3):876-882.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220495
摘要:
提出了一种烧结后闭孔加工再开孔的策略，通过粉末冶金方法和后续加工处理制备出了高孔隙率的微孔镍材料。采用粒径为1 μm的羰基镍粉为原料，研究了烧结工艺参数对多孔镍的孔隙性能和力学性能的影响。结果表明，在400 ℃烧结温度下，压汞法测得微孔镍的孔隙率为53.7%，平均孔径为612.25 nm。经加工处理后的压汞孔隙率为54.0%，平均孔径为511.37 nm，加工后孔隙结构仍符合应用要求，为多孔镍及其他多孔金属材料的制备开辟了一条新的途径。
提出了一种烧结后闭孔加工再开孔的策略，通过粉末冶金方法和后续加工处理制备出了高孔隙率的微孔镍材料。采用粒径为1 μm的羰基镍粉为原料，研究了烧结工艺参数对多孔镍的孔隙性能和力学性能的影响。结果表明，在400 ℃烧结温度下，压汞法测得微孔镍的孔隙率为53.7%，平均孔径为612.25 nm。经加工处理后的压汞孔隙率为54.0%，平均孔径为511.37 nm，加工后孔隙结构仍符合应用要求，为多孔镍及其他多孔金属材料的制备开辟了一条新的途径。
2023, 52(3):883-889.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220507
摘要:
提出了一种通过在炸药与复合板之间增加一层速度调整板，以获得理想焊接条件的用于制备铟/铁复合板的新型爆炸焊接方法。通过理论方法计算了爆炸焊接参数，通过实验对炸药载荷的影响进行了研究。应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法进行数值模拟以验证参数有效性，探究了结合界面的成型机理，并研究了压力和塑性应变的分布。结果表明，当炸药厚度增加时，界面波形结构更明显。界面剪切试验结果表明铟/铁复合板结合面抗剪切强度为16 MPa，比纯铟材料的抗剪切强度高，且三点弯曲试验之后复合板结合界面无裂纹。采用改进的爆炸焊接方法可以有效制备高质量铟/铁复合板。
提出了一种通过在炸药与复合板之间增加一层速度调整板，以获得理想焊接条件的用于制备铟/铁复合板的新型爆炸焊接方法。通过理论方法计算了爆炸焊接参数，通过实验对炸药载荷的影响进行了研究。应用光滑粒子流体动力学（SPH）方法进行数值模拟以验证参数有效性，探究了结合界面的成型机理，并研究了压力和塑性应变的分布。结果表明，当炸药厚度增加时，界面波形结构更明显。界面剪切试验结果表明铟/铁复合板结合面抗剪切强度为16 MPa，比纯铟材料的抗剪切强度高，且三点弯曲试验之后复合板结合界面无裂纹。采用改进的爆炸焊接方法可以有效制备高质量铟/铁复合板。
2023, 52(3):890-898.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220488
摘要:
改进接触传热测量装置，利用有限元模拟镁合金轧制过程辊缝界面的瞬态换热特性，以准确分析温度、压力和粗糙度对接触传热系数的耦合影响。结果表明，接触传热存在2个明显的临界阈值。当温度在150 ℃以下且界面压力低于22.1 MPa时，存在良好的线性规律。当超过第一阈值后，接触传热明显增强，呈现显著的非线性特征。另外，当界面压力超过50 MPa（第二阈值）且温度超过300 ℃时，接触传热很快趋于稳定。显然，此时的第二阈值与镁合金带材表面摩擦峰的弹塑性变形直接相关，通过增加微接触面积和摩擦峰的交互扩散，从而形成高压接触传热。基于这一现象的规律特征，有助于精确控制辊缝的接触界面温度，便于设计合适的轧制参数或优化轧制工艺。
改进接触传热测量装置，利用有限元模拟镁合金轧制过程辊缝界面的瞬态换热特性，以准确分析温度、压力和粗糙度对接触传热系数的耦合影响。结果表明，接触传热存在2个明显的临界阈值。当温度在150 ℃以下且界面压力低于22.1 MPa时，存在良好的线性规律。当超过第一阈值后，接触传热明显增强，呈现显著的非线性特征。另外，当界面压力超过50 MPa（第二阈值）且温度超过300 ℃时，接触传热很快趋于稳定。显然，此时的第二阈值与镁合金带材表面摩擦峰的弹塑性变形直接相关，通过增加微接触面积和摩擦峰的交互扩散，从而形成高压接触传热。基于这一现象的规律特征，有助于精确控制辊缝的接触界面温度，便于设计合适的轧制参数或优化轧制工艺。
2023, 52(3):911-920.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220090
摘要:
作为一种剧烈塑性变形技术异步轧制是提高铝合金板材变形质量的重要方式。但由于异步轧制中存在多变量、强耦合、非线性等特点,其厚度方向变形机理难以精准解析。为了深入研究异步轧制厚度方向变形情况,建立了一种板材异步轧制沿厚度方向应变计算模型。根据轧制过程的运动学特点,变形区被分为刚性-塑性-刚性区。在此基础上对变形区边界条件进行了修正,并采用流函数法建立近真实的运动学容许速度场。根据最小能原理和线性化积分手段建立了轧制功率消耗模型,解决了计算过程中的多参量非线性耦合问题,实现了变形区边界模型的快速计算。结合速度分量与应变速率分量,最终建立了异步轧制轧后应变计算模型。为了验证理论模型的准确性进行了数值模拟与异步轧制实验。与实验结果进行对比,计算结果最大误差为13.44%,最小误差为1.33%,整体计算耗时缩减到1s以下。模型的建立可为异步轧制板材质量调控与预测提供重要理论参考。
作为一种剧烈塑性变形技术异步轧制是提高铝合金板材变形质量的重要方式。但由于异步轧制中存在多变量、强耦合、非线性等特点,其厚度方向变形机理难以精准解析。为了深入研究异步轧制厚度方向变形情况,建立了一种板材异步轧制沿厚度方向应变计算模型。根据轧制过程的运动学特点,变形区被分为刚性-塑性-刚性区。在此基础上对变形区边界条件进行了修正,并采用流函数法建立近真实的运动学容许速度场。根据最小能原理和线性化积分手段建立了轧制功率消耗模型,解决了计算过程中的多参量非线性耦合问题,实现了变形区边界模型的快速计算。结合速度分量与应变速率分量,最终建立了异步轧制轧后应变计算模型。为了验证理论模型的准确性进行了数值模拟与异步轧制实验。与实验结果进行对比,计算结果最大误差为13.44%,最小误差为1.33%,整体计算耗时缩减到1s以下。模型的建立可为异步轧制板材质量调控与预测提供重要理论参考。
2023, 52(3):921-928.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220658
摘要:
