封面论文
- 2026
- 2025
- 2024
- 2023
2026, 55(7):1701-1708.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250073
摘要:
熔模精铸大型复杂厚壁钛合金机匣是重型燃气轮机的核心部件之一，该铸件具有轮廓高、壁厚大和形状复杂等特征，存在整体成形困难、缩松缩孔缺陷多、尺寸精度低等难题，限制了高功率燃气轮机的装配和使用。本工作采用ProCAST软件开展了离心铸造过程凝固温度场和流场研究，通过分析模拟结果确定了潜在的孤立液相区范围，根据离心铸造特性推导出用于设计螺旋形横浇道和倾斜冒口的数学模型，基于此构建了集合排气集渣、调节流量和优化温度场的一体化浇注系统结构，能够有效降低凝固缺陷。进一步，开发了蜡模分体拼接方案，同时构筑了直浇道、横浇道、内浇道截面积比例为1:2.5:6的浇注系统蜡模树组，结合尺寸定型和型壳加固工装，最终获得了充填完整、冶金质量良好和尺寸精确的优质铸件。为重型燃气轮机的钛合金机匣规模化制造提供了有效的技术指导，其浇注系统构型对于其他大型复杂厚壁钛合金铸件也有一定参考价值。
熔模精铸大型复杂厚壁钛合金机匣是重型燃气轮机的核心部件之一，该铸件具有轮廓高、壁厚大和形状复杂等特征，存在整体成形困难、缩松缩孔缺陷多、尺寸精度低等难题，限制了高功率燃气轮机的装配和使用。本工作采用ProCAST软件开展了离心铸造过程凝固温度场和流场研究，通过分析模拟结果确定了潜在的孤立液相区范围，根据离心铸造特性推导出用于设计螺旋形横浇道和倾斜冒口的数学模型，基于此构建了集合排气集渣、调节流量和优化温度场的一体化浇注系统结构，能够有效降低凝固缺陷。进一步，开发了蜡模分体拼接方案，同时构筑了直浇道、横浇道、内浇道截面积比例为1:2.5:6的浇注系统蜡模树组，结合尺寸定型和型壳加固工装，最终获得了充填完整、冶金质量良好和尺寸精确的优质铸件。为重型燃气轮机的钛合金机匣规模化制造提供了有效的技术指导，其浇注系统构型对于其他大型复杂厚壁钛合金铸件也有一定参考价值。
2026, 55(6):1465-1472.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250042
摘要:
铝合金环件在制备与加工过程中产生宏观残余应力的同时也会产生微观残余应力。宏观残余应力的释放和重新分布会引起工件在加工和服役过程中变形，影响其尺寸精度，与外力叠加后使工件强度降低，降低工件疲劳极限。微观残余应力与外力的联合作用下，易造成微区应力集中，使工件在远小于屈服应力下局部产生微裂纹并导致断裂。影响铝合金锻件中残余应力最主要的工序是固溶处理后的淬火过程。本文采用盲孔法检测了7050铝合金环件固溶-冷胀形过程中的宏观残余应力，并利用ABAQUS软件对7050铝合金环件固溶-冷胀形过程进行了宏观有限元仿真模拟，系统分析了7050铝合金环件在固溶-冷胀形过程中的宏观残余应力演化规律，得出在固溶淬火之后引入合适的冷胀形工艺可以大幅消减7050铝合金宏观残余应力。通过多尺度仿真方法的联合应用实现了残余应力的跨尺度分析：基于晶体塑性有限元模拟方法，根据宏观有限元模拟结果确定感兴趣微区，提取该微区的应变历史，利用ABAQUS软件将应变历史施加至对应位置的微观多晶模型上，研究微观残余应力分布规律及其与微观组织的关系。
铝合金环件在制备与加工过程中产生宏观残余应力的同时也会产生微观残余应力。宏观残余应力的释放和重新分布会引起工件在加工和服役过程中变形，影响其尺寸精度，与外力叠加后使工件强度降低，降低工件疲劳极限。微观残余应力与外力的联合作用下，易造成微区应力集中，使工件在远小于屈服应力下局部产生微裂纹并导致断裂。影响铝合金锻件中残余应力最主要的工序是固溶处理后的淬火过程。本文采用盲孔法检测了7050铝合金环件固溶-冷胀形过程中的宏观残余应力，并利用ABAQUS软件对7050铝合金环件固溶-冷胀形过程进行了宏观有限元仿真模拟，系统分析了7050铝合金环件在固溶-冷胀形过程中的宏观残余应力演化规律，得出在固溶淬火之后引入合适的冷胀形工艺可以大幅消减7050铝合金宏观残余应力。通过多尺度仿真方法的联合应用实现了残余应力的跨尺度分析：基于晶体塑性有限元模拟方法，根据宏观有限元模拟结果确定感兴趣微区，提取该微区的应变历史，利用ABAQUS软件将应变历史施加至对应位置的微观多晶模型上，研究微观残余应力分布规律及其与微观组织的关系。
2026, 55(5):1209-1215.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250197
摘要:
钚镓（Pu-Ga）合金是一种重要的核材料，氦泡形核生长严重影响其微观组织演变和力学性能变化。本工作建立了室温时效条件下Pu-Ga合金中氦泡形成演化的相场模型，分析了不同时效时间和温度下的氦气泡的形貌演变规律，根据相场模拟结果统计了氦气泡的平均直径和数密度的变化曲线。研究发现，室温时效下气泡的尺寸和位置几乎不会发生变化，而气泡数密度呈直线增长，模拟结果与公开发表的实验结果符合较好。分析发现，时效温度主要通过影响点缺陷的迁移率，从而影响气泡生长速率，而室温时扩散系数非常低是导致室温下Pu-Ga合金中氦泡尺寸和数密度特殊演化趋势的主要原因。本工作为准确预测Pu-Ga合金中氦泡生长行为提供了介观尺度理论模型。
钚镓（Pu-Ga）合金是一种重要的核材料，氦泡形核生长严重影响其微观组织演变和力学性能变化。本工作建立了室温时效条件下Pu-Ga合金中氦泡形成演化的相场模型，分析了不同时效时间和温度下的氦气泡的形貌演变规律，根据相场模拟结果统计了氦气泡的平均直径和数密度的变化曲线。研究发现，室温时效下气泡的尺寸和位置几乎不会发生变化，而气泡数密度呈直线增长，模拟结果与公开发表的实验结果符合较好。分析发现，时效温度主要通过影响点缺陷的迁移率，从而影响气泡生长速率，而室温时扩散系数非常低是导致室温下Pu-Ga合金中氦泡尺寸和数密度特殊演化趋势的主要原因。本工作为准确预测Pu-Ga合金中氦泡生长行为提供了介观尺度理论模型。
2026, 55(4):1078-1089.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250305
摘要:
非连续增强钛基复合材料（DRTMCs）具有轻质高强耐热等优点，在航空航天和3C消费电子等领域具有广阔的应用前景。受自然界材料多级多尺度构型启发，非连续增强钛基复合材料从单一增强相均匀分布，到增强相构型化设计，进而发展为多尺度增强相构型化与钛合金基体跨尺度分级结构的协同设计调控，其组织形式逐渐丰富进而演化为多尺度异质结构，可以充分发挥多种协同强化机制，强化效率不断提高；同时能够合理分配应力应变，并有效阻碍裂纹萌生扩展，保证了良好的塑性和抗损伤能力。本文梳理了非连续增强钛基复合材料中典型构型设计及其发展思路，介绍其强韧化机制，并结合当前研究对未来材料发展方向提出展望，推动高性能钛基复合材料在关键领域的应用。
非连续增强钛基复合材料（DRTMCs）具有轻质高强耐热等优点，在航空航天和3C消费电子等领域具有广阔的应用前景。受自然界材料多级多尺度构型启发，非连续增强钛基复合材料从单一增强相均匀分布，到增强相构型化设计，进而发展为多尺度增强相构型化与钛合金基体跨尺度分级结构的协同设计调控，其组织形式逐渐丰富进而演化为多尺度异质结构，可以充分发挥多种协同强化机制，强化效率不断提高；同时能够合理分配应力应变，并有效阻碍裂纹萌生扩展，保证了良好的塑性和抗损伤能力。本文梳理了非连续增强钛基复合材料中典型构型设计及其发展思路，介绍其强韧化机制，并结合当前研究对未来材料发展方向提出展望，推动高性能钛基复合材料在关键领域的应用。
