2023年第52卷第5期文章目次
2023, 52(5):1583-1592.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230002
摘要:
利用多功能微弧氧化电源，采用目前工艺较为成熟和应用最广泛的电参数对TC4钛合金进行微弧氧化，并在电解液中添加不同浓度的纳米二氧化锆，对比微弧氧化膜层的微观形貌和综合力学性能，探究纳米二氧化锆对膜层的影响。实验结果表明，随着纳米二氧化锆浓度的增加，膜层厚度几乎不发生变化，但膜层的成分和含量发生改变：膜层中出现板钛矿相，且含量不断增加。当纳米二氧化锆浓度为2 g/L时，膜层的粗糙度相比未添加纳米二氧化锆时大幅下降，膜层耐磨性能最好，且此时膜层表面微孔直径最小且尺寸均匀，耐腐蚀性能最佳。
利用多功能微弧氧化电源，采用目前工艺较为成熟和应用最广泛的电参数对TC4钛合金进行微弧氧化，并在电解液中添加不同浓度的纳米二氧化锆，对比微弧氧化膜层的微观形貌和综合力学性能，探究纳米二氧化锆对膜层的影响。实验结果表明，随着纳米二氧化锆浓度的增加，膜层厚度几乎不发生变化，但膜层的成分和含量发生改变：膜层中出现板钛矿相，且含量不断增加。当纳米二氧化锆浓度为2 g/L时，膜层的粗糙度相比未添加纳米二氧化锆时大幅下降，膜层耐磨性能最好，且此时膜层表面微孔直径最小且尺寸均匀，耐腐蚀性能最佳。
2023, 52(5):1593-1602.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220624
摘要:
在稳定的酸性柠檬酸盐溶液中，在低碳钢基体上电镀获得了Ni-Fe-Co合金镀层，并研究了电镀条件和钴含量对镀层性能的影响，得到了最佳镀层工艺参数。利用扫描电子显微镜、能谱仪、电化学阻抗谱、极化曲线和数字显微硬度计对合金镀层进行了研究。结果显示，合适的工艺参数是10 A/dm2、45 ℃和10 g/L柠檬酸三铵。Ni-Fe-Co合金镀层的钴含量随着钴离子浓度的增加而线性增加，镀层均为简单的面心立方固溶体结构。随着镀层中钴含量的增加，镀层的耐腐蚀性能和硬度先升高后降低。Ni-Fe-13.51Co（质量分数）镀层具有显著的防腐蚀性能，其电荷转移电阻为3031 Ω·cm2，腐蚀电流密度为5.754×10-6 A/cm2。
在稳定的酸性柠檬酸盐溶液中，在低碳钢基体上电镀获得了Ni-Fe-Co合金镀层，并研究了电镀条件和钴含量对镀层性能的影响，得到了最佳镀层工艺参数。利用扫描电子显微镜、能谱仪、电化学阻抗谱、极化曲线和数字显微硬度计对合金镀层进行了研究。结果显示，合适的工艺参数是10 A/dm2、45 ℃和10 g/L柠檬酸三铵。Ni-Fe-Co合金镀层的钴含量随着钴离子浓度的增加而线性增加，镀层均为简单的面心立方固溶体结构。随着镀层中钴含量的增加，镀层的耐腐蚀性能和硬度先升高后降低。Ni-Fe-13.51Co（质量分数）镀层具有显著的防腐蚀性能，其电荷转移电阻为3031 Ω·cm2，腐蚀电流密度为5.754×10-6 A/cm2。
2023, 52(5):1624-1632.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220549
摘要:
采用激光熔覆技术在Q235钢表面制备了镍基合金（含质量分数24%Cr、13%Mo）熔覆层，研究了激光扫描速度（100、200和300 mm/s）对熔覆层显微结构和耐腐蚀性能的影响，分析了熔覆层的显微组织、相组成、元素稀释率、显微硬度和耐腐蚀性能。结果表明，熔覆层由γ-Ni(C, Mo, Fe)和Cr0.19Fe0.7Ni0.11固溶体组成。随着激光扫描速度的提高，熔覆层晶粒细化，元素稀释率降低，显微硬度提高。由于元素稀释率较高，在扫描速度100 mm/s制备的熔覆层在3.5%（质量分数）NaCl溶液中浸泡2 h后的腐蚀电位最低。但由于熔覆层质量好，表面钝化膜稳定，在3.5% NaCl溶液中浸泡7 d后，其耐腐蚀性能仍优于其他2种涂层。
采用激光熔覆技术在Q235钢表面制备了镍基合金（含质量分数24%Cr、13%Mo）熔覆层，研究了激光扫描速度（100、200和300 mm/s）对熔覆层显微结构和耐腐蚀性能的影响，分析了熔覆层的显微组织、相组成、元素稀释率、显微硬度和耐腐蚀性能。结果表明，熔覆层由γ-Ni(C, Mo, Fe)和Cr0.19Fe0.7Ni0.11固溶体组成。随着激光扫描速度的提高，熔覆层晶粒细化，元素稀释率降低，显微硬度提高。由于元素稀释率较高，在扫描速度100 mm/s制备的熔覆层在3.5%（质量分数）NaCl溶液中浸泡2 h后的腐蚀电位最低。但由于熔覆层质量好，表面钝化膜稳定，在3.5% NaCl溶液中浸泡7 d后，其耐腐蚀性能仍优于其他2种涂层。
2023, 52(5):1809-1818.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220335
摘要:
低扩渗效率和渗层孔隙是困扰着渗铬生产的两个重要难题。本文采用固体包埋法在GCr15表面制备渗Cr涂层，重点探讨了渗层的生长机制、孔隙成因及不同稀土氧化物的催渗作用。结果表明，加入稀土氧化物后渗层厚度明显提高，三种稀土氧化物的催渗效率依次为Y2O3>CeO2>La2O3。渗Cr层明显的分为双层结构，外层是以（Cr，Fe）23C6相为主的多孔层，内层为（Cr，Fe）7C3相为主的致密层。扩渗初期在基材表面首先生成的（Cr，Fe）23C6相层阻碍了表面活性Cr原子向内扩散，其自身作为Cr源向内扩散促进了致密层的生长，Cr原子扩散速度的差异及渗层中的应力是产生孔隙的主要原因。发现降低基体碳含量抑制（Cr，Fe）23C6相层的生成或细化该相层晶粒增加Cr原子扩散通道可有效降低孔隙率，这为改进渗铬层质量提供了一个重要思路。
低扩渗效率和渗层孔隙是困扰着渗铬生产的两个重要难题。本文采用固体包埋法在GCr15表面制备渗Cr涂层，重点探讨了渗层的生长机制、孔隙成因及不同稀土氧化物的催渗作用。结果表明，加入稀土氧化物后渗层厚度明显提高，三种稀土氧化物的催渗效率依次为Y2O3>CeO2>La2O3。渗Cr层明显的分为双层结构，外层是以（Cr，Fe）23C6相为主的多孔层，内层为（Cr，Fe）7C3相为主的致密层。扩渗初期在基材表面首先生成的（Cr，Fe）23C6相层阻碍了表面活性Cr原子向内扩散，其自身作为Cr源向内扩散促进了致密层的生长，Cr原子扩散速度的差异及渗层中的应力是产生孔隙的主要原因。发现降低基体碳含量抑制（Cr，Fe）23C6相层的生成或细化该相层晶粒增加Cr原子扩散通道可有效降低孔隙率，这为改进渗铬层质量提供了一个重要思路。
2023, 52(5):1826-1834.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220346
摘要:
等离子喷涂涂层中不可避免存在残余应力和微裂纹,为了减少TiN涂层的残余应力,在等离子喷涂TiN涂层中添加了Ni/G,在45#钢表面制备了TiN-Ni/G复合涂层。研究了Ni/G含量对涂层的微观组织、显微硬度以及抗冲蚀性能的影响,并分析了涂层在不同pH值泥浆中的冲蚀机理。结果表明：TiN-Ni/G 复合涂层的平均硬度值在1000HV0.2左右,在5wt.%NaCl 泥浆中涂层冲蚀过程中受到SiO2颗粒的冲击以及溶液的腐蚀；pH=10的NaOH泥浆对涂层冲蚀表现为SiO2冲击作用。涂层在含NaOH泥浆中的质量损失较中性溶液有明显减少,在两种冲蚀液中Ni/G含量为11wt.%时涂层都表现出良好的抗冲蚀性能
等离子喷涂涂层中不可避免存在残余应力和微裂纹,为了减少TiN涂层的残余应力,在等离子喷涂TiN涂层中添加了Ni/G,在45#钢表面制备了TiN-Ni/G复合涂层。研究了Ni/G含量对涂层的微观组织、显微硬度以及抗冲蚀性能的影响,并分析了涂层在不同pH值泥浆中的冲蚀机理。结果表明：TiN-Ni/G 复合涂层的平均硬度值在1000HV0.2左右,在5wt.%NaCl 泥浆中涂层冲蚀过程中受到SiO2颗粒的冲击以及溶液的腐蚀；pH=10的NaOH泥浆对涂层冲蚀表现为SiO2冲击作用。涂层在含NaOH泥浆中的质量损失较中性溶液有明显减少,在两种冲蚀液中Ni/G含量为11wt.%时涂层都表现出良好的抗冲蚀性能
2023, 52(5):1835-1841.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220348
摘要:
为了研究Ti6Al4V钛合金微弧氧化膜层的抗高温氧化性能,在硅酸钠电解液中添加纳米铌(Nb)颗粒制备了Nb2O5/TiO2复合膜层。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析膜层的微观结构和相组成。实验结果表明：随着纳米Nb浓度增加,膜层表面微孔直径增大、数量减小,膜层中Nb元素含量逐渐增加至5%,膜层厚度由42.28 μm增加至55.48 μm；膜层由锐钛矿型TiO2、金红石TiO2、Al2TiO5、Nb2O5及Nb-Ti化合物组成,金红石型TiO2峰值和Nb2O5峰值逐渐上升；试样增重由基体10.25 mg/cm2降低至Nb浓度为6 g/L制备膜层的2.281 mg/cm2,平均氧化速率由2.8472×10-5 mg.cm-2.s-1降低至6.3361×10-6 mg.cm-2.s-1；膜层裂纹随Nb浓度增加而减少,有效改善了膜层的抗高温氧化性能。
为了研究Ti6Al4V钛合金微弧氧化膜层的抗高温氧化性能,在硅酸钠电解液中添加纳米铌(Nb)颗粒制备了Nb2O5/TiO2复合膜层。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析膜层的微观结构和相组成。实验结果表明：随着纳米Nb浓度增加,膜层表面微孔直径增大、数量减小,膜层中Nb元素含量逐渐增加至5%,膜层厚度由42.28 μm增加至55.48 μm；膜层由锐钛矿型TiO2、金红石TiO2、Al2TiO5、Nb2O5及Nb-Ti化合物组成,金红石型TiO2峰值和Nb2O5峰值逐渐上升；试样增重由基体10.25 mg/cm2降低至Nb浓度为6 g/L制备膜层的2.281 mg/cm2,平均氧化速率由2.8472×10-5 mg.cm-2.s-1降低至6.3361×10-6 mg.cm-2.s-1；膜层裂纹随Nb浓度增加而减少,有效改善了膜层的抗高温氧化性能。
2023, 52(5):1861-1868.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220367
摘要:
针对TC4钛合金耐磨性能差的缺点,采用激光熔化沉积技术(LMD)进行同步送粉法熔覆复合粉末(3~5μmWC与53~150μmTC4)制备出2mm厚的耐磨强化熔覆涂层。使用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察并分析熔覆层的显微组织及其元素组成成分,在室温干摩擦往复滑动条件下测试熔覆层的磨损性能并分析其磨损机理。结果表明：熔覆涂层与基体结合性良好,无明显裂纹、气孔等缺陷。随着WC颗粒质量分数增加,(Ti,W)C1-x逐渐增加并分布在α/β相界和晶界处,熔覆层平均硬度比基体提高34%,硬度最高可达基体的1.49倍。熔覆层磨损体积和磨损系数变化规律一致,呈现为先降低后升高再降低。磨损表现形式为磨料磨损,磨损系数均与基材相近。磨损率随WC颗粒质量分数增加而降低,WC含量10%时熔覆层耐磨性能最好,较基材提升25%。
