2024年第53卷第10期文章目次
2024, 53(10):2723-2734.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240245
摘要:
通过化学镀在42CrMo钢上沉积Ni-P-SiCP复合镀层。分析了在不同热处理温度下加工的不同SiCP浓度Ni-P-SiCP复合镀层的表面形貌和相结构。研究了Ni-P-SiCP复合镀层的显微硬度、耐腐蚀性和耐磨性。结果表明，Ni-P-SiCP复合镀层呈现花椰菜状形貌。增加SiCP浓度可以减小胞状物的尺寸。显微硬度和耐腐蚀性随着SiCP浓度的增加而先增加后降低。当SiCP浓度为5 g/L时，最大显微硬度和腐蚀电位分别为7379 MPa和-0.363 V。Ni-P-SiCP复合镀层呈现非晶态结构，漫散衍射峰的宽度随着SiCP浓度的增加而变窄。这表明SiCP抑制了P的沉积，促进了微晶转变。在350 ℃下热处理后，Ni-P-SiCP复合镀层结晶，导致Ni3P相沉淀。在400 ℃下热处理1 h可使结构最大化。镀层中Ni3P析出强化相和SiCP弥散强化相的协同作用，促进了胞状组织的致密化，从而获得了最佳的显微硬度（13 828 MPa）、最佳的耐腐蚀性（-0.277 V）和优异的耐磨性。磨损机制以微切削磨料磨损为主，伴有轻微的粘着磨损和氧化磨损。
通过化学镀在42CrMo钢上沉积Ni-P-SiCP复合镀层。分析了在不同热处理温度下加工的不同SiCP浓度Ni-P-SiCP复合镀层的表面形貌和相结构。研究了Ni-P-SiCP复合镀层的显微硬度、耐腐蚀性和耐磨性。结果表明，Ni-P-SiCP复合镀层呈现花椰菜状形貌。增加SiCP浓度可以减小胞状物的尺寸。显微硬度和耐腐蚀性随着SiCP浓度的增加而先增加后降低。当SiCP浓度为5 g/L时，最大显微硬度和腐蚀电位分别为7379 MPa和-0.363 V。Ni-P-SiCP复合镀层呈现非晶态结构，漫散衍射峰的宽度随着SiCP浓度的增加而变窄。这表明SiCP抑制了P的沉积，促进了微晶转变。在350 ℃下热处理后，Ni-P-SiCP复合镀层结晶，导致Ni3P相沉淀。在400 ℃下热处理1 h可使结构最大化。镀层中Ni3P析出强化相和SiCP弥散强化相的协同作用，促进了胞状组织的致密化，从而获得了最佳的显微硬度（13 828 MPa）、最佳的耐腐蚀性（-0.277 V）和优异的耐磨性。磨损机制以微切削磨料磨损为主，伴有轻微的粘着磨损和氧化磨损。
2024, 53(10):2735-2746.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20240311
摘要:
提出了一种制备低碳钢表面AlCrFeNiTix高熵合金-TiN陶瓷涂层复合材料的联合工艺（熔盐电脱氧+真空热压烧结），其中氮化物来自石墨模具和高熵合金粉末之间的BN隔离剂。探究了Ti含量对材料显微组织、极限抗拉伸强度、硬度和耐磨性能的影响，并对其结合机理进行了探究。结果表明，该复合材料具有优异的硬度和耐磨性能。随着Ti含量的增加，涂层复合材料的硬度显著提高。极高的耐磨性能是由于TiN的极高熔点和高热硬度能够有效防止磨损表面的氧化变形。
提出了一种制备低碳钢表面AlCrFeNiTix高熵合金-TiN陶瓷涂层复合材料的联合工艺（熔盐电脱氧+真空热压烧结），其中氮化物来自石墨模具和高熵合金粉末之间的BN隔离剂。探究了Ti含量对材料显微组织、极限抗拉伸强度、硬度和耐磨性能的影响，并对其结合机理进行了探究。结果表明，该复合材料具有优异的硬度和耐磨性能。随着Ti含量的增加，涂层复合材料的硬度显著提高。极高的耐磨性能是由于TiN的极高熔点和高热硬度能够有效防止磨损表面的氧化变形。
2024, 53(10):2747-2754.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240095
摘要:
通过冷喷涂辅助激光重熔合成高熵合金涂层，在45#钢表面制备FeCrAlCu、FeCrAlCuNi、FeCrAlCuCo和FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层。结果表明，这4种高熵合金涂层均由面心立方+体心立方相构成，涂层的组织由柱状树枝晶构成。随着Ni、Co元素的同时添加，涂层中的柱状树枝晶晶粒逐渐细化。FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层的摩擦性能最佳，涂层的硬度为5847.7 MPa，摩擦因数为0.45，磨损率为3.72×10-5 mm3·N-1·m-1。磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损。
通过冷喷涂辅助激光重熔合成高熵合金涂层，在45#钢表面制备FeCrAlCu、FeCrAlCuNi、FeCrAlCuCo和FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层。结果表明，这4种高熵合金涂层均由面心立方+体心立方相构成，涂层的组织由柱状树枝晶构成。随着Ni、Co元素的同时添加，涂层中的柱状树枝晶晶粒逐渐细化。FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层的摩擦性能最佳，涂层的硬度为5847.7 MPa，摩擦因数为0.45，磨损率为3.72×10-5 mm3·N-1·m-1。磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损。
2024, 53(10):2755-2765.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240194
摘要:
为了提高钛双极板的耐蚀性能，采用磁控反应溅射技术和脉冲沉积技术在商业纯钛TA1表面制备了氮化钛（TiN）薄膜，并对不同工艺参数下制备的薄膜进行了评价。结果表明，在不同制备工艺下TA1表面均可以形成致密完整的TiN膜，并显著提高钛基体的腐蚀电流密度。其中，磁控反应溅射所制备的薄膜成分受到氧气竞争反应的影响，其均一性低于脉冲激光沉积所制备的薄膜，脉冲激光沉积制备的薄膜在低腐蚀电流密度（0.025 μA·cm-2）、中等腐蚀过电位（–0.106 V）和良好的疏水性方面具有更优异的综合性能。
为了提高钛双极板的耐蚀性能，采用磁控反应溅射技术和脉冲沉积技术在商业纯钛TA1表面制备了氮化钛（TiN）薄膜，并对不同工艺参数下制备的薄膜进行了评价。结果表明，在不同制备工艺下TA1表面均可以形成致密完整的TiN膜，并显著提高钛基体的腐蚀电流密度。其中，磁控反应溅射所制备的薄膜成分受到氧气竞争反应的影响，其均一性低于脉冲激光沉积所制备的薄膜，脉冲激光沉积制备的薄膜在低腐蚀电流密度（0.025 μA·cm-2）、中等腐蚀过电位（–0.106 V）和良好的疏水性方面具有更优异的综合性能。
2024, 53(10):2766-2776.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240015
摘要:
探究了应用温度对含Pt-Al涂层的第三代低成本单晶高温合金蠕变行为的影响。在1100 ℃/137 MPa、1120 ℃/137 MPa和1140 ℃/137 MPa条件下观察蠕变损伤。结果表明：在所有测试条件中，裸基体高温合金均优于带涂层高温合金。在1100 ℃/137 MPa下进行测试时，蠕变寿命最明显地缩短了50%。在更高温度（1120和1140 ℃）下，Pt-Al涂层向单晶高温合金基体的裂纹扩展速度减慢，从而减少了力学性能的下降，涂层裂纹的尖端氧化和铝扩散形成了氧化物，而不是渗透到单晶基体中，导致涂层下基体的微结构退化缓慢。然而在1100 ℃时，涂层/单晶合金基底的微观结构由于铝的内部扩散而退化。这种扩散机制使有害的拓扑密堆相在1100 ℃左右形成。在1120和1140 ℃时，涂层下单晶合金基底的位错与内部高温合金的位错相比保持相对不变。与此相反，涂层下基底的位错网络变得稀疏，在1100 ℃时切割成相的超位错数量增加。