2026, 55(3):665-673.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250081
摘要:
针对水下焊接凝固过程冷却速度快，焊缝组织性能恶化等问题，采用可调环形激光对2205双相不锈钢进行局部干法水下焊接试验，同时与陆上焊缝做对比，具体研究中心和环形激光不同比例对焊缝成形、微观组织及力学性能的影响。结果表明，熔深主要受中心激光的影响，且中心功率占比增大时，焊缝表面氧化程度变得严重，表面粗糙度增大。与陆上同参数的组织相比，水下焊缝的魏氏奥氏体含量增加，晶内奥氏体数量减少甚至消失。随着环形激光占比提高，焊缝中奥氏体 含量无明显变化，焊缝晶粒尺寸和纵横比降低，焊缝两侧柱状晶生长的方向性减弱，小角度晶界数量增多。在性能方面，水下接头的抗拉强度略高于陆上，但延伸率比陆上要低，而随着环形激光功率占比由1/3提高到2/3，水下接头延伸率提升 了约50%。
针对水下焊接凝固过程冷却速度快，焊缝组织性能恶化等问题，采用可调环形激光对2205双相不锈钢进行局部干法水下焊接试验，同时与陆上焊缝做对比，具体研究中心和环形激光不同比例对焊缝成形、微观组织及力学性能的影响。结果表明，熔深主要受中心激光的影响，且中心功率占比增大时，焊缝表面氧化程度变得严重，表面粗糙度增大。与陆上同参数的组织相比，水下焊缝的魏氏奥氏体含量增加，晶内奥氏体数量减少甚至消失。随着环形激光占比提高，焊缝中奥氏体 含量无明显变化，焊缝晶粒尺寸和纵横比降低，焊缝两侧柱状晶生长的方向性减弱，小角度晶界数量增多。在性能方面，水下接头的抗拉强度略高于陆上，但延伸率比陆上要低，而随着环形激光功率占比由1/3提高到2/3，水下接头延伸率提升 了约50%。
2026, 55(2):345-364.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250370
摘要:
难熔金属（钨、钽、钼和铌）凭借其卓越的熔点、热稳定性和耐腐蚀性，在核能与航空航天等工业领域发挥着关键作用。这类金属具有体心立方晶体结构，其滑移系数量有限且位错运动受阻，导致显著的低温脆性，给传统加工工艺带来巨大挑战。增材制造技术提供了一种创新的方法，能够无需模具生产复杂零件，显著提高了材料的使用效率。本文概述了用于生产钨、钽、钼和铌等难熔金属的增材制造技术，特别是激光粉末床熔融技术的最新进展。本综述重点关注关键工艺参数（激光功率、扫描策略和粉末特性）对材料微观结构演变、冶金缺陷形成以及机械性能的影响机制。优化粉末特性（如球形度）、实施基板预热以及制定合金化策略能够显著提高制造零件的致密度和抗裂性能。同时，严格控制氧杂质含量以及优化能量密度输入是实现难熔金属强度和延展性同步提升的关键因素。尽管增材制造技术为难熔金属的加工提供了创新解决方案，但残余应力控制、微观结构和性能各向异性以及工艺稳定性等关键问题仍需解决。这篇综述不仅为高性能难熔金属的增材制造提供了理论基础，还为其工业应用提出了前瞻性的方向。
难熔金属（钨、钽、钼和铌）凭借其卓越的熔点、热稳定性和耐腐蚀性，在核能与航空航天等工业领域发挥着关键作用。这类金属具有体心立方晶体结构，其滑移系数量有限且位错运动受阻，导致显著的低温脆性，给传统加工工艺带来巨大挑战。增材制造技术提供了一种创新的方法，能够无需模具生产复杂零件，显著提高了材料的使用效率。本文概述了用于生产钨、钽、钼和铌等难熔金属的增材制造技术，特别是激光粉末床熔融技术的最新进展。本综述重点关注关键工艺参数（激光功率、扫描策略和粉末特性）对材料微观结构演变、冶金缺陷形成以及机械性能的影响机制。优化粉末特性（如球形度）、实施基板预热以及制定合金化策略能够显著提高制造零件的致密度和抗裂性能。同时，严格控制氧杂质含量以及优化能量密度输入是实现难熔金属强度和延展性同步提升的关键因素。尽管增材制造技术为难熔金属的加工提供了创新解决方案，但残余应力控制、微观结构和性能各向异性以及工艺稳定性等关键问题仍需解决。这篇综述不仅为高性能难熔金属的增材制造提供了理论基础，还为其工业应用提出了前瞻性的方向。
2026, 55(1):105-115.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250150
摘要:
电弧增材制造（WAAM）在航空航天领域具有重要应用价值，但其热输入不稳定性导致铝合金薄壁构件几何符合度差与内部缺陷多的问题突出。针对传统方法在多物理场耦合优化中的局限性，本研究提出数据驱动解决方案：通过构建工艺参数（电流、扫描速率、送丝速率）与成形质量（路径/层间壁厚一致性、孔隙率）的数据集，建立反向传播（BP）神经网络模型，并融合遗传算法（GA）优化原始模型，结合第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行成形质量多目标寻优。结果表明：优化后的GA-BP模型显著提升了沿路径壁厚一致性和孔隙率的预测精度，但层间壁厚一致性预测优化效果有限。通过NSGA-II获得的50组Pareto解集提出4类优化策略，验证试验结果表明模型预测误差为8.89%，准确地实现了成形质量指标的协同优化。
电弧增材制造（WAAM）在航空航天领域具有重要应用价值，但其热输入不稳定性导致铝合金薄壁构件几何符合度差与内部缺陷多的问题突出。针对传统方法在多物理场耦合优化中的局限性，本研究提出数据驱动解决方案：通过构建工艺参数（电流、扫描速率、送丝速率）与成形质量（路径/层间壁厚一致性、孔隙率）的数据集，建立反向传播（BP）神经网络模型，并融合遗传算法（GA）优化原始模型，结合第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行成形质量多目标寻优。结果表明：优化后的GA-BP模型显著提升了沿路径壁厚一致性和孔隙率的预测精度，但层间壁厚一致性预测优化效果有限。通过NSGA-II获得的50组Pareto解集提出4类优化策略，验证试验结果表明模型预测误差为8.89%，准确地实现了成形质量指标的协同优化。
2025, 54(12):2985-2992.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250168
摘要:
研究了掺杂Re (1wt%)和C (0.01wt%)的Ta-8W-2Hf合金在室温、1300 ℃和1500 ℃下的高温力学性能。结果表明，再结晶后的TaWHfReC合金中含有细小的弥散析出相Ta2C，显著提高了合金的力学性能。在1300和1500 ℃的高温下，TaWHfReC合金的强度远高于TaWHf合金。在1300 ℃时，TaWHf合金的抗拉伸强度为322 MPa，而TaWHfReC合金的抗拉伸强度达到了392 MPa。当温度升至1500 ℃时，析出相强化在TaWHfReC合金中仍然有效，其抗拉伸强度达到268 MPa。此外，在1300 ℃下，TaWHfReC合金的延伸率为23.5%，几乎是TaWHf合金的两倍。TaWHfReC合金在高温下力学性能的显著提升主要归因于位错与细小的Ta2C析出相之间的相互作用。细小且弥散的颗粒有效抑制了位错的运动，并在高温下表现出显著的强化效果。
