2024年第53卷第3期文章目次
2024, 53(3):617-624.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230268
摘要:
提出了一种快速制备具有超疏水性、耐磨性和耐腐蚀性的Ti-10V-2Fe-3Al （TB6）钛合金表面的方法。通过纳秒激光器对抛光的钛合金进行精确烧蚀，构筑了具有平行微沟槽阵列特征的织构表面。随后，利用紫外线灯照射和十八烷基三氯硅烷溶液浸渍进行化学改性，进一步增强了表面的疏水性。从表面形态和化学组分的角度分析了微沟槽间隔对织构表面润湿性的影响。结果表明，在干滑动、水润滑和油润滑条件下，所制备的超疏水表面相较于原始亲水表面，平均摩擦系数分别降低了34%、56%和59%。此外，分析了相关摩擦系数变化的机理。通过动电位极化测试验证，所制备的超疏水表面展现出优异的耐腐蚀性，为钛合金基体提供了有效的长期保护。
提出了一种快速制备具有超疏水性、耐磨性和耐腐蚀性的Ti-10V-2Fe-3Al （TB6）钛合金表面的方法。通过纳秒激光器对抛光的钛合金进行精确烧蚀，构筑了具有平行微沟槽阵列特征的织构表面。随后，利用紫外线灯照射和十八烷基三氯硅烷溶液浸渍进行化学改性，进一步增强了表面的疏水性。从表面形态和化学组分的角度分析了微沟槽间隔对织构表面润湿性的影响。结果表明，在干滑动、水润滑和油润滑条件下，所制备的超疏水表面相较于原始亲水表面，平均摩擦系数分别降低了34%、56%和59%。此外，分析了相关摩擦系数变化的机理。通过动电位极化测试验证，所制备的超疏水表面展现出优异的耐腐蚀性，为钛合金基体提供了有效的长期保护。
2024, 53(3):632-642.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230190
摘要:
采用激光熔覆的方法将TiC颗粒增强铁基粉末熔覆在40Cr钢基体上制备高硬度耐磨梯度陶瓷涂层。利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、摩擦磨损试验机对熔覆层的微观组织、物相、硬度及耐磨性进行研究。结果表明：熔覆层物相主要为奥氏体相、TiC强化相，并有少量铁素体相，激光熔覆TiC颗粒增强粉末制备的金属陶瓷涂层组织致密、物相与粉末组成基本一致；TiC 强化相在熔池底部到顶部呈梯度分布，熔池中TiC强化相部分溶解、尺寸减小，部分受激光热作用长大呈四方形、雪花状、鱼骨状，TiC相在熔池底部呈现3种生长方式，且TiC增强相分布较少，熔池中部TiC增强相逐渐增多，熔池上部TiC增强相出现富集并桥接生长；熔覆层维氏硬度HV高达19 602.94 MPa，同等条件下，涂层的摩擦磨损深度为基体的1/5，显著提高了基体的耐磨性。
采用激光熔覆的方法将TiC颗粒增强铁基粉末熔覆在40Cr钢基体上制备高硬度耐磨梯度陶瓷涂层。利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、摩擦磨损试验机对熔覆层的微观组织、物相、硬度及耐磨性进行研究。结果表明：熔覆层物相主要为奥氏体相、TiC强化相，并有少量铁素体相，激光熔覆TiC颗粒增强粉末制备的金属陶瓷涂层组织致密、物相与粉末组成基本一致；TiC 强化相在熔池底部到顶部呈梯度分布，熔池中TiC强化相部分溶解、尺寸减小，部分受激光热作用长大呈四方形、雪花状、鱼骨状，TiC相在熔池底部呈现3种生长方式，且TiC增强相分布较少，熔池中部TiC增强相逐渐增多，熔池上部TiC增强相出现富集并桥接生长；熔覆层维氏硬度HV高达19 602.94 MPa，同等条件下，涂层的摩擦磨损深度为基体的1/5，显著提高了基体的耐磨性。
2024, 53(3):685-691.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230102
摘要:
锆具有良好的吸氢性能，被认为是储氘领域的候选材料。但由于其吸氢温度较高且吸氢动力学较慢，目前尚不能进行广泛应用。采用电镀钯的方法对锆进行表面改性，以提高其吸氢性能。结果表明：在经过镀钯且退火处理后的锆合金，在室温下可以实现吸氢，并且有适当的孕育期；与此同时，随着温度的升高，镀钯且退火处理后的锆合金孕育期缩短，吸氢速率变快。通过对微观结构进行分析，发现在氢化后，钯层与锆基板之间形成了过渡区，过渡区中存在PdH1.33和H0.62Zr0.38。由此可见，过渡区中的氢化物对改善锆的吸氢性能起着重要作用。通过对动力学机制进行研究，确定在室温下，镀钯且退火处理后的锆合金吸氢过程符合一维扩散机制；而在250 ℃时，符合二维扩散机制。
锆具有良好的吸氢性能，被认为是储氘领域的候选材料。但由于其吸氢温度较高且吸氢动力学较慢，目前尚不能进行广泛应用。采用电镀钯的方法对锆进行表面改性，以提高其吸氢性能。结果表明：在经过镀钯且退火处理后的锆合金，在室温下可以实现吸氢，并且有适当的孕育期；与此同时，随着温度的升高，镀钯且退火处理后的锆合金孕育期缩短，吸氢速率变快。通过对微观结构进行分析，发现在氢化后，钯层与锆基板之间形成了过渡区，过渡区中存在PdH1.33和H0.62Zr0.38。由此可见，过渡区中的氢化物对改善锆的吸氢性能起着重要作用。通过对动力学机制进行研究，确定在室温下，镀钯且退火处理后的锆合金吸氢过程符合一维扩散机制；而在250 ℃时，符合二维扩散机制。
2024, 53(3):778-786.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230107
摘要:
本研究采用激光熔覆技术,在低碳钢表面制备了ZrC增强的CoCrNi合金涂层。研究了ZrC的不同分数(0, 1, 3, 5 wt.%)对CoCrNi基中熵合金涂层组织、硬度和耐磨性的影响。利用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪分析了涂层的相组成及微观组织结构,并采用显微硬度和摩擦磨损试验对样品的硬度和耐磨性进行了测试。结果表明：熔覆层与基体形成了良好的冶金结合,没有出现明显的裂纹和及空洞等缺陷。不含ZrC的CoCrNi中熵合金涂层由单相FCC结构组成,随着涂层中ZrC的加入,涂层中的物相组成变为了FCC+ ZrC0.7+Cr23C6+ZrO2。涂层的晶粒得到了明显细化,实现了晶界强化、固溶强化和弥散强化(Orowan)的共同作用,形成的碳化物Cr23C6相与FCC固溶体结合形成共晶碳化物,起到了协同强化作用,有效地提高了涂层的硬度和耐磨性。然而ZrC中的Zr与空气中的杂质O结合生成的ZrO2也对涂层的性能产生了不利影响,主要是因为ZrO2的存在会导致涂层中颗粒分布不均匀加剧,弱化弥散强化的作用。所以当ZrC较少时,涂层的性能并未得到较好的提升,但是当涂层中ZrC含量增加到5wt.%时,涂层中析出了较多的强化相ZrC0.7能够有效的提高材料的性能,该涂层的最大硬度为651±15 HV0.1,摩擦系数为0.161,相较于不含ZrC的涂层均有较大的提升。