探究了应用温度对含Pt-Al涂层的第三代低成本单晶高温合金蠕变行为的影响。在1100 ℃/137 MPa、1120 ℃/137 MPa和1140 ℃/137 MPa条件下观察蠕变损伤。结果表明：在所有测试条件中，裸基体高温合金均优于带涂层高温合金。在1100 ℃/137 MPa下进行测试时，蠕变寿命最明显地缩短了50%。在更高温度（1120和1140 ℃）下，Pt-Al涂层向单晶高温合金基体的裂纹扩展速度减慢，从而减少了力学性能的下降，涂层裂纹的尖端氧化和铝扩散形成了氧化物，而不是渗透到单晶基体中，导致涂层下基体的微结构退化缓慢。然而在1100 ℃时，涂层/单晶合金基底的微观结构由于铝的内部扩散而退化。这种扩散机制使有害的拓扑密堆相在1100 ℃左右形成。在1120和1140 ℃时，涂层下单晶合金基底的位错与内部高温合金的位错相比保持相对不变。与此相反，涂层下基底的位错网络变得稀疏，在1100 ℃时切割成相的超位错数量增加。
2024, 53(10):2777-2785.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240014
摘要:
采用超音速等离子喷涂及双通道送粉技术，在环氧树脂基复合材料表面制备了高性能氧化钇-酚醛（Y2O3-PF）交替涂层。将Y2O3包覆PF粉末喷涂在基体上生成过渡层，之后交替沉积球形Y2O3粉末和Y2O3包覆PF粉末形成复合交替涂层。结果表明，交替涂层主体由Y2O3包覆PF粉末沉积而成，且涂层与基体结合强度高达26.48 MPa，单次最大结合强度为28.10 MPa，剪切强度高达24.30 MPa。此外，外部Y2O3粒子产生的热传递效应使PF逐渐软化熔融，从而有效避免了高温对分子结构的破坏，促进了沉积过程中树脂的交联与固化。同时，未熔Y2O3粉末形成了喷丸效应，冲刷去除了沉积效果较差的粉末粒子，最终显著改善了交替涂层的组织和性能。
采用超音速等离子喷涂及双通道送粉技术，在环氧树脂基复合材料表面制备了高性能氧化钇-酚醛（Y2O3-PF）交替涂层。将Y2O3包覆PF粉末喷涂在基体上生成过渡层，之后交替沉积球形Y2O3粉末和Y2O3包覆PF粉末形成复合交替涂层。结果表明，交替涂层主体由Y2O3包覆PF粉末沉积而成，且涂层与基体结合强度高达26.48 MPa，单次最大结合强度为28.10 MPa，剪切强度高达24.30 MPa。此外，外部Y2O3粒子产生的热传递效应使PF逐渐软化熔融，从而有效避免了高温对分子结构的破坏，促进了沉积过程中树脂的交联与固化。同时，未熔Y2O3粉末形成了喷丸效应，冲刷去除了沉积效果较差的粉末粒子，最终显著改善了交替涂层的组织和性能。
2024, 53(10):2805-2800.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240037
摘要:
日本福岛核事故后，耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel, ATF）包壳技术引起业界广泛关注。在核反应堆堆芯核燃料包壳用锆（Zr）合金表面包覆Cr涂层被认为是短期内最有可能投入商业应用的技术。目前多数Cr涂层的制备方法存在设备昂贵负责、沉积速率偏低、形状适应性偏弱等缺点，而熔盐电沉积技术具有阴极电流效率高、电沉积速度快、基体形状适应性强等优点，有望解决包壳Zr合金表面高质量Cr涂层的高效低成本制备难题。为实现Zr合金表面Cr涂层的熔盐电沉积制备，本文采用水溶液电沉积和熔盐电沉积方法依次在Zr合金基体表面制备Ni过渡层和Cr涂层，对制备得到的Zr/Ni/Cr试样进行组织结构表征、结合力和纳米硬度测试及高温氧化行为研究。结果表明，Zr合金表面的Ni/Cr涂层均匀致密，与基体间的结合力约为151 N。Zr/Ni/Cr从内到外各层的硬度和弹性模量均逐渐升高，呈准梯度过渡。其中Cr涂层的表面粗糙度约为2 μm，硬度和弹性模量分别为2.86 GPa和172.86 GPa。Zr/Ni/Cr试样在1000℃和1200℃高温蒸汽氧化过程中分别表现出近抛物线和近线性规律，表明Ni/Cr涂层能够在1000℃下对Zr合金基体起到良好的保护效果。Zr合金表面Ni/Cr涂层的高温氧化失效机制与Ni过渡层的快速扩散、Cr层的氧化和扩散消耗以及Zr沿Cr晶界快速扩散导致的Cr层性能弱化密切相关。
日本福岛核事故后，耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel, ATF）包壳技术引起业界广泛关注。在核反应堆堆芯核燃料包壳用锆（Zr）合金表面包覆Cr涂层被认为是短期内最有可能投入商业应用的技术。目前多数Cr涂层的制备方法存在设备昂贵负责、沉积速率偏低、形状适应性偏弱等缺点，而熔盐电沉积技术具有阴极电流效率高、电沉积速度快、基体形状适应性强等优点，有望解决包壳Zr合金表面高质量Cr涂层的高效低成本制备难题。为实现Zr合金表面Cr涂层的熔盐电沉积制备，本文采用水溶液电沉积和熔盐电沉积方法依次在Zr合金基体表面制备Ni过渡层和Cr涂层，对制备得到的Zr/Ni/Cr试样进行组织结构表征、结合力和纳米硬度测试及高温氧化行为研究。结果表明，Zr合金表面的Ni/Cr涂层均匀致密，与基体间的结合力约为151 N。Zr/Ni/Cr从内到外各层的硬度和弹性模量均逐渐升高，呈准梯度过渡。其中Cr涂层的表面粗糙度约为2 μm，硬度和弹性模量分别为2.86 GPa和172.86 GPa。Zr/Ni/Cr试样在1000℃和1200℃高温蒸汽氧化过程中分别表现出近抛物线和近线性规律，表明Ni/Cr涂层能够在1000℃下对Zr合金基体起到良好的保护效果。Zr合金表面Ni/Cr涂层的高温氧化失效机制与Ni过渡层的快速扩散、Cr层的氧化和扩散消耗以及Zr沿Cr晶界快速扩散导致的Cr层性能弱化密切相关。
2024, 53(10):2823-2830.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240390
摘要:
对激光冲击前后，双态组织Ti55531钛合金的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）进行了研究。分析了激光冲击前后疲劳裂纹扩展样品的断口、微观组织和残余应力。结果表明，经过激光冲击，双态组织Ti55531钛合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN降低，当△K＜22.84Mpa?√m时，激光冲击后样品（BM-LSP）具有比未冲击样品（BM）更低的疲劳裂纹扩展速率，当△K=22.84时，二者具有相近的裂纹扩展速率，为3.92×10-4mm/cycle。LSP后次生α相片层长度离散性降低22.9%，厚度离散性降低38.9%，α相和β相的极密度分别降低37%和16%，片层α尖端钝化和组织均匀化缓解了疲劳裂纹扩展过程中α片层尖端及α/β相界面处的应力集中，造成da/dN下降。此外，激光冲击过程中在材料表面引入深度约900μm的残余压应力层。残余压应力也是抵消裂纹尖端拉应力、增强裂纹闭合、减缓裂纹扩展的重要因素。
对激光冲击前后，双态组织Ti55531钛合金的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）进行了研究。分析了激光冲击前后疲劳裂纹扩展样品的断口、微观组织和残余应力。结果表明，经过激光冲击，双态组织Ti55531钛合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN降低，当△K＜22.84Mpa?√m时，激光冲击后样品（BM-LSP）具有比未冲击样品（BM）更低的疲劳裂纹扩展速率，当△K=22.84时，二者具有相近的裂纹扩展速率，为3.92×10-4mm/cycle。LSP后次生α相片层长度离散性降低22.9%，厚度离散性降低38.9%，α相和β相的极密度分别降低37%和16%，片层α尖端钝化和组织均匀化缓解了疲劳裂纹扩展过程中α片层尖端及α/β相界面处的应力集中，造成da/dN下降。此外，激光冲击过程中在材料表面引入深度约900μm的残余压应力层。残余压应力也是抵消裂纹尖端拉应力、增强裂纹闭合、减缓裂纹扩展的重要因素。