研究了掺杂Re (1wt%)和C (0.01wt%)的Ta-8W-2Hf合金在室温、1300 ℃和1500 ℃下的高温力学性能。结果表明，再结晶后的TaWHfReC合金中含有细小的弥散析出相Ta2C，显著提高了合金的力学性能。在1300和1500 ℃的高温下，TaWHfReC合金的强度远高于TaWHf合金。在1300 ℃时，TaWHf合金的抗拉伸强度为322 MPa，而TaWHfReC合金的抗拉伸强度达到了392 MPa。当温度升至1500 ℃时，析出相强化在TaWHfReC合金中仍然有效，其抗拉伸强度达到268 MPa。此外，在1300 ℃下，TaWHfReC合金的延伸率为23.5%，几乎是TaWHf合金的两倍。TaWHfReC合金在高温下力学性能的显著提升主要归因于位错与细小的Ta2C析出相之间的相互作用。细小且弥散的颗粒有效抑制了位错的运动，并在高温下表现出显著的强化效果。
2025, 54(11):2717-2728.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240618
摘要:
设计并通过激光选区熔化技术制备了体心立方型（bcc）、菱形十二面体（RD）、螺旋型（G）和简单立方型（P）四种Mg-5Zn多孔支架，研究了其成形质量、压缩力学性能和降解行为。结果表明，所制备的支架具有较好的还原度，表面化学抛光处理显著改善了支架成形质量，并降低多孔支架的孔隙误差。面结构（G，P）支架粘附粉末的程度较杆结构（bcc，RD）轻，成形误差较小。相同设计孔隙率下，G构型支架的成形质量最佳。压缩时支架的失效模式以45°剪切断裂为主。孔隙率为75%时，四种构型支架的压缩性能都满足松质骨的压缩性能要求，bcc和G构型支架压缩性能相对较好。Hank's溶液浸泡168 h后，B-2-75%构型支架局部腐蚀较为严重，部分支柱连接处发生断裂；G-3-75%构型支架以均匀腐蚀为主，结构保持较为完整，腐蚀速率和压缩性能损失小于B-2-75%结构。经综合对比，优选G构型。
设计并通过激光选区熔化技术制备了体心立方型（bcc）、菱形十二面体（RD）、螺旋型（G）和简单立方型（P）四种Mg-5Zn多孔支架，研究了其成形质量、压缩力学性能和降解行为。结果表明，所制备的支架具有较好的还原度，表面化学抛光处理显著改善了支架成形质量，并降低多孔支架的孔隙误差。面结构（G，P）支架粘附粉末的程度较杆结构（bcc，RD）轻，成形误差较小。相同设计孔隙率下，G构型支架的成形质量最佳。压缩时支架的失效模式以45°剪切断裂为主。孔隙率为75%时，四种构型支架的压缩性能都满足松质骨的压缩性能要求，bcc和G构型支架压缩性能相对较好。Hank's溶液浸泡168 h后，B-2-75%构型支架局部腐蚀较为严重，部分支柱连接处发生断裂；G-3-75%构型支架以均匀腐蚀为主，结构保持较为完整，腐蚀速率和压缩性能损失小于B-2-75%结构。经综合对比，优选G构型。
2025, 54(10):2525-2532.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240282
摘要:
研究了2196铝锂合金热压缩变形流变行为和晶粒组织演变规律，基于挤压模拟与型材工程化试制，实现了典型“工”字薄壁型材晶粒组织调控。结果表明，合金在较宽的变形参数范围内具有良好的热塑性变形能力，动态回复是晶粒组织演变的主要机制；在较低温度（350、400 ℃）和较高应变速率（10 s-1）耦合条件下，应变集中导致少量的局部动态再结晶。挤压过程中大应变促进了再结晶形成，型材截面上变形条件差异导致了晶粒组织不均匀性。结合装备条件提出，当挤压温度为430 ℃及截面应变速率为0.005~0.95 s-1时，能够获得相对均匀的晶粒组织，且保持了较低的再结晶程度和丰富的亚晶结构，为实现型材强韧性匹配提供了研究基础。
研究了2196铝锂合金热压缩变形流变行为和晶粒组织演变规律，基于挤压模拟与型材工程化试制，实现了典型“工”字薄壁型材晶粒组织调控。结果表明，合金在较宽的变形参数范围内具有良好的热塑性变形能力，动态回复是晶粒组织演变的主要机制；在较低温度（350、400 ℃）和较高应变速率（10 s-1）耦合条件下，应变集中导致少量的局部动态再结晶。挤压过程中大应变促进了再结晶形成，型材截面上变形条件差异导致了晶粒组织不均匀性。结合装备条件提出，当挤压温度为430 ℃及截面应变速率为0.005~0.95 s-1时，能够获得相对均匀的晶粒组织，且保持了较低的再结晶程度和丰富的亚晶结构，为实现型材强韧性匹配提供了研究基础。
2025, 54(9):2177-2188.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240452
摘要:
采用BNi-5中间层进行GH5188的瞬态液相（TLP）扩散连接。针对GH5188合金及TLP连接机理进行参数选择及优化，研究了接头的组织演变和力学性能。结果表明，相对完整的等温凝固区（ISZ）保证了母材（BM）的可靠连接。在1110 ℃至1190 ℃范围内，较高的连接温度使ISZ增宽，促进了接头成分的均匀化，提高了力学性能。然而，析出相的增加对接头的力学性能产生了不利影响。在1130 ℃时获得了最大的剪切强度，达到482 MPa，占BM强度的84.6%。在5 MPa至15 MPa的压力范围内，非等温凝固区（ASZ）中的析出相和部分熔化产生的空隙均有所增加。相反，它们的尺寸随着连接压力的升高而显著减小，导致合金力学性能呈上升趋势。在15 MPa的连接压力下获得了最大的剪切强度，为490 MPa。接头表现出典型的混合断裂模式，小而脆的M23C6相和空隙显著影响力学性能。纳米压痕测试表明ASZ是裂纹的潜在来源。
采用BNi-5中间层进行GH5188的瞬态液相（TLP）扩散连接。针对GH5188合金及TLP连接机理进行参数选择及优化，研究了接头的组织演变和力学性能。结果表明，相对完整的等温凝固区（ISZ）保证了母材（BM）的可靠连接。在1110 ℃至1190 ℃范围内，较高的连接温度使ISZ增宽，促进了接头成分的均匀化，提高了力学性能。然而，析出相的增加对接头的力学性能产生了不利影响。在1130 ℃时获得了最大的剪切强度，达到482 MPa，占BM强度的84.6%。在5 MPa至15 MPa的压力范围内，非等温凝固区（ASZ）中的析出相和部分熔化产生的空隙均有所增加。相反，它们的尺寸随着连接压力的升高而显著减小，导致合金力学性能呈上升趋势。在15 MPa的连接压力下获得了最大的剪切强度，为490 MPa。接头表现出典型的混合断裂模式，小而脆的M23C6相和空隙显著影响力学性能。纳米压痕测试表明ASZ是裂纹的潜在来源。
2025, 54(8):1997-2007.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240238
摘要:
采用光学显微镜、扫描电子显微镜、持久试验等手段对重型燃气轮机用大尺寸UGTC47定向柱晶叶片中雀斑的形成机理及其对持久性能的影响进行了研究。结果表明，在叶片榫头的中部和根部区域出现雀斑缺陷，形成机制为偏析导致的液相密度反转，在重力的作用下引起熔液对流，导致了枝晶臂断裂从而形成雀斑。在900 ℃/380 MPa时，雀斑面积分数对UGTC47合金的持久性能产生明显影响。随着雀斑含量的增加，合金的持久寿命由无雀斑时的131.83 h下降到雀斑含量62%时的33.66 h。
