2024年第53卷第6期文章目次
2024, 53(6):1601-1607.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230178
摘要:
锆合金由于具有良好的机械性能、耐腐蚀性能等而被用作反应堆内燃料元件的包壳材料。然而，Zr-4已不能满足核电技术在更高燃耗条件下的使用要求，因此，通过调控合金成分开发新型锆合金具有重要意义。本研究对Zr-4以及其他两种新型锆合金材料在室温、315℃条件下进行常规拉伸试验，结合计算结果分析了成分差异造成的沉淀相改变，提出了析出强化机制对于锆合金性能提升的重要意义。首次利用小冲杆试验对锆合金原样的力学性能进行测试，该工作确定了常规拉伸试验与小冲杆试验结果之间的经验公式中与锆合金材料本身相关的系数数值，验证了小冲杆试验用于锆合金拉伸性能评估的可行性。利用气相渗氢法在400℃对Zr-4以及其他两种新型锆合金进行充氢处理，并利用小冲杆试验对锆合金充氢试样的力学性能进行测试。结果显示，充氢锆合金在载荷-位移曲线的塑性失稳阶段出现“平台区”特殊现象。本论文对该现象进行探究，用金相分析表征了氢化物的形貌特征并对其含量进行了定量估算，推测氢化物与基体断裂韧性上的差异、氢化物相特殊的长链构型以及强取向性与这一现象有着重要关联。
锆合金由于具有良好的机械性能、耐腐蚀性能等而被用作反应堆内燃料元件的包壳材料。然而，Zr-4已不能满足核电技术在更高燃耗条件下的使用要求，因此，通过调控合金成分开发新型锆合金具有重要意义。本研究对Zr-4以及其他两种新型锆合金材料在室温、315℃条件下进行常规拉伸试验，结合计算结果分析了成分差异造成的沉淀相改变，提出了析出强化机制对于锆合金性能提升的重要意义。首次利用小冲杆试验对锆合金原样的力学性能进行测试，该工作确定了常规拉伸试验与小冲杆试验结果之间的经验公式中与锆合金材料本身相关的系数数值，验证了小冲杆试验用于锆合金拉伸性能评估的可行性。利用气相渗氢法在400℃对Zr-4以及其他两种新型锆合金进行充氢处理，并利用小冲杆试验对锆合金充氢试样的力学性能进行测试。结果显示，充氢锆合金在载荷-位移曲线的塑性失稳阶段出现“平台区”特殊现象。本论文对该现象进行探究，用金相分析表征了氢化物的形貌特征并对其含量进行了定量估算，推测氢化物与基体断裂韧性上的差异、氢化物相特殊的长链构型以及强取向性与这一现象有着重要关联。
2024, 53(6):1608-1615.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230207
摘要:
乏燃料后处理强酸、强氧化性、强放射性的工作环境,对后处理溶解器选材、加工工艺提出了严苛要求。本论文研究了自主设计Zr-1.0Ti-0.35Nb合金在670 ~ 750 ℃温度范围、三种不同应变速率0.01、0.1和1 s-1条件下的热压缩变形行为,分析了热压缩过程中该合金的微观组织特征,并基于峰值应力构建了其热变形本构模型。结果表明,应变速率和变形温度对Zr-1.0Ti-0.35Nb合金热变形过程具有显著影响,流变应力随应变速率增加而增大,随变形温度的增加而减小,达到峰值应力后流变曲线呈现明显动态再结晶特征；提高变形温度有助于发生动态再结晶和晶粒长大；基于Arrhenius本构方程计算得到Zr-1.0Ti-0.35Nb合金的热变形激活能为225.8 kJ/mol,硬化指数为5.62，说明合金元素Ti使锆合金的热变形激活能升高；实验值与预测值之间的相关系数为0.97,平均相对误差为6.15%,证实此本构方程预测Zr-1.0Ti-0.35Nb合金流变应力的准确性,能够为新型锆合金热加工工艺优化提供理论指导。
乏燃料后处理强酸、强氧化性、强放射性的工作环境,对后处理溶解器选材、加工工艺提出了严苛要求。本论文研究了自主设计Zr-1.0Ti-0.35Nb合金在670 ~ 750 ℃温度范围、三种不同应变速率0.01、0.1和1 s-1条件下的热压缩变形行为,分析了热压缩过程中该合金的微观组织特征,并基于峰值应力构建了其热变形本构模型。结果表明,应变速率和变形温度对Zr-1.0Ti-0.35Nb合金热变形过程具有显著影响,流变应力随应变速率增加而增大,随变形温度的增加而减小,达到峰值应力后流变曲线呈现明显动态再结晶特征；提高变形温度有助于发生动态再结晶和晶粒长大；基于Arrhenius本构方程计算得到Zr-1.0Ti-0.35Nb合金的热变形激活能为225.8 kJ/mol,硬化指数为5.62，说明合金元素Ti使锆合金的热变形激活能升高；实验值与预测值之间的相关系数为0.97,平均相对误差为6.15%,证实此本构方程预测Zr-1.0Ti-0.35Nb合金流变应力的准确性,能够为新型锆合金热加工工艺优化提供理论指导。
2024, 53(6):1626-1631.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230177
摘要:
锆合金包壳在堆内吸氢,失水事故(LOCA)锆合金包壳会脆化,含氢包壳在事故进程或事故后续处理中更易破裂,造成放射性产物泄漏。文章对不同氢含量(0ppm、195ppm、310ppm、395ppm)锆合金模拟LOCA试验后残余塑性进行研究,探索了氢对锆合金模拟LOCA试验后残余塑性的影响机理。结果表明,随含氢量的提高,在模拟LOCA试验后锆合金残余塑性下降。氢的加入对锆合金显微组织结构影响较小,氢对锆合金微观组织结构的影响不是导致锆合金残余塑性降低原因。氢的存在导致锆合金模拟LOCA试验后残余塑性下降的原因之一是氢增加造成锆合金prior-β相中吸收氧含量提高,从而降低锆合金残余塑性,其次氢可能以饱和固溶或细小的氢化物脆性相方式存在于prior-β相中,也造成锆合金残余塑性下降。
锆合金包壳在堆内吸氢,失水事故(LOCA)锆合金包壳会脆化,含氢包壳在事故进程或事故后续处理中更易破裂,造成放射性产物泄漏。文章对不同氢含量(0ppm、195ppm、310ppm、395ppm)锆合金模拟LOCA试验后残余塑性进行研究,探索了氢对锆合金模拟LOCA试验后残余塑性的影响机理。结果表明,随含氢量的提高,在模拟LOCA试验后锆合金残余塑性下降。氢的加入对锆合金显微组织结构影响较小,氢对锆合金微观组织结构的影响不是导致锆合金残余塑性降低原因。氢的存在导致锆合金模拟LOCA试验后残余塑性下降的原因之一是氢增加造成锆合金prior-β相中吸收氧含量提高,从而降低锆合金残余塑性,其次氢可能以饱和固溶或细小的氢化物脆性相方式存在于prior-β相中,也造成锆合金残余塑性下降。
2024, 53(6):1642-1653.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230206
摘要:
通过熔炼、热轧、冷轧和退火等工艺制备了Zr-0.75Sn-1Nb-0.35Fe-0.15Cr（wt.%）合金板状样品，采用静电加速器在300 ℃下对样品进行注量为1.02×1015和5.1×1015 ions/cm2（对应辐照损伤剂量分别为1和5 dpa）的Ar+辐照，然后将未辐照和辐照样品置于360 ℃/18.6 MPa/0.01 M LiOH水溶液中腐蚀90 d，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征分析了辐照前后合金基体显微组织和腐蚀后氧化膜截面显微组织。结果表明，辐照前Zr-0.75Sn-1Nb-0.35Fe-0.15Cr合金为完全再结晶组织，晶粒呈等轴晶，第二相主要为fcc和hcp结构的Zr(Fe,Cr,Nb)2，尺寸主要在50~100 nm范围内；辐照后，合金内形成了型位错环，第二相发生了完全非晶化，但未发现第二相中元素向基体扩散现象。腐蚀90 d后，辐照样品的氧化膜厚度小于未辐照样品，说明Ar+辐照在一定程度上降低了合金腐蚀初期的腐蚀速率。分析认为，Ar+辐照能延缓氧化膜显微组织的演化，降低氧化膜中的等轴晶占比和裂纹数量，同时辐照诱导的非晶化第二相的氧化更慢，使氧化膜更具保护性，从而降低合金腐蚀速率。
