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  • Thermal stability and thermo-mechanical properties of Pd20Pt20Cu20Ni20P20 high entropy metallic glass (HEMG) were investigated by differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, and thermomechanical analysis. Results show that compared with other classical precious metal-based metallic glasses, Pd20Pt20Cu20Ni20P20 HEMG presents comparable performance with distinct characteristics.
  • AlCoCrFeNiMox (x=0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) high entropy alloy (HEA) coatings were prepared by laser cladding method. The effect of Mo content on the microstructure, hardness, and corrosion resistance of the coatings was studied. Results show that with increasing the Mo content, the microstructure is changed from (Al, Ni)-rich body-centered cubic (bcc) phase (Mo-Cr-Fe)-rich σ phase into (Fe, Ni)-rich bcc phase (Mo-Cr-Fe)-rich σ phase (Al-Fe-Mo)-rich σ phase a little AlN (aluminum nitride). Additionally, the coating hardness (HV1) is increased from 6514.4 MPa to 10652.6 MPa. With increasing the Mo addition, the self-corrosion potential of the coating in 3.5wt% NaCl solution is also increased. The coating presents the optimal corrosion resistance at x=1.0.
  • Abstract: WC-12Co particles were deposited on polished AA7075 (7075 aluminum alloy) substrate by HVOF (high velocity oxy-fuel) spraying. The microstructure, composition and hardness of the deposits were analyzed by SEM, EDS and nanoindentation hardness tester, respectively. The deposition behavior of six types of particles in three different molten states, including non-molten, semi-molten, and molten particles, was investigated. Results show that different types of particles have great impact on the substrate, which makes the AA7075 substrate deform or causes tears. The surface morphology and cross-sectional morphology of the deposits are different from those of the original powder. The surface of the deposits exhibits certain melting characteristics, and the cross-section is relatively dense. The semi-molten particles and molten particles generate some tearing to the substrate, and have a metallurgical bonding with the substrate to form a mutual meting zone. After the deposition of the particles, a hardened layer is formed on substrate surface with a thickness about 5 μm, and there is a certain gradient change in the hardness. The hardness near the surface is 3420 MPa, which is 1.56 times higher than that of the substrate (2200 MPa). The increase in hardness is originated from two factors: the peening effect of particles at high temperature and high speed, and the work hardening caused by particle extruding substrate. Key words:HVOF;AA 7075;deposition behavior;melt;metallurgical bond;harden layer
  • Ti-6Al-4V titanium alloy plate was welded by a laser beam with self-developed titanium alloy flux-cored wire. The welded joint was solution treated at 920 °C for 1 h and aging treated at 650 °C for 2 h, and its microstructure and properties were compared with those of the as-welded joint. The results show that the heat-treated welded joint is composed of a typical tri-modal microstructure containing αp phase, αs phase colony, and αgb phase, as well as punctate distributed residue β phase. α' martensite microstructure in the as-welded joint is not found in the heat-treated joint, which makes the strength, plasticity, and toughness well balanced and maintained. The strength of the heat-treated welded joint is reduced, while elongation and impact toughness at room temperature are enhanced. The tensile fracture of the heat-treated welded joint is surrounded by massive shear lips. The dimples are deep and uniform, presenting as microvoid coalescence ductile fracture. In the as-welded joint, the proportion of large-angle grain boundaries with misorientation between grains in the weld zone greater than 15° accounts for 83.78%, and in the heat-treated welded joint, the proportion is about 90.21%. Through XRD test, it is discovered that the as-welded weld is mainly composed of α' martensite, with a small amount of extremely weak multi-angle α phase diffraction peak. In the heat-treated weld, the central angle position of α phase diffraction peak is consistent with that of α' martensite in the as-welded weld, with a sharp β phase (110) diffraction peak observed as well.
  • The ultrafine grained (UFG) 1050 aluminum alloy was prepared by equal channel angular pressing at cryogenic temperature, namely cryoECAP process. The tensile behavior and microstructures of UFG 1050 aluminum alloy after annealing at 90–210 °C for 4 h without and with high magnetic field of 12 T were investigated by tensile tests, transmission electron microscope, and electron backscattered diffraction analyses. After cryoECAP and annealing treatments, the 1050 aluminum alloy has ultrafine grains with 0.7–1.28 μm in size, the ratio of ultimate tensile strength to yield strength is less than 1.24, and the uniform elongation is less than 2.3%. With increasing the annealing temperature from 90 °C to 210 °C, the yield-drop phenomenon becomes more obvious due to the decrease in mobile dislocations to maintain the applied strain rate during tensile deformation. The uniform elongation decreases from 1.55% to 0.55%, the dislocation density reduces from 5.6×1014 m-2 to 4.2×1013 m-2, and the fraction of high-angle grain boundaries (HABs) increases from 63.8% to 70.8%. These phenomena cause the higher annihilation rate of dislocations, thereby leading to the degradation of strain hardening effect. During annealing under high magnetic field at 90–210 °C, the low fraction of HABs (61.7%–66.2%) can provide a slower annihilation rate of dislocations, therefore resulting in the higher uniform elongation (0.64%–1.60%) and slower decrease in the flow stress after the yield peak.
  • The relationship between microstructure characteristics and fatigue properties of Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si (Ti6242s) alloy was investigated. According to the microstructure quantitative analysis results, the solution treatments at different temperatures have an obvious effect on the proportion and morphology of primary α-phase. The changes in microstructure characteristics slightly influence the tensile property and low-cycle fatigue property of Ti6242s alloy at room temperature, whereas the dwell fatigue life and the fatigue sensitivity index are sensitive to these changes. Additionally, it is verified that the relatively strong stress concentration and inhomogeneous micro-area plastic deformation occur in the Ti6242s alloy under dwell fatigue load. Moreover, the characteristics of small plane regions and the surrounding quasi-cleavage regions in the Ti6242s alloy under dwell fatigue load at room temperature are formed through the analysis of fatigue failure fracture morphologies. The related experiment results are in good agreement with the stress-strain distribution characterizations of microstructures of equiaxed primary α-phase and the surrounding soft phase/grain. Accordingly, the relatively low inhomogeneous micro-area plastic deformation in the alloy with equiaxed primary α-phase of low volume fraction is beneficial to reduce the probability of crack initiation and can delay crack propagation, thus improving the dwell fatigue property.
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    2024年第3期