本研究采用激光熔覆技术,在低碳钢表面制备了ZrC增强的CoCrNi合金涂层。研究了ZrC的不同分数(0, 1, 3, 5 wt.%)对CoCrNi基中熵合金涂层组织、硬度和耐磨性的影响。利用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪分析了涂层的相组成及微观组织结构,并采用显微硬度和摩擦磨损试验对样品的硬度和耐磨性进行了测试。结果表明：熔覆层与基体形成了良好的冶金结合,没有出现明显的裂纹和及空洞等缺陷。不含ZrC的CoCrNi中熵合金涂层由单相FCC结构组成,随着涂层中ZrC的加入,涂层中的物相组成变为了FCC+ ZrC0.7+Cr23C6+ZrO2。涂层的晶粒得到了明显细化,实现了晶界强化、固溶强化和弥散强化(Orowan)的共同作用,形成的碳化物Cr23C6相与FCC固溶体结合形成共晶碳化物,起到了协同强化作用,有效地提高了涂层的硬度和耐磨性。然而ZrC中的Zr与空气中的杂质O结合生成的ZrO2也对涂层的性能产生了不利影响,主要是因为ZrO2的存在会导致涂层中颗粒分布不均匀加剧,弱化弥散强化的作用。所以当ZrC较少时,涂层的性能并未得到较好的提升,但是当涂层中ZrC含量增加到5wt.%时,涂层中析出了较多的强化相ZrC0.7能够有效的提高材料的性能,该涂层的最大硬度为651±15 HV0.1,摩擦系数为0.161,相较于不含ZrC的涂层均有较大的提升。
2024, 53(3):796-806.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230111
摘要:
采用微弧氧化（MAO）在A356铝合金表面制备MAO膜，利用球-平面接触在SRV-V微动摩擦磨损机上探究变载荷和位移下微弧氧化对A356微动磨损机理的影响。结果表明：MAO膜由疏松层和致密层构成，其均匀性、致密性和结合力良好。MAO膜的摩擦系数、磨损率均低于A356，MAO膜减摩耐磨性较好。随位移增加MAO膜的摩擦耗散能系数低于A356，MAO膜能提升A356微动磨损过程的稳定性。载荷增加时A356磨损机制为磨粒磨损-粘着磨损，伴随犁削和疲劳剥层； MAO膜磨损机制为磨粒磨损-粘着磨损和疲劳剥落。位移增加时A356磨损机制为粘着磨损和疲劳剥落，伴随微犁削；MAO膜磨损机制为粘着磨损和疲劳剥层-粘着磨损和磨粒磨损。A356的磨痕内聚集Fe、O元素，存在材料转移和氧化磨损；MAO膜磨痕内聚集Fe元素，存在材料转移。
采用微弧氧化（MAO）在A356铝合金表面制备MAO膜，利用球-平面接触在SRV-V微动摩擦磨损机上探究变载荷和位移下微弧氧化对A356微动磨损机理的影响。结果表明：MAO膜由疏松层和致密层构成，其均匀性、致密性和结合力良好。MAO膜的摩擦系数、磨损率均低于A356，MAO膜减摩耐磨性较好。随位移增加MAO膜的摩擦耗散能系数低于A356，MAO膜能提升A356微动磨损过程的稳定性。载荷增加时A356磨损机制为磨粒磨损-粘着磨损，伴随犁削和疲劳剥层； MAO膜磨损机制为磨粒磨损-粘着磨损和疲劳剥落。位移增加时A356磨损机制为粘着磨损和疲劳剥落，伴随微犁削；MAO膜磨损机制为粘着磨损和疲劳剥层-粘着磨损和磨粒磨损。A356的磨痕内聚集Fe、O元素，存在材料转移和氧化磨损；MAO膜磨痕内聚集Fe元素，存在材料转移。
2024, 53(3):825-833.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230135
摘要:
在12CrMoVG基体上通过超音速火焰喷涂(HVOF)技术,分别采用不同煤油流量制备了NiCrBSi-CrSi2复合涂层。利用 XRD、SEM、EDS、Raman、维氏显微硬度计、电子拉伸试验机和高温旋转式摩擦磨损试验机分别表征了不同煤油流量下涂层物相、组织结构、力学性能和高温摩擦磨损性能。结果表明: 不同煤油流量涂层的物相组成基本相同,均有γ-Ni、Ni3B、Cr2B、CrSi2和Cr5Si3,但随着煤油流量升高,涂层中的CrSi2和Cr2B的部分会分别转变为Cr5Si3和CrB相。涂层显微硬度和结合强度随着煤油流量的升高均呈现先增后减的趋势,孔隙率和磨损率表现出先减后增的趋势。当煤油流量为30 L/h时,粉末熔融效果最好,涂层的孔隙率最低为0.17 %,显微硬度较高达到569 HV0.3,结合强度较高为59 MPa,磨损率最低为2.84×10-14 m3/(N.m)。磨痕表面产生的 Cr2O3、SiO2和NiCr2O4等氧化物以及较高的涂层硬度使得30 L/h的涂层显示出最优的耐高温摩擦磨损性能。涂层的磨损机制以氧化磨损和黏着磨损为主。
在12CrMoVG基体上通过超音速火焰喷涂(HVOF)技术,分别采用不同煤油流量制备了NiCrBSi-CrSi2复合涂层。利用 XRD、SEM、EDS、Raman、维氏显微硬度计、电子拉伸试验机和高温旋转式摩擦磨损试验机分别表征了不同煤油流量下涂层物相、组织结构、力学性能和高温摩擦磨损性能。结果表明: 不同煤油流量涂层的物相组成基本相同,均有γ-Ni、Ni3B、Cr2B、CrSi2和Cr5Si3,但随着煤油流量升高,涂层中的CrSi2和Cr2B的部分会分别转变为Cr5Si3和CrB相。涂层显微硬度和结合强度随着煤油流量的升高均呈现先增后减的趋势,孔隙率和磨损率表现出先减后增的趋势。当煤油流量为30 L/h时,粉末熔融效果最好,涂层的孔隙率最低为0.17 %,显微硬度较高达到569 HV0.3,结合强度较高为59 MPa,磨损率最低为2.84×10-14 m3/(N.m)。磨痕表面产生的 Cr2O3、SiO2和NiCr2O4等氧化物以及较高的涂层硬度使得30 L/h的涂层显示出最优的耐高温摩擦磨损性能。涂层的磨损机制以氧化磨损和黏着磨损为主。
2024, 53(3):902-932.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230088
摘要:
在质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs）的部件中，双极板是重要组成部分。双极板约占燃料电池成本、质量、体积的40 %、80 %、50 %。传统的PEMFC因为石墨双极板的材料、工艺等问题，造成其体积和质量较大，这增加了汽车的重量，缩小了汽车底盘地可用空间，影响了质子交换膜燃料电池汽车的性能。因此开发体积小、成本低、制备工艺简单的双极板对推进质子交换膜燃料电池的商业化应用具有重要意义。金属双极板因其成本低、力学性能好、导电性、导热性、体积相对易控等特点，在PEMFC领域备受关注。但金属双极板在PEMFC环境中易生成钝化膜，导致其接触电阻增加。因此，如何在提高金属双极板耐蚀性的同时，保持良好的导电性，是当前对PEMFC研究的重点。本文综述了石墨、复合材料和金属双极板制备工艺及表面改性方法。讨论了双极板及其表面碳化物涂层、金属涂层和氮化物涂层的优缺点，并比较了这些涂层在PEMFC环境下的耐腐蚀性和界面接触电阻性能。
在质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs）的部件中，双极板是重要组成部分。双极板约占燃料电池成本、质量、体积的40 %、80 %、50 %。传统的PEMFC因为石墨双极板的材料、工艺等问题，造成其体积和质量较大，这增加了汽车的重量，缩小了汽车底盘地可用空间，影响了质子交换膜燃料电池汽车的性能。因此开发体积小、成本低、制备工艺简单的双极板对推进质子交换膜燃料电池的商业化应用具有重要意义。金属双极板因其成本低、力学性能好、导电性、导热性、体积相对易控等特点，在PEMFC领域备受关注。但金属双极板在PEMFC环境中易生成钝化膜，导致其接触电阻增加。因此，如何在提高金属双极板耐蚀性的同时，保持良好的导电性，是当前对PEMFC研究的重点。本文综述了石墨、复合材料和金属双极板制备工艺及表面改性方法。讨论了双极板及其表面碳化物涂层、金属涂层和氮化物涂层的优缺点，并比较了这些涂层在PEMFC环境下的耐腐蚀性和界面接触电阻性能。
2024, 53(3):726-735.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230140
摘要:
基于团簇加连接原子模型和镍基高温合金理想成分式,对DD98M合金进行成分解析和再设计,降低Cr/Mo/W元素含量,得到DD98MC合金。利用真空感应熔炼制备两种合金的母合金,并进行固溶时效和1273k下的长期时效。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试方法对两种合金时效后的铸态组织进行研究,分析高温长期时效和Cr/Mo/W对合金铸态组织和性能的影响规律。结果表明,长期时效会引起γ"相的部分分解,促进元素扩散,加剧元素偏析。随长期时效时间的延长,γ"相粗化长大乃至出现筏化,硬度降低,错配度绝对值减小,γ"相立方度降低。随Cr/Mo/W元素含量降低,错配度绝对值减小,γ"相立方度降低,硬度降低。DD98M合金长期时效出现了γ"相筏化,在晶界和晶内有粗大的γ"相形成和大量的σ相析出。 DD98MC合金长期时效只在晶界处有σ相和MC型碳化物析出。与DD98M相比DD98MC有更好的组织稳定性和机械性能。
基于团簇加连接原子模型和镍基高温合金理想成分式,对DD98M合金进行成分解析和再设计,降低Cr/Mo/W元素含量,得到DD98MC合金。利用真空感应熔炼制备两种合金的母合金,并进行固溶时效和1273k下的长期时效。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试方法对两种合金时效后的铸态组织进行研究,分析高温长期时效和Cr/Mo/W对合金铸态组织和性能的影响规律。结果表明,长期时效会引起γ"相的部分分解,促进元素扩散,加剧元素偏析。随长期时效时间的延长,γ"相粗化长大乃至出现筏化,硬度降低,错配度绝对值减小,γ"相立方度降低。随Cr/Mo/W元素含量降低,错配度绝对值减小,γ"相立方度降低,硬度降低。DD98M合金长期时效出现了γ"相筏化,在晶界和晶内有粗大的γ"相形成和大量的σ相析出。 DD98MC合金长期时效只在晶界处有σ相和MC型碳化物析出。与DD98M相比DD98MC有更好的组织稳定性和机械性能。
2024, 53(3):736-747.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230094
摘要:
718合金因其在高温下优异的机械性能和良好的加工性能,已成为核电、航空等领域的关键材料。核级718合金需满足抗辐照能力强、热中子吸收截面小等特殊要求,因此,合金中Ni、Nb、C 等元素含量一般控制在较低水平,然而对这种低Ni、Nb、C的核级718合金热变形组织性能的研究较少。本工作通过设计不同初轧温度及变形量,研究了不同热轧工艺参数及轧后热处理对核级718合金组织和拉伸性能的影响。结果表明,在初轧温度低于1150℃且热变形量低于90%的条件下,组织中出现大量拉长晶,并降低合金的延伸率；当初轧温度达到1150℃或热变形量达到90%时,可以得到均匀的等轴晶组织。轧后板材进行990℃固溶处理后,δ相析出并对晶界产生钉扎作用,形成了混晶显微组织且在标准时效处理后315℃屈服、抗拉强度均值可达到1050MPa和1238MPa,断后伸长率高达26%；当进行1020℃固溶处理后可得长大的等轴晶粒,标准时效处理后315℃屈服、抗拉强度均值可达到985MPa和1175MPa,断后伸长率高达29%,显示出良好的强韧性。
718合金因其在高温下优异的机械性能和良好的加工性能,已成为核电、航空等领域的关键材料。核级718合金需满足抗辐照能力强、热中子吸收截面小等特殊要求,因此,合金中Ni、Nb、C 等元素含量一般控制在较低水平,然而对这种低Ni、Nb、C的核级718合金热变形组织性能的研究较少。本工作通过设计不同初轧温度及变形量,研究了不同热轧工艺参数及轧后热处理对核级718合金组织和拉伸性能的影响。结果表明,在初轧温度低于1150℃且热变形量低于90%的条件下,组织中出现大量拉长晶,并降低合金的延伸率；当初轧温度达到1150℃或热变形量达到90%时,可以得到均匀的等轴晶组织。轧后板材进行990℃固溶处理后,δ相析出并对晶界产生钉扎作用,形成了混晶显微组织且在标准时效处理后315℃屈服、抗拉强度均值可达到1050MPa和1238MPa,断后伸长率高达26%；当进行1020℃固溶处理后可得长大的等轴晶粒,标准时效处理后315℃屈服、抗拉强度均值可达到985MPa和1175MPa,断后伸长率高达29%,显示出良好的强韧性。
2024, 53(3):748-756.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230115
摘要:
研究了Ta、Co对一种新型高强抗热腐蚀单晶高温合金微观组织及1000 ℃长期时效中组织稳定性的影响。结果表明，随Ta含量的增加，γ′相溶解温度提高，完全热处理后的γ′相尺寸先增大后减小，Co降低了γ′相溶解温度，减小了γ′相尺寸并且降低了γ′相的含量；1000 ℃长期时效过程中，随Ta含量的提高，γ′相粗化速率先降低后升高，Co降低了γ′相的粗化速率，γ/γ′两相错配度和元素的扩散是影响γ′相粗化速率的主要因素；Ta提高了合金中γ′相的含量，促使Re、W、Mo、Cr元素向γ基体中分配，促进了TCP相的析出，Co降低了Re、W、Mo、Cr元素在γ基体中的分配，降低了基体的过饱和度，抑制了TCP相的析出。
研究了Ta、Co对一种新型高强抗热腐蚀单晶高温合金微观组织及1000 ℃长期时效中组织稳定性的影响。结果表明，随Ta含量的增加，γ′相溶解温度提高，完全热处理后的γ′相尺寸先增大后减小，Co降低了γ′相溶解温度，减小了γ′相尺寸并且降低了γ′相的含量；1000 ℃长期时效过程中，随Ta含量的提高，γ′相粗化速率先降低后升高，Co降低了γ′相的粗化速率，γ/γ′两相错配度和元素的扩散是影响γ′相粗化速率的主要因素；Ta提高了合金中γ′相的含量，促使Re、W、Mo、Cr元素向γ基体中分配，促进了TCP相的析出，Co降低了Re、W、Mo、Cr元素在γ基体中的分配，降低了基体的过饱和度，抑制了TCP相的析出。
2024, 53(3):757-767.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230095
摘要:
通过设计型壳保温方式改变合金凝固冷却速率,分析了凝固冷却速率对一种等轴晶镍基铸造高温合金K4750显微组织和室温拉伸性能的影响。设计的四种型壳保温方式包括填砂、试棒不包保温毡、包单层保温毡和包双层保温毡,型壳试棒处的凝固冷却速率大小顺序为：试棒不包保温毡≥填砂＞＞包单层保温毡≥包双层保温毡。标准热处理后,型壳填砂的试棒室温抗拉强度最高(1115MPa),试棒不包保温毡次之(1095MPa),包单层保温毡与包双层保温毡最差(分别为950MPa和952.5MPa)。室温屈服强度、延伸率和断面收缩率变化规律与室温抗拉强度相同。采用OM、SEM以及EBSD等方法表征合金显微组织,发现型壳填砂、试棒不包保温毡、包单层保温毡和包双层保温毡的试棒晶粒均为等轴晶,平均晶粒尺寸分别为176μm、167μm、325μm、315μm。填砂和试棒不包保温毡合金凝固冷速较快,形成的细小等轴晶在应力条件下易于协调变形,凝固过程形成的MC型一次碳化物更细小且主要呈块状,有利于抑制变形时微孔洞、裂纹的扩展,显著提高了合金室温拉伸性能。相反,型壳包单层和双层保温毡的合金凝固冷速较慢,形成的大尺寸等轴晶不利于晶粒间的协调变形,析出的大尺寸长条状MC型一次碳化物促进孔洞、微裂纹的萌生与扩展,使合金室温强度和塑性均显著下降。