2024, 53(10):2831-2842.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230506
摘要:
本文主要对原始态和超声滚压态Zr705合金分别在1mol/L LiOH溶液、3.5% NaCl溶液、5% HCl溶液中预腐蚀30天后的疲劳性能进行了研究。研究结果表明：原始态Zr705合金在3.5% NaCl溶液中腐蚀程度最严重，在5% HCl溶液中次之，在1mol/L LiOH溶液中腐蚀程度最轻。这与Zr705合金在不同介质中的腐蚀机理不同有关：当Zr705合金处在LiOH溶液中时，主要是O2-和OH-参与腐蚀反应，而Li+并未参与腐蚀反应，而是吸附在氧化膜的孔隙壁和ZrO2的晶界处加速腐蚀；当Zr705合金处在NaCl溶液中时，大量存在的Cl—对腐蚀起主导作用；当Zr705合金处在HCl溶液中时，H+和Cl—都参与了Zr705合金在HCl溶液中的腐蚀过程。USRP-Zr705合金由于表层梯度结构中存在高密度的位错缺陷，较原始态Zr705合金更容易被腐蚀。经浸泡腐蚀处理，原始态Zr705合金疲劳寿命明显下降，这主要是由于试样表面在浸泡腐蚀过程中产生腐蚀损伤导致的。经浸泡腐蚀处理，USRP-Zr705试样在1mol/L LiOH溶液中的疲劳寿命较原始态Zr705合金有所提高，而在3.5% NaCl溶液、5% HCl溶液中疲劳寿命较原始态Zr705合金有所下降。腐蚀环境和表面梯度结构对锆合金疲劳性能的影响存在竞争关系：当腐蚀介质腐蚀性较弱时，表面梯度结构是影响合金疲劳性能的主要因素。当腐蚀介质腐蚀性较强时，在高应力作用下循环加载，表面梯度结构仍是影响合金疲劳性能的主要因素；在低应力作用下循环加载，腐蚀环境是影响合金疲劳性能的主要因素。
本文主要对原始态和超声滚压态Zr705合金分别在1mol/L LiOH溶液、3.5% NaCl溶液、5% HCl溶液中预腐蚀30天后的疲劳性能进行了研究。研究结果表明：原始态Zr705合金在3.5% NaCl溶液中腐蚀程度最严重，在5% HCl溶液中次之，在1mol/L LiOH溶液中腐蚀程度最轻。这与Zr705合金在不同介质中的腐蚀机理不同有关：当Zr705合金处在LiOH溶液中时，主要是O2-和OH-参与腐蚀反应，而Li+并未参与腐蚀反应，而是吸附在氧化膜的孔隙壁和ZrO2的晶界处加速腐蚀；当Zr705合金处在NaCl溶液中时，大量存在的Cl—对腐蚀起主导作用；当Zr705合金处在HCl溶液中时，H+和Cl—都参与了Zr705合金在HCl溶液中的腐蚀过程。USRP-Zr705合金由于表层梯度结构中存在高密度的位错缺陷，较原始态Zr705合金更容易被腐蚀。经浸泡腐蚀处理，原始态Zr705合金疲劳寿命明显下降，这主要是由于试样表面在浸泡腐蚀过程中产生腐蚀损伤导致的。经浸泡腐蚀处理，USRP-Zr705试样在1mol/L LiOH溶液中的疲劳寿命较原始态Zr705合金有所提高，而在3.5% NaCl溶液、5% HCl溶液中疲劳寿命较原始态Zr705合金有所下降。腐蚀环境和表面梯度结构对锆合金疲劳性能的影响存在竞争关系：当腐蚀介质腐蚀性较弱时，表面梯度结构是影响合金疲劳性能的主要因素。当腐蚀介质腐蚀性较强时，在高应力作用下循环加载，表面梯度结构仍是影响合金疲劳性能的主要因素；在低应力作用下循环加载，腐蚀环境是影响合金疲劳性能的主要因素。
2024, 53(10):2843-2851.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230530
摘要:
采用3D光学表面轮廓仪、扫描电子显微镜、电子背散射衍射和能谱仪等测试技术研究了290 °C和310 °C下Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管与格架在模拟压水堆一回路水环境中的微动磨损行为。结果表明,当Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管与对磨副材料(Zr-4刚凸或Inconel 718弹簧)组成摩擦副时,微动磨损机制均以粘着磨损为主,伴随着对磨副材料向Cr涂层包壳管的转移。随温度升高,Cr涂层包壳管表面磨损量增加,其抗微动磨损性能下降,但在试验温度范围内微动磨损机制未发生变化。此外,当对磨副为刚凸时Cr涂层包壳管的磨损程度大于对磨副为弹簧时的磨损程度,这与对磨副的硬度和接触方式有关。
采用3D光学表面轮廓仪、扫描电子显微镜、电子背散射衍射和能谱仪等测试技术研究了290 °C和310 °C下Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管与格架在模拟压水堆一回路水环境中的微动磨损行为。结果表明,当Cr涂层Zr-1Nb合金包壳管与对磨副材料(Zr-4刚凸或Inconel 718弹簧)组成摩擦副时,微动磨损机制均以粘着磨损为主,伴随着对磨副材料向Cr涂层包壳管的转移。随温度升高,Cr涂层包壳管表面磨损量增加,其抗微动磨损性能下降,但在试验温度范围内微动磨损机制未发生变化。此外,当对磨副为刚凸时Cr涂层包壳管的磨损程度大于对磨副为弹簧时的磨损程度,这与对磨副的硬度和接触方式有关。
2024, 53(10):2852-2859.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230511
摘要:
本文借助激光熔覆技术,在45钢上开展不同Cr3C2添加量的Ni3Al+Cr3C2混合粉末制备Ni3Al基合金激光熔覆层试验研究,利用扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜及摩擦磨损试验机等设备,统计不同Cr3C2添加量下原位自生碳化物的含量及尺寸,分析碳化物对Ni3Al基合金熔覆层显微组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。结果表明：Ni3Al基合金激光熔覆层组织主要为Ni3Al基相和原位自生的Cr7C3碳化物。随着Cr3C2含量的增加,熔覆层原位自生碳化物含量由6.8%增加至32.3%,平均尺寸由0.10 μm增长至0.78 μm,熔覆层显微硬度由471HV提高至609HV。当Cr3C2含量为35%时,碳化物呈小颗粒弥散分布,摩擦磨损过程中产生均匀磨损,使熔覆层磨损量低至0.19 mg,此时对磨盘的磨损量相对最低,约为1.23 mg；而当Cr3C2含量为45%时,碳化物含量虽然达到32.3%,但多以大尺寸颗粒为主,在摩擦磨损过程中大颗粒碳化物发生断裂剥落,加速了对磨盘的磨损。
本文借助激光熔覆技术,在45钢上开展不同Cr3C2添加量的Ni3Al+Cr3C2混合粉末制备Ni3Al基合金激光熔覆层试验研究,利用扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜及摩擦磨损试验机等设备,统计不同Cr3C2添加量下原位自生碳化物的含量及尺寸,分析碳化物对Ni3Al基合金熔覆层显微组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。结果表明：Ni3Al基合金激光熔覆层组织主要为Ni3Al基相和原位自生的Cr7C3碳化物。随着Cr3C2含量的增加,熔覆层原位自生碳化物含量由6.8%增加至32.3%,平均尺寸由0.10 μm增长至0.78 μm,熔覆层显微硬度由471HV提高至609HV。当Cr3C2含量为35%时,碳化物呈小颗粒弥散分布,摩擦磨损过程中产生均匀磨损,使熔覆层磨损量低至0.19 mg,此时对磨盘的磨损量相对最低,约为1.23 mg；而当Cr3C2含量为45%时,碳化物含量虽然达到32.3%,但多以大尺寸颗粒为主,在摩擦磨损过程中大颗粒碳化物发生断裂剥落,加速了对磨盘的磨损。