针对TC4钛合金耐磨性能差的缺点,采用激光熔化沉积技术(LMD)进行同步送粉法熔覆复合粉末(3~5μmWC与53~150μmTC4)制备出2mm厚的耐磨强化熔覆涂层。使用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察并分析熔覆层的显微组织及其元素组成成分,在室温干摩擦往复滑动条件下测试熔覆层的磨损性能并分析其磨损机理。结果表明：熔覆涂层与基体结合性良好,无明显裂纹、气孔等缺陷。随着WC颗粒质量分数增加,(Ti,W)C1-x逐渐增加并分布在α/β相界和晶界处,熔覆层平均硬度比基体提高34%,硬度最高可达基体的1.49倍。熔覆层磨损体积和磨损系数变化规律一致,呈现为先降低后升高再降低。磨损表现形式为磨料磨损,磨损系数均与基材相近。磨损率随WC颗粒质量分数增加而降低,WC含量10%时熔覆层耐磨性能最好,较基材提升25%。
2023, 52(5):1643-1649.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220756
摘要:
建立了电弧熔丝增材制备TA31钛合金过程传热传质的三维瞬态计算流体力学模型，采用流体体积法对自由表面进行追踪，计算了熔滴生长、液桥过渡和脱离焊丝进入熔池的动态演化，以及在表面张力、电弧压力、电弧剪切力、电磁力、重力和热浮力的作用下熔池流体流动的速度分布，并通过与高速成像以及沉积层横截面的比较，验证了该数值模型的有效性。结果表明：液桥过渡模式对熔池冲击较小，有利于减少成形表面的不规则性。随着熔池几何形状的扩大，沉积层高度先增大后减小，最后趋于稳定。在电弧压力和表面张力的作用下，熔池表面形成凹陷，熔池内部产生对流。惯性力和表面张力是影响液桥流动的最重要驱动力，粘性力和重力的影响可以忽略不计。
建立了电弧熔丝增材制备TA31钛合金过程传热传质的三维瞬态计算流体力学模型，采用流体体积法对自由表面进行追踪，计算了熔滴生长、液桥过渡和脱离焊丝进入熔池的动态演化，以及在表面张力、电弧压力、电弧剪切力、电磁力、重力和热浮力的作用下熔池流体流动的速度分布，并通过与高速成像以及沉积层横截面的比较，验证了该数值模型的有效性。结果表明：液桥过渡模式对熔池冲击较小，有利于减少成形表面的不规则性。随着熔池几何形状的扩大，沉积层高度先增大后减小，最后趋于稳定。在电弧压力和表面张力的作用下，熔池表面形成凹陷，熔池内部产生对流。惯性力和表面张力是影响液桥流动的最重要驱动力，粘性力和重力的影响可以忽略不计。
2023, 52(5):1683-1694.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220641
摘要:
在航空发动机机匣的焊接过程中，焊缝作为薄弱部位，将直接影响整个机匣的疲劳性能及服役寿命。通常采用焊后热处理消除焊接热应力，均匀焊缝组织，提高焊缝性能，但对于疲劳寿命的改善效果不明显。本文创新性地提出电磁耦合处理技术，对热处理后的Ti2AlNb合金电子束焊缝进行调控，提升焊接接头的疲劳寿命，同时研究了在电磁耦合作用下焊缝区材料组织演变规律。结果表明，焊缝疲劳极限由134.2MPa增至159.4MPa，提升18.8%。经电磁耦合处理后，焊缝区域的残余压应力最高提升128.7%。同时，在不改变材料组织和相成分的情况下，在材料内部生成位错墙与位错纠缠，疲劳裂纹源由表层移至次表层，疲劳裂纹扩展速度降低，使得疲劳性能提升。焦耳热效应、电子风力效应与磁致塑性效应的耦合作用促进了位错运动，同时增强了疲劳裂纹扩展。本研究为提升焊缝疲劳寿命提供了一种新方法，并为电磁耦合处理提升焊缝疲劳性能提供了可行性依据。
在航空发动机机匣的焊接过程中，焊缝作为薄弱部位，将直接影响整个机匣的疲劳性能及服役寿命。通常采用焊后热处理消除焊接热应力，均匀焊缝组织，提高焊缝性能，但对于疲劳寿命的改善效果不明显。本文创新性地提出电磁耦合处理技术，对热处理后的Ti2AlNb合金电子束焊缝进行调控，提升焊接接头的疲劳寿命，同时研究了在电磁耦合作用下焊缝区材料组织演变规律。结果表明，焊缝疲劳极限由134.2MPa增至159.4MPa，提升18.8%。经电磁耦合处理后，焊缝区域的残余压应力最高提升128.7%。同时，在不改变材料组织和相成分的情况下，在材料内部生成位错墙与位错纠缠，疲劳裂纹源由表层移至次表层，疲劳裂纹扩展速度降低，使得疲劳性能提升。焦耳热效应、电子风力效应与磁致塑性效应的耦合作用促进了位错运动，同时增强了疲劳裂纹扩展。本研究为提升焊缝疲劳寿命提供了一种新方法，并为电磁耦合处理提升焊缝疲劳性能提供了可行性依据。
2023, 52(5):1725-1736.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220303
摘要:
摘要：分别采用TC3实心焊丝和Ti-Al-V-Mo系药芯焊丝作为填充金属，进行TC4钛合金板窄间隙激光填丝焊，并对获得的焊接接头组织性能进行了分析研究。结果表明，两组焊接接头各区域的微观尺度区别较明显，激光填药芯焊丝焊接接头中的焊缝区与粗晶区中的α"马氏体长度较小，并且焊缝区中原始β相晶界宽度也较窄；激光填实心焊丝焊缝中α"马氏体板条宽约0.55 μm，板条α"马氏体之间穿插着少量残留β相，在α"马氏体内部发现位错，并形成少量的位错塞积；激光填药芯焊丝焊缝中的针状α"马氏体宽度约0.35 μm，板条α"马氏体之间同样穿插着少量残留β相，针状α"马氏体内含有少量的细孪晶和大量的位错塞积形成的位错墙，同时在相界位置也发现更加密集的位错，残留β相含量也要略多；激光填实心焊丝焊接接头焊缝区中晶粒间的取向差大于10°的大角度晶界占比约79.25 %，药芯焊丝约为96.27 %；激光填药芯焊丝焊接
摘要：分别采用TC3实心焊丝和Ti-Al-V-Mo系药芯焊丝作为填充金属，进行TC4钛合金板窄间隙激光填丝焊，并对获得的焊接接头组织性能进行了分析研究。结果表明，两组焊接接头各区域的微观尺度区别较明显，激光填药芯焊丝焊接接头中的焊缝区与粗晶区中的α"马氏体长度较小，并且焊缝区中原始β相晶界宽度也较窄；激光填实心焊丝焊缝中α"马氏体板条宽约0.55 μm，板条α"马氏体之间穿插着少量残留β相，在α"马氏体内部发现位错，并形成少量的位错塞积；激光填药芯焊丝焊缝中的针状α"马氏体宽度约0.35 μm，板条α"马氏体之间同样穿插着少量残留β相，针状α"马氏体内含有少量的细孪晶和大量的位错塞积形成的位错墙，同时在相界位置也发现更加密集的位错，残留β相含量也要略多；激光填实心焊丝焊接接头焊缝区中晶粒间的取向差大于10°的大角度晶界占比约79.25 %，药芯焊丝约为96.27 %；激光填药芯焊丝焊接
2023, 52(5):1759-1766.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220310
摘要:
对TC11钛合金棒材进行固溶时效处理，通过光学显微镜、XRD以及冲击性能测试等，研究固溶时效处理后该合金微观组织与冲击性能的关系。结果表明：两相区固溶处理后，组织变化较小，时效后组织中出现β转变组织，并有α′相析出，单相区固溶处理后，初生α相完全消失，α′相数量和尺寸随着时效时间增加而增加，出现晶界β相；两相区固溶后，组织由α相与α″相构成，单相区固溶后，组织由α′相与α″相构成，当进行时效处理后，组织均由α相和β相构成；棒材的冲击韧性在单相区固溶处理后最大，最大值为22 J/cm2，两组冲击韧性值均是随着时效温度升高而降低，但降低幅度较小；两相区固溶后的裂纹扩展路径较为平缓，经时效后裂纹路径产生偏折，而单相区固溶后的裂纹扩展路径曲折程度较大，再经时效处理后的裂纹发生巨大偏转，扩展路径更加曲折。
对TC11钛合金棒材进行固溶时效处理，通过光学显微镜、XRD以及冲击性能测试等，研究固溶时效处理后该合金微观组织与冲击性能的关系。结果表明：两相区固溶处理后，组织变化较小，时效后组织中出现β转变组织，并有α′相析出，单相区固溶处理后，初生α相完全消失，α′相数量和尺寸随着时效时间增加而增加，出现晶界β相；两相区固溶后，组织由α相与α″相构成，单相区固溶后，组织由α′相与α″相构成，当进行时效处理后，组织均由α相和β相构成；棒材的冲击韧性在单相区固溶处理后最大，最大值为22 J/cm2，两组冲击韧性值均是随着时效温度升高而降低，但降低幅度较小；两相区固溶后的裂纹扩展路径较为平缓，经时效后裂纹路径产生偏折，而单相区固溶后的裂纹扩展路径曲折程度较大，再经时效处理后的裂纹发生巨大偏转，扩展路径更加曲折。
2023, 52(5):1767-1773.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220312
摘要:
本文研究了具有两种不同组织(固溶态、时效态)的Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb(TLM)合金在室温应变控制的低周疲劳循环变形行为及微观变形机制。结果表明：TLM合金的循环硬化/软化行为与应变幅和组织密切相关。固溶态合金的低周疲劳寿命更高,且弹性模量均随循环周次和总应变幅的增大,从保持不变到急剧增加,时效态的弹性模量则在循环变形过程中基本保持不变。微观组织特征表明,固溶态合金的循环变形机制主要依赖位错滑移、变形诱发的α″马氏体和独特的“Z”型β孪晶协同作用,而时效态合金则只是以位错滑移为主。
本文研究了具有两种不同组织(固溶态、时效态)的Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb(TLM)合金在室温应变控制的低周疲劳循环变形行为及微观变形机制。结果表明：TLM合金的循环硬化/软化行为与应变幅和组织密切相关。固溶态合金的低周疲劳寿命更高,且弹性模量均随循环周次和总应变幅的增大,从保持不变到急剧增加,时效态的弹性模量则在循环变形过程中基本保持不变。微观组织特征表明,固溶态合金的循环变形机制主要依赖位错滑移、变形诱发的α″马氏体和独特的“Z”型β孪晶协同作用,而时效态合金则只是以位错滑移为主。
2023, 52(5):1783-1790.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220332
摘要:
开展了单向压缩变形后的片层组织TA15合金电脉冲处理实验,对片层组织形貌及位错、界面结构进行表征,深入分析预变形片层组织TA15合金在脉冲电流作用下的微观组织演变机理。结果表明电脉冲促进TA15合金中的原子扩散和缺陷反应,引起晶界/相界迁移、末端迁移与Ostwald熟化,从而使片层组织发生电致静态球化；且随着电流密度增大和通电时间的延长,片层组织球化率增大,平均晶粒尺寸先增大后减小。变形局域化严重的α相球化机理主要为层片间剪切,变形量小的β相球化机理主要为晶界分离。电脉冲处理后球化α相的新生界面强化导致材料硬度最大提升26.41%。