通过设计型壳保温方式改变合金凝固冷却速率,分析了凝固冷却速率对一种等轴晶镍基铸造高温合金K4750显微组织和室温拉伸性能的影响。设计的四种型壳保温方式包括填砂、试棒不包保温毡、包单层保温毡和包双层保温毡,型壳试棒处的凝固冷却速率大小顺序为：试棒不包保温毡≥填砂＞＞包单层保温毡≥包双层保温毡。标准热处理后,型壳填砂的试棒室温抗拉强度最高(1115MPa),试棒不包保温毡次之(1095MPa),包单层保温毡与包双层保温毡最差(分别为950MPa和952.5MPa)。室温屈服强度、延伸率和断面收缩率变化规律与室温抗拉强度相同。采用OM、SEM以及EBSD等方法表征合金显微组织,发现型壳填砂、试棒不包保温毡、包单层保温毡和包双层保温毡的试棒晶粒均为等轴晶,平均晶粒尺寸分别为176μm、167μm、325μm、315μm。填砂和试棒不包保温毡合金凝固冷速较快,形成的细小等轴晶在应力条件下易于协调变形,凝固过程形成的MC型一次碳化物更细小且主要呈块状,有利于抑制变形时微孔洞、裂纹的扩展,显著提高了合金室温拉伸性能。相反,型壳包单层和双层保温毡的合金凝固冷速较慢,形成的大尺寸等轴晶不利于晶粒间的协调变形,析出的大尺寸长条状MC型一次碳化物促进孔洞、微裂纹的萌生与扩展,使合金室温强度和塑性均显著下降。
2024, 53(3):768-777.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230519
摘要:
本工作研究了复合亚固溶热处理工艺对一种新型镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)γ"相组织的影响规律。大尺寸锻造态涡轮盘件锻后冷速较低，γ"相的尺寸在约100nm至4500nm之间分布。在盘件上取小试样进行热处理实验，试样升温至1000℃和1050℃时，γ"相总占比下降，Oswald熟化机制及PAM机制同时存在。试样升温至1100℃时，晶内γ"相完全回溶。使用复合亚固溶热处理工艺，先将试样升温至1120℃度保温2h，快速冷却后再分别升温至1000℃、1050℃和1100℃时，γ"相总占比均下降，晶内γ"相演变以Oswald熟化机制为主导，其形貌及尺寸在升温过程中相对稳定。在盘件上取性能试棒分别进行锻造态+1000℃（不保温）+时效热处理和锻造态+1120℃（2h），80℃/min+1000℃空冷+时效热处理后进行550℃拉伸测试，后者的屈服强度和抗拉强度显著高于前者，可为大尺寸涡轮盘件的双性能热处理工艺的制定提供参考。
本工作研究了复合亚固溶热处理工艺对一种新型镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)γ"相组织的影响规律。大尺寸锻造态涡轮盘件锻后冷速较低，γ"相的尺寸在约100nm至4500nm之间分布。在盘件上取小试样进行热处理实验，试样升温至1000℃和1050℃时，γ"相总占比下降，Oswald熟化机制及PAM机制同时存在。试样升温至1100℃时，晶内γ"相完全回溶。使用复合亚固溶热处理工艺，先将试样升温至1120℃度保温2h，快速冷却后再分别升温至1000℃、1050℃和1100℃时，γ"相总占比均下降，晶内γ"相演变以Oswald熟化机制为主导，其形貌及尺寸在升温过程中相对稳定。在盘件上取性能试棒分别进行锻造态+1000℃（不保温）+时效热处理和锻造态+1120℃（2h），80℃/min+1000℃空冷+时效热处理后进行550℃拉伸测试，后者的屈服强度和抗拉强度显著高于前者，可为大尺寸涡轮盘件的双性能热处理工艺的制定提供参考。
2024, 53(3):787-795.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230109
摘要:
本文研究了不同热处理工艺对一种新型增材制造镍基高温合金ZGH451组织性能的影响。结果表明，沉积态组织主要由外延生长的微细柱晶组成，枝晶间存在γ/γ＇共晶组织，合金中元素偏析造成了枝晶干与枝晶间处γ＇相尺寸差异，分别为100 nm和250 nm。不同热处理工艺合金的组织和性能存在一定差异：随着固溶温度由1180 ℃升高到1350 ℃，合金偏析程度逐渐减弱，直至1350 ℃发现初熔组织；随着一级时效温度由1050 ℃升高到1150 ℃，γ＇相的尺寸逐渐增大，形状由球状等不规则形状转变为立方状。综上，优化出适用于该合金的热处理工艺（HT2），与沉积态合金相比，完全热处理后合金的晶粒尺寸明显增大，且消除了合金的偏析及γ/γ＇共晶，在1000 ℃拉伸变形过程中γ/γ＇界面形成致密的位错网，抗拉强度和屈服强度分别为520 MPa和269 MPa，延伸率为11%。
本文研究了不同热处理工艺对一种新型增材制造镍基高温合金ZGH451组织性能的影响。结果表明，沉积态组织主要由外延生长的微细柱晶组成，枝晶间存在γ/γ＇共晶组织，合金中元素偏析造成了枝晶干与枝晶间处γ＇相尺寸差异，分别为100 nm和250 nm。不同热处理工艺合金的组织和性能存在一定差异：随着固溶温度由1180 ℃升高到1350 ℃，合金偏析程度逐渐减弱，直至1350 ℃发现初熔组织；随着一级时效温度由1050 ℃升高到1150 ℃，γ＇相的尺寸逐渐增大，形状由球状等不规则形状转变为立方状。综上，优化出适用于该合金的热处理工艺（HT2），与沉积态合金相比，完全热处理后合金的晶粒尺寸明显增大，且消除了合金的偏析及γ/γ＇共晶，在1000 ℃拉伸变形过程中γ/γ＇界面形成致密的位错网，抗拉强度和屈服强度分别为520 MPa和269 MPa，延伸率为11%。
2024, 53(3):815-824.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230133
摘要:
热处理过程中的碳化物转变对高温合金的力学性能影响显著。本实验采用XRD、SEM、EPMA、TEM等技术研究了Co-Cr-Nb-W耐磨合金热处理过程中碳化物的析出类型、分布特征、演变机理及其对高温拉伸性能的影响。Co-Cr-Nb-W耐磨合金主要在钎焊和时效热处理后使用,该过程中主要发生如下两个碳化物转变过程：MC + matrix = M6C和M23C6+ matrix = M6C。合金在高温拉伸应力下的断裂机制为韧脆混合机制,块状初生碳化物与基体之间的界面容易成为裂纹萌生源。热处理过程消除了容易引起晶界迁移的片层状共晶M23C6,在骨架状MC周围析出了细小的M6C,同时改善了枝晶间元素偏析,促进基体中形成高密度的交叠层错带,使得合金在1000℃下的抗拉强度提高了约20MPa。
热处理过程中的碳化物转变对高温合金的力学性能影响显著。本实验采用XRD、SEM、EPMA、TEM等技术研究了Co-Cr-Nb-W耐磨合金热处理过程中碳化物的析出类型、分布特征、演变机理及其对高温拉伸性能的影响。Co-Cr-Nb-W耐磨合金主要在钎焊和时效热处理后使用,该过程中主要发生如下两个碳化物转变过程：MC + matrix = M6C和M23C6+ matrix = M6C。合金在高温拉伸应力下的断裂机制为韧脆混合机制,块状初生碳化物与基体之间的界面容易成为裂纹萌生源。热处理过程消除了容易引起晶界迁移的片层状共晶M23C6,在骨架状MC周围析出了细小的M6C,同时改善了枝晶间元素偏析,促进基体中形成高密度的交叠层错带,使得合金在1000℃下的抗拉强度提高了约20MPa。
2024, 53(3):625-631.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230080
摘要:
探究了应力对纯钛再结晶行为的影响。在纯钛板的退火过程中施加弯曲应力，并观察一个截面在拉伸和压缩应力下的再结晶过程。制备了变形量分别为20%、40%和60%的工业纯钛TA1轧制板，然后将这些样品置于600 ℃和30 MPa下保温10 min。结果表明，在变形20%和40%的样品中，只观察到少数再结晶晶粒。此外，受应力区域的平均晶粒尺寸大于无应力区域。进一步将变形40%的轧制薄板在600 ℃和30 MPa下保温60和120 min，拉伸应力区域中晶粒的异常生长一直持续到达到临界尺寸，之后晶粒停止生长。再结晶过程中晶粒生长的持续增加可归因于应力促进的位错调节。具有有利条件的晶粒倾向于沿着所施加的应力方向异常生长。然而，钛板内的高密度残余位错导致晶粒生长的驱动力降低，导致临界尺寸的存在。这些发现解释了钛在拉伸和压缩应力下观察到的不同再结晶行为。