有效预测和评估板材变形程度对折弯成形工艺和产品精度控制有着现实的指导意义,且中性层偏移是衡量折弯板材拉压区域不均匀变形程度的重要参数。本文依据塑性变形理论中微元体应力平衡条件,基于能够体现镁合金拉压不对称性的Yoon2014屈服准则,得到了AZ31B镁合金板材折弯过程中中性层偏移量计算模型,并辅以有限元模拟和相应实验对中性层偏移模型进行验证。结果表明：所建立模型能够对镁板中性层偏移现象进行可靠预测,镁板在折弯过程中,受拉压不对称性的影响,中性层向拉伸侧偏移；折弯后角度越小,中性层偏移量越大,在折弯角度为90°,压下量为40mm至47mm之间时的中性层偏移程度最明显。
有效预测和评估板材变形程度对折弯成形工艺和产品精度控制有着现实的指导意义,且中性层偏移是衡量折弯板材拉压区域不均匀变形程度的重要参数。本文依据塑性变形理论中微元体应力平衡条件,基于能够体现镁合金拉压不对称性的Yoon2014屈服准则,得到了AZ31B镁合金板材折弯过程中中性层偏移量计算模型,并辅以有限元模拟和相应实验对中性层偏移模型进行验证。结果表明：所建立模型能够对镁板中性层偏移现象进行可靠预测,镁板在折弯过程中,受拉压不对称性的影响,中性层向拉伸侧偏移；折弯后角度越小,中性层偏移量越大,在折弯角度为90°,压下量为40mm至47mm之间时的中性层偏移程度最明显。
2023, 52(3):929-936.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220133
摘要:
为了研究Al-Mg-Si系合金热处理制度和合金成分对力学性能的影响规律，本文采用人工神经网络（Artificial neural network, ANN）和遗传算法（Genetic algorithm, GA）相结合的方法，构建了Al-Mg-Si系合金强度预测模型（ANN-GA模型）。通过单因素和双因素分析，研究了合金元素含量和热处理工艺参数对铝合金强度的影响规律。结果表明，随着Si含量的增加，铝合金的抗拉强度呈现先降低后升高的趋势；随着Mg含量的增加、Cu含量的增加或者Fe含量的减少，铝合金的抗拉强度整体上呈现升高的趋势。双因素分析更能反映输入参数对铝合金抗拉强度的影响。Mg/Si比、Mg+Si总量和时效时间对Al-Mg-Si系合金力学性能的影响显著。铝合金的硬度随时间的变化趋势与ANN-GA模型的计算结果一致，峰值时效时间为29h，相对误差为11.86%。
为了研究Al-Mg-Si系合金热处理制度和合金成分对力学性能的影响规律，本文采用人工神经网络（Artificial neural network, ANN）和遗传算法（Genetic algorithm, GA）相结合的方法，构建了Al-Mg-Si系合金强度预测模型（ANN-GA模型）。通过单因素和双因素分析，研究了合金元素含量和热处理工艺参数对铝合金强度的影响规律。结果表明，随着Si含量的增加，铝合金的抗拉强度呈现先降低后升高的趋势；随着Mg含量的增加、Cu含量的增加或者Fe含量的减少，铝合金的抗拉强度整体上呈现升高的趋势。双因素分析更能反映输入参数对铝合金抗拉强度的影响。Mg/Si比、Mg+Si总量和时效时间对Al-Mg-Si系合金力学性能的影响显著。铝合金的硬度随时间的变化趋势与ANN-GA模型的计算结果一致，峰值时效时间为29h，相对误差为11.86%。
2023, 52(3):937-946.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220132
摘要:
为了研究不同氧化程度的锆合金在失水事故过程应力场的演变规律，以失水事故后三层结构的Zr-4包壳为研究对象，将α-Zr(O)体积分数代表不同氧化程度的锆合金包壳，建立三种不同氧化结构的锆合金模型并进行1200 ℃到800 ℃再到室温的两步冷却有限元模拟。计算结果表明：氧化膜内的应力为压应力，且氧化膜应力随温度降低的变化梯度最大，导致α-Zr(O)层与基体的交界处产生较大的残余应力；基体组织体积占比越大的模型降温后内部残余应力越小；低氧化程度模型中α-Zr(O)层在降温末期应力基本不变，但在氧化程度较高时有明显的应力集中现象，高氧化程度模型在降温时会产生较大的压应变，并导致基体产生较大变形。对降温过程不同氧化程度模型的各组织进行了相应的本构分析，发现淬火初期各层组织的应力先降低后增加，基体靠近α-Zr(O)层边缘组织与心部组织力学性质存在差异，氧化程度较高的模型，同样应变下基体心部组织压应力高于边缘组织。
为了研究不同氧化程度的锆合金在失水事故过程应力场的演变规律，以失水事故后三层结构的Zr-4包壳为研究对象，将α-Zr(O)体积分数代表不同氧化程度的锆合金包壳，建立三种不同氧化结构的锆合金模型并进行1200 ℃到800 ℃再到室温的两步冷却有限元模拟。计算结果表明：氧化膜内的应力为压应力，且氧化膜应力随温度降低的变化梯度最大，导致α-Zr(O)层与基体的交界处产生较大的残余应力；基体组织体积占比越大的模型降温后内部残余应力越小；低氧化程度模型中α-Zr(O)层在降温末期应力基本不变，但在氧化程度较高时有明显的应力集中现象，高氧化程度模型在降温时会产生较大的压应变，并导致基体产生较大变形。对降温过程不同氧化程度模型的各组织进行了相应的本构分析，发现淬火初期各层组织的应力先降低后增加，基体靠近α-Zr(O)层边缘组织与心部组织力学性质存在差异，氧化程度较高的模型，同样应变下基体心部组织压应力高于边缘组织。
2023, 52(3):975-981.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220124
摘要:
采用渗硼烧结法合成了一种新型TiBN粉体材料，它是B在TiN中形成的固溶体。TiBN粉体颗粒具有特殊的微纳米复合结构，由尺寸可达到纳米级的TiBN晶体和非晶所组成，非晶多分布在颗粒边界，最小厚度为2nm左右。TiBN粉末兼有陶瓷性和金属性，电阻率为2.655 × 10-5Ωm，优于TiN、TiB2、TiCN等陶瓷材料。该新方法可以在580℃+1h 条件下合成出单相TiN粉末材料，合成温度比现有TiN 合成温度降低500℃以上。TiBN粉末材料可用于制备电接触材料、结构陶瓷材料，同时在作为锂电池、超级电容器、燃料电池和光伏电池的电极、集电体方面有诱人的研究价值和广阔的应用前景。
采用渗硼烧结法合成了一种新型TiBN粉体材料，它是B在TiN中形成的固溶体。TiBN粉体颗粒具有特殊的微纳米复合结构，由尺寸可达到纳米级的TiBN晶体和非晶所组成，非晶多分布在颗粒边界，最小厚度为2nm左右。TiBN粉末兼有陶瓷性和金属性，电阻率为2.655 × 10-5Ωm，优于TiN、TiB2、TiCN等陶瓷材料。该新方法可以在580℃+1h 条件下合成出单相TiN粉末材料，合成温度比现有TiN 合成温度降低500℃以上。TiBN粉末材料可用于制备电接触材料、结构陶瓷材料，同时在作为锂电池、超级电容器、燃料电池和光伏电池的电极、集电体方面有诱人的研究价值和广阔的应用前景。
2023, 52(3):982-988.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220143