采用光学显微镜、扫描电子显微镜、持久试验等手段对重型燃气轮机用大尺寸UGTC47定向柱晶叶片中雀斑的形成机理及其对持久性能的影响进行了研究。结果表明，在叶片榫头的中部和根部区域出现雀斑缺陷，形成机制为偏析导致的液相密度反转，在重力的作用下引起熔液对流，导致了枝晶臂断裂从而形成雀斑。在900 ℃/380 MPa时，雀斑面积分数对UGTC47合金的持久性能产生明显影响。随着雀斑含量的增加，合金的持久寿命由无雀斑时的131.83 h下降到雀斑含量62%时的33.66 h。
2025, 54(7):1847-1856.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240112
摘要:
利用Thermo-Calc软件计算了Mg-xZn-2Gd（x=0~12, wt%）合金的平衡凝固和Scheil凝固路径，研究了冷却速率和合金成分对准晶I相含量的影响规律。结果表明，Zn/Gd原子比6.0的合金平衡凝固组织中仅包含准晶I相，而在非平衡凝固时因固相中的溶质扩散受限，W相难以转变为I相，形成W相与I相混合的组织。冷却速率和合金成分的变化均会通过影响初生相α-Mg凝固过程中液相的溶质富集速率，改变次生相结晶时残余液相的溶质含量和温度，并通过影响凝固驱动力来影响次生相的类型及含量。Mg-Zn-Gd铸造合金制备时，提高凝固冷却速率和增加Zn/Gd原子比均会抑制W相并促进I相的形成，获得具有更高准晶I相含量的合金。
利用Thermo-Calc软件计算了Mg-xZn-2Gd（x=0~12, wt%）合金的平衡凝固和Scheil凝固路径，研究了冷却速率和合金成分对准晶I相含量的影响规律。结果表明，Zn/Gd原子比6.0的合金平衡凝固组织中仅包含准晶I相，而在非平衡凝固时因固相中的溶质扩散受限，W相难以转变为I相，形成W相与I相混合的组织。冷却速率和合金成分的变化均会通过影响初生相α-Mg凝固过程中液相的溶质富集速率，改变次生相结晶时残余液相的溶质含量和温度，并通过影响凝固驱动力来影响次生相的类型及含量。Mg-Zn-Gd铸造合金制备时，提高凝固冷却速率和增加Zn/Gd原子比均会抑制W相并促进I相的形成，获得具有更高准晶I相含量的合金。
2025, 54(6):1630-1640.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250028
摘要:
激光焊接具有变形量小、热影响区窄和焊接效率高等特点，已成为镁合金轻量化装备最具潜力的连接技术之一。然而，激光焊接接头组织中普遍存在多种气孔类缺陷。激光焊接气孔成因复杂，其数量、大小及分布特征都会影响镁合金焊接接头的力学性能，进而影响镁合金轻量化装备的安全应用。本文综述了镁合金激光焊接组织中的气孔形成机理，探讨了气孔对力学性能的影响规律，提出了气孔调控措施及对策，展望了镁合金激光焊接基础研究和应用重点方向，可为汽车和航空航天等领域的镁合金轻量化部件的连接制造技术开发提供参考。
激光焊接具有变形量小、热影响区窄和焊接效率高等特点，已成为镁合金轻量化装备最具潜力的连接技术之一。然而，激光焊接接头组织中普遍存在多种气孔类缺陷。激光焊接气孔成因复杂，其数量、大小及分布特征都会影响镁合金焊接接头的力学性能，进而影响镁合金轻量化装备的安全应用。本文综述了镁合金激光焊接组织中的气孔形成机理，探讨了气孔对力学性能的影响规律，提出了气孔调控措施及对策，展望了镁合金激光焊接基础研究和应用重点方向，可为汽车和航空航天等领域的镁合金轻量化部件的连接制造技术开发提供参考。
2025, 54(5):1217-1228.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230827
摘要:
系统研究了V含量（0.1wt%，0.2wt%）对不同热处理状态（调质态和加速脆化态）超纯净30Cr2Ni4MoV转子钢碳化物和力学性能的影响。结果表明，两种调质态合金钢都具有同样的板条马氏体组织特征以及碳化物类型（包括M23C6、M2C和MC）和尺寸。但0.2V钢析出了更多尺寸细小、富V的MC碳化物，细化了合金钢的原始奥氏体晶粒尺寸，通过沉淀强化和细晶强化作用，将屈服强度提高了147 MPa。加速脆化热处理后，合金钢的微观组织和碳化物类型不变，仅碳化物尺寸略有粗化，从而导致合金钢的屈服强度稍有下降。V含量增加后，由于析出了更多的MC碳化物，对位错的阻碍作用增强，造成裂纹扩展临界应力σf的下降，使得裂纹更易萌生和扩展。因此，0.2V钢的韧脆转变温度相较于0.1V钢提高了21 ℃。
系统研究了V含量（0.1wt%，0.2wt%）对不同热处理状态（调质态和加速脆化态）超纯净30Cr2Ni4MoV转子钢碳化物和力学性能的影响。结果表明，两种调质态合金钢都具有同样的板条马氏体组织特征以及碳化物类型（包括M23C6、M2C和MC）和尺寸。但0.2V钢析出了更多尺寸细小、富V的MC碳化物，细化了合金钢的原始奥氏体晶粒尺寸，通过沉淀强化和细晶强化作用，将屈服强度提高了147 MPa。加速脆化热处理后，合金钢的微观组织和碳化物类型不变，仅碳化物尺寸略有粗化，从而导致合金钢的屈服强度稍有下降。V含量增加后，由于析出了更多的MC碳化物，对位错的阻碍作用增强，造成裂纹扩展临界应力σf的下降，使得裂纹更易萌生和扩展。因此，0.2V钢的韧脆转变温度相较于0.1V钢提高了21 ℃。
2025, 54(4):837-853.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20250097
摘要:
钎焊材料应用广泛，在异质结构连接中发挥着工业万能胶的作用。新结构和新材料层出不穷，所需要的新型钎焊材料越来越多。研究钎料成分优化设计方法，形成钎料系统性设计准则意义重大。从应用钎料基本性能、成形加工性和综合成本三维视角出发，阐明了钎料成分设计的基本规则。本研究中钎料本构性能包括钎料机械性能、物理化学性能、电磁性能、耐蚀性能与钎焊作业时钎料的润湿性和流铺性。成型加工性包括熔炼、铸造工艺，挤压、轧制、拉拔、制环工艺，制粒、制粉和非晶微晶成型工艺。成本指材料价值和制造成本之和。提高钎料综合性能需要全面系统考量设计指标，突出钎料特色要聚焦相应技术指标，二元或三元共晶组织可以有效提高钎料流铺性，固溶体组织有利于钎料成形。采用所提出的设计准则，设计了典型的Ag基、Cu基、Zn基、Sn基钎料，并在重大科学工程中得到成功应用。
钎焊材料应用广泛，在异质结构连接中发挥着工业万能胶的作用。新结构和新材料层出不穷，所需要的新型钎焊材料越来越多。研究钎料成分优化设计方法，形成钎料系统性设计准则意义重大。从应用钎料基本性能、成形加工性和综合成本三维视角出发，阐明了钎料成分设计的基本规则。本研究中钎料本构性能包括钎料机械性能、物理化学性能、电磁性能、耐蚀性能与钎焊作业时钎料的润湿性和流铺性。成型加工性包括熔炼、铸造工艺，挤压、轧制、拉拔、制环工艺，制粒、制粉和非晶微晶成型工艺。成本指材料价值和制造成本之和。提高钎料综合性能需要全面系统考量设计指标，突出钎料特色要聚焦相应技术指标，二元或三元共晶组织可以有效提高钎料流铺性，固溶体组织有利于钎料成形。采用所提出的设计准则，设计了典型的Ag基、Cu基、Zn基、Sn基钎料，并在重大科学工程中得到成功应用。
2025, 54(3):545-553.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240361
摘要:
在水热合成过程中加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），调节乙二醇的用量为50vol%，合成了镁离子电池正极材料CuS-C50。结果表明：CuS-C50具有完整的纳米花状结构，在氯化铝-季戊四醇四甲醚/四氢呋喃（APC/THF）电解液中，当电流密度为50 mA/g时，其比容量高达331.19 mAh/g；当电流密度为200 mA/g时，其比容量在50次循环后仍保持136.92 mAh/g。形貌表征结果表明，完整的纳米花状结构可以提供更多的活性位点，减少Mg2+的移动障碍，最终提高镁离子电池CuS正极材料的充放电性能。
在水热合成过程中加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），调节乙二醇的用量为50vol%，合成了镁离子电池正极材料CuS-C50。结果表明：CuS-C50具有完整的纳米花状结构，在氯化铝-季戊四醇四甲醚/四氢呋喃（APC/THF）电解液中，当电流密度为50 mA/g时，其比容量高达331.19 mAh/g；当电流密度为200 mA/g时，其比容量在50次循环后仍保持136.92 mAh/g。形貌表征结果表明，完整的纳米花状结构可以提供更多的活性位点，减少Mg2+的移动障碍，最终提高镁离子电池CuS正极材料的充放电性能。
2025, 54(2):385-393.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240591
摘要:
采用AgCu钎料实现了Zr合金与CoCrFeMnNi HEA之间的钎焊连接。研究了钎焊温度与保温时间对接头显微组织演化与力学性能的影响规律。结果表明：在钎焊温度为850 ℃，保温时间为10 min的条件下，接头界面的典型微观组织为：HEA/Crss/Zr(Cr,Mn)2/Zr2(Co,Cu,Ni,Fe)+Zr2(Ag,Cu)+Zr(Cr,Mn)2/Zr，接头的平均抗剪切强度最高可达103.1 MPa。随着钎焊温度的升高或保温时间的增加，扩散反应区内的富Cr基固溶体层和Zr(Cr,Mn)2层厚度增厚，钎缝中心区内Zr2(Co,Cu,Ni,Fe)相和Zr(Cr,Mn)2相含量增多，Zr2(Ag,Cu)相所占比例减小。最后，分析了接头的失效机制，在剪切力的作用下，随着钎焊温度和保温时间的增加，接头的断裂位置从扩散反应区的Zr(Cr,Mn)2层转移到钎缝中心区的Zr2(Co,Cu,Ni,Fe)脆性相断裂。
采用AgCu钎料实现了Zr合金与CoCrFeMnNi HEA之间的钎焊连接。研究了钎焊温度与保温时间对接头显微组织演化与力学性能的影响规律。结果表明：在钎焊温度为850 ℃，保温时间为10 min的条件下，接头界面的典型微观组织为：HEA/Crss/Zr(Cr,Mn)2/Zr2(Co,Cu,Ni,Fe)+Zr2(Ag,Cu)+Zr(Cr,Mn)2/Zr，接头的平均抗剪切强度最高可达103.1 MPa。随着钎焊温度的升高或保温时间的增加，扩散反应区内的富Cr基固溶体层和Zr(Cr,Mn)2层厚度增厚，钎缝中心区内Zr2(Co,Cu,Ni,Fe)相和Zr(Cr,Mn)2相含量增多，Zr2(Ag,Cu)相所占比例减小。最后，分析了接头的失效机制，在剪切力的作用下，随着钎焊温度和保温时间的增加，接头的断裂位置从扩散反应区的Zr(Cr,Mn)2层转移到钎缝中心区的Zr2(Co,Cu,Ni,Fe)脆性相断裂。
2025, 54(1):1-9.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240473
摘要:
带有软金属镀层的自紧式金属密封广泛应用于高温、低温、高压等复杂工况。研究软金属镀层和高温合金基体界面过渡层特征及结合强度对提升密封性能和金属密封工作全过程建模与简化具有重要意义。采用试验方法研究了不同软金属镀层材料及厚度组合下软金属和基体界面元素分布特征和镀层-基体结合强度。结果表明：软金属镀层厚度对GH4169-Cu、GH4169-Ag和Cu-Ag界面形貌几乎没有影响，但对不同金属之间的过渡层厚度有影响；随着镀层厚度增加，该影响减弱，镀层厚度大于30 μm后，过渡层厚度稳定在2 μm左右。划格试验表明Cu、Ag和Cu-Ag复合镀层与基体GH4169均结合较好。软金属材料对过渡层特征和镀层划格试验后表面特征有显著影响。
带有软金属镀层的自紧式金属密封广泛应用于高温、低温、高压等复杂工况。研究软金属镀层和高温合金基体界面过渡层特征及结合强度对提升密封性能和金属密封工作全过程建模与简化具有重要意义。采用试验方法研究了不同软金属镀层材料及厚度组合下软金属和基体界面元素分布特征和镀层-基体结合强度。结果表明：软金属镀层厚度对GH4169-Cu、GH4169-Ag和Cu-Ag界面形貌几乎没有影响，但对不同金属之间的过渡层厚度有影响；随着镀层厚度增加，该影响减弱，镀层厚度大于30 μm后，过渡层厚度稳定在2 μm左右。划格试验表明Cu、Ag和Cu-Ag复合镀层与基体GH4169均结合较好。软金属材料对过渡层特征和镀层划格试验后表面特征有显著影响。
2024, 53(12):3281-3290.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240097
摘要:
通过激光沉积在近α钛合金基板上制备了不同比例的预混合近α钛合金和Ti2AlNb合金粉末，并对2种粉末的微观组织演变和结构特征进行了分析和讨论。结果表明，Ti2AlNb含量在40%（质量分数，下同）以上的激光沉积预混合钛合金粉末的等轴B2晶粒内形成了许多河流状亚晶粒结构，而Ti2AlNb含量在40%以下的粗柱状β晶粒内则呈现针状结构。值得注意的是，降低激光功率和扫描速度可以促进亚晶粒结构的形成。基于实验结果的分析可以推断出，这种亚晶粒结构的形成不仅与亚晶界成分微偏析导致的O相析出有关，还与激光沉积过程中内应力诱导的堆垛层错密不可分。
通过激光沉积在近α钛合金基板上制备了不同比例的预混合近α钛合金和Ti2AlNb合金粉末，并对2种粉末的微观组织演变和结构特征进行了分析和讨论。结果表明，Ti2AlNb含量在40%（质量分数，下同）以上的激光沉积预混合钛合金粉末的等轴B2晶粒内形成了许多河流状亚晶粒结构，而Ti2AlNb含量在40%以下的粗柱状β晶粒内则呈现针状结构。值得注意的是，降低激光功率和扫描速度可以促进亚晶粒结构的形成。基于实验结果的分析可以推断出，这种亚晶粒结构的形成不仅与亚晶界成分微偏析导致的O相析出有关，还与激光沉积过程中内应力诱导的堆垛层错密不可分。
2024, 53(11):3101-3110.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240027
摘要:
亚稳β型TB18钛合金具有较高的固溶-时效强化效应和良好的强度韧性匹配潜力,成为制备先进航空构件的优选材料。通过研究经过不同固溶温度、固溶时间、固溶后缓冷热处理后TB18钛合金的微观组织和力学性能变化规律,阐明固溶处理对TB18钛合金微观组织-力学性能间交互作用的影响机理。结果表明,经过β单相区固溶和时效处理后,β基体中析出片层和针状αs相,片层状αs相有利于提升TB18钛合金的韧性,片层厚度越大,TB18钛合金的断裂韧性越好。固溶温度过高或固溶保温时间过长将导致TB18钛合金β晶粒发生粗化,使材料强度和塑性下降。将固溶后缓冷冷却速率由0.25 ℃/min提升至1 ℃/min,经过时效处理的TB18钛合金内分布均匀细密的αs相,抗拉强度提高达到1343 MPa,延伸率为5.0%。当固溶制度为870 ℃/2 h/Air cooling(AC)时,TB18钛合金可在530 ℃/4 h/AC条件下时效后获得良好的强韧性匹配,抗拉强度为1315 MPa,屈服强度为1225 MPa,延伸率为8.5%,冲击韧性为29.2 J/cm2，断裂韧度值为88.4 MPa.m1/2。