探究了应力对纯钛再结晶行为的影响。在纯钛板的退火过程中施加弯曲应力，并观察一个截面在拉伸和压缩应力下的再结晶过程。制备了变形量分别为20%、40%和60%的工业纯钛TA1轧制板，然后将这些样品置于600 ℃和30 MPa下保温10 min。结果表明，在变形20%和40%的样品中，只观察到少数再结晶晶粒。此外，受应力区域的平均晶粒尺寸大于无应力区域。进一步将变形40%的轧制薄板在600 ℃和30 MPa下保温60和120 min，拉伸应力区域中晶粒的异常生长一直持续到达到临界尺寸，之后晶粒停止生长。再结晶过程中晶粒生长的持续增加可归因于应力促进的位错调节。具有有利条件的晶粒倾向于沿着所施加的应力方向异常生长。然而，钛板内的高密度残余位错导致晶粒生长的驱动力降低，导致临界尺寸的存在。这些发现解释了钛在拉伸和压缩应力下观察到的不同再结晶行为。
2024, 53(3):643-650.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230278
摘要:
为探究双相增强体对铝基复合材料拉伸性能和断裂行为的影响，采用真空热压烧结工艺在580 ℃，30 MPa条件下保温10 min制备了FeCoCrNiAl高熵合金颗粒增强7075铝基复合材料（HEAp/Al），Ni-Co-P镀层修饰碳纤维增强7075铝基复合材料（CF/Al）和FeCoCrNiAl高熵合金颗粒及Ni-Co-P镀层修饰碳纤维混杂增强铝基复合材料（CF-HEAp/Al）。并对不同复合材料微观结构及拉伸性能进行分析表征及比较。结果表明：CF-HEAp/Al复合材料的屈服强度（YS）与极限拉伸强度（UTS）随纤维含量的升高（体积分数由0至40%）呈现先增大后降低的变化，延伸率则逐渐降低。鉴于Ni-Co-P镀层修饰碳纤维与FeCoNiCrAl高熵合金颗粒的混杂强化效应， CF-HEAp/Al复合材料的YS和UTS较HEAp/Al与CF/Al复合材料明显提高，且其断口表现出基体韧性断裂及纤维拔出与断裂的多种失效特征。
为探究双相增强体对铝基复合材料拉伸性能和断裂行为的影响，采用真空热压烧结工艺在580 ℃，30 MPa条件下保温10 min制备了FeCoCrNiAl高熵合金颗粒增强7075铝基复合材料（HEAp/Al），Ni-Co-P镀层修饰碳纤维增强7075铝基复合材料（CF/Al）和FeCoCrNiAl高熵合金颗粒及Ni-Co-P镀层修饰碳纤维混杂增强铝基复合材料（CF-HEAp/Al）。并对不同复合材料微观结构及拉伸性能进行分析表征及比较。结果表明：CF-HEAp/Al复合材料的屈服强度（YS）与极限拉伸强度（UTS）随纤维含量的升高（体积分数由0至40%）呈现先增大后降低的变化，延伸率则逐渐降低。鉴于Ni-Co-P镀层修饰碳纤维与FeCoNiCrAl高熵合金颗粒的混杂强化效应， CF-HEAp/Al复合材料的YS和UTS较HEAp/Al与CF/Al复合材料明显提高，且其断口表现出基体韧性断裂及纤维拔出与断裂的多种失效特征。
2024, 53(3):651-659.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230100
摘要:
通过测定快淬态和退火态比热与温度的关系，研究了Hf元素对Zr70Al7.5Ni8Cu14.5（70Zr）、Zr55Al10Ni5Cu30（55Zr）和(Zr0.75Hf0.25)65Al7.5Ni10Cu17.5（65Zr0.75Hf0.25）厘米级金属玻璃焓和硬度弛豫的影响。结果显示：70Zr和55Zr合金的结构弛豫表现为单峰现象，在退火温度（Ta）接近玻璃转变温度（Tg）时出现弛豫峰；而65Zr0.75Hf0.25合金的结构弛豫表现为双峰现象，分别在523和648 K（接近Tg）时出现焓弛豫峰。70Zr和55Zr合金在Tg温度附近出现明显的单峰弛豫行为，表明合金在Tg之前的整个温度范围内具有较高的抵抗退火诱导结构弛豫的能力；另一方面，65Zr0.75Hf0.25合金在523 K附近出现一个弛豫子峰，可能是由于Zr-Hf原子对的键合性较弱，混合焓接近于零，随后在Tg附近出现明显的主弛豫。65Zr0.75Hf0.25和(Zr0.5Hf0.5)65Al7.5Ni10Cu17.5（65Zr0.5Hf0.5）合金的硬度也表现出类似的双峰现象，导致第一峰的Ta与焓弛豫峰的Ta一致。结果表明，满足非晶形成三原则的Zr、Al、Ni和Cu组成的类二十面体中程有序结构在低Ta温度下保持稳定；只有背离非晶形成三原则的65Zr0.75Hf0.25和65Zr0.5Hf0.5金属玻璃焓弛豫和硬度弛豫出现了双峰，表明形成大块金属玻璃非必要组元的增加将导致合金结构在低温退火过程中的不稳定性。
通过测定快淬态和退火态比热与温度的关系，研究了Hf元素对Zr70Al7.5Ni8Cu14.5（70Zr）、Zr55Al10Ni5Cu30（55Zr）和(Zr0.75Hf0.25)65Al7.5Ni10Cu17.5（65Zr0.75Hf0.25）厘米级金属玻璃焓和硬度弛豫的影响。结果显示：70Zr和55Zr合金的结构弛豫表现为单峰现象，在退火温度（Ta）接近玻璃转变温度（Tg）时出现弛豫峰；而65Zr0.75Hf0.25合金的结构弛豫表现为双峰现象，分别在523和648 K（接近Tg）时出现焓弛豫峰。70Zr和55Zr合金在Tg温度附近出现明显的单峰弛豫行为，表明合金在Tg之前的整个温度范围内具有较高的抵抗退火诱导结构弛豫的能力；另一方面，65Zr0.75Hf0.25合金在523 K附近出现一个弛豫子峰，可能是由于Zr-Hf原子对的键合性较弱，混合焓接近于零，随后在Tg附近出现明显的主弛豫。65Zr0.75Hf0.25和(Zr0.5Hf0.5)65Al7.5Ni10Cu17.5（65Zr0.5Hf0.5）合金的硬度也表现出类似的双峰现象，导致第一峰的Ta与焓弛豫峰的Ta一致。结果表明，满足非晶形成三原则的Zr、Al、Ni和Cu组成的类二十面体中程有序结构在低Ta温度下保持稳定；只有背离非晶形成三原则的65Zr0.75Hf0.25和65Zr0.5Hf0.5金属玻璃焓弛豫和硬度弛豫出现了双峰，表明形成大块金属玻璃非必要组元的增加将导致合金结构在低温退火过程中的不稳定性。
2024, 53(3):660-666.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230230
摘要:
为了实现稀土资源的平衡应用且降低RE-Fe-B稀土永磁材料的价格，针对混合稀土基永磁材料进行研究，分别采用单、双主相工艺制备了名义成分[(Pr,Nd)1-xMMx]30.3(Fe,Co)balM0.73B0.98 （x=0.3，0.5和0.7，质量分数）的磁体，对比研究其磁性能和抗腐蚀性。研究发现：双主相工艺制备的磁体相比单主相工艺制备的同成分磁体展现了优越的磁性能和抗腐蚀性。当x=0.5，双主相磁体的磁性能为Br=1.308 T，Hcj=799.98 kA/m和(BH)max=325.6436 kJ/m3，远高于同成分的单主相磁体的性能（Br=1.297 T，Hcj=746.8868 kA/m 和(BH)max=317.8428 kJ/m3）。这种改进源于富稀土相分布的改进以及主相晶粒间和晶粒内部耦合作用的增强。当双主相磁体暴露在湿热环境下时，磁体中不仅存在富稀土相腐蚀，也存在主相晶粒的腐蚀成粉现象，这主要是由于富稀土相与水蒸气和氧气反应时产生氢气，导致主相晶粒被氢化，由于主相晶粒间和晶粒内部的镧铈分布差异，产生大的应力，导致其表现出区别于单主相磁体的腐蚀行为。