通过熔炼、热轧、冷轧和退火等工艺制备了Zr-0.75Sn-1Nb-0.35Fe-0.15Cr（wt.%）合金板状样品，采用静电加速器在300 ℃下对样品进行注量为1.02×1015和5.1×1015 ions/cm2（对应辐照损伤剂量分别为1和5 dpa）的Ar+辐照，然后将未辐照和辐照样品置于360 ℃/18.6 MPa/0.01 M LiOH水溶液中腐蚀90 d，利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征分析了辐照前后合金基体显微组织和腐蚀后氧化膜截面显微组织。结果表明，辐照前Zr-0.75Sn-1Nb-0.35Fe-0.15Cr合金为完全再结晶组织，晶粒呈等轴晶，第二相主要为fcc和hcp结构的Zr(Fe,Cr,Nb)2，尺寸主要在50~100 nm范围内；辐照后，合金内形成了型位错环，第二相发生了完全非晶化，但未发现第二相中元素向基体扩散现象。腐蚀90 d后，辐照样品的氧化膜厚度小于未辐照样品，说明Ar+辐照在一定程度上降低了合金腐蚀初期的腐蚀速率。分析认为，Ar+辐照能延缓氧化膜显微组织的演化，降低氧化膜中的等轴晶占比和裂纹数量，同时辐照诱导的非晶化第二相的氧化更慢，使氧化膜更具保护性，从而降低合金腐蚀速率。
2024, 53(6):1654-1665.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230209
摘要:
失水事故(LOCA,Loss of coolant accident)下锆合金中原β-Zr层的力学性能对核安全具有重大意义,Nb作为锆合金中重要的合金元素对其有重要影响。本文运用分子动力学方法研究了Zr-xNb(x=0, 0.5, 1, 2.5; wt.%)合金在淬火过程中的相变行为和淬火后的拉伸行为,分析了Nb对其力学性能的作用机制。结果表明Nb淬火相变模拟过程产生了类似原β-Zr组织的层片状多晶,这种层片状多晶主要由fcc和hcp结构原子组成；多晶的bcc→fcc相变路径遵从Brain位相关系,bcc→hcp相变路径遵从P-S位相关系；在降温过程中,Nb的添加会降低bcc与hcp相的自由能之差,从而使得合金β→α+β相变温度降低；Zr、Zr-0.5Nb和Zr-1Nb合金模型中Nb促进了晶界处bcc相的生成,使得变形集中于晶界,导致晶界易发生断裂；而Zr-2.5Nb中,晶粒内部的Nb含量较高,易形成bcc相,从而协调变形,提高其塑性；此外Zr-2.5Nb中团簇呈弥散分布,这使得其整体强度得到提高。
失水事故(LOCA,Loss of coolant accident)下锆合金中原β-Zr层的力学性能对核安全具有重大意义,Nb作为锆合金中重要的合金元素对其有重要影响。本文运用分子动力学方法研究了Zr-xNb(x=0, 0.5, 1, 2.5; wt.%)合金在淬火过程中的相变行为和淬火后的拉伸行为,分析了Nb对其力学性能的作用机制。结果表明Nb淬火相变模拟过程产生了类似原β-Zr组织的层片状多晶,这种层片状多晶主要由fcc和hcp结构原子组成；多晶的bcc→fcc相变路径遵从Brain位相关系,bcc→hcp相变路径遵从P-S位相关系；在降温过程中,Nb的添加会降低bcc与hcp相的自由能之差,从而使得合金β→α+β相变温度降低；Zr、Zr-0.5Nb和Zr-1Nb合金模型中Nb促进了晶界处bcc相的生成,使得变形集中于晶界,导致晶界易发生断裂；而Zr-2.5Nb中,晶粒内部的Nb含量较高,易形成bcc相,从而协调变形,提高其塑性；此外Zr-2.5Nb中团簇呈弥散分布,这使得其整体强度得到提高。
2024, 53(6):1666-1676.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230235
摘要:
锆合金在失水事故（Loss of Coolant Accident, LOCA）下的高温蒸汽氧化行为是需要重点关注的问题之一。本文熔炼了Zr-xNb（x=0.5、1.0、1.5，wt.%）合金和Zr-1Nb-yCr（y=0.05、0.2）合金并制备成板状样品。采用同步热分析仪研究了5种锆合金在模拟LOCA工况下900~1200 ℃蒸汽中的氧化行为，利用金相显微镜观察分析了氧化样品横截面的显微组织，使用显微硬度仪研究了氧化前后样品的显微硬度。结果显示：在900~1100 ℃蒸汽中氧化时，Zr-xNb合金的抗高温蒸汽氧化性能不随Nb含量变化呈单一变化规律，且随温度升高发生变化，添加Cr使Zr-1Nb合金的抗高温蒸汽氧化性能变差，且影响复杂，不随Cr含量的增加呈单一变化规律；在1200 ℃蒸汽中氧化时，添加Nb和Cr对锆合金的抗高温蒸汽氧化性能影响不大；5种合金的氧化动力学规律随温度升高发生变化，总体由抛物线→直线规律转变，还会发生多次转折。从O在Zr基体中的固溶含量以及Zr基体α?β和氧化膜单斜(m)?四方（t）相变的角度探讨了Nb和Cr影响锆合金高温蒸汽氧化行为的机理。
锆合金在失水事故（Loss of Coolant Accident, LOCA）下的高温蒸汽氧化行为是需要重点关注的问题之一。本文熔炼了Zr-xNb（x=0.5、1.0、1.5，wt.%）合金和Zr-1Nb-yCr（y=0.05、0.2）合金并制备成板状样品。采用同步热分析仪研究了5种锆合金在模拟LOCA工况下900~1200 ℃蒸汽中的氧化行为，利用金相显微镜观察分析了氧化样品横截面的显微组织，使用显微硬度仪研究了氧化前后样品的显微硬度。结果显示：在900~1100 ℃蒸汽中氧化时，Zr-xNb合金的抗高温蒸汽氧化性能不随Nb含量变化呈单一变化规律，且随温度升高发生变化，添加Cr使Zr-1Nb合金的抗高温蒸汽氧化性能变差，且影响复杂，不随Cr含量的增加呈单一变化规律；在1200 ℃蒸汽中氧化时，添加Nb和Cr对锆合金的抗高温蒸汽氧化性能影响不大；5种合金的氧化动力学规律随温度升高发生变化，总体由抛物线→直线规律转变，还会发生多次转折。从O在Zr基体中的固溶含量以及Zr基体α?β和氧化膜单斜(m)?四方（t）相变的角度探讨了Nb和Cr影响锆合金高温蒸汽氧化行为的机理。
2024, 53(6):1517-1522.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230553
摘要:
通过准原位EBSD和SEM观察研究了纯钛、Ti-0.2% O和Ti-0.4% O（质量分数）多晶体在高应变速率下的变形行为。结果表明：在5%应变的动态压缩变形下，纯钛中的孪生行为非常活跃，多数晶粒内的孪生系被激活，且半数晶粒中出现多种孪生变体；而滑移迹线分析表明，仅有50%的晶粒内开动了滑移系。随着氧含量的增加，孪生晶粒比例及孪晶面积占比均呈下降趋势，同时发生多滑移与交滑移。XRD分析表明，溶质氧原子导致晶格畸变，提高了α-Ti的c/a，有利于位错滑移。活跃的位错滑移行为抑制了孪晶的形成，并且氧原子钉扎位错也会阻碍孪晶界的扩展，导致孪生行为不再活跃。此外，氧含量每增加0.2%（质量分数），纯钛的动态屈服强度就能增加约390 MPa。这种固溶强化现象主要源于晶格畸变，也受到被钉扎位错及多滑移和交滑移产生的割阶影响。
通过准原位EBSD和SEM观察研究了纯钛、Ti-0.2% O和Ti-0.4% O（质量分数）多晶体在高应变速率下的变形行为。结果表明：在5%应变的动态压缩变形下，纯钛中的孪生行为非常活跃，多数晶粒内的孪生系被激活，且半数晶粒中出现多种孪生变体；而滑移迹线分析表明，仅有50%的晶粒内开动了滑移系。随着氧含量的增加，孪生晶粒比例及孪晶面积占比均呈下降趋势，同时发生多滑移与交滑移。XRD分析表明，溶质氧原子导致晶格畸变，提高了α-Ti的c/a，有利于位错滑移。活跃的位错滑移行为抑制了孪晶的形成，并且氧原子钉扎位错也会阻碍孪晶界的扩展，导致孪生行为不再活跃。此外，氧含量每增加0.2%（质量分数），纯钛的动态屈服强度就能增加约390 MPa。这种固溶强化现象主要源于晶格畸变，也受到被钉扎位错及多滑移和交滑移产生的割阶影响。
2024, 53(6):1523-1535.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230029
摘要:
以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni无铅钎料合金为研究对象，基于石墨烯纳米片（GNS）独特的结构、优异的物理性能和力学性能，以其为复合钎料的增强相，开展基于Ni改性GNSs（Ni-GNSs）增强SnAgCuRE系复合钎料/Cu的钎焊和钎焊接头热老化试验，探讨Ni-GNSs对复合钎料组织及钎焊接头热老化失效断裂机制的影响。结果表明：Ni-GNSs的加入，抑制了复合钎料的线膨胀，产生晶格畸变，导致位错产生，金属间化合物（IMC）颗粒分布在位错线附近，与位错发生交互作用，阻碍位错运动，强化复合钎料，进而强化复合钎料接头。随着热老化时间延长，钎焊接头界面IMC层厚度增加，剪切强度降低；其中，添加0.05%（质量分数）GNSs的复合钎料接头剪切强度降幅最小，为8.9%，且热老化384 h后，其剪切强度仍高于Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu合金接头热老化前的剪切强度。Ni-GNSs的加入，使复合钎料钎焊接头界面IMC的生长系数明显降低，有效缓解了复合钎料/Cu钎焊接头热老化过程中力学性能的降低，进而改变复合钎料/Cu钎焊接头的热老化失效断裂机制，最终影响接头的可靠性。Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头的断裂位置由热老化前的钎缝区向钎缝/界面IMC移动，变为韧脆混合断裂；而添加0.05%（质量分数）GNSs复合钎料接头的断裂位置均在钎缝区，为韧性断裂，钎焊接头可靠性较高。
以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni无铅钎料合金为研究对象，基于石墨烯纳米片（GNS）独特的结构、优异的物理性能和力学性能，以其为复合钎料的增强相，开展基于Ni改性GNSs（Ni-GNSs）增强SnAgCuRE系复合钎料/Cu的钎焊和钎焊接头热老化试验，探讨Ni-GNSs对复合钎料组织及钎焊接头热老化失效断裂机制的影响。结果表明：Ni-GNSs的加入，抑制了复合钎料的线膨胀，产生晶格畸变，导致位错产生，金属间化合物（IMC）颗粒分布在位错线附近，与位错发生交互作用，阻碍位错运动，强化复合钎料，进而强化复合钎料接头。随着热老化时间延长，钎焊接头界面IMC层厚度增加，剪切强度降低；其中，添加0.05%（质量分数）GNSs的复合钎料接头剪切强度降幅最小，为8.9%，且热老化384 h后，其剪切强度仍高于Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu合金接头热老化前的剪切强度。Ni-GNSs的加入，使复合钎料钎焊接头界面IMC的生长系数明显降低，有效缓解了复合钎料/Cu钎焊接头热老化过程中力学性能的降低，进而改变复合钎料/Cu钎焊接头的热老化失效断裂机制，最终影响接头的可靠性。Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头的断裂位置由热老化前的钎缝区向钎缝/界面IMC移动，变为韧脆混合断裂；而添加0.05%（质量分数）GNSs复合钎料接头的断裂位置均在钎缝区，为韧性断裂，钎焊接头可靠性较高。
2024, 53(6):1536-1542.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230035
摘要:
采用简单水热法合成了一系列C3N4/CuGaO2复合材料。采用XRD、SEM、TEM和XPS对制备的样品进行了表征。研究了一系列C3N4/CuGaO2复合材料的气敏性能。结果表明，基于C3N4/CuGaO2-0.3复合材料（C3N4与CuGaO2的摩尔比为0.3:1）的气体传感器对甲苯的传感性能优于CuGaO2传感器。相比较于CuGaO2传感器的工作温度（140 ℃），C3N4/CuGaO2-0.3复合材料传感器的最佳工作温度仅为25 ℃，对100 μL/L甲苯气体的响应达到28，检出限低至0.01 μL/L。对100 μL/L甲苯气体的响应时间和恢复时间分别为114.2和27.4 s。此外，用于检测甲苯的C3N4/CuGaO2-0.3复合材料传感器还具有优异的长期稳定性、良好的重复性和优异的抗湿性能。
采用简单水热法合成了一系列C3N4/CuGaO2复合材料。采用XRD、SEM、TEM和XPS对制备的样品进行了表征。研究了一系列C3N4/CuGaO2复合材料的气敏性能。结果表明，基于C3N4/CuGaO2-0.3复合材料（C3N4与CuGaO2的摩尔比为0.3:1）的气体传感器对甲苯的传感性能优于CuGaO2传感器。相比较于CuGaO2传感器的工作温度（140 ℃），C3N4/CuGaO2-0.3复合材料传感器的最佳工作温度仅为25 ℃，对100 μL/L甲苯气体的响应达到28，检出限低至0.01 μL/L。对100 μL/L甲苯气体的响应时间和恢复时间分别为114.2和27.4 s。此外，用于检测甲苯的C3N4/CuGaO2-0.3复合材料传感器还具有优异的长期稳定性、良好的重复性和优异的抗湿性能。
2024, 53(6):1543-1548.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230556
摘要:
利用等离子体区域熔炼提纯金属钇，获得了区熔提纯过程中Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等杂质的迁移规律。计算结果表明，金属钇中Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等常见杂质的平衡分配系数分别是0.2173、0.2201、0.5065、0.1586、0.1742和0.8576。由于上述杂质平衡分配系数小于1，杂质在液相中的溶解度大于固相溶解度，所以从理论上可判断出Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等杂质将随着熔区移动富集在金属钇锭的尾端，也就是最后凝固区。实验结果证明了该理论预判的准确性。此外，探究了区熔次数与杂质迁移的内在联系，结果表明：随着区熔次数由5次增加至10次，杂质在金属钇锭尾端富集程度增加，即去除率升高。10次区熔后，Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等杂质的去除率分别为45.71%、61.54%、33.98%、64.15%、52.14%和46.28%。由于上述杂质饱和蒸气压与金属钇接近，所以很难通过常规方法予以去除。等离子体区域熔炼提纯金属钇的研究为制备高纯钇提供了一种新方向。
利用等离子体区域熔炼提纯金属钇，获得了区熔提纯过程中Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等杂质的迁移规律。计算结果表明，金属钇中Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等常见杂质的平衡分配系数分别是0.2173、0.2201、0.5065、0.1586、0.1742和0.8576。由于上述杂质平衡分配系数小于1，杂质在液相中的溶解度大于固相溶解度，所以从理论上可判断出Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等杂质将随着熔区移动富集在金属钇锭的尾端，也就是最后凝固区。实验结果证明了该理论预判的准确性。此外，探究了区熔次数与杂质迁移的内在联系，结果表明：随着区熔次数由5次增加至10次，杂质在金属钇锭尾端富集程度增加，即去除率升高。10次区熔后，Al、Si、Fe、Ni、Cu和Mo等杂质的去除率分别为45.71%、61.54%、33.98%、64.15%、52.14%和46.28%。由于上述杂质饱和蒸气压与金属钇接近，所以很难通过常规方法予以去除。等离子体区域熔炼提纯金属钇的研究为制备高纯钇提供了一种新方向。
2024, 53(6):1549-1554.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230599
摘要:
在760 ℃下采用稀土改性包埋渗铝以及原位氧化方法制备Fe-Al/Al2O3复合涂层，研究了渗铝层和氧化膜的微观组织和相分布。结果表明，稀土改性渗铝层可分为3层：外层渗铝层、过渡层和内扩散层。渗铝层主要由FeAl相和Fe3Al相组成。FeAl相主要集中在渗铝层的外层，为Al2O3氧化膜的选择性氧化提供了有利条件。氧化膜表面呈α-Al2O3脊状结构。此外，表面氧化铈的存在是由于氧化初期Ce向外扩散且与O2的优先反应。氧化膜可分为2层，即纯α-Al2O3层和主要由α-Fe(Al)和Al、Fe、Ce的混合氧化物组成的过渡层。