开展了单向压缩变形后的片层组织TA15合金电脉冲处理实验,对片层组织形貌及位错、界面结构进行表征,深入分析预变形片层组织TA15合金在脉冲电流作用下的微观组织演变机理。结果表明电脉冲促进TA15合金中的原子扩散和缺陷反应,引起晶界/相界迁移、末端迁移与Ostwald熟化,从而使片层组织发生电致静态球化；且随着电流密度增大和通电时间的延长,片层组织球化率增大,平均晶粒尺寸先增大后减小。变形局域化严重的α相球化机理主要为层片间剪切,变形量小的β相球化机理主要为晶界分离。电脉冲处理后球化α相的新生界面强化导致材料硬度最大提升26.41%。
2023, 52(5):1791-1799.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220328
摘要:
利用TRB3摩擦磨损试验机采用球/平面接触形式探究TC4合金摩擦磨损性能,使用TC4合金球、GCr15钢球以及Si3N4陶瓷球作为对摩副来研究TC4合金在不同法向载荷作用下摩擦划痕和磨损特性；通过3D激光共聚焦显微镜测量摩擦划痕形貌,建立能量磨损模型探究磨损过程中接触状态的变化机制,预测磨损进程。结果表明：随着上试样硬度的逐渐降低,球/平面的接触状态向微平面/平面的接触状态转变,摩擦划痕状态受到钛合金在压头前端位错墙和压头后端黏着颗粒的影响,划痕长度和宽度随载荷的增加线性增长,划痕深度出现“锯齿”状波动；“切削与塑性比”fcp分布于 fcp=0.5两侧说明压头对TC4合金的损伤以微犁耕和微切削两种机制交互作用,说明划痕表面加工硬化现象对表面的保护作用,划痕硬度和表面粗糙度的关系可以预测材料变形过程中的损伤情况。
利用TRB3摩擦磨损试验机采用球/平面接触形式探究TC4合金摩擦磨损性能,使用TC4合金球、GCr15钢球以及Si3N4陶瓷球作为对摩副来研究TC4合金在不同法向载荷作用下摩擦划痕和磨损特性；通过3D激光共聚焦显微镜测量摩擦划痕形貌,建立能量磨损模型探究磨损过程中接触状态的变化机制,预测磨损进程。结果表明：随着上试样硬度的逐渐降低,球/平面的接触状态向微平面/平面的接触状态转变,摩擦划痕状态受到钛合金在压头前端位错墙和压头后端黏着颗粒的影响,划痕长度和宽度随载荷的增加线性增长,划痕深度出现“锯齿”状波动；“切削与塑性比”fcp分布于 fcp=0.5两侧说明压头对TC4合金的损伤以微犁耕和微切削两种机制交互作用,说明划痕表面加工硬化现象对表面的保护作用,划痕硬度和表面粗糙度的关系可以预测材料变形过程中的损伤情况。
2023, 52(5):1819-1825.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220342
摘要:
采用Thermecmastor-Z100kn热模拟试验机对TC6钛合金进行了低应变速率大变形热压缩试验，获得了变形温度范围为900～945℃、应变速率范围为0.0001～0.1s-1、变形程度为70%时的真应力-真应变曲线。分别使用传统摩擦修正模型与改进摩擦修正模型对真应力-真应变曲线进行修正，并建立了基于摩擦修正的应变补偿型Arrhenius模型。结果表明：改进摩擦修正模型能更好地表征材料在大变形状态下的真应力-真应变动态响应。经摩擦模型修正的应变补偿型Arrhenius模型相线性相关度较高，平均绝对误差较小，预测值精度较高。
采用Thermecmastor-Z100kn热模拟试验机对TC6钛合金进行了低应变速率大变形热压缩试验，获得了变形温度范围为900～945℃、应变速率范围为0.0001～0.1s-1、变形程度为70%时的真应力-真应变曲线。分别使用传统摩擦修正模型与改进摩擦修正模型对真应力-真应变曲线进行修正，并建立了基于摩擦修正的应变补偿型Arrhenius模型。结果表明：改进摩擦修正模型能更好地表征材料在大变形状态下的真应力-真应变动态响应。经摩擦模型修正的应变补偿型Arrhenius模型相线性相关度较高，平均绝对误差较小，预测值精度较高。
2023, 52(5):1851-1860.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220352
摘要:
设计并制备了一种新型低成本、易变形的Ti-43Al-3.5Mn-0.5W（原子百分数，下同）合金锻锭，并对其组织、室/高温拉伸力学性能、抗高温氧化性、热变形能力进行了系统分析。结果表明，与Ti-42Al-5Mn相比，研制的合金强度、抗高温氧化性、热变形能力更佳，且该合金α2和βo相中具有更低的Mn含量，降低了合金近服役温度下富锰Laves相的析出倾向。合金的固态相变路线为：β→β+α→β+α+γ→β+βo+α+α2+γ→βo+α2+γ，其中γ相完全熔解的温度（Tγ-solv）约为1250℃，β单相区温度（Tβ或Tα）约为1360℃。热处理后合金显微组织为片层和片层界面处大量βo和γ混合相。通过两步热处理，锻态合金的高温强度和稳定性均有一定提升，这主要归结为片层组织含量的提高和片层晶团尺寸的细化。1260℃/30min/AC+800℃/3h/FC热处理合金800℃的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为320 MPa、555MPa、16%。
设计并制备了一种新型低成本、易变形的Ti-43Al-3.5Mn-0.5W（原子百分数，下同）合金锻锭，并对其组织、室/高温拉伸力学性能、抗高温氧化性、热变形能力进行了系统分析。结果表明，与Ti-42Al-5Mn相比，研制的合金强度、抗高温氧化性、热变形能力更佳，且该合金α2和βo相中具有更低的Mn含量，降低了合金近服役温度下富锰Laves相的析出倾向。合金的固态相变路线为：β→β+α→β+α+γ→β+βo+α+α2+γ→βo+α2+γ，其中γ相完全熔解的温度（Tγ-solv）约为1250℃，β单相区温度（Tβ或Tα）约为1360℃。热处理后合金显微组织为片层和片层界面处大量βo和γ混合相。通过两步热处理，锻态合金的高温强度和稳定性均有一定提升，这主要归结为片层组织含量的提高和片层晶团尺寸的细化。1260℃/30min/AC+800℃/3h/FC热处理合金800℃的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为320 MPa、555MPa、16%。
2023, 52(5):1896-1904.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220385
摘要:
不同工况下TC4(Ti-6Al-4V)钛合金疲劳累积损伤及强度退化存在较大差别。为了充分表征载荷参数的影响,基于Chaboche损伤模型以及改进的多轴疲劳损伤准则,本文提出新的强度退化模型,开展了TC4钛合金的多轴高周疲劳(HCF)寿命预测和强度退化评估。首先,开展TC4合金在一系列加载路径下的多轴比例和非比例疲劳试验。将Chaboche非线性损伤准则和临界平面法与提出的损伤控制参数相结合,描述了TC4合金的非线性疲劳损伤计算和寿命预测。其次,进一步建立了基于累积损伤的非线性强度退化模型,并证明了该模型在不同载荷工况下均可以获得更高的精度。实验结果表明,由于考虑载荷参数的影响,本文提出的TC4钛合金疲劳寿命与强度退化预测结果精度远高于其他的预测模型。
不同工况下TC4(Ti-6Al-4V)钛合金疲劳累积损伤及强度退化存在较大差别。为了充分表征载荷参数的影响,基于Chaboche损伤模型以及改进的多轴疲劳损伤准则,本文提出新的强度退化模型,开展了TC4钛合金的多轴高周疲劳(HCF)寿命预测和强度退化评估。首先,开展TC4合金在一系列加载路径下的多轴比例和非比例疲劳试验。将Chaboche非线性损伤准则和临界平面法与提出的损伤控制参数相结合,描述了TC4合金的非线性疲劳损伤计算和寿命预测。其次,进一步建立了基于累积损伤的非线性强度退化模型,并证明了该模型在不同载荷工况下均可以获得更高的精度。实验结果表明,由于考虑载荷参数的影响,本文提出的TC4钛合金疲劳寿命与强度退化预测结果精度远高于其他的预测模型。
2023, 52(5):1925-1931.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220389
摘要:
通常认为TB6钛合金中的“β斑”会降低构件的力学性能,Fe元素偏析是导致β斑的主要原因。本文利用OM、SEM、EDS、EPMA等微观表征手段,结合对β斑样品拉伸过程的扫描电镜原位观察,分析了β斑区域和正常区域的显微组织、化学成分和硬度差异,研究了β斑对TB6合金拉伸变形行为的影响。结果表明：β斑区域组织中的初生α相含量少于5%,β晶粒粗大达到0.58mm,是正常晶粒尺寸的60倍以上；β斑区域的维氏硬度较正常区域略高；β斑区域中的V和Fe元素含量在宏观上无明显差异,但微区存在波动和不均匀分布,β斑区域的Fe元素含量离散性高于正常区域。V和Fe元素微区成分偏析是导致TB6合金后续加热和变形过程中相变温度差异的主要原因,局部先转变的β晶粒由于缺少晶界α相的钉扎,迅速长大。β斑材料在拉伸变形过程中,裂纹起始于粗大β晶粒的晶界处,晶界和晶内滑移是β斑组织的主要变形方式,β斑TB6合金的断裂模式为沿晶和穿晶混合的断裂模式。
通常认为TB6钛合金中的“β斑”会降低构件的力学性能,Fe元素偏析是导致β斑的主要原因。本文利用OM、SEM、EDS、EPMA等微观表征手段,结合对β斑样品拉伸过程的扫描电镜原位观察,分析了β斑区域和正常区域的显微组织、化学成分和硬度差异,研究了β斑对TB6合金拉伸变形行为的影响。结果表明：β斑区域组织中的初生α相含量少于5%,β晶粒粗大达到0.58mm,是正常晶粒尺寸的60倍以上；β斑区域的维氏硬度较正常区域略高；β斑区域中的V和Fe元素含量在宏观上无明显差异,但微区存在波动和不均匀分布,β斑区域的Fe元素含量离散性高于正常区域。V和Fe元素微区成分偏析是导致TB6合金后续加热和变形过程中相变温度差异的主要原因,局部先转变的β晶粒由于缺少晶界α相的钉扎,迅速长大。β斑材料在拉伸变形过程中,裂纹起始于粗大β晶粒的晶界处,晶界和晶内滑移是β斑组织的主要变形方式,β斑TB6合金的断裂模式为沿晶和穿晶混合的断裂模式。
19 抗辐照材料研究进展
2023, 52(5):1661-1672.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220786
摘要:
用于核反应堆的新候选材料研发是一项重要任务。由于反应堆环境恶劣，堆芯材料在高温下应具有良好的综合性能，如良好的强度、延展性、耐腐蚀性能和耐辐照性能等。此外，还应考虑低中子吸收横截面和中子活化。典型的空间核反应堆核心材料的选择主要由工作温度决定。随着反应堆设计工作温度的升高，一般以316不锈钢、镍基高温合金、氧化物分散强化（ODS）钢、铌合金、难熔金属和SiC陶瓷的顺序来选择设计堆芯材料。此外，高熵合金已经引起核领域的广泛关注。本文综述了以上不同材料体系在辐照过程中的力学性能演变，为进一步提升抗辐照性能提供研究指导。