2024, 53(10):2860-2872.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240138
摘要:
本文在GH4169镍基高温合金表面采用化学复合镀技术制备了Ni-Mo-P镀层和Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层，研究了镀层在不同温度下的摩擦学行为以及不同温度摩擦磨损后镀层的微观组织结构。采用球-盘式摩擦磨损试验机研究了镀层在室温、300、500、700℃下的摩擦学性能。通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪对不同温度摩擦试验后镀层的化学成分、组织结构进行分析。利用显微硬度计、洛氏压痕仪对不同温度摩擦试验后镀层的力学性能进行表征。结果表明：沉积态Ni-Mo-P镀层和Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层以非晶为主，同时包含少量纳米晶结构，镀层表面结构致密。随着摩擦试验温度的增加，镀层逐渐从非晶结构向纳米晶结构转变，镀层结晶度增加；当温度增加至500℃以上时，镀层内析出Ni3P硬质相，同时由于Mo、P元素的氧化挥发导致镀层内出现了孔洞，镀层致密度下降。随温度增加，镀层硬度呈先升高后降低趋势，膜基结合力从HF1级逐渐降低至HF6级。随着试验温度增加，镀层磨粒磨损和氧化现象逐渐加剧，在500℃时磨损率最高；进一步增加温度使得摩擦界面具有较好的润滑效果，Ni-Mo-P镀层平均摩擦系数从1.0降至0.60，Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层平均摩擦系数从0.88降至0.53，提高了镀层在高温下的减摩耐磨性能。添加(h)BN颗粒提高了镀层内P含量，使得Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层韧性增加，提高了复合镀层的硬度和膜基结合力提高，复合镀层在室温~700℃范围内具有较好的耐磨性能。
本文在GH4169镍基高温合金表面采用化学复合镀技术制备了Ni-Mo-P镀层和Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层，研究了镀层在不同温度下的摩擦学行为以及不同温度摩擦磨损后镀层的微观组织结构。采用球-盘式摩擦磨损试验机研究了镀层在室温、300、500、700℃下的摩擦学性能。通过扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪对不同温度摩擦试验后镀层的化学成分、组织结构进行分析。利用显微硬度计、洛氏压痕仪对不同温度摩擦试验后镀层的力学性能进行表征。结果表明：沉积态Ni-Mo-P镀层和Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层以非晶为主，同时包含少量纳米晶结构，镀层表面结构致密。随着摩擦试验温度的增加，镀层逐渐从非晶结构向纳米晶结构转变，镀层结晶度增加；当温度增加至500℃以上时，镀层内析出Ni3P硬质相，同时由于Mo、P元素的氧化挥发导致镀层内出现了孔洞，镀层致密度下降。随温度增加，镀层硬度呈先升高后降低趋势，膜基结合力从HF1级逐渐降低至HF6级。随着试验温度增加，镀层磨粒磨损和氧化现象逐渐加剧，在500℃时磨损率最高；进一步增加温度使得摩擦界面具有较好的润滑效果，Ni-Mo-P镀层平均摩擦系数从1.0降至0.60，Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层平均摩擦系数从0.88降至0.53，提高了镀层在高温下的减摩耐磨性能。添加(h)BN颗粒提高了镀层内P含量，使得Ni-Mo-P/(h)BN复合镀层韧性增加，提高了复合镀层的硬度和膜基结合力提高，复合镀层在室温~700℃范围内具有较好的耐磨性能。
2024, 53(10):2873-2881.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240187
摘要:
为改善玻璃涂层对钛合金的高温抗氧化保护效果,本文通过球磨法在纯玻璃涂层浆料中引入Ti3AlC2增强相粉末,将浆料刮涂在TC4合金表面并进行抗氧化测试。结果表明,当Ti3AlC2添加量为5 wt.%(TAC5涂层)时,TC4合金基底α污染层的厚度最薄,约为65.78 μm。在相同测试条件下,TAC5涂层的α污染层厚度相比于纯玻璃涂层减少约四分之一。Ti3AlC2增强相与渗入涂层中的氧气反应,从而减少基底与氧气的接触,提高涂层对TC4合金的高温抗氧化保护能力。
为改善玻璃涂层对钛合金的高温抗氧化保护效果,本文通过球磨法在纯玻璃涂层浆料中引入Ti3AlC2增强相粉末,将浆料刮涂在TC4合金表面并进行抗氧化测试。结果表明,当Ti3AlC2添加量为5 wt.%(TAC5涂层)时,TC4合金基底α污染层的厚度最薄,约为65.78 μm。在相同测试条件下,TAC5涂层的α污染层厚度相比于纯玻璃涂层减少约四分之一。Ti3AlC2增强相与渗入涂层中的氧气反应,从而减少基底与氧气的接触,提高涂层对TC4合金的高温抗氧化保护能力。
2024, 53(10):2968-2974.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230680
摘要:
通过固相反应制备了Yb2Si2O7和高熵双硅酸盐粉末(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7、(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Sc0.2)2Si2O7、(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7,对原始和保温处理后四种陶瓷块体的物相组成、热膨胀系数、热导率和弹性模量进行分析。结果表明:高熵(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7的热膨胀系数和热导率与Yb2Si2O7相似,弹性模量降低了10.28%；(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Sc0.2)2Si2O7与(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7相比热膨胀系数、热导率和弹性模量分别降低了5.59%、15.51%和18.74%；与(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7相比(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7的热膨胀系数升高了14.24%,热导率和弹性模量下降了26.35%和24.78%。这表明添加了Ho元素的(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7热导率下降最大,热膨胀系数增加后与基底CMC的热膨胀系数更为接近。在1200 ℃和1300 ℃保温10 h、30 h、50 h后,Yb2Si2O7、(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7、(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Sc0.2)2Si2O7和(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7均表现出良好的高温相稳定性,其热膨胀系数下降,但依然与基底CMC的热膨胀系数相接近,它们的弹性模量随着保温时长的增加而增加。