在760 ℃下采用稀土改性包埋渗铝以及原位氧化方法制备Fe-Al/Al2O3复合涂层，研究了渗铝层和氧化膜的微观组织和相分布。结果表明，稀土改性渗铝层可分为3层：外层渗铝层、过渡层和内扩散层。渗铝层主要由FeAl相和Fe3Al相组成。FeAl相主要集中在渗铝层的外层，为Al2O3氧化膜的选择性氧化提供了有利条件。氧化膜表面呈α-Al2O3脊状结构。此外，表面氧化铈的存在是由于氧化初期Ce向外扩散且与O2的优先反应。氧化膜可分为2层，即纯α-Al2O3层和主要由α-Fe(Al)和Al、Fe、Ce的混合氧化物组成的过渡层。
2024, 53(6):1555-1565.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230547
摘要:
通过OM、EBSD和TEM等研究了Mn微合金化对新型近α Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：添加0.5%（质量分数）的Mn元素可以将合金的铸态微观组织从3.28 μm细化到2.65 μm，使其抗拉伸强度从882 MPa提高到966 MPa，但延伸率从7.8%下降到5.1%。锻造后的2种合金的晶粒尺寸趋于一致，微观组织趋于等轴化且Mn微合金化后的组织更加均匀。锻造后，Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金的抗拉伸强度和延伸率增加到966 MPa和16.4%，而含有0.5%（质量分数）Mn元素的合金具有更高的抗拉伸强度，达到了1079 MPa，同时延伸率达到了15.8%。结论表明，强度的提高可以归因于Mn元素的固溶强化效应，同时Mn微合金化处理使合金中的Al元素富集于α相，有利于提高合金的强度和塑性。
通过OM、EBSD和TEM等研究了Mn微合金化对新型近α Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金微观组织和力学性能的影响。结果表明：添加0.5%（质量分数）的Mn元素可以将合金的铸态微观组织从3.28 μm细化到2.65 μm，使其抗拉伸强度从882 MPa提高到966 MPa，但延伸率从7.8%下降到5.1%。锻造后的2种合金的晶粒尺寸趋于一致，微观组织趋于等轴化且Mn微合金化后的组织更加均匀。锻造后，Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金的抗拉伸强度和延伸率增加到966 MPa和16.4%，而含有0.5%（质量分数）Mn元素的合金具有更高的抗拉伸强度，达到了1079 MPa，同时延伸率达到了15.8%。结论表明，强度的提高可以归因于Mn元素的固溶强化效应，同时Mn微合金化处理使合金中的Al元素富集于α相，有利于提高合金的强度和塑性。
2024, 53(6):1566-1573.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230580
摘要:
通过在1173 K的CaCl2中对金属氧化物和石墨进行电脱氧，制备了具有面心立方结构的纳米级(VNbTaZrHf)C高熵碳化物（HEC）粉末。适当的温度条件有利于抑制HEC颗粒的原位烧结生长。在1 mol/L KOH溶液中进行了电化学性能测试，探索(VNbTaZrHf)C HEC的催化性能。通过极化曲线、Tafel斜率、电化学阻抗谱和双层电容值CV测试评估了(VNbTaZrHf)C HEC的催化析氢反应（HER）性能。结果表明，(VNbTaZrHf)C HEC的双层电容值为40.6 mF/cm2。双层电容值越大，表明电化学活性表面积越大。由于(VNbTaZrHf)C HEC的高熵效应和纳米级结构，它表现出优异的催化HER性能，并为通过熔盐电脱氧制备HECs提供了新方法。
通过在1173 K的CaCl2中对金属氧化物和石墨进行电脱氧，制备了具有面心立方结构的纳米级(VNbTaZrHf)C高熵碳化物（HEC）粉末。适当的温度条件有利于抑制HEC颗粒的原位烧结生长。在1 mol/L KOH溶液中进行了电化学性能测试，探索(VNbTaZrHf)C HEC的催化性能。通过极化曲线、Tafel斜率、电化学阻抗谱和双层电容值CV测试评估了(VNbTaZrHf)C HEC的催化析氢反应（HER）性能。结果表明，(VNbTaZrHf)C HEC的双层电容值为40.6 mF/cm2。双层电容值越大，表明电化学活性表面积越大。由于(VNbTaZrHf)C HEC的高熵效应和纳米级结构，它表现出优异的催化HER性能，并为通过熔盐电脱氧制备HECs提供了新方法。
2024, 53(6):1574-1581.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230564
摘要:
为了探索Ar/N2-Ar共溅射Ti掺杂对Ta2O5涂层光学性能和力学性能的影响，采用射频和直流磁控共溅射技术在玻璃基底表面制备了Ta2O5、N2-Ta2O5、Ti-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）表征了Ta2O5、N2-Ta2O5、Ti-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层的微观结构和表面形貌；通过紫外可见分光光度计测试了涂层的光学参数；采用纳米压痕仪测试了涂层的硬度和杨氏模量。XRD测试结果表明，Ta2O5、N2-Ta2O5、Ti-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层主要以Ta2O5为主体的非晶相结构组成。SEM和AFM结果显示，沉积在玻璃基底上的涂层未出现大面积空隙，溅射粒子在基底表面均匀堆积生长，并且涂层沉积厚度基本一致，厚度误差在5%以内。分别引入N2和Ti及N2-Ti共掺杂，均可降低Ta2O5涂层的粗糙度。光学测试结果表明，分别引入N2和Ti元素，可以提高Ta2O5涂层的平均透射率至81%以上，而N2-Ti共掺杂制备的N2-Ti-Ta2O5涂层平均透射率降低。力学测试结果显示，与Ta2O5涂层对比，N2-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层的硬度显著增大，Ti-Ta2O5涂层硬度基本一致。弹性指数（H/E）和塑性指数（H3/E2）表明，N2-Ta2O5涂层和N2-Ti-Ta2O5涂层具备更好的断裂韧性和抗塑性变形能力。在玻璃表面制备Ta2O5掺杂N2和Ti元素的涂层，可以实现以N2-Ta2O5涂层和N2-Ti-Ta2O5涂层为代表的、同时具备优异光学性能和力学性能的多功能涂层。
为了探索Ar/N2-Ar共溅射Ti掺杂对Ta2O5涂层光学性能和力学性能的影响，采用射频和直流磁控共溅射技术在玻璃基底表面制备了Ta2O5、N2-Ta2O5、Ti-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）表征了Ta2O5、N2-Ta2O5、Ti-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层的微观结构和表面形貌；通过紫外可见分光光度计测试了涂层的光学参数；采用纳米压痕仪测试了涂层的硬度和杨氏模量。XRD测试结果表明，Ta2O5、N2-Ta2O5、Ti-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层主要以Ta2O5为主体的非晶相结构组成。SEM和AFM结果显示，沉积在玻璃基底上的涂层未出现大面积空隙，溅射粒子在基底表面均匀堆积生长，并且涂层沉积厚度基本一致，厚度误差在5%以内。分别引入N2和Ti及N2-Ti共掺杂，均可降低Ta2O5涂层的粗糙度。光学测试结果表明，分别引入N2和Ti元素，可以提高Ta2O5涂层的平均透射率至81%以上，而N2-Ti共掺杂制备的N2-Ti-Ta2O5涂层平均透射率降低。力学测试结果显示，与Ta2O5涂层对比，N2-Ta2O5和N2-Ti-Ta2O5涂层的硬度显著增大，Ti-Ta2O5涂层硬度基本一致。弹性指数（H/E）和塑性指数（H3/E2）表明，N2-Ta2O5涂层和N2-Ti-Ta2O5涂层具备更好的断裂韧性和抗塑性变形能力。在玻璃表面制备Ta2O5掺杂N2和Ti元素的涂层，可以实现以N2-Ta2O5涂层和N2-Ti-Ta2O5涂层为代表的、同时具备优异光学性能和力学性能的多功能涂层。