用于核反应堆的新候选材料研发是一项重要任务。由于反应堆环境恶劣，堆芯材料在高温下应具有良好的综合性能，如良好的强度、延展性、耐腐蚀性能和耐辐照性能等。此外，还应考虑低中子吸收横截面和中子活化。典型的空间核反应堆核心材料的选择主要由工作温度决定。随着反应堆设计工作温度的升高，一般以316不锈钢、镍基高温合金、氧化物分散强化（ODS）钢、铌合金、难熔金属和SiC陶瓷的顺序来选择设计堆芯材料。此外，高熵合金已经引起核领域的广泛关注。本文综述了以上不同材料体系在辐照过程中的力学性能演变，为进一步提升抗辐照性能提供研究指导。
2023, 52(5):1673-1682.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220866
摘要:
钛及钛合金由于质轻、弹性模量低、生物相容性佳和骨整合性优异，已成为应用最广泛的生物医学金属材料之一。然而，较低的塑性、耐腐蚀性能和耐磨损性能限制了其发展和应用。剧烈塑性变形被认为是对金属材料最有效的晶粒细化方法之一，其中，等通道转角挤压（ECAP）是制备块状超细晶（UFG）/纳米晶金属材料的常用技术。通过ECAP变形，可以制备具有优异综合性能的UFG钛及钛合金。本文综述了生物医用UFG钛及钛合金的ECAP制备方式，着重讨论了ECAP变形对钛及钛合金的组织、力学性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能的影响，分析了钛及钛合金的ECAP变形机制和晶粒细化机制，提出了通过ECAP变形结合传统塑性加工和变形后热处理来进一步优化钛及钛合金综合性能的想法。
钛及钛合金由于质轻、弹性模量低、生物相容性佳和骨整合性优异，已成为应用最广泛的生物医学金属材料之一。然而，较低的塑性、耐腐蚀性能和耐磨损性能限制了其发展和应用。剧烈塑性变形被认为是对金属材料最有效的晶粒细化方法之一，其中，等通道转角挤压（ECAP）是制备块状超细晶（UFG）/纳米晶金属材料的常用技术。通过ECAP变形，可以制备具有优异综合性能的UFG钛及钛合金。本文综述了生物医用UFG钛及钛合金的ECAP制备方式，着重讨论了ECAP变形对钛及钛合金的组织、力学性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能的影响，分析了钛及钛合金的ECAP变形机制和晶粒细化机制，提出了通过ECAP变形结合传统塑性加工和变形后热处理来进一步优化钛及钛合金综合性能的想法。
2023, 52(5):1932-1942.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220320
摘要:
激光重熔使得材料表面的固化层再次快速熔化、凝固,从而提高了材料的致密度和表面质量。作为一种表面改性技术,激光重熔已经在传统制造工艺中得到了广泛的应用。近期研究表明,激光重熔技术也可以应用到选区激光熔化(SLM)中,实现消除缺陷并优化组织结构。激光重熔技术还可以提高零件的硬度和延展性等力学性能。本文主要总结了激光重熔对于常见SLM成形金属材料的质量提升作用,以及激光重熔工艺手段以及重熔参数(包括重熔激光功率、重熔扫描速度、重熔扫描间距和重熔次数)对于缺陷消除、组织结构优化的作用规律。
激光重熔使得材料表面的固化层再次快速熔化、凝固,从而提高了材料的致密度和表面质量。作为一种表面改性技术,激光重熔已经在传统制造工艺中得到了广泛的应用。近期研究表明,激光重熔技术也可以应用到选区激光熔化(SLM)中,实现消除缺陷并优化组织结构。激光重熔技术还可以提高零件的硬度和延展性等力学性能。本文主要总结了激光重熔对于常见SLM成形金属材料的质量提升作用,以及激光重熔工艺手段以及重熔参数(包括重熔激光功率、重熔扫描速度、重熔扫描间距和重熔次数)对于缺陷消除、组织结构优化的作用规律。
2023, 52(5):1943-1953.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220353
摘要:
难熔金属由于具有优异的综合性能而广泛应用于航空航天、装备制造、核工业及生物医疗等领域。但是由于高熔点及高韧脆转变温度的特点，尚存在加工制造困难、生产周期长、对设备要求高等问题，从而限制了其应用与发展。激光增材制造是近年来新兴的数字化制造技术之一，为制造和加工难熔金属提供了新的发展思路。本文重点介绍了近年来激光增材制造难熔金属的热点领域，包括钨及钨基重合金、纯钼及钼硅硼合金、铌硅及铌钛合金和多孔钽，对尚存在的问题进行了总结，最后对激光增材制造难熔金属未来的发展方向进行了展望。
难熔金属由于具有优异的综合性能而广泛应用于航空航天、装备制造、核工业及生物医疗等领域。但是由于高熔点及高韧脆转变温度的特点，尚存在加工制造困难、生产周期长、对设备要求高等问题，从而限制了其应用与发展。激光增材制造是近年来新兴的数字化制造技术之一，为制造和加工难熔金属提供了新的发展思路。本文重点介绍了近年来激光增材制造难熔金属的热点领域，包括钨及钨基重合金、纯钼及钼硅硼合金、铌硅及铌钛合金和多孔钽，对尚存在的问题进行了总结，最后对激光增材制造难熔金属未来的发展方向进行了展望。
2023, 52(5):1954-1962.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220375
摘要:
多元镧基六硼化物固溶体是异质金属元素进入六硼化镧（LaB6）晶格中取代部分La原子而形成含三种及以上元素的化合物。相比于单一LaB6，多元镧基六硼化物固溶体具有更低的电子逸出功和可调节的光吸收性能，在电子和光学领域应用前景广阔，受到了众多研究者的关注。由于异质金属元素种类众多，且组合方式多样，导致多元镧基六硼化物固溶体材料体系种类庞大且复杂多变。为此，本文系统梳理了近年来多元镧基六硼化物固溶体材料在晶体结构、制备工艺及光电性能三个方面的研究进展情况，分析了当前多元镧基六硼化物固溶体材料所面临的难题，并从理论、技术及应用三个方面对多元镧基六硼化物固溶体材料的未来发展方向进行了展望。
多元镧基六硼化物固溶体是异质金属元素进入六硼化镧（LaB6）晶格中取代部分La原子而形成含三种及以上元素的化合物。相比于单一LaB6，多元镧基六硼化物固溶体具有更低的电子逸出功和可调节的光吸收性能，在电子和光学领域应用前景广阔，受到了众多研究者的关注。由于异质金属元素种类众多，且组合方式多样，导致多元镧基六硼化物固溶体材料体系种类庞大且复杂多变。为此，本文系统梳理了近年来多元镧基六硼化物固溶体材料在晶体结构、制备工艺及光电性能三个方面的研究进展情况，分析了当前多元镧基六硼化物固溶体材料所面临的难题，并从理论、技术及应用三个方面对多元镧基六硼化物固溶体材料的未来发展方向进行了展望。
2023, 52(5):1963-1969.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220649
摘要:
目前通过使用粘接剂将催化剂粘接到基体上成为电解水析氢电极的主流制备方式，但粘接剂本身电阻较大且粘接强度低，易脱落。金属Pt是目前公认的最好的析氢金属电极，但其昂贵的价格限制了工业上大规模的使用。通过爆炸焊接技术将析气过电位低、稳定性好和强度高的钛与导电性优异的铜结合，构筑出一种自支撑钛-铜层合电极。电化学测试表明：相对于单一金属电极，该层合电极在1 mol/L KOH溶液中表现出良好的电解水析氢(HER)性能和导电性且稳定性优异，在电流密度为10 mA·cm-2，测试时间为20000 s的稳定性测试中电位起伏只有0.05 V。电解水析氢量测量实验结果中同样能够验证在实际工作中，钛-铜层合电极具备更优异的析氢性能。利用工作中产生的凹凸不平和富含孔洞的表面形貌暴露出更多的活性位点和电化学活性表面积，使得层合电极的HER性能在长时间工作中不会降低，且会略有提高，为电极材料制备提供有效且能够降低成本的方向，具有广阔的工程应用前景。
目前通过使用粘接剂将催化剂粘接到基体上成为电解水析氢电极的主流制备方式，但粘接剂本身电阻较大且粘接强度低，易脱落。金属Pt是目前公认的最好的析氢金属电极，但其昂贵的价格限制了工业上大规模的使用。通过爆炸焊接技术将析气过电位低、稳定性好和强度高的钛与导电性优异的铜结合，构筑出一种自支撑钛-铜层合电极。电化学测试表明：相对于单一金属电极，该层合电极在1 mol/L KOH溶液中表现出良好的电解水析氢(HER)性能和导电性且稳定性优异，在电流密度为10 mA·cm-2，测试时间为20000 s的稳定性测试中电位起伏只有0.05 V。电解水析氢量测量实验结果中同样能够验证在实际工作中，钛-铜层合电极具备更优异的析氢性能。利用工作中产生的凹凸不平和富含孔洞的表面形貌暴露出更多的活性位点和电化学活性表面积，使得层合电极的HER性能在长时间工作中不会降低，且会略有提高，为电极材料制备提供有效且能够降低成本的方向，具有广阔的工程应用前景。
2023, 52(5):1970-1976.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220683
摘要:
以一种第三代单晶高温合金为实验材料,通过籽晶法制备了[001][100](2个指数分别为一次和二次取向)和[011][110] 2种取向的单晶料板,采用敲击共振法测试了从室温到1100 ℃范围内第1种试样的Young’s模量和剪切模量及第2种试样的剪切模量,根据测试结果,计算出单晶高温合金的3个弹性常数C11、C12和C44,从而得到单晶高温合金各个取向的泊松比。绘制了泊松比的最大值及最小值的三维取向分布图,分析了泊松比随晶体取向的变化规律。当一次取向沿着[001]和[111]时,泊松比在面内具有各向同性。当一次取向沿着[011]时,泊松比随着二次取向的变化而显著改变,二次取向在以[110]为中心的约60°的范围内泊松比为负值,在其他角度范围内为正值,且在[100]时具有最大值。
以一种第三代单晶高温合金为实验材料,通过籽晶法制备了[001][100](2个指数分别为一次和二次取向)和[011][110] 2种取向的单晶料板,采用敲击共振法测试了从室温到1100 ℃范围内第1种试样的Young’s模量和剪切模量及第2种试样的剪切模量,根据测试结果,计算出单晶高温合金的3个弹性常数C11、C12和C44,从而得到单晶高温合金各个取向的泊松比。绘制了泊松比的最大值及最小值的三维取向分布图,分析了泊松比随晶体取向的变化规律。当一次取向沿着[001]和[111]时,泊松比在面内具有各向同性。当一次取向沿着[011]时,泊松比随着二次取向的变化而显著改变,二次取向在以[110]为中心的约60°的范围内泊松比为负值,在其他角度范围内为正值,且在[100]时具有最大值。
2023, 52(5):1549-1554.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220857
摘要:
采用具有优良高温强度、高热导率、高耐磨性能和耐腐蚀性能的SiC纳米线为Ni-Cr-P钎料的添加物，研究了钎料/焊点的组织与性能。结果表明，钎料的组织由Ni(Cr)固溶体、Ni3P固溶体以及Ni(Cr)和Ni3P共晶组织组成，微量的SiC纳米线可以显著细化基体组织，使焊点抗剪切强度提高29.6%。SiC纳米线的添加使钎料的熔化温度提高约4 ℃，显著促进钎料在Q235基板表面的润湿性，增幅达到12.5%。然而，过量添加SiC纳米线会显著粗化基体组织，降低钎料的润湿性和焊点的抗剪切强度。在不同SiC含量的Ni-Cr-P钎料中，Ni-Cr-P-0.1SiC钎料/焊点具有明显的优越性。
采用具有优良高温强度、高热导率、高耐磨性能和耐腐蚀性能的SiC纳米线为Ni-Cr-P钎料的添加物，研究了钎料/焊点的组织与性能。结果表明，钎料的组织由Ni(Cr)固溶体、Ni3P固溶体以及Ni(Cr)和Ni3P共晶组织组成，微量的SiC纳米线可以显著细化基体组织，使焊点抗剪切强度提高29.6%。SiC纳米线的添加使钎料的熔化温度提高约4 ℃，显著促进钎料在Q235基板表面的润湿性，增幅达到12.5%。然而，过量添加SiC纳米线会显著粗化基体组织，降低钎料的润湿性和焊点的抗剪切强度。在不同SiC含量的Ni-Cr-P钎料中，Ni-Cr-P-0.1SiC钎料/焊点具有明显的优越性。
2023, 52(5):1555-1564.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220716
摘要:
采用电子背向散射衍射技术研究了镍基高温合金冷变形和再结晶退火过程中的组织演变、晶界特征分布、应变分布及织构演变规律。结果表明，当冷变形量较小（ε≤45%）时，晶粒沿着轧制方向被拉长，呈扁平状于基体中均匀分布，应力主要集中在晶界和孪晶界（TB）附近，大角度晶界（HAGBs）和TBs逐渐向亚晶界（Sub-GBs）和小角度晶界（LAGBs）转变。同时，出现Goss织构 {110}<001>、Brass-R织构{111}<112>、Twinned-Copper织构{552}<115>和Copper织构{112}<111>。当轧制压下量超过70%时，晶粒形状逐渐从扁平变为纤维状，晶粒的变形均匀性逐渐变好，应变分布变得均匀，LAGBs开始占主导地位。同时，织构类型保持不变，但织构强度增加。在1120 ℃退火15 min后，孪晶的长度分数随着轧制压下量的增加而增加。同时，变形织构转变为再结晶织构，织构类型增加，但织构强度减弱。此外，当退火孪晶的比例增加时，Copper织构{112}<111>不断向Twinned-Copper织构{552}<115>转变，并且经过30%~80%轧制变形的试样产生织构{124}<211>。
采用电子背向散射衍射技术研究了镍基高温合金冷变形和再结晶退火过程中的组织演变、晶界特征分布、应变分布及织构演变规律。结果表明，当冷变形量较小（ε≤45%）时，晶粒沿着轧制方向被拉长，呈扁平状于基体中均匀分布，应力主要集中在晶界和孪晶界（TB）附近，大角度晶界（HAGBs）和TBs逐渐向亚晶界（Sub-GBs）和小角度晶界（LAGBs）转变。同时，出现Goss织构 {110}<001>、Brass-R织构{111}<112>、Twinned-Copper织构{552}<115>和Copper织构{112}<111>。当轧制压下量超过70%时，晶粒形状逐渐从扁平变为纤维状，晶粒的变形均匀性逐渐变好，应变分布变得均匀，LAGBs开始占主导地位。同时，织构类型保持不变，但织构强度增加。在1120 ℃退火15 min后，孪晶的长度分数随着轧制压下量的增加而增加。同时，变形织构转变为再结晶织构，织构类型增加，但织构强度减弱。此外，当退火孪晶的比例增加时，Copper织构{112}<111>不断向Twinned-Copper织构{552}<115>转变，并且经过30%~80%轧制变形的试样产生织构{124}<211>。
2023, 52(5):1565-1572.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220805
摘要:
采用粉末冶金法制备了不同Co含量（0.5%，1.0%，2.0%，质量分数）的Pb-Co阳极，并与传统的Pb-Ca-Sn阳极进行了对比试验。通过电化学测试研究了阳极在160 g/L H2SO4、500 mg/L Cl-电解液中的电化学行为，研究了恒电流极化72 h后阳极氧化层的物相组成、表面形貌和元素分布。随着Co含量的增加，Pb-Co阳极的电位、电荷传递电阻和析氧过电位逐渐降低。恒电流极化72 h后，Pb-2%Co阳极的析氧过电位比Pb-Ca-Sn阳极低101 mV。此外，在Cl-的存在下，电荷传递得到改善，析氧反应受到抑制，阳极氧化层恶化。
采用粉末冶金法制备了不同Co含量（0.5%，1.0%，2.0%，质量分数）的Pb-Co阳极，并与传统的Pb-Ca-Sn阳极进行了对比试验。通过电化学测试研究了阳极在160 g/L H2SO4、500 mg/L Cl-电解液中的电化学行为，研究了恒电流极化72 h后阳极氧化层的物相组成、表面形貌和元素分布。随着Co含量的增加，Pb-Co阳极的电位、电荷传递电阻和析氧过电位逐渐降低。恒电流极化72 h后，Pb-2%Co阳极的析氧过电位比Pb-Ca-Sn阳极低101 mV。此外，在Cl-的存在下，电荷传递得到改善，析氧反应受到抑制，阳极氧化层恶化。
2023, 52(5):1573-1582.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220822
摘要:
采用动电位极化曲线电化学方法研究了2A97-T3和2A97-T6 Al-Cu-Li合金的耐腐蚀性能，并以第3代典型2060-T8合金、2099-T83铝锂合金和航空用2024-T4高强铝合金为参考对象进行了比较。通过分析电化学参数和腐蚀形貌，发现合金在3种浓度的NaCl溶液中的耐腐蚀性为2A97-T3>2A97-T6>2024-T4>2060-T8>2099-T83。随着NaCl溶液浓度的增加，合金的腐蚀电位（ECorr）均降低，同时加剧了表面点蚀和晶间腐蚀程度。2A97-T3合金通过进行固溶和双级人工时效处理的共同作用得到2A97-T6合金，此时T1相数量大大增加且分布更加均匀。因此，热处理工艺降低了2A97铝合金的腐蚀电位，导致2A97-T6合金的耐腐蚀性能略弱于2A97-T3合金。晶间θ相的解体诱导了2A97-T3合金的剥落腐蚀形貌，而2A97-T6合金的点蚀形貌是由晶内T1相的溶解造成的。
采用动电位极化曲线电化学方法研究了2A97-T3和2A97-T6 Al-Cu-Li合金的耐腐蚀性能，并以第3代典型2060-T8合金、2099-T83铝锂合金和航空用2024-T4高强铝合金为参考对象进行了比较。通过分析电化学参数和腐蚀形貌，发现合金在3种浓度的NaCl溶液中的耐腐蚀性为2A97-T3>2A97-T6>2024-T4>2060-T8>2099-T83。随着NaCl溶液浓度的增加，合金的腐蚀电位（ECorr）均降低，同时加剧了表面点蚀和晶间腐蚀程度。2A97-T3合金通过进行固溶和双级人工时效处理的共同作用得到2A97-T6合金，此时T1相数量大大增加且分布更加均匀。因此，热处理工艺降低了2A97铝合金的腐蚀电位，导致2A97-T6合金的耐腐蚀性能略弱于2A97-T3合金。晶间θ相的解体诱导了2A97-T3合金的剥落腐蚀形貌，而2A97-T6合金的点蚀形貌是由晶内T1相的溶解造成的。
2023, 52(5):1603-1609.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220686
摘要:
采用选区激光熔化（SLM）技术制备了Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和透射电子显微镜等测试方法，表征了热处理前后Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金微观组织的结构，并测试了合金的硬度。结果表明：沉积态合金组织主要由 α-Al、Al6Mn和初生Al3Sc组成。SLM成形的合金熔池组织呈鱼鳞状，熔池内靠近熔合线附近形成了大量细小的等轴晶，平均晶粒尺寸约为0.57 μm，熔池心部则由柱状晶组成，柱状晶的平均宽度约为0.48 μm。棒状Al6Mn主要沿晶界分布，少量颗粒状的初生Al3Sc存在于晶粒内部，这表明初生Al3Sc可以作为异质形核质点，细化α-Al基体。热处理后，熔池内部等轴晶尺寸及柱状晶宽度均有所增大，组织中析出了大量细小弥散的二次Al3Sc颗粒。硬度测试结果表明，随着时效时间的延长，各温度条件下合金的硬度值呈先升高后降低的趋势，相比于沉积态合金的硬度，在325 ℃、180 min时效热处理后合金的硬度提高了30%左右，达到1813.0 MPa。
采用选区激光熔化（SLM）技术制备了Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和透射电子显微镜等测试方法，表征了热处理前后Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金微观组织的结构，并测试了合金的硬度。结果表明：沉积态合金组织主要由 α-Al、Al6Mn和初生Al3Sc组成。SLM成形的合金熔池组织呈鱼鳞状，熔池内靠近熔合线附近形成了大量细小的等轴晶，平均晶粒尺寸约为0.57 μm，熔池心部则由柱状晶组成，柱状晶的平均宽度约为0.48 μm。棒状Al6Mn主要沿晶界分布，少量颗粒状的初生Al3Sc存在于晶粒内部，这表明初生Al3Sc可以作为异质形核质点，细化α-Al基体。热处理后，熔池内部等轴晶尺寸及柱状晶宽度均有所增大，组织中析出了大量细小弥散的二次Al3Sc颗粒。硬度测试结果表明，随着时效时间的延长，各温度条件下合金的硬度值呈先升高后降低的趋势，相比于沉积态合金的硬度，在325 ℃、180 min时效热处理后合金的硬度提高了30%左右，达到1813.0 MPa。
31 低能氩离子束对铍的刻蚀
2023, 52(5):1610-1615.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220337
摘要:
研究了0~1000 eV的低能氩（Ar）离子束对Be的刻蚀。比较了多种不同的表面抛光方法，结果发现Ar离子束刻蚀能获得高质量的Be表面。随着刻蚀的持续进行，Be表面质量逐渐提升，表面粗糙度在600 eV和100 mA的条件下刻蚀6 h后趋于稳定，达到了0.63 μm。比较了白光干涉（WLI）和聚焦离子束（FIB）的测量方法，发现FIB测量法更适合Be刻蚀深度的测量。实验结果和理论计算表明，Be的溅射过程与其被Ar离子轰击后的电离过程较为接近。采用第一电离能作为溅射阈值，获得了Ar离子能量对Be溅射产额的影响规律，获得了Be刻蚀速率随Ar离子束流和溅射产额乘积的变化规律，为Be刻蚀的工程应用奠定了基础。