摘要:
MAX相材料有作为事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel,ATF)包壳材料的潜力,为了全面了解MAX相材料在模拟正常工况下的腐蚀行为,本工作使用基体为Ti3SiC2的MAX相陶瓷管材于400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽,360 ℃/18.6 MPa去离子水、3.5 ppm Li+1000 ppm B溶液和70 ppm Li溶液4种不同的水化学条件中进行腐蚀试验,采用XRD、SEM和FIB/TEM观察分析腐蚀前后样品的显微组织、晶体结构和成分。结果表明,Ti3SiC2管材在4种条件下的腐蚀速率均远高于参比Zr-4合金,腐蚀后主要检测到腐蚀产物TiO2,且其表面疏松多孔,未形成保护性的氧化膜。
MAX相材料有作为事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel,ATF)包壳材料的潜力,为了全面了解MAX相材料在模拟正常工况下的腐蚀行为,本工作使用基体为Ti3SiC2的MAX相陶瓷管材于400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽,360 ℃/18.6 MPa去离子水、3.5 ppm Li+1000 ppm B溶液和70 ppm Li溶液4种不同的水化学条件中进行腐蚀试验,采用XRD、SEM和FIB/TEM观察分析腐蚀前后样品的显微组织、晶体结构和成分。结果表明,Ti3SiC2管材在4种条件下的腐蚀速率均远高于参比Zr-4合金,腐蚀后主要检测到腐蚀产物TiO2,且其表面疏松多孔,未形成保护性的氧化膜。
2023, 52(3):989-998.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220087
摘要:
采用高功率调制脉冲磁控溅射（Modulated Pulsed Power magnetron sputtering, MPPMS）和脉冲直流磁控溅射（Pulsed Direct Current magnetron sputtering, PDCMS）复合沉积CrNx涂层，通过调节氮气流量比及溅射功率，研究了氮气/氩气流量比、PDCMS溅射功率及MPPMS溅射功率等工艺参数对CrNx涂层成分、相组成、微结构和力学性能的影响。通过电子探针（EPMA）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、纳米压痕仪及维氏硬度计等，分别对CrNx涂层的成分、相组成、微结构、形貌、硬度及断裂韧性等进行了表征。当PDCMS溅射功率从700 W增加到1000 W，MPPMS峰值功率增加43.5%，涂层中Cr含量由61.0 at.%增加到65.4 at.%，N含量由39.0 at.%减少到34.6 at.%，而CrNx涂层主要由Cr2N相组成。随着溅射功率的增加，CrNx涂层硬度变化不大，均在20 GPa左右，而涂层的致密性和断裂韧性均得到明显提升。流量比由15%增加至50%，MPPMS的峰值电流和峰值功率先减小后增加，涂层的物相逐渐由Cr2N向CrN转变。当氮气流量比为35%时，CrNx涂层由Cr2N和CrN两相组成，受两相结构的影响，CrNx涂层的硬度值、残余压应力值和断裂韧性值均达到最大值，分别为20.5 GPa、-901.8 MPa和6.5 MPa·m1/2。电子温度应为CrNx涂层相结构变化的主要驱动力，致密性和两相结构是影响CrNx涂层断裂韧性的主因。
采用高功率调制脉冲磁控溅射（Modulated Pulsed Power magnetron sputtering, MPPMS）和脉冲直流磁控溅射（Pulsed Direct Current magnetron sputtering, PDCMS）复合沉积CrNx涂层，通过调节氮气流量比及溅射功率，研究了氮气/氩气流量比、PDCMS溅射功率及MPPMS溅射功率等工艺参数对CrNx涂层成分、相组成、微结构和力学性能的影响。通过电子探针（EPMA）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、纳米压痕仪及维氏硬度计等，分别对CrNx涂层的成分、相组成、微结构、形貌、硬度及断裂韧性等进行了表征。当PDCMS溅射功率从700 W增加到1000 W，MPPMS峰值功率增加43.5%，涂层中Cr含量由61.0 at.%增加到65.4 at.%，N含量由39.0 at.%减少到34.6 at.%，而CrNx涂层主要由Cr2N相组成。随着溅射功率的增加，CrNx涂层硬度变化不大，均在20 GPa左右，而涂层的致密性和断裂韧性均得到明显提升。流量比由15%增加至50%，MPPMS的峰值电流和峰值功率先减小后增加，涂层的物相逐渐由Cr2N向CrN转变。当氮气流量比为35%时，CrNx涂层由Cr2N和CrN两相组成，受两相结构的影响，CrNx涂层的硬度值、残余压应力值和断裂韧性值均达到最大值，分别为20.5 GPa、-901.8 MPa和6.5 MPa·m1/2。电子温度应为CrNx涂层相结构变化的主要驱动力，致密性和两相结构是影响CrNx涂层断裂韧性的主因。
2023, 52(3):999-1006.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220556
摘要:
W具有高的热惯性以及低的绝热火焰温度，导致其在空气中难以燃烧。为改变W的燃烧特性，本文通过机械合金化将20 wt.%的Zr引入W中。XRD、SEM及STEM分析表明，球磨30 h后，Zr的衍射峰完全消失，得到了单相BCC结构的W(Zr20)超饱和固溶体合金粉末。在此基础上，以Zn粉作为粘结剂，采用热压工艺制备WZrZn合金。准静态力学性能测试和弹道枪实验结果表明，以W(Zr20)合金粉末为原料制备的W(Zr20)-Zn30合金的抗压强度和能量释放特性明显优于机械混料制备的W/Zr20-Zn30合金。在1200 m/s的冲击速度下，W(Zr20)-Zn30合金的反应超压达到0.21 MPa，能量释放特性优异。同时，在反应产物分析中，发现大量钨的燃烧产物WO3，表明Zr的固溶诱发了W的燃烧反应，有效提高了WZrZn合金的冲击反应特性。
W具有高的热惯性以及低的绝热火焰温度，导致其在空气中难以燃烧。为改变W的燃烧特性，本文通过机械合金化将20 wt.%的Zr引入W中。XRD、SEM及STEM分析表明，球磨30 h后，Zr的衍射峰完全消失，得到了单相BCC结构的W(Zr20)超饱和固溶体合金粉末。在此基础上，以Zn粉作为粘结剂，采用热压工艺制备WZrZn合金。准静态力学性能测试和弹道枪实验结果表明，以W(Zr20)合金粉末为原料制备的W(Zr20)-Zn30合金的抗压强度和能量释放特性明显优于机械混料制备的W/Zr20-Zn30合金。在1200 m/s的冲击速度下，W(Zr20)-Zn30合金的反应超压达到0.21 MPa，能量释放特性优异。同时，在反应产物分析中，发现大量钨的燃烧产物WO3，表明Zr的固溶诱发了W的燃烧反应，有效提高了WZrZn合金的冲击反应特性。