2024, 53(6):1582-1591.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230472
摘要:
针对复杂盒形零件一次拉深成形不足的问题，提出了一种拉深气胀复合精确热成形工艺，其成形零件的外形及壁厚均满足设计要求。以TC2钛合金复杂盒形件为研究对象，研究了TC2钛合金在550~800 ℃和0.001~0.1 s-1条件下的高温成形性能。设计了一套可一次性完成拉深、气胀的模具。基于有限元仿真模拟软件PAM-STAMP对零件成形过程进行模拟，获得了优化工艺参数并进行实验验证。结果表明：PAM-STAMP仿真软件可以预测零件拉深和气胀缺陷，优化了工艺参数和模具形状并进行实验验证。实验在800 ℃、气体压力2.5 MPa条件下获得了壁厚、侧边高度均符合设计要求的零件，验证了该拉深气胀复合工艺的可行性。
针对复杂盒形零件一次拉深成形不足的问题，提出了一种拉深气胀复合精确热成形工艺，其成形零件的外形及壁厚均满足设计要求。以TC2钛合金复杂盒形件为研究对象，研究了TC2钛合金在550~800 ℃和0.001~0.1 s-1条件下的高温成形性能。设计了一套可一次性完成拉深、气胀的模具。基于有限元仿真模拟软件PAM-STAMP对零件成形过程进行模拟，获得了优化工艺参数并进行实验验证。结果表明：PAM-STAMP仿真软件可以预测零件拉深和气胀缺陷，优化了工艺参数和模具形状并进行实验验证。实验在800 ℃、气体压力2.5 MPa条件下获得了壁厚、侧边高度均符合设计要求的零件，验证了该拉深气胀复合工艺的可行性。
2024, 53(6):1592-1600.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230600
摘要:
为降低使用成本，充分发挥镍材优异的耐腐蚀性能优势，选用厚度1 mm的纯镍N6作为复板、3 mm厚的中碳钢45#作为基板进行爆炸焊接试验。通过爆炸焊接窗口计算出了各动态参数，采用金相光学显微镜和扫描电镜对界面结合形貌和元素进行分析，通过拉剪试验测试复合板力学性能，并借助AUTODYN模拟了爆炸焊接过程。结果表明，爆炸点附近存在边界效应，沿着爆炸焊接方向结合界面由平直状转变为稳定的波状界面，界面附近元素扩散层厚度为20 μm，波状的扩散层增大了结合面积，有利于冶金结合，复合板剪切强度达到325.5 MPa。数值模拟结果表明，界面形貌与试验得到的界面形貌具有一致性。模拟结果表明特征点的速度和塑性变形程度与实验结果基本吻合。
为降低使用成本，充分发挥镍材优异的耐腐蚀性能优势，选用厚度1 mm的纯镍N6作为复板、3 mm厚的中碳钢45#作为基板进行爆炸焊接试验。通过爆炸焊接窗口计算出了各动态参数，采用金相光学显微镜和扫描电镜对界面结合形貌和元素进行分析，通过拉剪试验测试复合板力学性能，并借助AUTODYN模拟了爆炸焊接过程。结果表明，爆炸点附近存在边界效应，沿着爆炸焊接方向结合界面由平直状转变为稳定的波状界面，界面附近元素扩散层厚度为20 μm，波状的扩散层增大了结合面积，有利于冶金结合，复合板剪切强度达到325.5 MPa。数值模拟结果表明，界面形貌与试验得到的界面形貌具有一致性。模拟结果表明特征点的速度和塑性变形程度与实验结果基本吻合。
2024, 53(6):1616-1625.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230226
摘要:
采用定向凝固技术研究了Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金微观组织的演化规律，以自然竞争生长法制备出胞状和树枝状亚结构单晶体，并研究了亚结构和取向对高熵合金单晶体纳米力学性能的影响。结果表明，Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金在定向凝固过程中界面更容易失稳，其平-胞界面转变速率小于1 μm/s，胞-枝界面转变速率范围约为2 ~ 5 μm/s。合金的一次、二次枝晶间距均随着定向凝固速率增加而逐渐减小，并分别与抽拉速率满足指数关系。定向凝固后，该合金枝晶干区域富集Co、Cr和Fe元素，而熔点较低的Mn、Ni和Al元素倾向于富集枝晶间区域。以自然竞争法获得的胞状、树枝状亚结构单晶的取向分别为[2 1 4]和[2 1 3]。纳米力学性能数据表明偏析行为造成的亚结构对单晶体的弹性模量和硬度影响较小，而晶体取向对单晶体的弹性模量影响较大，对硬度值影响较小。
采用定向凝固技术研究了Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金微观组织的演化规律，以自然竞争生长法制备出胞状和树枝状亚结构单晶体，并研究了亚结构和取向对高熵合金单晶体纳米力学性能的影响。结果表明，Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金在定向凝固过程中界面更容易失稳，其平-胞界面转变速率小于1 μm/s，胞-枝界面转变速率范围约为2 ~ 5 μm/s。合金的一次、二次枝晶间距均随着定向凝固速率增加而逐渐减小，并分别与抽拉速率满足指数关系。定向凝固后，该合金枝晶干区域富集Co、Cr和Fe元素，而熔点较低的Mn、Ni和Al元素倾向于富集枝晶间区域。以自然竞争法获得的胞状、树枝状亚结构单晶的取向分别为[2 1 4]和[2 1 3]。纳米力学性能数据表明偏析行为造成的亚结构对单晶体的弹性模量和硬度影响较小，而晶体取向对单晶体的弹性模量影响较大，对硬度值影响较小。
2024, 53(6):1632-1641.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230204
摘要:
为探究掺杂组元类型及含量对多元复合改性Ag/SnO2In2O3触点材料的内氧化法制备工艺、微观结构、显微硬度、温升、电寿命等电气性能的影响规律，采用中频熔炼-铸造工艺制备了改性AgSnIn合金，通过内氧化法制备了多元复合改性Ag/SnO2In2O3触点材料。利用AC-4电寿命型式试验平台对触点材料进行温升、电寿命性能评价。研究表明，改性Ag/SnO2In2O3材料的内氧化工艺优选参数为700 ℃，5 MPa，48 h。相比于Ni、Cu或Zn二元改性而言，Ni-Cu-Zn三元改性AgSn合金内部存在较大的微应变，相应的改性Ag/SnO2In2O3材料的显微硬度随着In元素含量的降低呈先上升后急剧下降。由0.47 wt.%镍，0.4 wt.%铜，0.43 wt.%锌和2.1 wt.%铟元素组成的改性AgSnIn合金可实现完全内氧化，相应的改性Ag/SnO2In2O3材料表现为最佳的显微硬度（1382.49 MPa）、最长服役寿命（28989次）和合适的温升（43.69 K），这归因于显微结构中存在较大的微应变（19×10-3）和起到强化效应的晶界组织。经分析发现，在特定的In含量比例范围2.1~3.1 wt.%，改性Ag/SnO2触点材料的电寿命循环周期与显微硬度大小之间呈正相关性，这一结果将为Ag/SnO2触点材料的配方设计与电寿命性能预测提供新思路。
为探究掺杂组元类型及含量对多元复合改性Ag/SnO2In2O3触点材料的内氧化法制备工艺、微观结构、显微硬度、温升、电寿命等电气性能的影响规律，采用中频熔炼-铸造工艺制备了改性AgSnIn合金，通过内氧化法制备了多元复合改性Ag/SnO2In2O3触点材料。利用AC-4电寿命型式试验平台对触点材料进行温升、电寿命性能评价。研究表明，改性Ag/SnO2In2O3材料的内氧化工艺优选参数为700 ℃，5 MPa，48 h。相比于Ni、Cu或Zn二元改性而言，Ni-Cu-Zn三元改性AgSn合金内部存在较大的微应变，相应的改性Ag/SnO2In2O3材料的显微硬度随着In元素含量的降低呈先上升后急剧下降。由0.47 wt.%镍，0.4 wt.%铜，0.43 wt.%锌和2.1 wt.%铟元素组成的改性AgSnIn合金可实现完全内氧化，相应的改性Ag/SnO2In2O3材料表现为最佳的显微硬度（1382.49 MPa）、最长服役寿命（28989次）和合适的温升（43.69 K），这归因于显微结构中存在较大的微应变（19×10-3）和起到强化效应的晶界组织。经分析发现，在特定的In含量比例范围2.1~3.1 wt.%，改性Ag/SnO2触点材料的电寿命循环周期与显微硬度大小之间呈正相关性，这一结果将为Ag/SnO2触点材料的配方设计与电寿命性能预测提供新思路。