研究了0~1000 eV的低能氩（Ar）离子束对Be的刻蚀。比较了多种不同的表面抛光方法，结果发现Ar离子束刻蚀能获得高质量的Be表面。随着刻蚀的持续进行，Be表面质量逐渐提升，表面粗糙度在600 eV和100 mA的条件下刻蚀6 h后趋于稳定，达到了0.63 μm。比较了白光干涉（WLI）和聚焦离子束（FIB）的测量方法，发现FIB测量法更适合Be刻蚀深度的测量。实验结果和理论计算表明，Be的溅射过程与其被Ar离子轰击后的电离过程较为接近。采用第一电离能作为溅射阈值，获得了Ar离子能量对Be溅射产额的影响规律，获得了Be刻蚀速率随Ar离子束流和溅射产额乘积的变化规律，为Be刻蚀的工程应用奠定了基础。
2023, 52(5):1616-1623.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220021
摘要:
通过原位反应法制备了增强相含量为3%（质量分数，下同）的Al3Zr/A356铝基复合材料（AMCs）。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和显微硬度测试，研究了不同钨极氩弧（TIG）焊焊接参数下焊接接头的显微组织和耐腐蚀性能。结果表明，当焊接电流为140 A时，焊缝成形最好，没有气孔或裂纹等焊接缺陷。焊接过程中生成细小的Al3Ti增强颗粒，呈球形和短棒状，并分散在基体中。焊接接头的硬度高于基体金属的硬度，增强颗粒的强化效果明显。随着在3.5% NaCl溶液中的浸泡时间延长，焊缝的点蚀程度增加，且大多发生在晶界和强化相周围。微区电化学实验结果表明，当焊接电流为140 A时，腐蚀电位波动小，腐蚀倾向低，耐腐蚀性能最好。
通过原位反应法制备了增强相含量为3%（质量分数，下同）的Al3Zr/A356铝基复合材料（AMCs）。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和显微硬度测试，研究了不同钨极氩弧（TIG）焊焊接参数下焊接接头的显微组织和耐腐蚀性能。结果表明，当焊接电流为140 A时，焊缝成形最好，没有气孔或裂纹等焊接缺陷。焊接过程中生成细小的Al3Ti增强颗粒，呈球形和短棒状，并分散在基体中。焊接接头的硬度高于基体金属的硬度，增强颗粒的强化效果明显。随着在3.5% NaCl溶液中的浸泡时间延长，焊缝的点蚀程度增加，且大多发生在晶界和强化相周围。微区电化学实验结果表明，当焊接电流为140 A时，腐蚀电位波动小，腐蚀倾向低，耐腐蚀性能最好。
2023, 52(5):1633-1642.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220849
摘要:
为了在加工复杂薄壁件的过程中改善其工艺性能和使用性能，对6061铝合金复杂薄壁件双向振动超声渐进成形后的力学性能和微观结构进行了研究，对比了传统渐进成形、垂直单向超声振动渐进成形和椭圆双向超声振动渐进成形工艺，对成形后的试验件进行硬度测试、残余应力分析以及扫描电子显微镜观察，以验证双向渐进成形工艺对铝合金复杂薄壁件成形性能和使用性能的提升效果。硬度试验结果表明，椭圆超声振动渐进成形能够软化材料，增加材料塑性和韧性，从而提高6061铝合金成形复杂薄壁件的能力，试验件断裂面端口产生大量韧窝的现象也进一步证明了这一观点。试验件成形表面的微观形貌特征表明椭圆超声振动渐进成形在改善试验件表面质量方面具有显著优势。此外，发现椭圆超声振动渐进成形方法能够在6061铝合金表面形成残余压应力层，有利于提高薄壁件的抗疲劳性能。
为了在加工复杂薄壁件的过程中改善其工艺性能和使用性能，对6061铝合金复杂薄壁件双向振动超声渐进成形后的力学性能和微观结构进行了研究，对比了传统渐进成形、垂直单向超声振动渐进成形和椭圆双向超声振动渐进成形工艺，对成形后的试验件进行硬度测试、残余应力分析以及扫描电子显微镜观察，以验证双向渐进成形工艺对铝合金复杂薄壁件成形性能和使用性能的提升效果。硬度试验结果表明，椭圆超声振动渐进成形能够软化材料，增加材料塑性和韧性，从而提高6061铝合金成形复杂薄壁件的能力，试验件断裂面端口产生大量韧窝的现象也进一步证明了这一观点。试验件成形表面的微观形貌特征表明椭圆超声振动渐进成形在改善试验件表面质量方面具有显著优势。此外，发现椭圆超声振动渐进成形方法能够在6061铝合金表面形成残余压应力层，有利于提高薄壁件的抗疲劳性能。
2023, 52(5):1650-1660.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220530
摘要:
基于第一性原理探究了氧气分子在铀钼表面的吸附解离行为。在五层γ-U(100)表面构型的基础上，用单个钼原子置换表层的1个高对称点的铀原子，并用4个钼原子置换表层铀原子后，分别建立了γ-U(100)/Mo和γ-U(100)/4Mo模型，计算得到了不同吸附构型下的结构参数、吸附能、Bader电荷、电子结构和表面功函数。结果表明，氧分子在γ-U(100)/Mo和γ-U(100)/4Mo表面为化学吸附，且最稳定的吸附位点为空位平行吸附，吸附能分别为-12.552和-8.661 eV。氧分子在铀钼表面的吸附分为解离吸附和未解离吸附，两者共同组成稳定的吸附行为，同时，解离吸附比未解离吸附更为稳定。Bader电荷结果表明，氧气在吸附过程中，主要与吸附表面最上两层的原子发生电荷转移。电子结构研究表明，O 2s和U 6p轨道发生轻微杂化，O 2p与U 6d、Mo 5s、Mo 4p、Mo 4d轨道发生较强的重叠杂化。本研究为氧分子在铀钼合金表面的吸附提供了机理阐述，并进一步为氧气在铀钼合金表面的腐蚀机理研究提供理论基础。
基于第一性原理探究了氧气分子在铀钼表面的吸附解离行为。在五层γ-U(100)表面构型的基础上，用单个钼原子置换表层的1个高对称点的铀原子，并用4个钼原子置换表层铀原子后，分别建立了γ-U(100)/Mo和γ-U(100)/4Mo模型，计算得到了不同吸附构型下的结构参数、吸附能、Bader电荷、电子结构和表面功函数。结果表明，氧分子在γ-U(100)/Mo和γ-U(100)/4Mo表面为化学吸附，且最稳定的吸附位点为空位平行吸附，吸附能分别为-12.552和-8.661 eV。氧分子在铀钼表面的吸附分为解离吸附和未解离吸附，两者共同组成稳定的吸附行为，同时，解离吸附比未解离吸附更为稳定。Bader电荷结果表明，氧气在吸附过程中，主要与吸附表面最上两层的原子发生电荷转移。电子结构研究表明，O 2s和U 6p轨道发生轻微杂化，O 2p与U 6d、Mo 5s、Mo 4p、Mo 4d轨道发生较强的重叠杂化。本研究为氧分子在铀钼合金表面的吸附提供了机理阐述，并进一步为氧气在铀钼合金表面的腐蚀机理研究提供理论基础。
2023, 52(5):1695-1707.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220813
摘要:
利用Zwick/Roell Z100万能材料试验机和Hopkinson拉杆对TWIP钢进行了准静态及动态力学性能的研究。基于力学实验结果，修正了Johnson-Cook动态本构模型中应变硬化项以及应变强化项。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)对TWIP钢拉伸变形前后的组织进行了观察与分析。结果表明：TWIP钢在准静态加载下表现为负应变率敏感性，当动态加载时表现为正应变率敏感性。在拉伸过程中，孪生诱发塑性是TWIP钢的主要变形机制，同时滑移也起到了重要作用；动态加载下TWIP钢中形变孪晶的起始应变和孪晶体积分数均小于准静态加载过程；形变孪晶的生成以及孪晶相互作用导致的晶粒细化，使TWIP钢兼具高强度、高塑性及高动态吸能性能，在抗冲击、抗爆领域具有广泛的应用前景。
利用Zwick/Roell Z100万能材料试验机和Hopkinson拉杆对TWIP钢进行了准静态及动态力学性能的研究。基于力学实验结果，修正了Johnson-Cook动态本构模型中应变硬化项以及应变强化项。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射技术(EBSD)对TWIP钢拉伸变形前后的组织进行了观察与分析。结果表明：TWIP钢在准静态加载下表现为负应变率敏感性，当动态加载时表现为正应变率敏感性。在拉伸过程中，孪生诱发塑性是TWIP钢的主要变形机制，同时滑移也起到了重要作用；动态加载下TWIP钢中形变孪晶的起始应变和孪晶体积分数均小于准静态加载过程；形变孪晶的生成以及孪晶相互作用导致的晶粒细化，使TWIP钢兼具高强度、高塑性及高动态吸能性能，在抗冲击、抗爆领域具有广泛的应用前景。
2023, 52(5):1708-1716.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220863
摘要:
研究了NbC颗粒增强钴基耐磨材料在950~1050℃空气中的氧化行为。合金在950℃下属于抗氧化级，1000℃下属于次抗氧化级，1050℃下属于弱抗氧化级，氧化动力学曲线基本上符合抛物线规律。合金表面形成由CoCr2O4、CoNb2O6、Cr2O3和Al2O3组成的混合氧化物层，基体中块状NbC的优先原位氧化行为造成氧化层厚度不均匀且疏松多孔。经过1050℃/100h氧化后，氧化层下方基体中形成贫Cr层，导致氧化皮剥落后无法重新形成具有保护作用的连续氧化膜。
研究了NbC颗粒增强钴基耐磨材料在950~1050℃空气中的氧化行为。合金在950℃下属于抗氧化级，1000℃下属于次抗氧化级，1050℃下属于弱抗氧化级，氧化动力学曲线基本上符合抛物线规律。合金表面形成由CoCr2O4、CoNb2O6、Cr2O3和Al2O3组成的混合氧化物层，基体中块状NbC的优先原位氧化行为造成氧化层厚度不均匀且疏松多孔。经过1050℃/100h氧化后，氧化层下方基体中形成贫Cr层，导致氧化皮剥落后无法重新形成具有保护作用的连续氧化膜。
2023, 52(5):1717-1724.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220293
摘要:
摘 要: 铝锂合金是航空制造中的新型合金材料，其铆接技术是现代飞机制造重要研究方向。铆接后的铝锂合金板孔的干涉量影响到残余应力分布，为了研究铆接过程与残余应力分布特征之间的关系，利用自动钻铆装备对不同厚度的铝锂合金板进行铆接。使用ABAQUS/Explicit对铝锂合金自动压铆过程进行了仿真，通过试验和仿真的方法分析不同压铆力、铆钉长度、壁板厚度和铆钉材料等组合条件下铝锂合金壁板内部所产生的干涉量，进而推导出各工艺条件下铝锂合金壁板厚度方向上残余应力的分布规律。研究结果表明，2060-T8铝锂合金壁板孔壁产生的干涉量及沿板厚方向分布的残余应力随压铆力的增大而增大，随铆钉长度的增大而减小，随壁板厚度的增加呈现非单调增长的趋势。壁板总厚度为4.2mm时，平均干涉量及平均残余应力可以达到最大值。相比于2117-T4铝合金铆钉，采用7050-T3铝合金铆钉压铆后2060-T8铝锂合金壁板产生的平均干涉量降低6%~12%，平均残余应力降低8%~12%。