通过固相反应制备了Yb2Si2O7和高熵双硅酸盐粉末(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7、(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Sc0.2)2Si2O7、(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7,对原始和保温处理后四种陶瓷块体的物相组成、热膨胀系数、热导率和弹性模量进行分析。结果表明:高熵(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7的热膨胀系数和热导率与Yb2Si2O7相似,弹性模量降低了10.28%；(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Sc0.2)2Si2O7与(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7相比热膨胀系数、热导率和弹性模量分别降低了5.59%、15.51%和18.74%；与(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7相比(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7的热膨胀系数升高了14.24%,热导率和弹性模量下降了26.35%和24.78%。这表明添加了Ho元素的(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7热导率下降最大,热膨胀系数增加后与基底CMC的热膨胀系数更为接近。在1200 ℃和1300 ℃保温10 h、30 h、50 h后,Yb2Si2O7、(Yb0.25Y0.25Lu0.25Er0.25)2Si2O7、(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Sc0.2)2Si2O7和(Yb0.2Y0.2Lu0.2Er0.2Ho0.2)2Si2O7均表现出良好的高温相稳定性,其热膨胀系数下降,但依然与基底CMC的热膨胀系数相接近,它们的弹性模量随着保温时长的增加而增加。
2024, 53(10):2713-2717.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240485
摘要:
研究了Cu/Nb多层复合材料在电流辅助拉伸作用下的力学性能和断裂形貌。结果表明，随着电流密度的增加，产生的焦耳热导致应力显著软化。然而，材料的延伸率有所降低。这与Cu/Nb多层复合材料在电流辅助拉伸过程中的特征断裂行为密切相关。随着电流密度的增加，断裂模式逐渐由韧性断裂转变为熔断。
研究了Cu/Nb多层复合材料在电流辅助拉伸作用下的力学性能和断裂形貌。结果表明，随着电流密度的增加，产生的焦耳热导致应力显著软化。然而，材料的延伸率有所降低。这与Cu/Nb多层复合材料在电流辅助拉伸过程中的特征断裂行为密切相关。随着电流密度的增加，断裂模式逐渐由韧性断裂转变为熔断。
2024, 53(10):2718-2722.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220918
摘要:
利用激光测长仪、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、背散射衍射电镜以及透射电镜分析不同处理状态等静压铍材的尺寸变化、残余应力、晶粒取向差、位错密度及位错分布形态，分析冷热循环处理对铍材尺寸稳定性的影响。结果表明，热等静压铍材在-100~150 ℃冷热循环6次后尺寸趋于稳定，具有良好的尺寸稳定性。冷热循环处理过程中铍材尺寸稳定化机制主要是晶粒内位错均匀化及微塑性变形导致取向差均匀化。
利用激光测长仪、拉曼光谱仪、纳米压痕仪、背散射衍射电镜以及透射电镜分析不同处理状态等静压铍材的尺寸变化、残余应力、晶粒取向差、位错密度及位错分布形态，分析冷热循环处理对铍材尺寸稳定性的影响。结果表明，热等静压铍材在-100~150 ℃冷热循环6次后尺寸趋于稳定，具有良好的尺寸稳定性。冷热循环处理过程中铍材尺寸稳定化机制主要是晶粒内位错均匀化及微塑性变形导致取向差均匀化。
2024, 53(10):2786-2793.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240244
摘要:
研究了一种新型Co-Ni-Al-W高温合金的γ′析出相在多种温度条件下的粗化行为及合金的压缩性能。实验结果表明，合金在时效过程中，γ′相平均半径和体积分数的演化遵循经典的Lifshitz-Slyozov-Wagner模型。γ′相的粗化速率显著依赖于时效温度，具体表现为从800 ℃时的1.30×10-27 m3/s增加到900 ℃时的9.56×10-27 m3/s。γ′相的活化能主要受W元素在γ基体中的扩散影响，其活化能为210 kJ/mol。所制备的Co-Ni-Al-W合金表现出优异的综合性能，特别是具有高γ?相溶解温度（1221 ℃）和低密度（8.7 g/cm3）的良好结合。此外，Co-Ni-Al-W合金在常温和高温下的压缩屈服强度均高于其他γ?强化的Co基高温合金，且该合金在850 ℃下的压缩屈服强度高达774 MPa。
研究了一种新型Co-Ni-Al-W高温合金的γ′析出相在多种温度条件下的粗化行为及合金的压缩性能。实验结果表明，合金在时效过程中，γ′相平均半径和体积分数的演化遵循经典的Lifshitz-Slyozov-Wagner模型。γ′相的粗化速率显著依赖于时效温度，具体表现为从800 ℃时的1.30×10-27 m3/s增加到900 ℃时的9.56×10-27 m3/s。γ′相的活化能主要受W元素在γ基体中的扩散影响，其活化能为210 kJ/mol。所制备的Co-Ni-Al-W合金表现出优异的综合性能，特别是具有高γ?相溶解温度（1221 ℃）和低密度（8.7 g/cm3）的良好结合。此外，Co-Ni-Al-W合金在常温和高温下的压缩屈服强度均高于其他γ?强化的Co基高温合金，且该合金在850 ℃下的压缩屈服强度高达774 MPa。
2024, 53(10):2794-2804.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240299
摘要:
研究了热轧Mg-3Zn-1Y-xCu合金（x=0、1、3、5，质量分数）的微观组织和腐蚀行为。结果表明，Mg-3Zn-1Y-xCu合金主要包含了α-Mg和Mg3Zn6Y相。添加Cu元素后，合金出现了MgZnCu相，并且MgZnCu相的含量随着Cu含量的增加而增加。电化学和浸泡试验结果表明，添加Cu后Mg-3Zn-1Y-xCu合金的耐腐蚀性能下降，这是因为受到了合金微观组织和腐蚀产物膜性能的影响。具有高电化学电势的MgZnCu相作为强阴极加速了微电偶腐蚀。腐蚀产物膜防护性能的下降源于相应化合物PBR值的改变。
研究了热轧Mg-3Zn-1Y-xCu合金（x=0、1、3、5，质量分数）的微观组织和腐蚀行为。结果表明，Mg-3Zn-1Y-xCu合金主要包含了α-Mg和Mg3Zn6Y相。添加Cu元素后，合金出现了MgZnCu相，并且MgZnCu相的含量随着Cu含量的增加而增加。电化学和浸泡试验结果表明，添加Cu后Mg-3Zn-1Y-xCu合金的耐腐蚀性能下降，这是因为受到了合金微观组织和腐蚀产物膜性能的影响。具有高电化学电势的MgZnCu相作为强阴极加速了微电偶腐蚀。腐蚀产物膜防护性能的下降源于相应化合物PBR值的改变。