2024, 53(6):1677-1684.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230193
摘要:
Ta/Ta0.5Hf0.5C层状复合材料是一种极具潜力的耐超高温结构材料,但抗热冲击性能鲜有报道。本文设计以超高温等离子火焰对复合材料进行了脉冲考核,测试了材料考核过程中的温升数据及考核前后的微观组织和宏观形貌变化。在此基础上,利用有限元软件模拟了材料考核过程中的热应力分布,并指导开展了应力循环加载试验,分析了材料的抗热冲击机制。结果表明,复合材料经等离子火焰脉冲考核120次无裂纹生成。考核过程中,复合材料内部最大热应力数值约为207 MPa。复合材料自身的高强度和优异的抵御裂纹扩展能力是其优异抗热冲击性能的主要原因,其经210 MPa应力循环加载120次后,强度和韧性保留率分别高达70.1%和73.9%。
Ta/Ta0.5Hf0.5C层状复合材料是一种极具潜力的耐超高温结构材料,但抗热冲击性能鲜有报道。本文设计以超高温等离子火焰对复合材料进行了脉冲考核,测试了材料考核过程中的温升数据及考核前后的微观组织和宏观形貌变化。在此基础上,利用有限元软件模拟了材料考核过程中的热应力分布,并指导开展了应力循环加载试验,分析了材料的抗热冲击机制。结果表明,复合材料经等离子火焰脉冲考核120次无裂纹生成。考核过程中,复合材料内部最大热应力数值约为207 MPa。复合材料自身的高强度和优异的抵御裂纹扩展能力是其优异抗热冲击性能的主要原因,其经210 MPa应力循环加载120次后,强度和韧性保留率分别高达70.1%和73.9%。
2024, 53(6):1685-1692.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230228
摘要:
本文通过循环伏安(CV)和计时电流(CA)实验研究了电解液温度和pH值对铜电结晶行为的影响，并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、三维超景深显微镜和显微硬度计分析了电解液温度和pH值对铜电沉积层的相成分、择优取向、微观结构、粗糙度和硬度的影响。结果表明，铜电结晶过程均为受扩散控制的三维形核生长模式。当电解液温度为35 ℃时，铜的电沉积效率最高；电解液pH值为9时，对铜的电沉积促进作用最优。不同电解液温度和pH值最终的成核机制均为三维瞬时成核生长。随着电解液温度的降低和pH值的增加，择优取向由（111）晶面转变为（220）晶面。当电解液温度为35 ℃，pH为9时，可获得具有平整致密、粗糙度和硬度良好的铜电沉积层。
本文通过循环伏安(CV)和计时电流(CA)实验研究了电解液温度和pH值对铜电结晶行为的影响，并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、三维超景深显微镜和显微硬度计分析了电解液温度和pH值对铜电沉积层的相成分、择优取向、微观结构、粗糙度和硬度的影响。结果表明，铜电结晶过程均为受扩散控制的三维形核生长模式。当电解液温度为35 ℃时，铜的电沉积效率最高；电解液pH值为9时，对铜的电沉积促进作用最优。不同电解液温度和pH值最终的成核机制均为三维瞬时成核生长。随着电解液温度的降低和pH值的增加，择优取向由（111）晶面转变为（220）晶面。当电解液温度为35 ℃，pH为9时，可获得具有平整致密、粗糙度和硬度良好的铜电沉积层。
2024, 53(6):1693-1700.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230222
摘要:
为实现钛铝异温轧制钛板电磁感应加热时温度分布更均匀,设计不同的感应加热线圈组对钛板进行加热,使用有限元模拟了电磁感应加热中感应线圈的结构参数对温度场的影响,通过调节感应加热参数将钛板宽度方向温差控制在50℃以内,形成较均匀的钛板温度。对钛板进行感应加热和测温实验,在较短时间的加热时长下形成了平均温度635℃,温差45℃以内的钛板温度,验证了仿真结果的正确性。对均匀性较好的高温钛板与室温铝合金板进行异温轧制,制备出界面剪切强度为63.3MPa的钛/铝复合板,并对制备出的钛/铝复合板结合性能的分布受温度均匀性的影响做了分析。
为实现钛铝异温轧制钛板电磁感应加热时温度分布更均匀,设计不同的感应加热线圈组对钛板进行加热,使用有限元模拟了电磁感应加热中感应线圈的结构参数对温度场的影响,通过调节感应加热参数将钛板宽度方向温差控制在50℃以内,形成较均匀的钛板温度。对钛板进行感应加热和测温实验,在较短时间的加热时长下形成了平均温度635℃,温差45℃以内的钛板温度,验证了仿真结果的正确性。对均匀性较好的高温钛板与室温铝合金板进行异温轧制,制备出界面剪切强度为63.3MPa的钛/铝复合板,并对制备出的钛/铝复合板结合性能的分布受温度均匀性的影响做了分析。
2024, 53(6):1701-1708.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230224
摘要:
本研究基于分子动力学研究了Ti2AlNb合金中不同数密度的O相对基体B2相力学性能的影响。结果表明：B2相中含有O相时材料的屈服强度和塑性均得到了提升。这是因为在拉伸变形过程中析出相阻碍了基体中滑移系的开动，从而提高了基体B2相的塑性变形抗力。研究发现材料塑性的提升主要与内应力的释放有关，其中B2相通过马氏体相变释放内应力占主导作用，位错释放内应力为次要作用。当基体B2相中含有O相时，O相对位错阻碍作用会导致应力集中，从而诱导大量BCC结构发生马氏体相变，在此过程中应力集中的程度降低，延缓了孔洞形核长大；另一方面由于O相为韧性相，因此孔洞在O相和B2相边界生长受到抑制，从而使Ti2AlNb合金的塑性和韧性大大提高。并且随着析出相数密度的增加，材料的屈服强度和屈服应变下降，但其强度和塑性相比不含O相时仍有提升。这是因为随着O相数密度的增加，导致变形过程中基体原子发生马氏体相变的比例降低，因此相变对应力集中的释放程度降低，孔洞的产生与扩大速度提高，从而使材料更容易发生断裂失效。
本研究基于分子动力学研究了Ti2AlNb合金中不同数密度的O相对基体B2相力学性能的影响。结果表明：B2相中含有O相时材料的屈服强度和塑性均得到了提升。这是因为在拉伸变形过程中析出相阻碍了基体中滑移系的开动，从而提高了基体B2相的塑性变形抗力。研究发现材料塑性的提升主要与内应力的释放有关，其中B2相通过马氏体相变释放内应力占主导作用，位错释放内应力为次要作用。当基体B2相中含有O相时，O相对位错阻碍作用会导致应力集中，从而诱导大量BCC结构发生马氏体相变，在此过程中应力集中的程度降低，延缓了孔洞形核长大；另一方面由于O相为韧性相，因此孔洞在O相和B2相边界生长受到抑制，从而使Ti2AlNb合金的塑性和韧性大大提高。并且随着析出相数密度的增加，材料的屈服强度和屈服应变下降，但其强度和塑性相比不含O相时仍有提升。这是因为随着O相数密度的增加，导致变形过程中基体原子发生马氏体相变的比例降低，因此相变对应力集中的释放程度降低，孔洞的产生与扩大速度提高，从而使材料更容易发生断裂失效。
2024, 53(6):1709-1717.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230263
摘要:
基于复合材料真实微观结构,在颗粒与基体界面引入内聚力单元,建立了4种不同颗粒团聚分布的有限元模型(均匀分布、三处团聚、两处团聚和一处团聚),研究了颗粒团聚对SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生和扩展机制的影响。结果表明:当裂纹萌芽时,应力在基体中分布很不均匀,最大应力值出现在颗粒群尖角处,颗粒团聚程度越严重,裂纹萌生最大应力值越大；当裂纹扩展时,颗粒团聚程度越严重,基体内最大应力值越大,裂纹扩展程度越高；当裂纹完全断裂时,随着颗粒团聚程度的加剧,颗粒应力最大值逐渐增加,而基体应力最大值变化不大。颗粒团聚加速裂纹萌生扩展过程,颗粒应均匀分布于基体中。复合材料裂纹萌生扩展机制是由于SiC颗粒群边界和尖角处应力集中严重,导致基体损伤,萌生微裂纹,微裂纹沿着切应力最大方向扩展汇集成主裂纹。