亚稳β型TB18钛合金具有较高的固溶-时效强化效应和良好的强度韧性匹配潜力,成为制备先进航空构件的优选材料。通过研究经过不同固溶温度、固溶时间、固溶后缓冷热处理后TB18钛合金的微观组织和力学性能变化规律,阐明固溶处理对TB18钛合金微观组织-力学性能间交互作用的影响机理。结果表明,经过β单相区固溶和时效处理后,β基体中析出片层和针状αs相,片层状αs相有利于提升TB18钛合金的韧性,片层厚度越大,TB18钛合金的断裂韧性越好。固溶温度过高或固溶保温时间过长将导致TB18钛合金β晶粒发生粗化,使材料强度和塑性下降。将固溶后缓冷冷却速率由0.25 ℃/min提升至1 ℃/min,经过时效处理的TB18钛合金内分布均匀细密的αs相,抗拉强度提高达到1343 MPa,延伸率为5.0%。当固溶制度为870 ℃/2 h/Air cooling(AC)时,TB18钛合金可在530 ℃/4 h/AC条件下时效后获得良好的强韧性匹配,抗拉强度为1315 MPa,屈服强度为1225 MPa,延伸率为8.5%,冲击韧性为29.2 J/cm2，断裂韧度值为88.4 MPa.m1/2。
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(9):2405-2412.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230822
摘要:
钛合金的高温阻燃性能是制约其在航空发动机中应用的重要因素，而激光点火法能够精确反映钛合金在局部加热时的阻燃性能。在Ti-6Al与Ti-48Al的温度场研究中，通过钛合金激光点火实验表征了温度场演化特性，同时在微观瞬态机制分析中引入了分子动力学（MD）模拟与JMatPro计算等方法。结果表明：在激光连续照射下，Ti-Al系合金表面首先形成熔池，熔池温度场从中心到边缘呈正态分布。当中心温度达到起燃临界点时，产生扩展燃烧，扩展燃烧路径沿气流方向推进。与Ti-6Al相比，Ti-48Al合金在激光烧蚀下的阻燃性能更高。这是由于Ti-48Al具有更高的传热性能，导致光斑温度场边界附近的热集中效应减弱，因此需要增加氧分压，降低合金起燃点，才能在同等激光热源下达到Ti-48Al合金的起燃边界条件。另外在扩展燃烧路径方面，MD模型显示试件存在边界热集中效应，这揭示了除气流方向之外的另一种扩展燃烧路径影响机制，即激光光斑产生的热量传导至临近边界时中断，在边界附近产生热量集中，因此燃烧路径亦倾向于沿该方向扩展。
钛合金的高温阻燃性能是制约其在航空发动机中应用的重要因素，而激光点火法能够精确反映钛合金在局部加热时的阻燃性能。在Ti-6Al与Ti-48Al的温度场研究中，通过钛合金激光点火实验表征了温度场演化特性，同时在微观瞬态机制分析中引入了分子动力学（MD）模拟与JMatPro计算等方法。结果表明：在激光连续照射下，Ti-Al系合金表面首先形成熔池，熔池温度场从中心到边缘呈正态分布。当中心温度达到起燃临界点时，产生扩展燃烧，扩展燃烧路径沿气流方向推进。与Ti-6Al相比，Ti-48Al合金在激光烧蚀下的阻燃性能更高。这是由于Ti-48Al具有更高的传热性能，导致光斑温度场边界附近的热集中效应减弱，因此需要增加氧分压，降低合金起燃点，才能在同等激光热源下达到Ti-48Al合金的起燃边界条件。另外在扩展燃烧路径方面，MD模型显示试件存在边界热集中效应，这揭示了除气流方向之外的另一种扩展燃烧路径影响机制，即激光光斑产生的热量传导至临近边界时中断，在边界附近产生热量集中，因此燃烧路径亦倾向于沿该方向扩展。
2024, 53(8):2109-2122.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230663
摘要:
研究了不同晶粒尺寸的纯锆（Zr）在酸、碱、盐环境中的腐蚀性能。采用光学显微镜、X射线衍射仪和电子背散射衍射探针对纯Zr的微观结构进行观察。采用电化学腐蚀试验和浸泡试验分析纯锆的耐腐蚀性能。结果表明：800 ℃退火不同时间可获得尺寸为 4~32 μm的纯Zr，晶粒尺寸与时间的关系为D3-D03=3.35t。电化学腐蚀和浸泡腐蚀试验表明，晶粒尺寸约为24 μm的纯Zr（800 ℃退火20 h）具有最佳的耐腐蚀性能。
研究了不同晶粒尺寸的纯锆（Zr）在酸、碱、盐环境中的腐蚀性能。采用光学显微镜、X射线衍射仪和电子背散射衍射探针对纯Zr的微观结构进行观察。采用电化学腐蚀试验和浸泡试验分析纯锆的耐腐蚀性能。结果表明：800 ℃退火不同时间可获得尺寸为 4~32 μm的纯Zr，晶粒尺寸与时间的关系为D3-D03=3.35t。电化学腐蚀和浸泡腐蚀试验表明，晶粒尺寸约为24 μm的纯Zr（800 ℃退火20 h）具有最佳的耐腐蚀性能。
2024, 53(7):1817-1825.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230636
摘要:
采用水冷铜坩埚磁悬浮真空熔炼炉制备了(Fe63.3Mn14Si9.1Cr9.8C3.8)99.5?xCuxAg0.5 (x=1，2，3，4，5，at%)合金，并对合金试样进行抗菌时效处理，研究Cu含量对合金耐腐蚀性能以及抗菌性能的影响。结果表明，经过固溶时效处理后的中熵合金均为fcc结构，随着Cu含量的提高，fcc1富铁基体上逐渐析出了富Cu和富Ag的fcc2相。合金在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的耐腐蚀性能优于AISI304。随Cu含量的增加，腐蚀电流密度先减小而后增加，容抗弧半径先增大后减小，表明合金的耐腐蚀性能先增强后减弱。合金在大肠杆菌悬浮液中的腐蚀速率呈现出先增大后减小的趋势，x=2合金的耐生物腐蚀能力最优，而抗菌性能和腐蚀性能存在倒置关系。富Cu和富Ag的fcc2相能有效提升合金的抗菌性能，x=5合金的抗菌性能最优，抗菌率达到99.94%.
采用水冷铜坩埚磁悬浮真空熔炼炉制备了(Fe63.3Mn14Si9.1Cr9.8C3.8)99.5?xCuxAg0.5 (x=1，2，3，4，5，at%)合金，并对合金试样进行抗菌时效处理，研究Cu含量对合金耐腐蚀性能以及抗菌性能的影响。结果表明，经过固溶时效处理后的中熵合金均为fcc结构，随着Cu含量的提高，fcc1富铁基体上逐渐析出了富Cu和富Ag的fcc2相。合金在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的耐腐蚀性能优于AISI304。随Cu含量的增加，腐蚀电流密度先减小而后增加，容抗弧半径先增大后减小，表明合金的耐腐蚀性能先增强后减弱。合金在大肠杆菌悬浮液中的腐蚀速率呈现出先增大后减小的趋势，x=2合金的耐生物腐蚀能力最优，而抗菌性能和腐蚀性能存在倒置关系。富Cu和富Ag的fcc2相能有效提升合金的抗菌性能，x=5合金的抗菌性能最优，抗菌率达到99.94%.