2024, 53(10):2882-2890.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240088
摘要:
以球形W-25Re(质量分数,%,下同)合金粉末为原料,采用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制备W-25Re合金试样,研究工艺参数对W-25Re合金试样的相对密度、显微组织及显微维氏硬度的影响。利用分析天平、场发射扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度仪等分析测试方法表征SLM制备的W-25Re合金试样的相对密度、显微组织、相组成和显微维氏硬度等性能。结果表明：SLM制备W-25Re合金过程中无明显的球化、翘曲、变形、分层或不能成形现象,试样表面和侧面无明显孔洞和裂纹等缺陷,成形性良好。随着输入的体能量密度逐渐增大,W-25Re合金试样内部垂直面晶粒形态逐渐从等轴晶和柱状晶混合转变为粗大的柱状晶。W-25Re合金试样仅含有立方晶系W13Re7相,衍射峰2θ角向左偏移的变化主要是由残余应力造成的。激光功率和扫描速度对W-25Re合金试样相对密度的影响显著。当体能量密度为1050 J/mm3,即激光功率210 W,扫描速度200 mm/s时,可获得相对密度高达98.49%的W-25Re合金试样；此时,试样水平面和垂直面的显微硬度分别为525.9 HV0.2和520.6 HV0.2,与轧制态W-25Re合金硬度值接近。
以球形W-25Re(质量分数,%,下同)合金粉末为原料,采用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制备W-25Re合金试样,研究工艺参数对W-25Re合金试样的相对密度、显微组织及显微维氏硬度的影响。利用分析天平、场发射扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度仪等分析测试方法表征SLM制备的W-25Re合金试样的相对密度、显微组织、相组成和显微维氏硬度等性能。结果表明：SLM制备W-25Re合金过程中无明显的球化、翘曲、变形、分层或不能成形现象,试样表面和侧面无明显孔洞和裂纹等缺陷,成形性良好。随着输入的体能量密度逐渐增大,W-25Re合金试样内部垂直面晶粒形态逐渐从等轴晶和柱状晶混合转变为粗大的柱状晶。W-25Re合金试样仅含有立方晶系W13Re7相,衍射峰2θ角向左偏移的变化主要是由残余应力造成的。激光功率和扫描速度对W-25Re合金试样相对密度的影响显著。当体能量密度为1050 J/mm3,即激光功率210 W,扫描速度200 mm/s时,可获得相对密度高达98.49%的W-25Re合金试样；此时,试样水平面和垂直面的显微硬度分别为525.9 HV0.2和520.6 HV0.2,与轧制态W-25Re合金硬度值接近。
2024, 53(10):2891-2896.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230509
摘要:
利用Gleeble-3500热模拟试验机对Mo-14Re合金棒料进行了恒应变速率的压缩实验,研究Mo-14Re合金在1400 ℃、1500 ℃、1600 ℃和应变速率0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1时的高温流变行为。研究表明,在热变形过程中,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低,这是由于加工硬化和动态软化这两个竞争机制在不同条件下的相对影响所导致的。基于Arrhenius模型和Zener-Hollomon函数,建立了Mo-14Re合金的流变应力本构方程,求得Mo-14Re合金的热变形激活能为588.31kJ.mol-1。根据所建立的热加工图,得出Mo-14Re合金的合理成形工艺参数为温度在1400~1600 ℃,应变速率在0.0089~0.14s-1,功率耗散系数不低于0.22,此范围为Mo-14Re合金较合理的工艺参数。。
利用Gleeble-3500热模拟试验机对Mo-14Re合金棒料进行了恒应变速率的压缩实验,研究Mo-14Re合金在1400 ℃、1500 ℃、1600 ℃和应变速率0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1时的高温流变行为。研究表明,在热变形过程中,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低,这是由于加工硬化和动态软化这两个竞争机制在不同条件下的相对影响所导致的。基于Arrhenius模型和Zener-Hollomon函数,建立了Mo-14Re合金的流变应力本构方程,求得Mo-14Re合金的热变形激活能为588.31kJ.mol-1。根据所建立的热加工图,得出Mo-14Re合金的合理成形工艺参数为温度在1400~1600 ℃,应变速率在0.0089~0.14s-1,功率耗散系数不低于0.22,此范围为Mo-14Re合金较合理的工艺参数。。
2024, 53(10):2897-2905.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240190
摘要:
Mo基单晶是深空探测舰船核动力发电元件的关键材料，优化合金成分制备性能优异的单晶材料是提高核电源发电效率和服役寿命的重要途径。本文采用电子束悬浮区域熔炼方法制备了新型Mo-Nb-W单晶，利用纳米压痕技术研究了不同取向晶面的硬度(H)、接触刚度(S)和弹性模量(E)随应变速率的变化规律。研究发现，BCC结构Mo-Nb-W单晶 (111)晶面的载荷-位移曲线连续光滑变化，且塑性指数较高，表明<111>方向塑性较好，而(110)和(112)晶面的载荷-位移曲线中均出现了位移突进台阶，同时塑性指数较低，表明<110>和<112>方向塑性相对较差。随应变速率增大，三个取向晶面硬度因弛豫时间缩短而增大，而接触刚度和弹性模量有降低趋势。Mo-Nb-W单晶力学性能具有明显的各向异性，其中硬度排序为H(111)>H(110)>H(112)，而接触刚度和弹性模量排序为：S(111)>S(112)>S(110)和E(111)>E(112)>E(110)。随压入深度增加，硬度逐渐变小，表现出明显压痕尺寸效应，其中(111)晶面尺寸效应最为明显。
Mo基单晶是深空探测舰船核动力发电元件的关键材料，优化合金成分制备性能优异的单晶材料是提高核电源发电效率和服役寿命的重要途径。本文采用电子束悬浮区域熔炼方法制备了新型Mo-Nb-W单晶，利用纳米压痕技术研究了不同取向晶面的硬度(H)、接触刚度(S)和弹性模量(E)随应变速率的变化规律。研究发现，BCC结构Mo-Nb-W单晶 (111)晶面的载荷-位移曲线连续光滑变化，且塑性指数较高，表明<111>方向塑性较好，而(110)和(112)晶面的载荷-位移曲线中均出现了位移突进台阶，同时塑性指数较低，表明<110>和<112>方向塑性相对较差。随应变速率增大，三个取向晶面硬度因弛豫时间缩短而增大，而接触刚度和弹性模量有降低趋势。Mo-Nb-W单晶力学性能具有明显的各向异性，其中硬度排序为H(111)>H(110)>H(112)，而接触刚度和弹性模量排序为：S(111)>S(112)>S(110)和E(111)>E(112)>E(110)。随压入深度增加，硬度逐渐变小，表现出明显压痕尺寸效应，其中(111)晶面尺寸效应最为明显。
2024, 53(10):2906-2912.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230531
摘要:
锆合金包壳在反应堆环境下受到辐照与腐蚀的协同作用。本文使用6.37 MeV Xe离子辐照Zr-1Nb合金,评估了常温0.5M LiOH水环境中辐照前后Zr-1Nb合金的电化学腐蚀特性,并测量了辐照前后Zr-1Nb合金的显微硬度和表面形貌、物相组成。经过Xe离子辐照后,Zr-1Nb合金表面出现了离子剥蚀形成的凹凸起伏,表面粗糙度和硬度随辐照剂量增加而增加。0.5 dpa剂量辐照后样品的腐蚀电流密度相比于未辐照样品增加约18倍,2.7 dpa剂量样品则增加约72倍。同时,辐照后样品的腐蚀电位降低,极化电阻显著减少。此外,辐照后Zr-1Nb合金样品低频阻抗降低,容抗弧半径也随辐照剂量增加而减少。极化曲线和电化学阻抗测量结果表明,离子辐照增强了Zr-1Nb合金的腐蚀倾向,其耐腐蚀性能随辐照剂量增加而降低。电化学腐蚀测试后,Zr-1Nb合金表面出现了板条形组织,且离子辐照后样品该板条形组织更加细小。Zr-1Nb合金辐照样品耐腐蚀性能下降主要是合金基体的辐照损伤导致的结果。
锆合金包壳在反应堆环境下受到辐照与腐蚀的协同作用。本文使用6.37 MeV Xe离子辐照Zr-1Nb合金,评估了常温0.5M LiOH水环境中辐照前后Zr-1Nb合金的电化学腐蚀特性,并测量了辐照前后Zr-1Nb合金的显微硬度和表面形貌、物相组成。经过Xe离子辐照后,Zr-1Nb合金表面出现了离子剥蚀形成的凹凸起伏,表面粗糙度和硬度随辐照剂量增加而增加。0.5 dpa剂量辐照后样品的腐蚀电流密度相比于未辐照样品增加约18倍,2.7 dpa剂量样品则增加约72倍。同时,辐照后样品的腐蚀电位降低,极化电阻显著减少。此外,辐照后Zr-1Nb合金样品低频阻抗降低,容抗弧半径也随辐照剂量增加而减少。极化曲线和电化学阻抗测量结果表明,离子辐照增强了Zr-1Nb合金的腐蚀倾向,其耐腐蚀性能随辐照剂量增加而降低。电化学腐蚀测试后,Zr-1Nb合金表面出现了板条形组织,且离子辐照后样品该板条形组织更加细小。Zr-1Nb合金辐照样品耐腐蚀性能下降主要是合金基体的辐照损伤导致的结果。
2024, 53(10):2913-2925.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230508
摘要:
采用数值模拟和实验验证相结合方法研究旋转盘雾化铝合金粉末过程，系统的对熔体在不同盘形表面铺展运动特性和熔体薄液膜的破碎规律，以及破碎后形成液滴的飞行冷却情况研究，结果表面:球形盘表面液膜相对于盘面的滑移更小，液膜铺展的更均匀，盘面的传热更稳定，相同工况下球形盘连续液膜边界直径相比增加了约40%，最大液膜速度增加约19%，雾化液滴中位径D50减小约14%，液滴粒径分布更为集中，对粉末粒径及粒度分布的控制更高效。
采用数值模拟和实验验证相结合方法研究旋转盘雾化铝合金粉末过程，系统的对熔体在不同盘形表面铺展运动特性和熔体薄液膜的破碎规律，以及破碎后形成液滴的飞行冷却情况研究，结果表面:球形盘表面液膜相对于盘面的滑移更小，液膜铺展的更均匀，盘面的传热更稳定，相同工况下球形盘连续液膜边界直径相比增加了约40%，最大液膜速度增加约19%，雾化液滴中位径D50减小约14%，液滴粒径分布更为集中，对粉末粒径及粒度分布的控制更高效。
2024, 53(10):2926-2933.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230525
摘要:
辐照空洞导致的辐照肿胀是堆芯长时服役奥氏体钢失效的重要原因。本文采用介观尺度的相场模型耦合辐照速率理论和微弹性理论，研究外加全局应力和局域位错应力场对奥氏体Fe-Cr合金辐照空洞组织的影响。外加应力作用下空洞形核的孕育期缩短，空洞长大加速，沿着外加应力方向空洞形貌被拉长为纺锤形；相比无外加应力下，外加应力作用使空洞平均尺寸更大，空洞数量减少。外加应力越大，空洞平均尺寸越大、数量越少、体积分数越大，形貌改变越显著。位错偶极子和位错阵列的弹性应力场吸引空位在其位错核周围择优形核长大，且与无位错作用相比，位错应力作用下空洞数量增多、平均半径减小，最终体积分数基本不受位错影响。对比外加应力和位错应力场作用，全局应力引起的肿胀较位错更为显著。本研究结果可启发堆芯奥氏体钢组织老化和性能衰退评估。
辐照空洞导致的辐照肿胀是堆芯长时服役奥氏体钢失效的重要原因。本文采用介观尺度的相场模型耦合辐照速率理论和微弹性理论，研究外加全局应力和局域位错应力场对奥氏体Fe-Cr合金辐照空洞组织的影响。外加应力作用下空洞形核的孕育期缩短，空洞长大加速，沿着外加应力方向空洞形貌被拉长为纺锤形；相比无外加应力下，外加应力作用使空洞平均尺寸更大，空洞数量减少。外加应力越大，空洞平均尺寸越大、数量越少、体积分数越大，形貌改变越显著。位错偶极子和位错阵列的弹性应力场吸引空位在其位错核周围择优形核长大，且与无位错作用相比，位错应力作用下空洞数量增多、平均半径减小，最终体积分数基本不受位错影响。对比外加应力和位错应力场作用，全局应力引起的肿胀较位错更为显著。本研究结果可启发堆芯奥氏体钢组织老化和性能衰退评估。
2024, 53(10):2934-2940.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230513
摘要:
采用水热法制备尖晶石型MgxCo1-xFe2O4，通过X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）和矢量网络分析仪（VNA）表征手段，研究了掺杂Mg、Co比例对铁氧体晶体结构、微观形貌及吸波性能的影响，总结了镁钴铁氧体的电磁波吸收机制。结果表明：在pH=10、晶化温度为180℃、晶化时间为8 h条件下，成功制备出形貌为不规则四边形的镁钴铁氧体材料。当Mg2+、Co2+配比为5:5，吸波层厚度为3.5 mm时，在频率9.50 GHz处反射损耗值达到-40.78 dB，有效吸收带宽为3.65 GHz（8.06~11.71 GHz），覆盖X波段。优异的吸波性能归因于自然共振、交换共振和涡流损耗的共同作用。
采用水热法制备尖晶石型MgxCo1-xFe2O4，通过X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）和矢量网络分析仪（VNA）表征手段，研究了掺杂Mg、Co比例对铁氧体晶体结构、微观形貌及吸波性能的影响，总结了镁钴铁氧体的电磁波吸收机制。结果表明：在pH=10、晶化温度为180℃、晶化时间为8 h条件下，成功制备出形貌为不规则四边形的镁钴铁氧体材料。当Mg2+、Co2+配比为5:5，吸波层厚度为3.5 mm时，在频率9.50 GHz处反射损耗值达到-40.78 dB，有效吸收带宽为3.65 GHz（8.06~11.71 GHz），覆盖X波段。优异的吸波性能归因于自然共振、交换共振和涡流损耗的共同作用。
2024, 53(10):2941-2951.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230524
摘要:
粗柱状β晶粒中存在的针状α′马氏体是电子束熔丝增材制造(EBAM)TC11钛合金较差延展性的主要原因。为实现高强韧TC11合金的工程制造,采用丝束同轴电子束熔丝增材制造(C-EBAM),通过提升EBAM过程中电子束、丝材以及基材相互作用状态,改善了熔池热分布。进一步从组织结构、晶粒形貌以及力学性能等方面对EBAM与C-EBAM进行了详细比较。讨论了两者丝材过渡状态对工艺稳定性的影响、马氏体相变过程以及拉伸性能差异性与各向异性的原因。结果表明：C-EBAM在较低的冷却速率下,从β相场缓慢冷却的途径和原位马氏体分解获得了强韧层状α+β微观结构,Al元素几乎无蒸发。与EBAM相比,C-EBAM中沉积方向塑性的提高可归因于双层微观结构、不连续α相晶界。这为进一步优化束源特性指明了方向。