基于复合材料真实微观结构,在颗粒与基体界面引入内聚力单元,建立了4种不同颗粒团聚分布的有限元模型(均匀分布、三处团聚、两处团聚和一处团聚),研究了颗粒团聚对SiC/AZ91D复合材料裂纹萌生和扩展机制的影响。结果表明:当裂纹萌芽时,应力在基体中分布很不均匀,最大应力值出现在颗粒群尖角处,颗粒团聚程度越严重,裂纹萌生最大应力值越大；当裂纹扩展时,颗粒团聚程度越严重,基体内最大应力值越大,裂纹扩展程度越高；当裂纹完全断裂时,随着颗粒团聚程度的加剧,颗粒应力最大值逐渐增加,而基体应力最大值变化不大。颗粒团聚加速裂纹萌生扩展过程,颗粒应均匀分布于基体中。复合材料裂纹萌生扩展机制是由于SiC颗粒群边界和尖角处应力集中严重,导致基体损伤,萌生微裂纹,微裂纹沿着切应力最大方向扩展汇集成主裂纹。
2024, 53(6):1718-1725.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230243
摘要:
本文采用固液混合法制备出了铼钨核壳粉体,然后加入锇粉经预处理后制备出具有特殊包覆结构的三元混合粉体。粉体经过压制、烧结、浸渍、洗盐和退火等工艺制备出钨铼锇三元混合基阴极,经过浸渍411盐后,脉冲发射测试发现三元混合基阴极中成分为W2Re1Os1阴极的电子发射性能最好,在1050℃电流发射密度能够达到35 A/cm2,电流发射密度略高于同类型的二元混合基阴极,达到覆钨铼锇三元膜阴极的水平。通过实验验证在钨铼锇三元混合基阴极浸渍过程中,Re和Os与活性盐均不发生反应,活性物质是由W和活性盐反应产生的。
本文采用固液混合法制备出了铼钨核壳粉体,然后加入锇粉经预处理后制备出具有特殊包覆结构的三元混合粉体。粉体经过压制、烧结、浸渍、洗盐和退火等工艺制备出钨铼锇三元混合基阴极,经过浸渍411盐后,脉冲发射测试发现三元混合基阴极中成分为W2Re1Os1阴极的电子发射性能最好,在1050℃电流发射密度能够达到35 A/cm2,电流发射密度略高于同类型的二元混合基阴极,达到覆钨铼锇三元膜阴极的水平。通过实验验证在钨铼锇三元混合基阴极浸渍过程中,Re和Os与活性盐均不发生反应,活性物质是由W和活性盐反应产生的。
2024, 53(6):1726-1734.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230259
摘要:
采用S110铸钢丸和Z300陶瓷丸对GH4096合金开展了喷丸强化试验，利用扫描电镜和三维轮廓仪分析了喷丸表面形貌，采用X射线衍射法分析了喷丸表面残余应力，采用金相显微镜和扫描电镜分析了喷丸试样的截面显微组织，并对喷丸试样进行了650℃低周疲劳试验。结果表明：随着喷丸强度的增大喷丸表面的粗糙度升高，相同喷丸强度下陶瓷丸喷丸表面的粗糙度低于铸钢丸喷丸强化的表面粗糙度。铸钢丸喷丸表面的残余压应力在-860MPa～-1000MPa之间，随着喷丸强度的增加残余压应力略有降低；陶瓷丸喷丸表面的残余压应力在-1000MPa～-1100MPa之间，随着喷丸强度的增加残余压应力略有增加。GH4096合金喷丸后表面发生塑性形变，形成弹丸坑形貌，出现晶界弯曲，产生晶格畸变，造成大量位错塞集，形成密集分布的小角度晶界，晶粒取向也随之改变。喷丸强化可提高GH4096合金650℃高温下的低周疲劳寿命，复合喷丸对疲劳寿命的提升效果最明显，相同喷丸强度下陶瓷丸的强化效果优于铸钢丸。喷丸强化后试样的疲劳裂纹多萌生于强化层之下的亚表面，喷丸强化的效果受表面粗糙度、残余应力及强化层深度等共同影响。
采用S110铸钢丸和Z300陶瓷丸对GH4096合金开展了喷丸强化试验，利用扫描电镜和三维轮廓仪分析了喷丸表面形貌，采用X射线衍射法分析了喷丸表面残余应力，采用金相显微镜和扫描电镜分析了喷丸试样的截面显微组织，并对喷丸试样进行了650℃低周疲劳试验。结果表明：随着喷丸强度的增大喷丸表面的粗糙度升高，相同喷丸强度下陶瓷丸喷丸表面的粗糙度低于铸钢丸喷丸强化的表面粗糙度。铸钢丸喷丸表面的残余压应力在-860MPa～-1000MPa之间，随着喷丸强度的增加残余压应力略有降低；陶瓷丸喷丸表面的残余压应力在-1000MPa～-1100MPa之间，随着喷丸强度的增加残余压应力略有增加。GH4096合金喷丸后表面发生塑性形变，形成弹丸坑形貌，出现晶界弯曲，产生晶格畸变，造成大量位错塞集，形成密集分布的小角度晶界，晶粒取向也随之改变。喷丸强化可提高GH4096合金650℃高温下的低周疲劳寿命，复合喷丸对疲劳寿命的提升效果最明显，相同喷丸强度下陶瓷丸的强化效果优于铸钢丸。喷丸强化后试样的疲劳裂纹多萌生于强化层之下的亚表面，喷丸强化的效果受表面粗糙度、残余应力及强化层深度等共同影响。
2024, 53(6):1735-1740.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230223
摘要:
本文使用金相、EBSD等手段研究了等通道挤压对Mg-1Gd、Mg-2Zn两种二元合金组织和力学性能的影响。结果表明，在相同挤压条件下，Mg-2Zn合金发生完全再结晶，晶粒长大粗化，且强度塑性不随着挤压道次变化；Mg-1Gd合金则只发生了部分动态再结晶，组织为细小的动态再结晶晶粒和变形晶粒，伴随挤压道次的增加，再结晶程度提升，合金的抗拉强度与塑性增加了一倍。这与溶质原子Gd比Zn更能抑制再结晶和晶粒长大有关。Mg-1Gd合金的再结晶晶粒的取向分散，而未再结晶的晶粒c轴取向由ED向TD偏转45°，这与宏观织构的检测相互印证，晶粒内部产生大量的小角度晶界，小角度晶界两侧发生围绕c轴的转动，并逐渐演化为大角度晶界。
本文使用金相、EBSD等手段研究了等通道挤压对Mg-1Gd、Mg-2Zn两种二元合金组织和力学性能的影响。结果表明，在相同挤压条件下，Mg-2Zn合金发生完全再结晶，晶粒长大粗化，且强度塑性不随着挤压道次变化；Mg-1Gd合金则只发生了部分动态再结晶，组织为细小的动态再结晶晶粒和变形晶粒，伴随挤压道次的增加，再结晶程度提升，合金的抗拉强度与塑性增加了一倍。这与溶质原子Gd比Zn更能抑制再结晶和晶粒长大有关。Mg-1Gd合金的再结晶晶粒的取向分散，而未再结晶的晶粒c轴取向由ED向TD偏转45°，这与宏观织构的检测相互印证，晶粒内部产生大量的小角度晶界，小角度晶界两侧发生围绕c轴的转动，并逐渐演化为大角度晶界。
2024, 53(6):1741-1748.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230270
摘要:
以阳极氧化铝(AAO)膜为模板,采用真空机械压注法制备铟锡(InSn)合金纳米线(NWs),然后采用“原位放电还原”方法在InSn NWs表面包覆Ru颗粒。随后,将复合材料在空气中进行热处理,合成RuO2/ITO NWs。最后,在H2气氛下还原RuO2/ITO NWs获得Ru/ITO NWs。结果表明,InSn纳米线直径约为40 nm,2 ~ 5 nm的Ru纳米颗粒均匀地包覆在ITO NWs的表面。此外,检测了所得Ru/ITO NWs对纤维素的催化热解性能,所得产物为1,6-脱水吡喃葡萄糖、乙醇醛和羟基丙酮,对比无催化剂、ITO NWs,Ru/ITO NWs所得产物,可以发现Ru/ITO NWs催化剂减少了1,6-脱水吡喃葡萄糖的产生,表明Ru纳米颗粒加剧了热解过程中的氧桥的断裂,加速生成乙醇醛和羟基丙酮,提高纤维素热解效率。同时对存在醚键的壬基酚聚氧乙烯醚也进行了热解分析,结果表明Ru/ITO NWs对醚键的断裂起明显的催化作用。
以阳极氧化铝(AAO)膜为模板,采用真空机械压注法制备铟锡(InSn)合金纳米线(NWs),然后采用“原位放电还原”方法在InSn NWs表面包覆Ru颗粒。随后,将复合材料在空气中进行热处理,合成RuO2/ITO NWs。最后,在H2气氛下还原RuO2/ITO NWs获得Ru/ITO NWs。结果表明,InSn纳米线直径约为40 nm,2 ~ 5 nm的Ru纳米颗粒均匀地包覆在ITO NWs的表面。此外,检测了所得Ru/ITO NWs对纤维素的催化热解性能,所得产物为1,6-脱水吡喃葡萄糖、乙醇醛和羟基丙酮,对比无催化剂、ITO NWs,Ru/ITO NWs所得产物,可以发现Ru/ITO NWs催化剂减少了1,6-脱水吡喃葡萄糖的产生,表明Ru纳米颗粒加剧了热解过程中的氧桥的断裂,加速生成乙醇醛和羟基丙酮,提高纤维素热解效率。同时对存在醚键的壬基酚聚氧乙烯醚也进行了热解分析,结果表明Ru/ITO NWs对醚键的断裂起明显的催化作用。