2023, 52(3):1007-1014.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220106
摘要:
为保证内腔尺寸精度,复杂空心单晶涡轮叶片通常采用Pt丝型芯撑固定陶瓷型芯,然而Pt丝型芯撑对单晶涡轮叶片基体组织和性能的影响规律研究未见报道。本文以DD5二代单晶高温合金为研究对象,通过在单晶薄板中插入Pt丝型芯撑模拟研究型芯撑对于涡轮叶片基体组织和成分偏析的影响,同时测试插入Pt丝型芯撑后DD5合金薄板的典型性能,明确型芯撑对于合金性能的影响规律。结果表明：Pt丝型芯撑与DD5合金基体熔接效果好,无明显异质界面,Pt丝完全合金化,其组织与DD5合金基体组织一致,未形成新相。Pt丝型芯撑的插入对于DD5合金基体组织的影响不大,但导致合金元素偏析程度升高。此外,Pt丝型芯撑的插入对DD5合金薄板的室温拉伸、870℃拉伸及1093℃/158MPa持久性能未产生明显负面影响,合金的断裂模式为枝晶间开裂,裂纹沿碎裂的碳化物及碳化物与基体界面处萌生并扩展。
为保证内腔尺寸精度,复杂空心单晶涡轮叶片通常采用Pt丝型芯撑固定陶瓷型芯,然而Pt丝型芯撑对单晶涡轮叶片基体组织和性能的影响规律研究未见报道。本文以DD5二代单晶高温合金为研究对象,通过在单晶薄板中插入Pt丝型芯撑模拟研究型芯撑对于涡轮叶片基体组织和成分偏析的影响,同时测试插入Pt丝型芯撑后DD5合金薄板的典型性能,明确型芯撑对于合金性能的影响规律。结果表明：Pt丝型芯撑与DD5合金基体熔接效果好,无明显异质界面,Pt丝完全合金化,其组织与DD5合金基体组织一致,未形成新相。Pt丝型芯撑的插入对于DD5合金基体组织的影响不大,但导致合金元素偏析程度升高。此外,Pt丝型芯撑的插入对DD5合金薄板的室温拉伸、870℃拉伸及1093℃/158MPa持久性能未产生明显负面影响,合金的断裂模式为枝晶间开裂,裂纹沿碎裂的碳化物及碳化物与基体界面处萌生并扩展。
2023, 52(3):1015-1021.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220161
摘要:
本文采用选区激光融化技术制备了GH3536合金试样,在进行了热等静压和固溶处理后对合金试样的显微组织、高温拉伸性能和不同应力比下的裂纹扩展性能进行了分析。研究结果表明,经热等静压和固溶处理后合金试样内部存在两种不同大小的等轴晶粒,在晶间存在连续片状分布的M23C6和M6C碳化物。合金试样的拉伸性能随着温度的上升而不断下降,断裂方式由室温下的韧性断裂转变为900℃下的脆性断裂。在不同应力比下,合金试样的裂纹扩展方式主要为穿晶扩展,裂纹扩展速率随着应力比的不断上升而提高,在高应力比下合金内部的疲劳裂纹更倾向于在取向差较小的晶粒内部扩展。
本文采用选区激光融化技术制备了GH3536合金试样,在进行了热等静压和固溶处理后对合金试样的显微组织、高温拉伸性能和不同应力比下的裂纹扩展性能进行了分析。研究结果表明,经热等静压和固溶处理后合金试样内部存在两种不同大小的等轴晶粒,在晶间存在连续片状分布的M23C6和M6C碳化物。合金试样的拉伸性能随着温度的上升而不断下降,断裂方式由室温下的韧性断裂转变为900℃下的脆性断裂。在不同应力比下,合金试样的裂纹扩展方式主要为穿晶扩展,裂纹扩展速率随着应力比的不断上升而提高,在高应力比下合金内部的疲劳裂纹更倾向于在取向差较小的晶粒内部扩展。
2023, 52(3):1022-1026.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220736
摘要:
以70um厚的Ni-6W合金薄带为基体，采用阳极氧化法制备纳米多孔NiW后，再化学溶液沉积CeO2制备Ni和CeO2 (200)晶面暴露的纳米多孔NiW-CeO2电极。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和XPS对电极形貌和表面结构进行表征。通过阴极极化曲线、循环伏安曲线和电化学阻抗技术表征各电极的电解析氢行为。结果表明(200)晶面暴露的纳米多孔NiW-CeO2电极比Ni(111)晶面暴露的Ni-CeO2电极和无择优取向的Ni-S-CeO2和Ni-Zn-CeO2电极的析氢性能好。该复合电极具有比文献中所报道的共沉积的Ni-CeO2更高的交换电流密度1.7×10-1A cm-2。在1M NaOH溶液中达到100 mA cm-2电流密度时，过电位比NiW-CeO2电极和NiW电极分别降低了分别降低55mV和81mV。对CeO2加入后对整个析氢过程的电化学过程的影响进行了分析。本文通过该合成方法来控制CeO2的形貌，继而选择性暴露(200)晶面，实现对NiW-CeO2复合电极的析氢催化性能的调控。
以70um厚的Ni-6W合金薄带为基体，采用阳极氧化法制备纳米多孔NiW后，再化学溶液沉积CeO2制备Ni和CeO2 (200)晶面暴露的纳米多孔NiW-CeO2电极。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和XPS对电极形貌和表面结构进行表征。通过阴极极化曲线、循环伏安曲线和电化学阻抗技术表征各电极的电解析氢行为。结果表明(200)晶面暴露的纳米多孔NiW-CeO2电极比Ni(111)晶面暴露的Ni-CeO2电极和无择优取向的Ni-S-CeO2和Ni-Zn-CeO2电极的析氢性能好。该复合电极具有比文献中所报道的共沉积的Ni-CeO2更高的交换电流密度1.7×10-1A cm-2。在1M NaOH溶液中达到100 mA cm-2电流密度时，过电位比NiW-CeO2电极和NiW电极分别降低了分别降低55mV和81mV。对CeO2加入后对整个析氢过程的电化学过程的影响进行了分析。本文通过该合成方法来控制CeO2的形貌，继而选择性暴露(200)晶面，实现对NiW-CeO2复合电极的析氢催化性能的调控。
2023, 52(3):1027-1035.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220092
摘要:
采用感应加热的方式,在65Mn钢基体表面制备了金刚石质量分数为10%的的复合镍基涂层,利用SEM、EPMA、XRD对钎涂接头的微观组织和相组成进行了分析,研究了感应钎涂中金刚石/钎料界面的元素扩散机制和形成机理。并利用干砂橡胶轮磨损试验机测试了涂层的耐磨性能,分析了金刚石/镍基涂层的耐磨增强机制。结果表明,钎涂层中钎料合金物相主要为Ni4B3、(Ni,Fe)固溶体、Ni3Si2、CrB；金刚石与钎料合金发生了冶金反应,金刚石/钎料合金界面的C元素分布促使金刚石表面出现了双层碳化物结构,分别为金刚石侧的Cr3C2和在Cr3C2表面生长的Cr7C3。金刚石复合涂层的耐磨性能显著优于钢基体,涂层60min磨损失重仅0.25g,为钢对比试样磨损失重的1/12,金刚石在磨损过程中起到了阻挡犁沟扩展的作用,涂层的失效机制为镍基合金磨损和金刚石的脱落。
采用感应加热的方式,在65Mn钢基体表面制备了金刚石质量分数为10%的的复合镍基涂层,利用SEM、EPMA、XRD对钎涂接头的微观组织和相组成进行了分析,研究了感应钎涂中金刚石/钎料界面的元素扩散机制和形成机理。并利用干砂橡胶轮磨损试验机测试了涂层的耐磨性能,分析了金刚石/镍基涂层的耐磨增强机制。结果表明,钎涂层中钎料合金物相主要为Ni4B3、(Ni,Fe)固溶体、Ni3Si2、CrB；金刚石与钎料合金发生了冶金反应,金刚石/钎料合金界面的C元素分布促使金刚石表面出现了双层碳化物结构,分别为金刚石侧的Cr3C2和在Cr3C2表面生长的Cr7C3。金刚石复合涂层的耐磨性能显著优于钢基体,涂层60min磨损失重仅0.25g,为钢对比试样磨损失重的1/12,金刚石在磨损过程中起到了阻挡犁沟扩展的作用,涂层的失效机制为镍基合金磨损和金刚石的脱落。
2023, 52(3):1036-1044.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220096
摘要:
针对金属夹芯柱壳结构在高温工况下的阻尼减振问题，提出采用具有优异耐温性能和粘弹性阻尼特性的金属橡胶材料作为夹芯阻尼层，研究内部结构参数和不同温度梯度对夹芯柱壳结构的动态力学特性影响规律。首先，采用传统金属橡胶冲压成型制备工艺，结合真空钎焊连接工艺，实现了夹芯柱壳结构面/芯界面可靠的冶金结合，可满足整体构件持续耐高温500℃以上。其次，分析了芯层密度、面芯厚度比、梯度温度等关键参数在不同激励条件下对金属橡胶夹芯柱壳结构高温阻尼减振特性的影响，主要性能评价指标包括：割线刚度、固有频率、振动加速度级及阻尼比等。通过与等质量的非夹芯柱壳结构试验对比表明：金属橡胶夹芯柱壳结构的刚度与面板厚度、芯层密度正相关；在0-300℃范围阻尼效果随温度下降，但在300℃-500℃范围内呈上升趋势，高温阻尼减振特性表现出显著的温致非线性。
针对金属夹芯柱壳结构在高温工况下的阻尼减振问题，提出采用具有优异耐温性能和粘弹性阻尼特性的金属橡胶材料作为夹芯阻尼层，研究内部结构参数和不同温度梯度对夹芯柱壳结构的动态力学特性影响规律。首先，采用传统金属橡胶冲压成型制备工艺，结合真空钎焊连接工艺，实现了夹芯柱壳结构面/芯界面可靠的冶金结合，可满足整体构件持续耐高温500℃以上。其次，分析了芯层密度、面芯厚度比、梯度温度等关键参数在不同激励条件下对金属橡胶夹芯柱壳结构高温阻尼减振特性的影响，主要性能评价指标包括：割线刚度、固有频率、振动加速度级及阻尼比等。通过与等质量的非夹芯柱壳结构试验对比表明：金属橡胶夹芯柱壳结构的刚度与面板厚度、芯层密度正相关；在0-300℃范围阻尼效果随温度下降，但在300℃-500℃范围内呈上升趋势，高温阻尼减振特性表现出显著的温致非线性。
2023, 52(3):1045-1054.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220101
摘要:
镁合金具有优异的生物相容性和独特降解性，但其在生理环境中的耐蚀性能较差，严重制约了其在临床应用中的发展。本文使用预拉伸工艺制备Mg-Zn-Sr-Zr-Mn新型镁合金，通过XRD（X-ray Diffraction）、OM（Optical Microscopy）和SEM（Scanning Electron Microscopy）探究预拉伸形变量与显微组织、腐蚀速率和膜层形貌间的关系。结果表明：随预拉伸形变量的增大（2%、4%、6%），合金晶粒尺寸被逐渐拉长，孪晶数目逐渐增多，析出相离散程度逐渐增大。4%预拉伸合金由于适量孪晶的出现及析出相离散程度的增大，增加了电偶腐蚀形核点位，加速了合金表面均匀氧化产物的快速产生，增大了合金极化电阻阻值（729.4 Ω·cm-2）；三种预拉伸合金电化学（0.39→0.25→0.74 mm·y-1）及失重速率（2.85→1.83→5.88 mm·y-1）均呈现先降低后升高的趋势。4%预拉伸合金具有较高的耐蚀性证明适当的预拉伸变形提高界面析出相的连续性，阻碍腐蚀进程，对合金腐蚀性能起到积极作用。而当预拉伸形变量继续增加，产生大量位错，创造氢扩散路径，有利于氢富集，导致合金耐蚀性下降。此外，适当的预拉伸形变通过改变残余应力的重新分布，提高腐蚀均匀性，同时提高膜层致密性与连续性，延缓腐蚀进程。
镁合金具有优异的生物相容性和独特降解性，但其在生理环境中的耐蚀性能较差，严重制约了其在临床应用中的发展。本文使用预拉伸工艺制备Mg-Zn-Sr-Zr-Mn新型镁合金，通过XRD（X-ray Diffraction）、OM（Optical Microscopy）和SEM（Scanning Electron Microscopy）探究预拉伸形变量与显微组织、腐蚀速率和膜层形貌间的关系。结果表明：随预拉伸形变量的增大（2%、4%、6%），合金晶粒尺寸被逐渐拉长，孪晶数目逐渐增多，析出相离散程度逐渐增大。4%预拉伸合金由于适量孪晶的出现及析出相离散程度的增大，增加了电偶腐蚀形核点位，加速了合金表面均匀氧化产物的快速产生，增大了合金极化电阻阻值（729.4 Ω·cm-2）；三种预拉伸合金电化学（0.39→0.25→0.74 mm·y-1）及失重速率（2.85→1.83→5.88 mm·y-1）均呈现先降低后升高的趋势。4%预拉伸合金具有较高的耐蚀性证明适当的预拉伸变形提高界面析出相的连续性，阻碍腐蚀进程，对合金腐蚀性能起到积极作用。而当预拉伸形变量继续增加，产生大量位错，创造氢扩散路径，有利于氢富集，导致合金耐蚀性下降。此外，适当的预拉伸形变通过改变残余应力的重新分布，提高腐蚀均匀性，同时提高膜层致密性与连续性，延缓腐蚀进程。
2023, 52(3):1055-1061.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220105
摘要:
采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备了WC-WB-CoCr涂层,研究了温度对WC-WB-CoCr涂层高温摩擦磨损性能的影响。通过扫描电镜、X射线衍射和显微硬度仪对涂层的微观组织和力学性能进行了表征。通过摩擦磨损试验机和拉曼光谱仪研究了WC-WB-CoCr涂层的高温摩擦学性能和氧化产物,采用台阶仪扫描磨痕形貌并计算WC-WB-CoCr涂层的磨损率。结果表明：WC-WB-Co-Cr涂层主要由WC和CoW2B2组成,涂层结构致密,与基体结合紧密；随着磨损试验温度升高,涂层的摩擦系数从0.66降低到0.57,涂层的磨损率随着温度的升高而升高,但是其磨损率增长程度随着温度的升高而降低。高温磨损过程中,磨痕表面的氧化膜主要由WO3和CoWO4组成,且CoWO4比WO3表现出更好的耐高温磨损性能。涂层的主要磨损机制为疲劳磨损和黏着磨损。