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(5):1252-1261.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230036
摘要:
钎焊铝蜂窝夹层结构板常用于高速列车的地板和船舶的甲板。其中四层铝复合板（4343/3003/6111/3003）作为该蜂窝结构的面板常暴露于腐蚀性环境中。经过成分优化的6111铝合金作为四层铝复合板的主要支撑层材料，其组织结构和表面状态对腐蚀 性能有很大影响。采用不同粒度的砂纸磨削6111铝合金，研究了不同程度磨削后6111铝合金的微观组织和表面腐蚀行为。结果表明：6111合金中的AlFeSi(Mn, Cu)相的电位高于基体电位，这种相作为阴极与相邻基体形成多级体系，加剧了表面腐蚀。同时，较光滑的表面具有更好的耐腐蚀性。当表面粗糙度从18.03 μm降至0.92 μm时，表面几何体积由0.629 mm3减少至0.029 mm3，金属间化合物AlFeSi(Mn，Cu)粒子的平均数量由1631 mm-2减少至917 mm-2，其面积分数由3.93%降至0.92%。相应地，平均腐蚀深度由237 μm降至95 μm。
钎焊铝蜂窝夹层结构板常用于高速列车的地板和船舶的甲板。其中四层铝复合板（4343/3003/6111/3003）作为该蜂窝结构的面板常暴露于腐蚀性环境中。经过成分优化的6111铝合金作为四层铝复合板的主要支撑层材料，其组织结构和表面状态对腐蚀 性能有很大影响。采用不同粒度的砂纸磨削6111铝合金，研究了不同程度磨削后6111铝合金的微观组织和表面腐蚀行为。结果表明：6111合金中的AlFeSi(Mn, Cu)相的电位高于基体电位，这种相作为阴极与相邻基体形成多级体系，加剧了表面腐蚀。同时，较光滑的表面具有更好的耐腐蚀性。当表面粗糙度从18.03 μm降至0.92 μm时，表面几何体积由0.629 mm3减少至0.029 mm3，金属间化合物AlFeSi(Mn，Cu)粒子的平均数量由1631 mm-2减少至917 mm-2，其面积分数由3.93%降至0.92%。相应地，平均腐蚀深度由237 μm降至95 μm。
2024, 53(4):933-946.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230402
摘要:
基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，在计算中加入Hubbard项进行校正，探究了CO和CO2分子在UO2 (111)表面的吸附和解离，分析了不同构型下的静态和动态吸附机理，吸附位点包括顶位、空位、桥位。在静态计算中，探究了吸附过程中多种吸附参数的变化，如吸附构型、吸附能、电荷转移等。利用第一性原理分子动力学（AIMD），探究了特定构型下CO2分子的解离过程及差分电荷密度变化。结果表明，CO分子的吸附可分为2种类型：（1）自发吸附，包括化学和物理吸附；（2）非自发吸附。CO2分子的吸附仅表现为自发吸附的化学吸附及非自发吸附，无物理吸附。CO和CO2分子的最优吸附构型均为短桥位垂直（B-short-Ver）吸附。此外，0 K下CO2分子在UO2 (111)表面的B-short-Ver和长桥位垂直吸附构型吸附后会自发解离。AIMD模拟结果表明，这2种构型在300 K下均发生解离。
基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，在计算中加入Hubbard项进行校正，探究了CO和CO2分子在UO2 (111)表面的吸附和解离，分析了不同构型下的静态和动态吸附机理，吸附位点包括顶位、空位、桥位。在静态计算中，探究了吸附过程中多种吸附参数的变化，如吸附构型、吸附能、电荷转移等。利用第一性原理分子动力学（AIMD），探究了特定构型下CO2分子的解离过程及差分电荷密度变化。结果表明，CO分子的吸附可分为2种类型：（1）自发吸附，包括化学和物理吸附；（2）非自发吸附。CO2分子的吸附仅表现为自发吸附的化学吸附及非自发吸附，无物理吸附。CO和CO2分子的最优吸附构型均为短桥位垂直（B-short-Ver）吸附。此外，0 K下CO2分子在UO2 (111)表面的B-short-Ver和长桥位垂直吸附构型吸附后会自发解离。AIMD模拟结果表明，这2种构型在300 K下均发生解离。
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(2):465-473.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230032
摘要:
钼具有高熔点、低的热膨胀系数和极佳的稳定性，在等离子体推进和电真空器件领域具有广阔的应用前景，其二次电子发射特性也逐渐引起了研究者们的关注。本文首先对钼的二次电子发射系数(Secondary Electron Yield，SEY)和二次电子能谱(Secondary Electron Spectrum，SES)展开实验研究，其次利用相关唯象模型对测试数据进行了分析；最后建立了钼SEY的蒙特卡罗模型，用于分析功函数对SEY的影响规律。研究结果表明：钼SEY的最大值为1.77，相比镀银铝合金明显降低。当入射电子能量改变时，SES中真二次电子峰的最可几能量基本不变，而弹性背散射电子峰的位置和强度均随之改变。在各类二次电子中，真二次电子受功函数的影响最大。
钼具有高熔点、低的热膨胀系数和极佳的稳定性，在等离子体推进和电真空器件领域具有广阔的应用前景，其二次电子发射特性也逐渐引起了研究者们的关注。本文首先对钼的二次电子发射系数(Secondary Electron Yield，SEY)和二次电子能谱(Secondary Electron Spectrum，SES)展开实验研究，其次利用相关唯象模型对测试数据进行了分析；最后建立了钼SEY的蒙特卡罗模型，用于分析功函数对SEY的影响规律。研究结果表明：钼SEY的最大值为1.77，相比镀银铝合金明显降低。当入射电子能量改变时，SES中真二次电子峰的最可几能量基本不变，而弹性背散射电子峰的位置和强度均随之改变。在各类二次电子中，真二次电子受功函数的影响最大。
2024, 53(1):1-7.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230842
摘要:
采用差示扫描量热法、X射线衍射和热力学分析研究了Pd20Pt20Cu20Ni20P20高熵金属玻璃（HEMG）的热稳定性和热力学性能。结果表明，与其他经典贵金属基金属玻璃相比，Pd20Pt20Cu20Ni20P20 HEMG具有相当的性能和鲜明的特点。
采用差示扫描量热法、X射线衍射和热力学分析研究了Pd20Pt20Cu20Ni20P20高熵金属玻璃（HEMG）的热稳定性和热力学性能。结果表明，与其他经典贵金属基金属玻璃相比，Pd20Pt20Cu20Ni20P20 HEMG具有相当的性能和鲜明的特点。
2023, 52(12):4055-4064.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230281
摘要:
针对航空大尺寸薄壁件因残余应力释放导致加工变形的行业问题，提出了一种电磁耦合处理的新型材料处理方法，并将其应用于调控压气机2A02铝合金叶片锻件的残余应力。研究了电、磁场工艺对锻件残余应力和力学性能的影响；并对材料组织开展准原位EBSD分析。结果表明，相较于单一物理场，电磁耦合处理对残余应力的松弛效果最显著，在磁场强度为1.5 T、电场强度为750 V/m时，叶片锻件残余应力最大降幅为53%。电磁耦合处理可以在不损害强度的情况下，改善铝合金塑性，在上述电磁场参数下，其伸长率提高14.3%，电阻下降4.9%。EBSD准原位分析表明，电磁耦合处理后，锻件的几何位错密度降低58.2%，小角度晶界减少，塞积的位错分散、湮灭，局部应变降低，宏观应力松弛。
针对航空大尺寸薄壁件因残余应力释放导致加工变形的行业问题，提出了一种电磁耦合处理的新型材料处理方法，并将其应用于调控压气机2A02铝合金叶片锻件的残余应力。研究了电、磁场工艺对锻件残余应力和力学性能的影响；并对材料组织开展准原位EBSD分析。结果表明，相较于单一物理场，电磁耦合处理对残余应力的松弛效果最显著，在磁场强度为1.5 T、电场强度为750 V/m时，叶片锻件残余应力最大降幅为53%。电磁耦合处理可以在不损害强度的情况下，改善铝合金塑性，在上述电磁场参数下，其伸长率提高14.3%，电阻下降4.9%。EBSD准原位分析表明，电磁耦合处理后，锻件的几何位错密度降低58.2%，小角度晶界减少，塞积的位错分散、湮灭，局部应变降低，宏观应力松弛。
2023, 52(11):3794-3800.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220806