2024, 53(6):1749-1760.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230252
摘要:
以梯形连铸坯Al-5Ti-1B-0.2Cu中间合金为研究对象,不同固溶温度下进行固溶处理,然后不同变形温度、不同变形速率、不同变形方向进行横向及纵向热压缩变形。研究Cu元素加入、固溶处理、热压缩对第二相粒子微观组织及尺寸不均匀变形的影响。结果表明：固溶处理600 ℃/4h后第二相粒子共有四类(Ti1-X,AlX)B2、Al7Cu2Fe、TiB2和TiAl3。当Cu存在时, Al-Cu-Fe相生成有利于增多第二相粒子数目。在相同变形程度和变形温度下随变形速率(0.01、0.1、1s-1)增大,TiAl3平均粒子尺寸逐渐减小而TiB2粒子更趋于弥散分布。横向压缩变形后第二相粒子TiAl3更加均匀,但纵向压缩变形后TiAl3粒子更细小,横向压缩与纵向压缩后TiB2粒子尺寸、分布情况则基本相同,梯形连铸坯的尺寸不均匀塑性变形更有利于第二相粒子TiAl3和TiB2的尺寸与分布。
以梯形连铸坯Al-5Ti-1B-0.2Cu中间合金为研究对象,不同固溶温度下进行固溶处理,然后不同变形温度、不同变形速率、不同变形方向进行横向及纵向热压缩变形。研究Cu元素加入、固溶处理、热压缩对第二相粒子微观组织及尺寸不均匀变形的影响。结果表明：固溶处理600 ℃/4h后第二相粒子共有四类(Ti1-X,AlX)B2、Al7Cu2Fe、TiB2和TiAl3。当Cu存在时, Al-Cu-Fe相生成有利于增多第二相粒子数目。在相同变形程度和变形温度下随变形速率(0.01、0.1、1s-1)增大,TiAl3平均粒子尺寸逐渐减小而TiB2粒子更趋于弥散分布。横向压缩变形后第二相粒子TiAl3更加均匀,但纵向压缩变形后TiAl3粒子更细小,横向压缩与纵向压缩后TiB2粒子尺寸、分布情况则基本相同,梯形连铸坯的尺寸不均匀塑性变形更有利于第二相粒子TiAl3和TiB2的尺寸与分布。
2024, 53(6):1761-1769.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230208
摘要:
为了研究空位缺陷对γ-TiAl涂层阻尼性能的影响，采用分子动力学方法(MD)对不同空位浓度的γ-TiAl涂层模型进行往复振动模拟计算。比较分析了应力-应变、储存势能、位错线密度、缺陷面积的变化及微观结构的变化机理。结果表明：随着空位浓度的升高，γ-TiAl涂层能耗逐渐增加，弹性模量逐渐减小，涂层提前发生疲劳破坏；不同空位浓度γ-TiAl涂层的储存势能均呈周期性变化，变化幅度随空位浓度的升高而逐渐减小；在振动模拟过程中，空位缺陷会演化为位错线及其它缺陷，导致位错密度和缺陷面积升高，不同缺陷的运动、演化及湮灭是γ-TiAl涂层产生能耗的主要来源；另外，高空位浓度的γ-TiAl涂层内部产生较多的塑性变形，出现颈缩和孔洞等缺陷，使阻尼发生失效。
为了研究空位缺陷对γ-TiAl涂层阻尼性能的影响，采用分子动力学方法(MD)对不同空位浓度的γ-TiAl涂层模型进行往复振动模拟计算。比较分析了应力-应变、储存势能、位错线密度、缺陷面积的变化及微观结构的变化机理。结果表明：随着空位浓度的升高，γ-TiAl涂层能耗逐渐增加，弹性模量逐渐减小，涂层提前发生疲劳破坏；不同空位浓度γ-TiAl涂层的储存势能均呈周期性变化，变化幅度随空位浓度的升高而逐渐减小；在振动模拟过程中，空位缺陷会演化为位错线及其它缺陷，导致位错密度和缺陷面积升高，不同缺陷的运动、演化及湮灭是γ-TiAl涂层产生能耗的主要来源；另外，高空位浓度的γ-TiAl涂层内部产生较多的塑性变形，出现颈缩和孔洞等缺陷，使阻尼发生失效。
2024, 53(6):1770-1780.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230159
摘要:
热障涂层（TBCs）是提升航空发动机热端部件工作温度上限的有效途径之一。稀土锆酸盐（RE2-xZr2+xO7+x/2）因其低热导率和良好的高温相稳定性被视为新一代热障涂层候选材料。鉴于稀土锆酸盐性能具有强的可设计性，本文从合金化设计思路出发，围绕力学、热物理和抗腐蚀性能综述了稀土锆酸盐涂层常规合金化和高熵化改性的国内外研究进展，并基于当前研究不足对后续工作提出展望。
热障涂层（TBCs）是提升航空发动机热端部件工作温度上限的有效途径之一。稀土锆酸盐（RE2-xZr2+xO7+x/2）因其低热导率和良好的高温相稳定性被视为新一代热障涂层候选材料。鉴于稀土锆酸盐性能具有强的可设计性，本文从合金化设计思路出发，围绕力学、热物理和抗腐蚀性能综述了稀土锆酸盐涂层常规合金化和高熵化改性的国内外研究进展，并基于当前研究不足对后续工作提出展望。
2024, 53(6):1781-1796.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230265
摘要:
碳纳米管是由高度石墨化碳原子组成的管状结构,它的sp2轨道杂化结构使其具有独特的物理及化学性能,如机械强度高、吸附性能好、化学性能稳定、导电性好,在力学、电学和能源存储等方面都具有广泛的应用前景。然而,碳纳米管生长是一个非常复杂的过程,原料组成、制备方法和环境条件都会对碳纳米管的生长速度、形貌和性能产生重要影响。通过调控碳纳米管生长过程可以获得形状不一、性能不同的碳纳米管。本文综述了制备方法、衬底材料、催化剂、生长气氛对碳纳米管形貌和性能的影响,讨论了碳纳米管的生长机理,总结了碳纳米管在能源存储、材料增韧、催化产氢等领域的应用,分析了碳纳米管的制备和可控生长面临的问题及未来发展方向,以期为碳纳米管的可控生长、大规模制备提供参考。
碳纳米管是由高度石墨化碳原子组成的管状结构,它的sp2轨道杂化结构使其具有独特的物理及化学性能,如机械强度高、吸附性能好、化学性能稳定、导电性好,在力学、电学和能源存储等方面都具有广泛的应用前景。然而,碳纳米管生长是一个非常复杂的过程,原料组成、制备方法和环境条件都会对碳纳米管的生长速度、形貌和性能产生重要影响。通过调控碳纳米管生长过程可以获得形状不一、性能不同的碳纳米管。本文综述了制备方法、衬底材料、催化剂、生长气氛对碳纳米管形貌和性能的影响,讨论了碳纳米管的生长机理,总结了碳纳米管在能源存储、材料增韧、催化产氢等领域的应用,分析了碳纳米管的制备和可控生长面临的问题及未来发展方向,以期为碳纳米管的可控生长、大规模制备提供参考。
2024, 53(6):1797-1816.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230194
摘要:
通过Ti和Al制备的Ti-Al系金属间化合物及复合材料，由于具有优异的物理、化学和力学性能，在航空航天、汽车以及其它领域具有良好的应用前景。这些材料包括TiAl3、γ-TiAl和α2-Ti3Al等金属间化合物，以及Ti/Al、Ti/α2-Ti3Al、Ti/γ-TiAl、Ti/TiAl3和Al/TiAl3等金属-金属或金属-金属间化合物复合材料。在上述材料的制备过程中，会涉及到各种Ti-Al反应扩散过程。因此，对Ti-Al反应扩散机理及动力学的深入理解，有助于合理高效的制备Ti-Al系金属间化合物及复合材料。目前对Ti-Al反应扩散机理及动力学的研究非常广泛，但很多结论仍存在争议。本文系统综述了Ti-Al反应扩散机理及动力学的研究现状，并对未来的研究方向进行了展望。
通过Ti和Al制备的Ti-Al系金属间化合物及复合材料，由于具有优异的物理、化学和力学性能，在航空航天、汽车以及其它领域具有良好的应用前景。这些材料包括TiAl3、γ-TiAl和α2-Ti3Al等金属间化合物，以及Ti/Al、Ti/α2-Ti3Al、Ti/γ-TiAl、Ti/TiAl3和Al/TiAl3等金属-金属或金属-金属间化合物复合材料。在上述材料的制备过程中，会涉及到各种Ti-Al反应扩散过程。因此，对Ti-Al反应扩散机理及动力学的深入理解，有助于合理高效的制备Ti-Al系金属间化合物及复合材料。目前对Ti-Al反应扩散机理及动力学的研究非常广泛，但很多结论仍存在争议。本文系统综述了Ti-Al反应扩散机理及动力学的研究现状，并对未来的研究方向进行了展望。