为了实现稀土资源的平衡应用且降低RE-Fe-B稀土永磁材料的价格，针对混合稀土基永磁材料进行研究，分别采用单、双主相工艺制备了名义成分[(Pr,Nd)1-xMMx]30.3(Fe,Co)balM0.73B0.98 （x=0.3，0.5和0.7，质量分数）的磁体，对比研究其磁性能和抗腐蚀性。研究发现：双主相工艺制备的磁体相比单主相工艺制备的同成分磁体展现了优越的磁性能和抗腐蚀性。当x=0.5，双主相磁体的磁性能为Br=1.308 T，Hcj=799.98 kA/m和(BH)max=325.6436 kJ/m3，远高于同成分的单主相磁体的性能（Br=1.297 T，Hcj=746.8868 kA/m 和(BH)max=317.8428 kJ/m3）。这种改进源于富稀土相分布的改进以及主相晶粒间和晶粒内部耦合作用的增强。当双主相磁体暴露在湿热环境下时，磁体中不仅存在富稀土相腐蚀，也存在主相晶粒的腐蚀成粉现象，这主要是由于富稀土相与水蒸气和氧气反应时产生氢气，导致主相晶粒被氢化，由于主相晶粒间和晶粒内部的镧铈分布差异，产生大的应力，导致其表现出区别于单主相磁体的腐蚀行为。
2024, 53(3):667-675.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230141
摘要:
通过熔融发泡法制备了具有薄外壁的铝泡沫棒（aluminum foam bar，AFB）。通过悬臂梁弯曲实验和有限元模拟研究了跨度、直径和孔隙率对其弯曲变形行为的影响。采用高速摄像机记录了AFB的弯曲变形行为，并得到了载荷和位移之间的关系。基于三维有限元的X射线微断层扫描技术（Micro-CT）重建AFB，并进行了数值模拟。结果表明，跨度对破坏行为有重要影响，跨度的增加导致了能量吸收能力下降。此外，直径和相对密度的增加也使得峰值载荷提高。有限元模拟结果与实验结果相吻合，这说明孔壁在弯曲过程中由于不同类型的应力而失效。在失效过程中，裂纹遵循孔壁最薄弱的路径传播。
通过熔融发泡法制备了具有薄外壁的铝泡沫棒（aluminum foam bar，AFB）。通过悬臂梁弯曲实验和有限元模拟研究了跨度、直径和孔隙率对其弯曲变形行为的影响。采用高速摄像机记录了AFB的弯曲变形行为，并得到了载荷和位移之间的关系。基于三维有限元的X射线微断层扫描技术（Micro-CT）重建AFB，并进行了数值模拟。结果表明，跨度对破坏行为有重要影响，跨度的增加导致了能量吸收能力下降。此外，直径和相对密度的增加也使得峰值载荷提高。有限元模拟结果与实验结果相吻合，这说明孔壁在弯曲过程中由于不同类型的应力而失效。在失效过程中，裂纹遵循孔壁最薄弱的路径传播。
2024, 53(3):676-684.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230371
摘要:
论述了在激光粉末床熔融（LPBF）成型Al基合金中添加Ti的影响。采用扫描电镜、电子背散射衍射、X射线衍射、透射电镜和纳米压痕测试等方法，研究了Ti含量为3%（质量分数，下同）和不含Ti的LPBF制备样品的显微组织特征、相分布和纳米硬度。结果表明，该方法可获得较细的晶粒组织和较小的平均晶粒尺寸。由于Al3Ti析出相的非均相形核，晶粒尺寸范围减小到2.5 μm以内。随着小角度晶界的增大，晶格畸变能增大，平均纳米硬度和杨氏模量分别提高到2.36 和92.72 GPa。添加3% Ti后，LPBF处理的Al基合金<100>织构略有增强，但仍有一个随机的晶体取向。获得了α-Al向Al3Ti的相变。
论述了在激光粉末床熔融（LPBF）成型Al基合金中添加Ti的影响。采用扫描电镜、电子背散射衍射、X射线衍射、透射电镜和纳米压痕测试等方法，研究了Ti含量为3%（质量分数，下同）和不含Ti的LPBF制备样品的显微组织特征、相分布和纳米硬度。结果表明，该方法可获得较细的晶粒组织和较小的平均晶粒尺寸。由于Al3Ti析出相的非均相形核，晶粒尺寸范围减小到2.5 μm以内。随着小角度晶界的增大，晶格畸变能增大，平均纳米硬度和杨氏模量分别提高到2.36 和92.72 GPa。添加3% Ti后，LPBF处理的Al基合金<100>织构略有增强，但仍有一个随机的晶体取向。获得了α-Al向Al3Ti的相变。
2024, 53(3):692-700.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230320
摘要:
K-TIG是在传统TIG焊基础上，将焊接电流提高到300 A甚至更高并配合钨极冷却系统形成“匙孔”效应，最终实现大熔深的焊接工艺方法。K-TIG焊缝熔宽相对于等离子和激光焊接等焊接方法较宽，熔池体积较大。传统的热源模型不适合K-TIG焊热源分布特点，基于SYSWELD仿真平台和钛合金K-TIG焊接实验结果，开发钛合金K-TIG深熔焊数值仿真组合热源模型。结果表明，双椭球热源分配系数取0.75，作用深度取4 mm时，仿真熔池与实际接头横截面相符，正面熔宽为12 mm，且背部熔宽为5 mm。温度热循环曲线和残余应力有限元仿真结果与实验结果基本一致，验证了所建立的K-TIG热源模型的准确性。
K-TIG是在传统TIG焊基础上，将焊接电流提高到300 A甚至更高并配合钨极冷却系统形成“匙孔”效应，最终实现大熔深的焊接工艺方法。K-TIG焊缝熔宽相对于等离子和激光焊接等焊接方法较宽，熔池体积较大。传统的热源模型不适合K-TIG焊热源分布特点，基于SYSWELD仿真平台和钛合金K-TIG焊接实验结果，开发钛合金K-TIG深熔焊数值仿真组合热源模型。结果表明，双椭球热源分配系数取0.75，作用深度取4 mm时，仿真熔池与实际接头横截面相符，正面熔宽为12 mm，且背部熔宽为5 mm。温度热循环曲线和残余应力有限元仿真结果与实验结果基本一致，验证了所建立的K-TIG热源模型的准确性。
2024, 53(3):701-708.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230687
摘要:
真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变；凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈；同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动；当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。
真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变；凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈；同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动；当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。
2024, 53(3):709-707.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230084
摘要:
为了探究不同相对挤压量的开缝芯棒孔挤压强化对7050铝合金疲劳性能的影响,建立了开缝芯棒孔挤压强化有限元模型,开展了开缝芯棒孔挤压强化试验,分析了孔挤压强化试样孔壁残余应力和受载试样孔壁应力分布规律,探究了相对挤压量、残余应力和疲劳寿命之间的关系,揭示了开缝芯棒孔挤压强化工艺的抗疲劳增益效果。研究结果表明：试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大残余压应力为246.8、338.6和367.7 MPa,相对挤压量与孔壁最大残余压应力呈正相关；受载试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大应力为451.2、368.7和321.6 MPa,相对挤压量与孔壁最大应力呈负相关；相对挤压量为2%、3%和4%的试样中值疲劳寿命是相对挤压量为0的1.17、1.52和1.71倍。
为了探究不同相对挤压量的开缝芯棒孔挤压强化对7050铝合金疲劳性能的影响,建立了开缝芯棒孔挤压强化有限元模型,开展了开缝芯棒孔挤压强化试验,分析了孔挤压强化试样孔壁残余应力和受载试样孔壁应力分布规律,探究了相对挤压量、残余应力和疲劳寿命之间的关系,揭示了开缝芯棒孔挤压强化工艺的抗疲劳增益效果。研究结果表明：试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大残余压应力为246.8、338.6和367.7 MPa,相对挤压量与孔壁最大残余压应力呈正相关；受载试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大应力为451.2、368.7和321.6 MPa,相对挤压量与孔壁最大应力呈负相关；相对挤压量为2%、3%和4%的试样中值疲劳寿命是相对挤压量为0的1.17、1.52和1.71倍。
2024, 53(3):718-725.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230089
摘要:
钛合金因其优异的综合性能在各个工程领域都有很大的应用潜力,但较低的弹性模量限制了其在高强度、高刚性材料结构件中的应用。本文以开发综合力学性能良好的高弹性模量钛合金为研究目的,采用冷坩埚悬浮熔炼法制备了Ti-6Al-4Mo-xMn(x=0,1,2,3,4 wt%)合金,研究了Mn含量对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Ti-6Al-4Mo-xMn合金由α和β相组成,未出现Ti-Mn相。随着Mn含量的增加,合金的α→β相变温度降低,合金中β相的体积分数增加,合金的组织变细,魏氏组织逐渐增多；合金的硬度从30 HRC增加到46 HRC,抗拉强度从838 MPa增加到1266 MPa,这是因为Mn元素在合金中引起了固溶强化和组织细化；合金的弹性模量呈现先升高后降低的趋势,当Mn含量为1 %时,合金的弹性模量最高,约136 GPa,同时抗拉强度为916 MPa,较Ti-6Al-4V合金分别提高24.0 %和3 %,综合力学性能最好。
钛合金因其优异的综合性能在各个工程领域都有很大的应用潜力,但较低的弹性模量限制了其在高强度、高刚性材料结构件中的应用。本文以开发综合力学性能良好的高弹性模量钛合金为研究目的,采用冷坩埚悬浮熔炼法制备了Ti-6Al-4Mo-xMn(x=0,1,2,3,4 wt%)合金,研究了Mn含量对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,Ti-6Al-4Mo-xMn合金由α和β相组成,未出现Ti-Mn相。随着Mn含量的增加,合金的α→β相变温度降低,合金中β相的体积分数增加,合金的组织变细,魏氏组织逐渐增多；合金的硬度从30 HRC增加到46 HRC,抗拉强度从838 MPa增加到1266 MPa,这是因为Mn元素在合金中引起了固溶强化和组织细化；合金的弹性模量呈现先升高后降低的趋势,当Mn含量为1 %时,合金的弹性模量最高,约136 GPa,同时抗拉强度为916 MPa,较Ti-6Al-4V合金分别提高24.0 %和3 %,综合力学性能最好。
2024, 53(3):807-814.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230123
摘要:
为了得到良好力学性能和高渗透性的钛合金多孔结构，需要在多孔结构的孔隙率与其强度之间保持权衡。以人体膝关节胫骨假体为研究对象，首先，根据胫骨受力状态，采用拓扑优化设计并重构不同载荷工况下的抗压、抗剪单胞结构(TO-P1、TO-P2、TO-S1、TO-S2)，与几种常见的基本单胞结构(BCC、FCC、RDC、DCC)进行研究比较；其次，通过对不同类型多孔钛合金进行压缩、剪切性能仿真，研究不同拓扑形态的多孔钛合金关于抗压、抗剪的力学性能，并采用SLM技术成型多孔钛合金压缩试件，验证了仿真分析的有效性；最后，选择力学性能较优的4种多孔钛合金进行渗透性分析。结果表明，TO-S2结构的抗压、抗剪力学性能和渗透性能最为出色，适合作为压剪载荷类植入物的多孔结构。
为了得到良好力学性能和高渗透性的钛合金多孔结构，需要在多孔结构的孔隙率与其强度之间保持权衡。以人体膝关节胫骨假体为研究对象，首先，根据胫骨受力状态，采用拓扑优化设计并重构不同载荷工况下的抗压、抗剪单胞结构(TO-P1、TO-P2、TO-S1、TO-S2)，与几种常见的基本单胞结构(BCC、FCC、RDC、DCC)进行研究比较；其次，通过对不同类型多孔钛合金进行压缩、剪切性能仿真，研究不同拓扑形态的多孔钛合金关于抗压、抗剪的力学性能，并采用SLM技术成型多孔钛合金压缩试件，验证了仿真分析的有效性；最后，选择力学性能较优的4种多孔钛合金进行渗透性分析。结果表明，TO-S2结构的抗压、抗剪力学性能和渗透性能最为出色，适合作为压剪载荷类植入物的多孔结构。
2024, 53(3):834-840.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230099
摘要:
辐照诱导产生的点缺陷会加速核电站材料微观组织的演变,在很大程度上影响反应堆的寿命。本文基于相场法的四元连续相场模型,耦合了空位和间隙原子,利用该模型模拟了Fe-15at.%Cu-1at.%Ni-1at.%Mn合金在空位扩散机制下的相分离,研究了点缺陷与富Cu相的相互作用机理。结果表明,空位和间隙原子会促进富Cu相的长大和粗化,点缺陷初始浓度的升高会促进相分离,加快析出相的失稳分解速率,并且升高温度会延缓Cu原子和空位环的生长和粗化,点缺陷也可以增加一定的屈服强度,为探究空位扩散机制影响抗辐照材料性能方面提供了新的思路。
辐照诱导产生的点缺陷会加速核电站材料微观组织的演变,在很大程度上影响反应堆的寿命。本文基于相场法的四元连续相场模型,耦合了空位和间隙原子,利用该模型模拟了Fe-15at.%Cu-1at.%Ni-1at.%Mn合金在空位扩散机制下的相分离,研究了点缺陷与富Cu相的相互作用机理。结果表明,空位和间隙原子会促进富Cu相的长大和粗化,点缺陷初始浓度的升高会促进相分离,加快析出相的失稳分解速率,并且升高温度会延缓Cu原子和空位环的生长和粗化,点缺陷也可以增加一定的屈服强度,为探究空位扩散机制影响抗辐照材料性能方面提供了新的思路。
2024, 53(3):841-847.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230151
摘要:
晶界扩散作为一种能明显提升烧结钕铁硼磁体矫顽力同时实现对重稀土高质化利用的方法,日益成为目前稀土永磁学界和产业界的研究热点。本文利用自动化喷涂设备系统研究了晶界扩散烧结磁体批量制备过程中基底成分差异晶界扩散后磁体磁性能的影响,微观结构和EDS元素分析结果表明：晶界扩散后磁体矫顽力增长幅度的差异,同扩散后磁体内晶粒核壳结构形成充分与否、晶界相均匀分布与否和晶界相铁磁性元素含量高低有密切关联,同时利用晶界扩散工艺制备得到的磁体温度系数要优于传统工艺制备得到的相近似牌号的磁体。