摘要:
为提高热管换热器的性能和紧凑度，设计并采用金属增材制造获得了直翅片型(DPHE-1)和周期排列翅片型(DPHE-2)两类密集纵向翅片套管换热单元。通过剖切及几何检测，总结了制造偏差分布特点，显示其内部结构完整。通过光学检测，显示出倾斜翅片两侧的粗糙度分布不均。采用稳态传热实验方法对四种密集纵向翅片套管换热单元进行了传热特性研究。结果显示，由于换热面积的增大和流动掺混作用的增强，在Re=2000~15000工况范围内，DPHE-2的平均传热努塞尔数是DPHE-1的1.3~1.4倍，DPHE-2的平均阻力系数是DPHE-1的12.6~28.6倍。对比综合传热性能，直翅片型中的长翅片结构，即DPHE-1-B具有相对最优的强化传热性能。
为提高热管换热器的性能和紧凑度，设计并采用金属增材制造获得了直翅片型(DPHE-1)和周期排列翅片型(DPHE-2)两类密集纵向翅片套管换热单元。通过剖切及几何检测，总结了制造偏差分布特点，显示其内部结构完整。通过光学检测，显示出倾斜翅片两侧的粗糙度分布不均。采用稳态传热实验方法对四种密集纵向翅片套管换热单元进行了传热特性研究。结果显示，由于换热面积的增大和流动掺混作用的增强，在Re=2000~15000工况范围内，DPHE-2的平均传热努塞尔数是DPHE-1的1.3~1.4倍，DPHE-2的平均阻力系数是DPHE-1的12.6~28.6倍。对比综合传热性能，直翅片型中的长翅片结构，即DPHE-1-B具有相对最优的强化传热性能。
2023, 52(10):3433-3441.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230296
摘要:
开展了室温下不同应力比(R = 0.1及R = -1)的原位疲劳试验,并结合数字图像相关技术(DIC)分析了选区激光熔化IN718镍基高温合金(SLM-IN718)的细观超高周表面裂纹扩展机制。结果表明：首先,DIC分析表明SLM-IN718受载时裂纹尖端出现了类似于蝴蝶形的塑性应变区,这与采用Von Mises屈服准则相一致；其次,分析裂尖前方应变场特征、位移场特征,确定SLM-IN718存在裂纹闭合效应,并对其裂纹闭合效应进行评估,对SLM-IN718而言,R = 0.1与R = 0条件下载荷分别达到最大载荷的53%与29%时裂纹张开；此外,建立了虑及裂纹闭合效应的裂尖塑性区尺寸评估模型,计算值与实测值一致性较好；最后,结合DIC分析结果探讨了SLM-IN718低应力条件下的表面裂纹扩展机制。
开展了室温下不同应力比(R = 0.1及R = -1)的原位疲劳试验,并结合数字图像相关技术(DIC)分析了选区激光熔化IN718镍基高温合金(SLM-IN718)的细观超高周表面裂纹扩展机制。结果表明：首先,DIC分析表明SLM-IN718受载时裂纹尖端出现了类似于蝴蝶形的塑性应变区,这与采用Von Mises屈服准则相一致；其次,分析裂尖前方应变场特征、位移场特征,确定SLM-IN718存在裂纹闭合效应,并对其裂纹闭合效应进行评估,对SLM-IN718而言,R = 0.1与R = 0条件下载荷分别达到最大载荷的53%与29%时裂纹张开；此外,建立了虑及裂纹闭合效应的裂尖塑性区尺寸评估模型,计算值与实测值一致性较好；最后,结合DIC分析结果探讨了SLM-IN718低应力条件下的表面裂纹扩展机制。
2023, 52(9):3332-3337.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230035
摘要:
为研究TiAl合金涡轮经压力作用后的组织损伤机制及性能弱化规律,设计了对TiAl合金涡轮先压缩再拉伸的实验方法。利用扫描电镜(SEM)对压缩后的涡轮轴颈表面及内部的滑移和微裂纹进行了分析,并观察了拉伸断口形貌。实验结果表明：随着前期涡轮所受的压力的增大,压缩后的TiAl涡轮剩余抗拉强度逐渐降低,当压力为610 MPa时,剩余抗拉强度仅为86 MPa,强度损失率高达70%。TiAl合金压缩过程中形成了以沿层裂纹为主、穿层裂纹为辅的变形损伤特征。与压缩轴成45°的最大剪应力方向上的沿层裂纹是TiAl合金压缩损伤的主要形式。压缩损伤后的TiAl合金涡轮拉伸断裂均发生在靠近涡轮浇铸冒口侧的细轴颈部位。受压变形后的片层组织中的微小裂纹在随后拉应力作用下继续扩展直至韧带桥被贯穿,小裂纹合并成大裂纹,在断口上表现出沿层和穿层的混合断裂形貌。
为研究TiAl合金涡轮经压力作用后的组织损伤机制及性能弱化规律,设计了对TiAl合金涡轮先压缩再拉伸的实验方法。利用扫描电镜(SEM)对压缩后的涡轮轴颈表面及内部的滑移和微裂纹进行了分析,并观察了拉伸断口形貌。实验结果表明：随着前期涡轮所受的压力的增大,压缩后的TiAl涡轮剩余抗拉强度逐渐降低,当压力为610 MPa时,剩余抗拉强度仅为86 MPa,强度损失率高达70%。TiAl合金压缩过程中形成了以沿层裂纹为主、穿层裂纹为辅的变形损伤特征。与压缩轴成45°的最大剪应力方向上的沿层裂纹是TiAl合金压缩损伤的主要形式。压缩损伤后的TiAl合金涡轮拉伸断裂均发生在靠近涡轮浇铸冒口侧的细轴颈部位。受压变形后的片层组织中的微小裂纹在随后拉应力作用下继续扩展直至韧带桥被贯穿,小裂纹合并成大裂纹,在断口上表现出沿层和穿层的混合断裂形貌。
2023, 52(8):2757-2764.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220619
摘要:
研究不同形貌的铷、铯钨青铜粉末及其薄膜的性能。通过水热反应制备棒状和片状的铷、铯钨青铜纳米粉末,并对粉末进行热处理,之后使用旋涂法在玻璃上制备钨青铜透明隔热薄膜。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等对粉末进行表征,并研究其光热性能。使用紫外可见近红外光谱分析钨青铜薄膜近红外屏蔽性能,并测试其隔热性能。结果表明,热处理后的钨青铜粉末具有优异的光热性能,具有光热治疗癌症的应用前景。相比于棒状,片状的铷、铯钨青铜薄膜具有更高的近红外屏蔽率,分别为95%和98.8%。使用片状铷、铯钨青铜薄膜的玻璃室内温度相比使用空白玻璃分别下降了9.4℃和8.5℃。综上,片状铷、铯钨青铜具有优异的近红外屏蔽性能,在节能和光热治疗领域具有巨大的应用前景。
研究不同形貌的铷、铯钨青铜粉末及其薄膜的性能。通过水热反应制备棒状和片状的铷、铯钨青铜纳米粉末,并对粉末进行热处理,之后使用旋涂法在玻璃上制备钨青铜透明隔热薄膜。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等对粉末进行表征,并研究其光热性能。使用紫外可见近红外光谱分析钨青铜薄膜近红外屏蔽性能,并测试其隔热性能。结果表明,热处理后的钨青铜粉末具有优异的光热性能,具有光热治疗癌症的应用前景。相比于棒状,片状的铷、铯钨青铜薄膜具有更高的近红外屏蔽率,分别为95%和98.8%。使用片状铷、铯钨青铜薄膜的玻璃室内温度相比使用空白玻璃分别下降了9.4℃和8.5℃。综上,片状铷、铯钨青铜具有优异的近红外屏蔽性能,在节能和光热治疗领域具有巨大的应用前景。
2023, 52(7):2415-2423.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220555
摘要:
镍基粉末高温合金涡轮盘长期在高温高应力条件下服役，对其综合力学性能有着严苛的要求，而表面形态与微观组织对盘件性能有着至关重要的影响，通常需进行表面喷丸强化处理。基于此，本工作系统性的研究了不同喷丸强度下FGH4113A合金的表面和亚表层微观组织及变形情况，并探究了两者的定量关系。结果表明：经过喷丸处理后，合金亚表面产生位错塞积，诱发晶粒内形成变形孪晶，并且变形孪晶数量随喷丸强度的增大而增大。另外由于喷丸强化引入的位错使变形层存在大量的小角晶界，从而发生晶粒细化以提升合金硬化效果。随着喷丸强度的增大，合金表面粗糙度、表面残余亚应力、硬化层厚度以及表面显微硬度等特征呈现出不断增大的趋势，并且表现出较好的线性关系或幂指数关系。这一发现可为实际生产过程中喷丸强化参数的调控提供一定的数据支撑。
镍基粉末高温合金涡轮盘长期在高温高应力条件下服役，对其综合力学性能有着严苛的要求，而表面形态与微观组织对盘件性能有着至关重要的影响，通常需进行表面喷丸强化处理。基于此，本工作系统性的研究了不同喷丸强度下FGH4113A合金的表面和亚表层微观组织及变形情况，并探究了两者的定量关系。结果表明：经过喷丸处理后，合金亚表面产生位错塞积，诱发晶粒内形成变形孪晶，并且变形孪晶数量随喷丸强度的增大而增大。另外由于喷丸强化引入的位错使变形层存在大量的小角晶界，从而发生晶粒细化以提升合金硬化效果。随着喷丸强度的增大，合金表面粗糙度、表面残余亚应力、硬化层厚度以及表面显微硬度等特征呈现出不断增大的趋势，并且表现出较好的线性关系或幂指数关系。这一发现可为实际生产过程中喷丸强化参数的调控提供一定的数据支撑。