采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备了WC-WB-CoCr涂层,研究了温度对WC-WB-CoCr涂层高温摩擦磨损性能的影响。通过扫描电镜、X射线衍射和显微硬度仪对涂层的微观组织和力学性能进行了表征。通过摩擦磨损试验机和拉曼光谱仪研究了WC-WB-CoCr涂层的高温摩擦学性能和氧化产物,采用台阶仪扫描磨痕形貌并计算WC-WB-CoCr涂层的磨损率。结果表明：WC-WB-Co-Cr涂层主要由WC和CoW2B2组成,涂层结构致密,与基体结合紧密；随着磨损试验温度升高,涂层的摩擦系数从0.66降低到0.57,涂层的磨损率随着温度的升高而升高,但是其磨损率增长程度随着温度的升高而降低。高温磨损过程中,磨痕表面的氧化膜主要由WO3和CoWO4组成,且CoWO4比WO3表现出更好的耐高温磨损性能。涂层的主要磨损机制为疲劳磨损和黏着磨损。
2023, 52(3):1062-1072.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220122
摘要:
锆合金的高温蒸汽氧化行为是失水事故下需要重点关注的问题之一。为了研究Sn对锆合金高温蒸汽氧化行为的影响，开展了不同Sn含量的SH12(Zr-0.75Sn-0.2Fe-0.1Cr，wt.%)和Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)合金在模拟失水事故工况下1000，1050，1100和1200 ℃的高温蒸汽氧化试验。采用光学显微镜、电子探针、显微硬度计分析了氧化样品的显微组织以及氧化前后样品的显微硬度。结果表明：低Sn的SH12比高Sn的Zr-4合金的抗高温蒸汽氧化性能更好，这说明降低Sn含量可以改善锆合金的抗高温蒸汽氧化性能。氧化前，SH12合金的显微硬度低于Zr-4合金，而氧化后SH12合金基体的显微硬度明显高于Zr-4合金，与氧化后SH12合金基体中的氧含量高于Zr-4合金的结果相吻合，这说明Sn有抑制氧在Zr基体中扩散的作用。通过第一性原理计算，发现Sn容易与O结合，从而抑制了O在锆基体中的扩散，这合理解释了氧化后SH12合金中的氧含量比Zr-4合金高的原因。
锆合金的高温蒸汽氧化行为是失水事故下需要重点关注的问题之一。为了研究Sn对锆合金高温蒸汽氧化行为的影响，开展了不同Sn含量的SH12(Zr-0.75Sn-0.2Fe-0.1Cr，wt.%)和Zr-4(Zr-1.5Sn-0.2Fe-0.1Cr)合金在模拟失水事故工况下1000，1050，1100和1200 ℃的高温蒸汽氧化试验。采用光学显微镜、电子探针、显微硬度计分析了氧化样品的显微组织以及氧化前后样品的显微硬度。结果表明：低Sn的SH12比高Sn的Zr-4合金的抗高温蒸汽氧化性能更好，这说明降低Sn含量可以改善锆合金的抗高温蒸汽氧化性能。氧化前，SH12合金的显微硬度低于Zr-4合金，而氧化后SH12合金基体的显微硬度明显高于Zr-4合金，与氧化后SH12合金基体中的氧含量高于Zr-4合金的结果相吻合，这说明Sn有抑制氧在Zr基体中扩散的作用。通过第一性原理计算，发现Sn容易与O结合，从而抑制了O在锆基体中的扩散，这合理解释了氧化后SH12合金中的氧含量比Zr-4合金高的原因。
2023, 52(3):1073-1078.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220114
摘要:
单相V基合金膜具有比Pd合金膜更高的氢渗透率及较低的成本,在氢分离合金膜纯化领域有潜在的应用前景。本文通过增加Cr含量来探究斥氢元素Cr对单相V90-xTi10Crx(x=0,5,10,20)合金氢溶解、氢渗透以及抗氢脆能力的影响。结果表明,Cr含量的增加降低了氢在V90-xTi10Crx合金中的氢溶解度以及氢扩散系数,从而降低了氢渗透率,但V90-xTi10Crx合金仍表现出优于Pd及Pd-Ag合金的氢渗透性能。另一方面,随着Cr含量的增加,V90-xTi10Crx合金破裂温度从184℃(x=5at%)降低到141℃(x=10at%),而x=20at%时,合金膜冷至室温仍保持完整性,表现出优异的抗氢脆性能。
单相V基合金膜具有比Pd合金膜更高的氢渗透率及较低的成本,在氢分离合金膜纯化领域有潜在的应用前景。本文通过增加Cr含量来探究斥氢元素Cr对单相V90-xTi10Crx(x=0,5,10,20)合金氢溶解、氢渗透以及抗氢脆能力的影响。结果表明,Cr含量的增加降低了氢在V90-xTi10Crx合金中的氢溶解度以及氢扩散系数,从而降低了氢渗透率,但V90-xTi10Crx合金仍表现出优于Pd及Pd-Ag合金的氢渗透性能。另一方面,随着Cr含量的增加,V90-xTi10Crx合金破裂温度从184℃(x=5at%)降低到141℃(x=10at%),而x=20at%时,合金膜冷至室温仍保持完整性,表现出优异的抗氢脆性能。
2023, 52(3):1079-1086.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220160
摘要:
采用熔滴沉积复合钨极氩弧焊(TIG)电弧增材制造工艺实现了45钢/锡铅合金双金属结构的直接冶金结合. 利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射等研究了钢/铅双金属增材制造结构界面不同位置特征区域的金相组织、界面元素分布和主要物相. 结果表明,采用熔滴沉积复合TIG电弧增材制造工艺成形的钢/铅双金属结构界面无明显裂纹、孔隙等宏观冶金缺陷；根据钢/铅界面金属间化合物(IMCs)的分布状态判定,铅合金熔滴在45钢表面的冲击、铺展过程中,同时存在“反应性润湿”和“惰性润湿”,反应性润湿界面存在微小波动并且界面处IMCs为FeSb2和FeSn2,惰性润湿界面未析出反应产物且存在微孔隙缺陷. 熔池中心处的界面IMCs层厚最大,IMCs层厚约为6 μm,随着测试位置逐渐远离熔池中心,界面IMCs层厚呈非线性递减趋势。