粗柱状β晶粒中存在的针状α′马氏体是电子束熔丝增材制造(EBAM)TC11钛合金较差延展性的主要原因。为实现高强韧TC11合金的工程制造,采用丝束同轴电子束熔丝增材制造(C-EBAM),通过提升EBAM过程中电子束、丝材以及基材相互作用状态,改善了熔池热分布。进一步从组织结构、晶粒形貌以及力学性能等方面对EBAM与C-EBAM进行了详细比较。讨论了两者丝材过渡状态对工艺稳定性的影响、马氏体相变过程以及拉伸性能差异性与各向异性的原因。结果表明：C-EBAM在较低的冷却速率下,从β相场缓慢冷却的途径和原位马氏体分解获得了强韧层状α+β微观结构,Al元素几乎无蒸发。与EBAM相比,C-EBAM中沉积方向塑性的提高可归因于双层微观结构、不连续α相晶界。这为进一步优化束源特性指明了方向。
2024, 53(10):2952-2959.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230527
摘要:
本文通过高分辨透射电子显微镜和扫描电子显微镜揭示了不同冷速对二代镍基单晶高温合金DD6的组织演化的影响。在空冷条件下,基体通道处分布着大量二次γ"相,随时间的延长,其形貌由球形→立方形→蝴蝶状,尺寸也随之增加；γ"相边缘出现裂缝并逐渐演化为锯齿状凹槽。在炉冷条件下,基体通道中分布大量细小的球状二次γ"相,基体通道宽度增加,并与保温时间呈正相关。在水冷条件下,基体通道中无二次γ"相分布,γ"相立方度完整,随保温时间延长,形貌无明显变化。γ"相在择优分解的过程中,在两相界面间产生大量正负刃型位错,相界两侧的正负刃型位错相遇产生湮灭,降低周围的能量,促进了γ"相的择优分解。
本文通过高分辨透射电子显微镜和扫描电子显微镜揭示了不同冷速对二代镍基单晶高温合金DD6的组织演化的影响。在空冷条件下,基体通道处分布着大量二次γ"相,随时间的延长,其形貌由球形→立方形→蝴蝶状,尺寸也随之增加；γ"相边缘出现裂缝并逐渐演化为锯齿状凹槽。在炉冷条件下,基体通道中分布大量细小的球状二次γ"相,基体通道宽度增加,并与保温时间呈正相关。在水冷条件下,基体通道中无二次γ"相分布,γ"相立方度完整,随保温时间延长,形貌无明显变化。γ"相在择优分解的过程中,在两相界面间产生大量正负刃型位错,相界两侧的正负刃型位错相遇产生湮灭,降低周围的能量,促进了γ"相的择优分解。
2024, 53(10):2960-2967.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230528
摘要:
本文研究了Cu含量对Al-Si-Mg-Er-Zr合金室温及高温拉伸性能的影响。不同Cu含量合金铸态组织均存在α-Al、Si相、β相、Q相、θ相。随Cu含量的增加，合金中共晶组织增多，呈骨骼状，这有利于提升合金的铸造性能。随Cu含量增加，铸态合金的屈服强度提高。对三种Cu含量（0.6Cu、1.0Cu、1.0Cu）的Al-Si-Mg-Er-Zr合金进行500℃/4h+540℃/2h+180℃/xh热处理，它们分别在10h、12h、12h达到峰值时效，峰值硬度分别为137.2HV、139.2HV、142.7HV。随Cu含量增加，合金T6态室温拉伸强度提高，这是由于时效过程中含1.4Cu的合金中存在的强化相最多，包含β"相、Q"相、θ"相这三种相。在300℃高温暴露44h后，含1.4Cu的合金硬度降幅最小。这是由于在该温度下，合金中随Cu含量增加，棒状Q相也增加，而Q- Al5Mg8Cu2Si6相是合金中主要的热力学稳定的强化相，提高了合金的耐热性。经T6处理的三种Cu含量的合金，在300℃高温拉伸的延伸率比室温拉伸的延伸率高，断裂形式也从室温拉伸的脆性断裂转变成韧性断裂。
本文研究了Cu含量对Al-Si-Mg-Er-Zr合金室温及高温拉伸性能的影响。不同Cu含量合金铸态组织均存在α-Al、Si相、β相、Q相、θ相。随Cu含量的增加，合金中共晶组织增多，呈骨骼状，这有利于提升合金的铸造性能。随Cu含量增加，铸态合金的屈服强度提高。对三种Cu含量（0.6Cu、1.0Cu、1.0Cu）的Al-Si-Mg-Er-Zr合金进行500℃/4h+540℃/2h+180℃/xh热处理，它们分别在10h、12h、12h达到峰值时效，峰值硬度分别为137.2HV、139.2HV、142.7HV。随Cu含量增加，合金T6态室温拉伸强度提高，这是由于时效过程中含1.4Cu的合金中存在的强化相最多，包含β"相、Q"相、θ"相这三种相。在300℃高温暴露44h后，含1.4Cu的合金硬度降幅最小。这是由于在该温度下，合金中随Cu含量增加，棒状Q相也增加，而Q- Al5Mg8Cu2Si6相是合金中主要的热力学稳定的强化相，提高了合金的耐热性。经T6处理的三种Cu含量的合金，在300℃高温拉伸的延伸率比室温拉伸的延伸率高，断裂形式也从室温拉伸的脆性断裂转变成韧性断裂。
2024, 53(10):2975-2986.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230505
摘要:
二维材料因具有比表面积大、载流子迁移率及导热系数高等优点而被广泛应用于光学、生物学、材料学和半导体等领域。机械球磨法制备二维材料以其成本低、环保且可规模生产的优势而被广泛应用。本文从机械球磨法的机理及相关模型出发,综述了机械球磨法制备石墨烯、氮化硼和二硫化钼等二维纳米片的研究现状,总结了该方法制备二维纳米材料的优势及存在的问题,并对机械球磨法制备二维材料的发展进行了展望。
二维材料因具有比表面积大、载流子迁移率及导热系数高等优点而被广泛应用于光学、生物学、材料学和半导体等领域。机械球磨法制备二维材料以其成本低、环保且可规模生产的优势而被广泛应用。本文从机械球磨法的机理及相关模型出发,综述了机械球磨法制备石墨烯、氮化硼和二硫化钼等二维纳米片的研究现状,总结了该方法制备二维纳米材料的优势及存在的问题,并对机械球磨法制备二维材料的发展进行了展望。
2024, 53(10):2987-3000.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230518
摘要:
质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高效、低温、环保等优点，是解决能源短缺和环境污染双重问题的潜在方案。然而，其阴极氧还原反应（ORR）中迟缓的动力学过程不得不依赖稀缺昂贵的Pt基催化剂，这阻碍了PEMFC技术的进一步发展和应用。为了降低成本并保证高效的催化性能，近年来研究人员已开发了多种技术策略，通过引入过渡金属与Pt合金化为主要策略之一，特别是PtCo双金属催化剂，它表现了更优异的ORR催化性能。本文综述了PtCo合金催化剂在PEMFC氧还原催化中的最新进展和现状，首先总结了催化剂组分控制、粒径调控、晶面调控、掺杂等调控策略对燃料电池催化活性的影响，其次详细介绍了最有前途的PtCo合金结构，如多面体、核壳、纳米框架、有序金属间结构等PtCo合金催化剂，并对催化剂载体研究进行了讨论，最后指出了PtCo合金催化剂在其应用中存在的挑战以及未来前景。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高效、低温、环保等优点，是解决能源短缺和环境污染双重问题的潜在方案。然而，其阴极氧还原反应（ORR）中迟缓的动力学过程不得不依赖稀缺昂贵的Pt基催化剂，这阻碍了PEMFC技术的进一步发展和应用。为了降低成本并保证高效的催化性能，近年来研究人员已开发了多种技术策略，通过引入过渡金属与Pt合金化为主要策略之一，特别是PtCo双金属催化剂，它表现了更优异的ORR催化性能。本文综述了PtCo合金催化剂在PEMFC氧还原催化中的最新进展和现状，首先总结了催化剂组分控制、粒径调控、晶面调控、掺杂等调控策略对燃料电池催化活性的影响，其次详细介绍了最有前途的PtCo合金结构，如多面体、核壳、纳米框架、有序金属间结构等PtCo合金催化剂，并对催化剂载体研究进行了讨论，最后指出了PtCo合金催化剂在其应用中存在的挑战以及未来前景。