晶界扩散作为一种能明显提升烧结钕铁硼磁体矫顽力同时实现对重稀土高质化利用的方法,日益成为目前稀土永磁学界和产业界的研究热点。本文利用自动化喷涂设备系统研究了晶界扩散烧结磁体批量制备过程中基底成分差异晶界扩散后磁体磁性能的影响,微观结构和EDS元素分析结果表明：晶界扩散后磁体矫顽力增长幅度的差异,同扩散后磁体内晶粒核壳结构形成充分与否、晶界相均匀分布与否和晶界相铁磁性元素含量高低有密切关联,同时利用晶界扩散工艺制备得到的磁体温度系数要优于传统工艺制备得到的相近似牌号的磁体。
2024, 53(3):848-855.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230119
摘要:
随着先进工程技术对形状记忆合金性能要求的不断提高,传统形状记忆合金愈发难以满足要求,高熵形状记忆合金应运而生,引起了研究者的极大关注。高熵形状记忆合金相较于传统形状记忆合金具有显著提高的可回复应变、屈服强度、高温物相稳定性和超弹性等特性,具有广阔的应用前景。本文对高熵形状记忆合金的研究现状、马氏体相变和形状记忆效应等进行了简要的论述,并对高熵形状记忆合金目前存在的不足和未来的发展进行了展望。
随着先进工程技术对形状记忆合金性能要求的不断提高,传统形状记忆合金愈发难以满足要求,高熵形状记忆合金应运而生,引起了研究者的极大关注。高熵形状记忆合金相较于传统形状记忆合金具有显著提高的可回复应变、屈服强度、高温物相稳定性和超弹性等特性,具有广阔的应用前景。本文对高熵形状记忆合金的研究现状、马氏体相变和形状记忆效应等进行了简要的论述,并对高熵形状记忆合金目前存在的不足和未来的发展进行了展望。
2024, 53(3):856-869.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230117
摘要:
吸波材料在国防和民生领域发挥着至关重要的作用,但是传统吸波材料因质量大、频带窄已难以满足日益复杂的电磁环境。融合了结构设计思路的吸波超材料以“薄、轻、宽、强”和动态可调、极化角度不敏感等突出优势,助推了电磁吸波领域的飞速发展。本文首先阐明超材料吸波的原理和方法,明确几何结构设计对电磁吸波性能的重要影响。其次,详细讨论了碳基、水基、金属基和无机化合物基等材料体系下吸波超材料的发展现状,指明目前发展趋势以主动调谐、轻质宽频、多波段兼容为主线。最后总结了目前的发展瓶颈并展望了未来重点研究方向,为吸波超材料优化设计提供了思路。
吸波材料在国防和民生领域发挥着至关重要的作用,但是传统吸波材料因质量大、频带窄已难以满足日益复杂的电磁环境。融合了结构设计思路的吸波超材料以“薄、轻、宽、强”和动态可调、极化角度不敏感等突出优势,助推了电磁吸波领域的飞速发展。本文首先阐明超材料吸波的原理和方法,明确几何结构设计对电磁吸波性能的重要影响。其次,详细讨论了碳基、水基、金属基和无机化合物基等材料体系下吸波超材料的发展现状,指明目前发展趋势以主动调谐、轻质宽频、多波段兼容为主线。最后总结了目前的发展瓶颈并展望了未来重点研究方向,为吸波超材料优化设计提供了思路。
2024, 53(3):870-881.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230124
摘要:
选区激光熔化(selective laser melting, SLM)制备的Al-Si合金在航空航天材料定制化和轻量化的发展中有着巨大潜力。然而,影响SLM成形件寿命的腐蚀行为尚未引起广泛关注。本文结合当前文献报道,根据SLM过程中的凝固特征分析了冶金缺陷和微观组织的形成原因,结合传统铸造Al-Si合金在含氯化合物中的腐蚀机理,进一步论述了SLM制备的Al-Si合金的腐蚀机理,归纳总结了冶金缺陷、微观组织和热处理工艺对于腐蚀行为的影响。发现试样的致密度,表面状态(粗糙度)和共晶Si的含量、形态及分布对腐蚀性能有重要影响。在此基础上,指出了目前SLM工艺下Al-Si合金腐蚀研究中存在的工艺参数不够系统,忽视Mg,Fe等元素的作用,研究手段和范围不够完善等不足以及未来进一步发展的方向。
选区激光熔化(selective laser melting, SLM)制备的Al-Si合金在航空航天材料定制化和轻量化的发展中有着巨大潜力。然而,影响SLM成形件寿命的腐蚀行为尚未引起广泛关注。本文结合当前文献报道,根据SLM过程中的凝固特征分析了冶金缺陷和微观组织的形成原因,结合传统铸造Al-Si合金在含氯化合物中的腐蚀机理,进一步论述了SLM制备的Al-Si合金的腐蚀机理,归纳总结了冶金缺陷、微观组织和热处理工艺对于腐蚀行为的影响。发现试样的致密度,表面状态(粗糙度)和共晶Si的含量、形态及分布对腐蚀性能有重要影响。在此基础上,指出了目前SLM工艺下Al-Si合金腐蚀研究中存在的工艺参数不够系统,忽视Mg,Fe等元素的作用,研究手段和范围不够完善等不足以及未来进一步发展的方向。
2024, 53(3):882-893.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230103
摘要:
镁合金薄板因强基面织构制约,室温成形能力不足,工业应用受到极大限制。本文从镁合金板材织构弱化的机理出发,突出剪切诱导孪晶启动实现镁合金薄板织构弱化的可行性以及存在的机理不明问题。结合孪晶实现镁合金薄板材织构弱化的工艺发展,讨论目前剪切变形工艺在镁合金薄板材加工应用的优点和不足。针对复杂应力状态下滑移和孪晶启动的机理不明以及剪切变形诱导镁合金织构弱化的工艺不足,分别提出了等效Schmid因子和等通道弯曲技术,并说明了新计算理论和新剪切加工技术在镁合金薄板材方面的应用。
镁合金薄板因强基面织构制约,室温成形能力不足,工业应用受到极大限制。本文从镁合金板材织构弱化的机理出发,突出剪切诱导孪晶启动实现镁合金薄板织构弱化的可行性以及存在的机理不明问题。结合孪晶实现镁合金薄板材织构弱化的工艺发展,讨论目前剪切变形工艺在镁合金薄板材加工应用的优点和不足。针对复杂应力状态下滑移和孪晶启动的机理不明以及剪切变形诱导镁合金织构弱化的工艺不足,分别提出了等效Schmid因子和等通道弯曲技术,并说明了新计算理论和新剪切加工技术在镁合金薄板材方面的应用。
2024, 53(3):894-901.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230092
摘要:
加氢站是氢能产业建设的关键环节，氢压缩机是加氢站的核心关键单体设备之一，高密度安全氢压缩材料是加氢站氢压缩机大规模实用化的基础。本文综述了基于我国优势资源的高密度AB2型储氢材料研究进展，阐述了平台压高度匹配的静态氢压缩材料，低于100℃下放氢平衡压分别达25、45、85MPa，对应于初级、中级和终极增压需求，它能满足长管拖车、Ⅲ型瓶乘用车和Ⅳ型瓶商用车应用需求。高效氢压缩材料的多级压力匹配，兼容现有加氢系统，促进加氢站氢压缩机工程化应用具有经济价值和社会意义。
加氢站是氢能产业建设的关键环节，氢压缩机是加氢站的核心关键单体设备之一，高密度安全氢压缩材料是加氢站氢压缩机大规模实用化的基础。本文综述了基于我国优势资源的高密度AB2型储氢材料研究进展，阐述了平台压高度匹配的静态氢压缩材料，低于100℃下放氢平衡压分别达25、45、85MPa，对应于初级、中级和终极增压需求，它能满足长管拖车、Ⅲ型瓶乘用车和Ⅳ型瓶商用车应用需求。高效氢压缩材料的多级压力匹配，兼容现有加氢系统，促进加氢站氢压缩机工程化应用具有经济价值和社会意义。