采用熔滴沉积复合钨极氩弧焊(TIG)电弧增材制造工艺实现了45钢/锡铅合金双金属结构的直接冶金结合. 利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射等研究了钢/铅双金属增材制造结构界面不同位置特征区域的金相组织、界面元素分布和主要物相. 结果表明,采用熔滴沉积复合TIG电弧增材制造工艺成形的钢/铅双金属结构界面无明显裂纹、孔隙等宏观冶金缺陷；根据钢/铅界面金属间化合物(IMCs)的分布状态判定,铅合金熔滴在45钢表面的冲击、铺展过程中,同时存在“反应性润湿”和“惰性润湿”,反应性润湿界面存在微小波动并且界面处IMCs为FeSb2和FeSn2,惰性润湿界面未析出反应产物且存在微孔隙缺陷. 熔池中心处的界面IMCs层厚最大,IMCs层厚约为6 μm,随着测试位置逐渐远离熔池中心,界面IMCs层厚呈非线性递减趋势。
2023, 52(3):1087-1093.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220081
摘要:
针对选区激光熔化（SLM）高Mg含量AlSiMg3合金成形性差的缺点，通过Zr进行合金化，系统研究了工艺参数对SLM成形高Mg含量Al-Si-Mg-Zr合金的成形性及时效处理对合金组织和力学性能的影响。结果表明，SLM成形Al-Si-Mg-Zr合金的熔池边界处形成了大量的细小等轴晶，从而有效避免了样品在成形过程中裂纹的产生，增加了样品的SLM成形性，不同激光功率和激光扫描速度下获得样品的孔隙率均低于0.3%。拉伸测试结果表明，成形态样品的屈服强度（YS）为426±8 MPa，极限抗拉强度（UTS）为464±12 MPa。经165 ℃时效处理后，由于α-Al晶粒内部纳米强化相的增多，样品的强度增加明显，时效样品的最大YS和UTS分别为482±11 MPa和522±10 MPa。本研究获得SLM成形Al-Si-Mg-Zr样品的强度高于目前商用的SLM成形Al-Si-Mg合金。
针对选区激光熔化（SLM）高Mg含量AlSiMg3合金成形性差的缺点，通过Zr进行合金化，系统研究了工艺参数对SLM成形高Mg含量Al-Si-Mg-Zr合金的成形性及时效处理对合金组织和力学性能的影响。结果表明，SLM成形Al-Si-Mg-Zr合金的熔池边界处形成了大量的细小等轴晶，从而有效避免了样品在成形过程中裂纹的产生，增加了样品的SLM成形性，不同激光功率和激光扫描速度下获得样品的孔隙率均低于0.3%。拉伸测试结果表明，成形态样品的屈服强度（YS）为426±8 MPa，极限抗拉强度（UTS）为464±12 MPa。经165 ℃时效处理后，由于α-Al晶粒内部纳米强化相的增多，样品的强度增加明显，时效样品的最大YS和UTS分别为482±11 MPa和522±10 MPa。本研究获得SLM成形Al-Si-Mg-Zr样品的强度高于目前商用的SLM成形Al-Si-Mg合金。
2023, 52(3):1094-1102.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220165
摘要:
摘要：本研究将连续挤压与等通道模具相结合，通过有限元模拟、金相显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜分析大应变条件下铝锶中间合金微观组织的变化机理。结果表明：等通道模具中等效应变最大值可达16，出现在经过第一转角外角的a路径上，对Al4Sr相细化效果最好，各路径对Al4Sr相的细化作用为：内侧a路径>中间b路径>外侧c路径；采用这种一模双孔的挤压方式，可以使进料口中心粗大的Al4Sr相粒子经过等通道模具中应变最大的a路径，使其得到有效细化，最终使得产品中心和边缘的Al4Sr相均得到有效细化，尺寸约为4.5 μm。透射电镜观察表明，经过大塑性变形后，由于累积应变值增加，微观应变增大，Al4Sr相内部位错缠结交割，形成位错墙，与外部位错相互作用，使Al4Sr相粒子断裂碎化，对Al4Sr相粒子产生了显著的细化效果，同时由于界面能的增大，促使Al4Sr相出现少量回溶。
摘要：本研究将连续挤压与等通道模具相结合，通过有限元模拟、金相显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜分析大应变条件下铝锶中间合金微观组织的变化机理。结果表明：等通道模具中等效应变最大值可达16，出现在经过第一转角外角的a路径上，对Al4Sr相细化效果最好，各路径对Al4Sr相的细化作用为：内侧a路径>中间b路径>外侧c路径；采用这种一模双孔的挤压方式，可以使进料口中心粗大的Al4Sr相粒子经过等通道模具中应变最大的a路径，使其得到有效细化，最终使得产品中心和边缘的Al4Sr相均得到有效细化，尺寸约为4.5 μm。透射电镜观察表明，经过大塑性变形后，由于累积应变值增加，微观应变增大，Al4Sr相内部位错缠结交割，形成位错墙，与外部位错相互作用，使Al4Sr相粒子断裂碎化，对Al4Sr相粒子产生了显著的细化效果，同时由于界面能的增大，促使Al4Sr相出现少量回溶。
2023, 52(3):1103-1112.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220145
摘要:
针对航空飞行器、运载车辆电控箱等关键元件的轻量化、减振和导电等多功能需求，设计和制备了一种具有双螺旋结构的铜-钢丝复合金属橡胶。采用有限元数值模拟分析了复合金属橡胶成型过程中的细观螺旋丝勾连网络结构组织演变，搭建了变激励动态力学试验和电阻性能测试平台，提出了采用损伤因子来评判试件疲劳破坏程度，研究了不同铜-钢丝质量比对动态减振性能、疲劳损伤以及静动态电阻性能的影响。研究结果表明：当频幅增大时，试件动态刚度增加，而损耗因子减小；损伤因子越大，试件的动态刚度和损耗因子变化越显著；铜-钢丝质量比越大的试件对应的细观内部丝材动态磨损越严重；静态压缩行程增大，试件电阻值随之减少；动态振动次数增加，试件电阻值均有所增大，铜丝比例越大电阻值增幅越显著。
针对航空飞行器、运载车辆电控箱等关键元件的轻量化、减振和导电等多功能需求，设计和制备了一种具有双螺旋结构的铜-钢丝复合金属橡胶。采用有限元数值模拟分析了复合金属橡胶成型过程中的细观螺旋丝勾连网络结构组织演变，搭建了变激励动态力学试验和电阻性能测试平台，提出了采用损伤因子来评判试件疲劳破坏程度，研究了不同铜-钢丝质量比对动态减振性能、疲劳损伤以及静动态电阻性能的影响。研究结果表明：当频幅增大时，试件动态刚度增加，而损耗因子减小；损伤因子越大，试件的动态刚度和损耗因子变化越显著；铜-钢丝质量比越大的试件对应的细观内部丝材动态磨损越严重；静态压缩行程增大，试件电阻值随之减少；动态振动次数增加，试件电阻值均有所增大，铜丝比例越大电阻值增幅越显著。
2023, 52(3):1113-1119.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220162
摘要:
采用化学共沉淀法，通过改变Fe3O4纳米颗粒的生长温度、包覆环境pH、清洗、分散方式等工艺参数进行对比实验，总结出Fe3O4纳米颗粒在生长阶段、包覆阶段、分散阶段的最佳参数条件，优化以往的制备工艺，使油酸包覆的磁性颗粒在煤油中的分散稳定性得到提高。通过XRD、TEM、VSM等对样品进行表征，并使用旋转流变仪对所制煤油基磁性液体的流变性能进行分析，结果表明，改性后的Fe3O4纳米颗粒平均粒径约为14nm，呈现较为规则的球形，饱和磁化强度为60emu/g，可制备出质量分数可达60%的高密度煤油基磁性液体，与普通磁液相比，以此制备工艺得的高密度煤油基磁性液体在饱和磁化强度、抗氧化性等方面皆有较大提升，拥有更高的应用价值。
采用化学共沉淀法，通过改变Fe3O4纳米颗粒的生长温度、包覆环境pH、清洗、分散方式等工艺参数进行对比实验，总结出Fe3O4纳米颗粒在生长阶段、包覆阶段、分散阶段的最佳参数条件，优化以往的制备工艺，使油酸包覆的磁性颗粒在煤油中的分散稳定性得到提高。通过XRD、TEM、VSM等对样品进行表征，并使用旋转流变仪对所制煤油基磁性液体的流变性能进行分析，结果表明，改性后的Fe3O4纳米颗粒平均粒径约为14nm，呈现较为规则的球形，饱和磁化强度为60emu/g，可制备出质量分数可达60%的高密度煤油基磁性液体，与普通磁液相比，以此制备工艺得的高密度煤油基磁性液体在饱和磁化强度、抗氧化性等方面皆有较大提升，拥有更高的应用价值。
2023, 52(3):1120-1130.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220467
摘要:
近年来,现代工业对材料的性能提出了日益严苛的要求,表面技术改性逐渐成为提升材料表面性能的有效手段。CrAlN涂层因其良好的力学性能和优异的抗高温氧化性能,在保护性涂层领域受到广泛关注。本文综述了近十年来CrAlN基涂层的最新研究进展,包括CrAlN涂层的结构和性能、制备工艺、合金化和以CrAlN为基的纳米多层结构涂层和纳米复合结构涂层的设计和优势等,讨论了CrAlN涂层潜在的发展方向,以期推动该涂层在保护性涂层领域的发展和应用。
近年来,现代工业对材料的性能提出了日益严苛的要求,表面技术改性逐渐成为提升材料表面性能的有效手段。CrAlN涂层因其良好的力学性能和优异的抗高温氧化性能,在保护性涂层领域受到广泛关注。本文综述了近十年来CrAlN基涂层的最新研究进展,包括CrAlN涂层的结构和性能、制备工艺、合金化和以CrAlN为基的纳米多层结构涂层和纳米复合结构涂层的设计和优势等,讨论了CrAlN涂层潜在的发展方向,以期推动该涂层在保护性涂层领域的发展和应用。
2023, 52(3):1131-1142.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220169
摘要:
钽及钽合金因具有优异的化学稳定性、高温力学性能、耐腐蚀性能以及加工成形能力,目前已被应用于航空航天、冶金化工以及核工业等诸多高新技术领域。针对钽及其合金巨大的应用潜力,国内外学者对其进行了深入广泛的研究,取得了丰富的研究成果。本文系统总结了钽合金材料体系类型及其应用领域,并从现有合金制备技术及其优缺点、主要合金体系的力学性能及其影响因素、高温防护涂层的体系及其制备方法等方面进行了系统介绍。最后,针对目前钽及其合金研究中存在的短板,对其未来的研究方向进行了展望。
钽及钽合金因具有优异的化学稳定性、高温力学性能、耐腐蚀性能以及加工成形能力,目前已被应用于航空航天、冶金化工以及核工业等诸多高新技术领域。针对钽及其合金巨大的应用潜力,国内外学者对其进行了深入广泛的研究,取得了丰富的研究成果。本文系统总结了钽合金材料体系类型及其应用领域,并从现有合金制备技术及其优缺点、主要合金体系的力学性能及其影响因素、高温防护涂层的体系及其制备方法等方面进行了系统介绍。最后,针对目前钽及其合金研究中存在的短板,对其未来的研究方向进行了展望。
2023, 52(3):1143-1154.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220117
摘要:
富镍层状氧化物因其相对较高的比容量成为高能量密度锂离子电池的首选正极，进一步提高Ni含量，材料特性趋向于LiNiO2，电化学和结构稳定性恶化。晶格元素掺杂是提升LiNiO2稳定性的有效策略。厘清LiNiO2正极材料结构并明晰掺杂元素对其影响及规律，对开发Ni含量大于90%的富镍正极材料具有重要意义。本文首先介绍了LiNiO2材料结构及面临的稳定性问题。然后综述了Co、Mn、Al、Mg、Ti、Zr、W等典型掺杂元素对LiNiO2的影响及规律，并讨论了阴离子和多元素掺杂以及有潜力的掺杂元素。本文旨在对LiNiO2掺杂提供一个新的视角，以期使用更有效的掺杂方案开发可用于动力电池的高容量稳定的富镍正极材料。
富镍层状氧化物因其相对较高的比容量成为高能量密度锂离子电池的首选正极，进一步提高Ni含量，材料特性趋向于LiNiO2，电化学和结构稳定性恶化。晶格元素掺杂是提升LiNiO2稳定性的有效策略。厘清LiNiO2正极材料结构并明晰掺杂元素对其影响及规律，对开发Ni含量大于90%的富镍正极材料具有重要意义。本文首先介绍了LiNiO2材料结构及面临的稳定性问题。然后综述了Co、Mn、Al、Mg、Ti、Zr、W等典型掺杂元素对LiNiO2的影响及规律，并讨论了阴离子和多元素掺杂以及有潜力的掺杂元素。本文旨在对LiNiO2掺杂提供一个新的视角，以期使用更有效的掺杂方案开发可用于动力电池的高容量稳定的富镍正极材料。
2023, 52(3):1162-1168.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220496
摘要:
采用一种第三代单晶高温合金制备了某型号的涡轮叶片铸件，经真空固溶热处理后，发现在叶片铸件表面形成了大量形状不规则的亮白色组织。经对叶片进行解剖和金相观察，发现铸件内部组织为均匀的γ相，但外部存在一个明显的表面层。表面层中基体为连续分布的亮白色γ’相，主要组成元素为Ni，Al和Ta，表面层γ’相基体上析出了许多片状的TCP相。对铸件表面附近的成分分布进行了测量分析，显示铸件表面层为典型的贫Cr层。正是Cr元素的贫化，导致了表面层中γ相向γ’相的转变和γ’相与TCP相的共轭生长。贫Cr层的出现还导致了在表面层与内部组织之间出现了较多的残存γ/γ’共晶。
采用一种第三代单晶高温合金制备了某型号的涡轮叶片铸件，经真空固溶热处理后，发现在叶片铸件表面形成了大量形状不规则的亮白色组织。经对叶片进行解剖和金相观察，发现铸件内部组织为均匀的γ相，但外部存在一个明显的表面层。表面层中基体为连续分布的亮白色γ’相，主要组成元素为Ni，Al和Ta，表面层γ’相基体上析出了许多片状的TCP相。对铸件表面附近的成分分布进行了测量分析，显示铸件表面层为典型的贫Cr层。正是Cr元素的贫化，导致了表面层中γ相向γ’相的转变和γ’相与TCP相的共轭生长。贫Cr层的出现还导致了在表面层与内部组织之间出现了较多的残存γ/γ’共晶。