摘 要: 铝锂合金是航空制造中的新型合金材料，其铆接技术是现代飞机制造重要研究方向。铆接后的铝锂合金板孔的干涉量影响到残余应力分布，为了研究铆接过程与残余应力分布特征之间的关系，利用自动钻铆装备对不同厚度的铝锂合金板进行铆接。使用ABAQUS/Explicit对铝锂合金自动压铆过程进行了仿真，通过试验和仿真的方法分析不同压铆力、铆钉长度、壁板厚度和铆钉材料等组合条件下铝锂合金壁板内部所产生的干涉量，进而推导出各工艺条件下铝锂合金壁板厚度方向上残余应力的分布规律。研究结果表明，2060-T8铝锂合金壁板孔壁产生的干涉量及沿板厚方向分布的残余应力随压铆力的增大而增大，随铆钉长度的增大而减小，随壁板厚度的增加呈现非单调增长的趋势。壁板总厚度为4.2mm时，平均干涉量及平均残余应力可以达到最大值。相比于2117-T4铝合金铆钉，采用7050-T3铝合金铆钉压铆后2060-T8铝锂合金壁板产生的平均干涉量降低6%~12%，平均残余应力降低8%~12%。
2023, 52(5):1737-1745.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220305
摘要:
为改善5083Al和304不锈钢爆炸焊接质量,提升隔热效果,本研究采用1060Al、TA1和Ni作夹层材料,制备了具有热传导梯度的五层爆炸复合板。为消除爆炸焊接后的残余应力,减少绝热剪切带和微裂纹等缺陷,采用550℃/60min退火工艺对五层爆炸复合板进行退火处理,并通过SEM、EBSD和万能试验机等手段,分析研究了退火对其组织演化及力学性能的影响。结果表明：五层爆炸复合板的四个焊接界面均呈波形,且在界面处存在微裂纹、孔洞、绝热剪切带和漩涡区等缺陷。经退火处理,四个焊接界面均发生不同程度的再结晶,微裂纹、绝热剪切带等缺陷得到有效改善；5083Al/1060Al/TA1界面的β相和Al-Ti金属间化合物增多,TA1/Ni界面在原TiNi3熔化层的基础上新增TiNi熔化层和Ti2Ni熔化层。界面拉剪强度均有所降低,但均仍远高于相应国标使用要求；拉脱试样在5083Al/1060Al界面断裂分离。
为改善5083Al和304不锈钢爆炸焊接质量,提升隔热效果,本研究采用1060Al、TA1和Ni作夹层材料,制备了具有热传导梯度的五层爆炸复合板。为消除爆炸焊接后的残余应力,减少绝热剪切带和微裂纹等缺陷,采用550℃/60min退火工艺对五层爆炸复合板进行退火处理,并通过SEM、EBSD和万能试验机等手段,分析研究了退火对其组织演化及力学性能的影响。结果表明：五层爆炸复合板的四个焊接界面均呈波形,且在界面处存在微裂纹、孔洞、绝热剪切带和漩涡区等缺陷。经退火处理,四个焊接界面均发生不同程度的再结晶,微裂纹、绝热剪切带等缺陷得到有效改善；5083Al/1060Al/TA1界面的β相和Al-Ti金属间化合物增多,TA1/Ni界面在原TiNi3熔化层的基础上新增TiNi熔化层和Ti2Ni熔化层。界面拉剪强度均有所降低,但均仍远高于相应国标使用要求；拉脱试样在5083Al/1060Al界面断裂分离。
2023, 52(5):1746-1758.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220229
摘要:
为了探究Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.03Ge（质量分数，%）合金在400 ℃/10.3 MPa不同氧含量过热蒸汽中的腐蚀行为，将Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.03Ge合金样品分别放入静态高压釜和动态高压釜中进行400 ℃/10.3MPa的除氧、300 ppb 溶解氧（DO）和1000 ppb DO过热蒸汽腐蚀试验。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等表征手段对合金和氧化膜的显微组织以及氧化膜中各元素的价态进行分析。结果表明，与除氧环境相比，Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.03Ge合金在300 ppb DO和1000 ppb DO环境中的平均腐蚀速率分别增加了23.5%和29.4%，这说明DO会加速合金的腐蚀，且DO含量越高腐蚀加速作用越明显；DO不但促进了氧化膜中Fe、Cr、Sn和Ge等合金元素的氧化，还会加速O/M界面处Zr→ZrOx→ZrO2的演化过程； 基于以上两个方面提出了一种DO加速锆合金在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀的机制：腐蚀环境中DO含量的增加导致氧化膜中参与反应的O2-和OH-的浓度增加，这一方面加速了氧化膜中合金元素的氧化，导致氧化膜中缺陷浓度增加和局部附加应力增大；另一方面加速了O/M界面处Zr→ZrOx→ZrO2的演化，使O/M界面处产生更大的应力，提供更短的应力驰豫时间。这两方面的作用都会促进氧化膜中孔隙、裂纹等缺陷的生成，加速O2-和OH-的扩散，进而加速了合金的腐蚀。
为了探究Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.03Ge（质量分数，%）合金在400 ℃/10.3 MPa不同氧含量过热蒸汽中的腐蚀行为，将Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.03Ge合金样品分别放入静态高压釜和动态高压釜中进行400 ℃/10.3MPa的除氧、300 ppb 溶解氧（DO）和1000 ppb DO过热蒸汽腐蚀试验。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等表征手段对合金和氧化膜的显微组织以及氧化膜中各元素的价态进行分析。结果表明，与除氧环境相比，Zr-1Sn-0.35Fe-0.15Cr-0.10Nb-0.03Ge合金在300 ppb DO和1000 ppb DO环境中的平均腐蚀速率分别增加了23.5%和29.4%，这说明DO会加速合金的腐蚀，且DO含量越高腐蚀加速作用越明显；DO不但促进了氧化膜中Fe、Cr、Sn和Ge等合金元素的氧化，还会加速O/M界面处Zr→ZrOx→ZrO2的演化过程； 基于以上两个方面提出了一种DO加速锆合金在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀的机制：腐蚀环境中DO含量的增加导致氧化膜中参与反应的O2-和OH-的浓度增加，这一方面加速了氧化膜中合金元素的氧化，导致氧化膜中缺陷浓度增加和局部附加应力增大；另一方面加速了O/M界面处Zr→ZrOx→ZrO2的演化，使O/M界面处产生更大的应力，提供更短的应力驰豫时间。这两方面的作用都会促进氧化膜中孔隙、裂纹等缺陷的生成，加速O2-和OH-的扩散，进而加速了合金的腐蚀。
2023, 52(5):1774-1782.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220316
摘要:
硬质合金中存在分布不均匀的残余热应力,在承载过程中残余热应力与外加载荷产生复杂的交互作用,影响材料的力学性能。现有的实验和模拟方法均为统计性分析方法,难以在微观组织尺度分析应力分布的细节和特征。本文利用有限元模拟的方法研究了硬质合金的残余热应力分布特征,分析了不同载荷方式下硬质合金内的应力状态,研究了残余热应力和外加载荷之间的相互作用。基于应力分析,提出了提高硬质合金承载能力的组织结构设计方法和理论依据。该方法也可应用于其他多种多相复合材料的应力分析和微观组织优化。
硬质合金中存在分布不均匀的残余热应力,在承载过程中残余热应力与外加载荷产生复杂的交互作用,影响材料的力学性能。现有的实验和模拟方法均为统计性分析方法,难以在微观组织尺度分析应力分布的细节和特征。本文利用有限元模拟的方法研究了硬质合金的残余热应力分布特征,分析了不同载荷方式下硬质合金内的应力状态,研究了残余热应力和外加载荷之间的相互作用。基于应力分析,提出了提高硬质合金承载能力的组织结构设计方法和理论依据。该方法也可应用于其他多种多相复合材料的应力分析和微观组织优化。
2023, 52(5):1800-1808.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220333
摘要:
在5356铝合金电弧增材制造时，采用随电弧同步移动的搅拌针在熔池内施加不同频率（30KHz、40KHz、50KHz）超声搅拌，结果显示：1）增材层组织与未施加超声搅拌时相比，晶粒细化，柱状晶数目减少，等轴晶数目增加；且随着超声频率增加，晶粒细化更加明显；2）增材层孔隙率随超声搅拌频率增加呈降低趋势，分别为0.73%、0.64%、0.59%，但均高于未加超声搅拌的试样（0.2%）；3）随着超声搅拌频率增加，增材层强度与塑性均有所提升：增材层的抗拉强度分别为266.57MPa（无超声）、278MPa、282MPa、299MPa，伸长率分别为30.67%（无超声）31.54%、35.53%、41.86%。
在5356铝合金电弧增材制造时，采用随电弧同步移动的搅拌针在熔池内施加不同频率（30KHz、40KHz、50KHz）超声搅拌，结果显示：1）增材层组织与未施加超声搅拌时相比，晶粒细化，柱状晶数目减少，等轴晶数目增加；且随着超声频率增加，晶粒细化更加明显；2）增材层孔隙率随超声搅拌频率增加呈降低趋势，分别为0.73%、0.64%、0.59%，但均高于未加超声搅拌的试样（0.2%）；3）随着超声搅拌频率增加，增材层强度与塑性均有所提升：增材层的抗拉强度分别为266.57MPa（无超声）、278MPa、282MPa、299MPa，伸长率分别为30.67%（无超声）31.54%、35.53%、41.86%。
2023, 52(5):1842-1850.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220361
摘要:
对Inconel625母材与焊缝金属进行750℃下的75% Na2SO4-25%NaCl混合熔盐热腐蚀实验，并对腐蚀产物的物相、表面形貌、腐蚀失重速率及腐蚀机理等进行研究分析。结果表明:Inconel625接头母材处组织为奥氏体等轴晶，焊缝处组织为树枝晶；母材与焊缝金属失重曲线均遵循抛物线规律，其失重速率常数分别为3.43和4.18；焊缝金属因为富Nb第二相的析出，导致其与母材相比耐蚀性较差，腐蚀表现出“不均匀性”；两种状态下的Inconel625有着相同的腐蚀层结构均为，外层NiO颗粒和片层状NiCr2O4，中层致密Cr2O3氧化层，内层“蜂窝”状Ni2S3硫化层的3层结构；Inconel625合金在750℃下75%Na2SO4-25%NaCl混合盐中的主要腐蚀机理为:“硫化-氧化”腐蚀。
对Inconel625母材与焊缝金属进行750℃下的75% Na2SO4-25%NaCl混合熔盐热腐蚀实验，并对腐蚀产物的物相、表面形貌、腐蚀失重速率及腐蚀机理等进行研究分析。结果表明:Inconel625接头母材处组织为奥氏体等轴晶，焊缝处组织为树枝晶；母材与焊缝金属失重曲线均遵循抛物线规律，其失重速率常数分别为3.43和4.18；焊缝金属因为富Nb第二相的析出，导致其与母材相比耐蚀性较差，腐蚀表现出“不均匀性”；两种状态下的Inconel625有着相同的腐蚀层结构均为，外层NiO颗粒和片层状NiCr2O4，中层致密Cr2O3氧化层，内层“蜂窝”状Ni2S3硫化层的3层结构；Inconel625合金在750℃下75%Na2SO4-25%NaCl混合盐中的主要腐蚀机理为:“硫化-氧化”腐蚀。
2023, 52(5):1869-1876.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220379
摘要:
采用还原法制备Cu-10wt.%WC复合粉末,热压烧结得到Cu-10wt.%WC复合材料,并进行热轧处理。采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、透射电子显微镜、拉伸试验等,研究了热轧对Cu-10wt.%WC复合材料组织和性能的影响及机理。结果表明,经热轧,复合材料中WC颗粒尺寸无变化但沿轧制方向重新排列,Cu晶粒尺寸减小,发生再结晶时沿(220)晶面择优生长,降低了与WC颗粒结合界面的错配度。轧制后,复合材料抗拉强度从426MPa提高至492MPa,硬度从149.7 HV0.2提高至166.8 HV0.2,导电、导热性能不变。热轧使WC颗粒重新排列调节了位错的分布、Cu晶粒择优取向提高与WC颗粒界面结合强度以及细晶强化的作用,提高了复合材料综合性能。
采用还原法制备Cu-10wt.%WC复合粉末,热压烧结得到Cu-10wt.%WC复合材料,并进行热轧处理。采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、透射电子显微镜、拉伸试验等,研究了热轧对Cu-10wt.%WC复合材料组织和性能的影响及机理。结果表明,经热轧,复合材料中WC颗粒尺寸无变化但沿轧制方向重新排列,Cu晶粒尺寸减小,发生再结晶时沿(220)晶面择优生长,降低了与WC颗粒结合界面的错配度。轧制后,复合材料抗拉强度从426MPa提高至492MPa,硬度从149.7 HV0.2提高至166.8 HV0.2,导电、导热性能不变。热轧使WC颗粒重新排列调节了位错的分布、Cu晶粒择优取向提高与WC颗粒界面结合强度以及细晶强化的作用,提高了复合材料综合性能。
2023, 52(5):1877-1884.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220380
摘要:
原位自生颗粒增强金属基复合材料是提高金属材料强韧性的有效途径,本文采用放电等离子烧结技术 (SPS),以氧化石墨烯、碳化硅、氮化硼为增强体,原位自生制备TiAl基复合材料,研究增强相体对TiAl基复合材料显微组织演变及室温性能的影响。结果表明,增强体的改变直接影响了TiAl基复合材料第二相形貌和分布。添加石墨烯后,在TiAl合金α2和γ片层界面处弥散析出微纳米尺度第二相Ti2AlC；添加碳化硅在基体中分别生成微米级晶界相Ti5Si3，微纳米片层间相Ti2AlC；添加氮化硼未能在TiAl合金α2和γ片层界面处析出微纳米第二相，而是纳米级TiB2和Ti2AlN相析出在晶界处与基体形成连续核壳结构；复合添加石墨烯和氮化硼既能在片层间原位析出Ti2AlC相,又能在晶界处形成核壳结构。TiAl基复合材料的室温压缩性能和摩擦磨损性能均得到有效提高,复合添加石墨烯和氮化硼可获得优异的室温性能。TiAl基复合材料的析出相调控为合金设计提供了新思路,进一步突破TiAl合金性能极限。
原位自生颗粒增强金属基复合材料是提高金属材料强韧性的有效途径,本文采用放电等离子烧结技术 (SPS),以氧化石墨烯、碳化硅、氮化硼为增强体,原位自生制备TiAl基复合材料,研究增强相体对TiAl基复合材料显微组织演变及室温性能的影响。结果表明,增强体的改变直接影响了TiAl基复合材料第二相形貌和分布。添加石墨烯后,在TiAl合金α2和γ片层界面处弥散析出微纳米尺度第二相Ti2AlC；添加碳化硅在基体中分别生成微米级晶界相Ti5Si3，微纳米片层间相Ti2AlC；添加氮化硼未能在TiAl合金α2和γ片层界面处析出微纳米第二相，而是纳米级TiB2和Ti2AlN相析出在晶界处与基体形成连续核壳结构；复合添加石墨烯和氮化硼既能在片层间原位析出Ti2AlC相,又能在晶界处形成核壳结构。TiAl基复合材料的室温压缩性能和摩擦磨损性能均得到有效提高,复合添加石墨烯和氮化硼可获得优异的室温性能。TiAl基复合材料的析出相调控为合金设计提供了新思路,进一步突破TiAl合金性能极限。
2023, 52(5):1885-1895.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220372
摘要:
采用真空感应熔炼(VIM)方法,结合特定的热处理工艺,制备具有FCC/L12两相共格的Al0.1CoCrFeNiTi0.1高熵合金,在宽温度(298K-973K)内进行系统的准静态单轴恒温压缩试验。使用SEM和XRD测试方法对高熵合金微观结构形貌进行观察；根据热力学和晶体学理论计算FCC固溶体相和L12相纳米沉淀相的晶格参数和热力学参数,并解释其形成原因；通过Image j图像处理软件自动统计L12相在晶内和晶界处的尺寸、间距以及体积分数。结果表明：L12相与FCC相晶格常数和晶面间距的比值分别约为1.008和0.605；该高熵合金的平均原子半径 ；平均混合熵 ；平均混合焓 ；价电子浓度 ；由EDS能谱分析得到L12沉淀相粒子化学式为 ；在热压缩变形过程中,在同一温度下的初始应变阶段,随着应变的增大,PLC锯齿屈服强化现象的A型锯齿波逐渐消失；而当温度大于873K,应变大于0.213时,则有B型锯齿波出现。这主要与合金各阶段的变形机制有关。
采用真空感应熔炼(VIM)方法,结合特定的热处理工艺,制备具有FCC/L12两相共格的Al0.1CoCrFeNiTi0.1高熵合金,在宽温度(298K-973K)内进行系统的准静态单轴恒温压缩试验。使用SEM和XRD测试方法对高熵合金微观结构形貌进行观察；根据热力学和晶体学理论计算FCC固溶体相和L12相纳米沉淀相的晶格参数和热力学参数,并解释其形成原因；通过Image j图像处理软件自动统计L12相在晶内和晶界处的尺寸、间距以及体积分数。结果表明：L12相与FCC相晶格常数和晶面间距的比值分别约为1.008和0.605；该高熵合金的平均原子半径 ；平均混合熵 ；平均混合焓 ；价电子浓度 ；由EDS能谱分析得到L12沉淀相粒子化学式为 ；在热压缩变形过程中,在同一温度下的初始应变阶段,随着应变的增大,PLC锯齿屈服强化现象的A型锯齿波逐渐消失；而当温度大于873K,应变大于0.213时,则有B型锯齿波出现。这主要与合金各阶段的变形机制有关。
2023, 52(5):1905-1914.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220386
摘要:
本文采用冷金属过渡+脉冲焊接(CMT+P)方法对7A52铝合金进行焊接实验,研究不同热处理工艺对焊接接头显微组织及力学性能的影响。结果表明,焊缝区由树枝晶或等轴树枝晶为主的显微组织经热处理后均已转变为等轴晶,但AA(人工时效)试样的晶粒组织和第二相尺寸更加粗大且晶界存在偏析现象。T6(固溶+人工时效)试样的焊缝区析出相数量多于AA,而且热影响区的η′(MgZn2)强化相尺寸以及无沉淀析出带宽度均减小。AA和T6试样的接头强度分别达到315 MPa和356 MPa,AA试样对接头力学性能提升有限,T6试样相比于AW试样提高了约14.10%,AA试样的微观断口主要表现为韧窝型穿晶断裂,而T6试样断口中的韧窝数量明显减少,取而代之是无特征的平台,此时接头以穿晶+沿晶的韧脆混合断裂为主。
本文采用冷金属过渡+脉冲焊接(CMT+P)方法对7A52铝合金进行焊接实验,研究不同热处理工艺对焊接接头显微组织及力学性能的影响。结果表明,焊缝区由树枝晶或等轴树枝晶为主的显微组织经热处理后均已转变为等轴晶,但AA(人工时效)试样的晶粒组织和第二相尺寸更加粗大且晶界存在偏析现象。T6(固溶+人工时效)试样的焊缝区析出相数量多于AA,而且热影响区的η′(MgZn2)强化相尺寸以及无沉淀析出带宽度均减小。AA和T6试样的接头强度分别达到315 MPa和356 MPa,AA试样对接头力学性能提升有限,T6试样相比于AW试样提高了约14.10%,AA试样的微观断口主要表现为韧窝型穿晶断裂,而T6试样断口中的韧窝数量明显减少,取而代之是无特征的平台,此时接头以穿晶+沿晶的韧脆混合断裂为主。
2023, 52(5):1915-1924.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220281
摘要:
通过制备Zr-0.3Nb-xCr(x=0.2, 0.5, 1.0 wt.%)合金,并在高压釜中进行400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽腐蚀实验,利用SEM和TEM表征和分析合金基体及氧化膜截面显微组织,研究了Cr对Zr-0.3Nb合金显微组织及在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀行为的影响。结果表明,Zr-0.3Nb-xCr合金中的第二相主要为面心立方和密排六方的ZrCr2相,尺寸在10~100 nm范围内,随Cr含量增加,第二相的数量增加,但尺寸无明显变化。添加适量的Cr能促进氧化膜中柱状晶的生长并延缓柱状晶向等轴晶的转变,从而改善Zr-0.3Nb合金的耐腐蚀性能。当Zr-0.3Nb合金中添加0.5 wt.%的Cr时,耐腐蚀性能较好,这可能是因为Zr-0.3Nb-0.5Cr合金的氧化膜较为致密,且在氧化膜/基体界面处存在亚氧化层,可以延缓氧化膜的显微组织演化,提高合金的耐腐蚀性能。
通过制备Zr-0.3Nb-xCr(x=0.2, 0.5, 1.0 wt.%)合金,并在高压釜中进行400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽腐蚀实验,利用SEM和TEM表征和分析合金基体及氧化膜截面显微组织,研究了Cr对Zr-0.3Nb合金显微组织及在400 ℃/10.3 MPa过热蒸汽中腐蚀行为的影响。结果表明,Zr-0.3Nb-xCr合金中的第二相主要为面心立方和密排六方的ZrCr2相,尺寸在10~100 nm范围内,随Cr含量增加,第二相的数量增加,但尺寸无明显变化。添加适量的Cr能促进氧化膜中柱状晶的生长并延缓柱状晶向等轴晶的转变,从而改善Zr-0.3Nb合金的耐腐蚀性能。当Zr-0.3Nb合金中添加0.5 wt.%的Cr时,耐腐蚀性能较好,这可能是因为Zr-0.3Nb-0.5Cr合金的氧化膜较为致密,且在氧化膜/基体界面处存在亚氧化层,可以延缓氧化膜的显微组织演化,提高合金的耐腐蚀性能。