      >表面防护
    • 郭嘉梁, 王芳, 刘俊杰, 刘玉怀

      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。

    • 刘鹏宇, 李辉, 张瑞华, 肖梦智, 魏小红, 尹燕, 屈岳波, 路超

      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。

    • 赵立功, 李江豪, 郭慧娟, 杨大稳, 张岸佳, 张沛龙, 周文娇, 佟欢, 宋西平

      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。

    • 刘冉, 党鲜婷, 陈楚琦, 吴韬

      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。

    • 孙璐, 李元东, 马颖, 曹驰, 罗晓梅, 邱谨

      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。

    • 王志强, 刘侠, 张世宏, 任奕, 杨康, 杨洋, 薛召露

      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。

    • 王瑜, 邵文婷, 武上焜, 杨巍

      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。

    • >高温合金
    • 夏鹏辉, 王伟强, 鹿超, 曹铁山, 闵小华

      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。

    • 李奥迪, 梁田, 张学粮, 赵霞, 王惠生, 陈嘉诚, 马颖澈

      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。

    • 来永军, 宁礼奎, 赵岭, 柳一川, 刘恩泽, 谭政, 李海英, 佟健, 郑志

      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。

    • 张茂源, 欧美琼, 冉兴, 侯坤磊, 曹建, 马颖澈

      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。

    • 刘朝峰, 程俊义, 马向东, 肖磊, 郭建政, 冯干江

      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。

    • 王冠, 宋巍, 梁静静, 李金国, 周亦胄, 孙晓峰, 姜庆伟

      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%。

    • 凌晨, 李尚平, 林筠, 侯杰, 李义平, 骆合力

      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。

    • >材料科学
    • 刘继伟, 李学问, 房文斌

      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。

    • 高昌琦, 马勤, 魏玉鹏, 田江霞, 魏明宇, 王乔博, 孙良玉

      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。

    • 王兴华, 王广涛, 刘小龙, 孟润心, 刘小红

      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。

    • 连昕丽, 周建军, 李仕林, 赵院红, 王长鹏, 王印, 刘飞, 章明, 左建华, 白锁, 刘艳丽, 李柱柏, 李永峰

      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。

    • 王增, 张赞, 刘楠楠, 夏兴川, 张子晨, 丁俭, 王佳成, 崔李鹏, 邱子轩, 王玉江, 刘永长

      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。

    • 王秋平, 关杰仁

      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。

    • 李岩, 李艳彪, 刘琪, 杨冰冰, 张璐霞, 吴志生

      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。

    • 戴毅, 曹江海, 秦羽满, 李维, 侯智敏, 曾卫东

      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。

    • 刘飞, 苏宏华, 徐九华, 梁勇楠, 葛恩德, 凡志磊

      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。

    • 黄庆国, 应字祥, 王志磊, 张志豪, 刘新华

      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。

    • 张永弟, 孙宝钰, 王伟志, 杨光

      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。

    • 裴嘉琪, 侯华, 杨文奎, 赵宇宏

      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。

    • 陈侃, 赵红良, 范逢春

      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。

    • >评述
    • 赵燕春, 冯远飞, 冯力, 李文生, 史亚鹏, 寇生中, 段望春

      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。

    • 王文豪, 王 龙, 汪刘应, 刘 顾, 葛超群, 许可俊, 王伟超, 胡灵杰

      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。

    • 郭林通, 王文礼, 杨海鸥, 刘文强

      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。

    • 孙德聪, 陈帅峰, 宋广胜, 张士宏, 宋鸿武

      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。

    • 阎有花, 周少雄

      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。

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    • 优先出版日期:2024-03-25  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230813

      摘要:在激光增材制造过程中镍基高温合金存在裂纹和微孔等缺陷,阻碍其在各领域中应用。本文将热等静压与传统热处理相结合,以获得缺陷少且性能理想的LPBF镍基高温合金零件。热等静压工艺提高致密度,传统热处理改变显微缺陷提高力学性能。经HIP处理后,LPBF试样缺陷体积分数降至0.0132%,经HT处理后,HIP+HT缺陷含量反弹至0.0252%。经后处理后,硬度呈下降趋势,室温下,HIP+HT试样抗拉强度和断后伸长率分别提高32.2%和474.7%。

    • 优先出版日期:2024-03-25  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240055

      摘要:人体骨在日常活动中的受力情况复杂,为了获得适用于骨植入物用综合性能优异的多孔钛合金,需要对多孔结构的不同力学性能进行全面评价。根据人骨的不同受力形式,使用拓扑优化的方法设计了压缩、扭转以及弯曲三种载荷下的多孔结构(TO-C、TO-T、TO-B),并对所得结构进行了模型重构;通过对三种拓扑优化的多孔结构进行压缩、扭转和弯曲有限元仿真,对其不同力学性能进行了研究;最后采用选区激光熔融 (Selective Laser Melting , SLM) 技术制备了压缩试件,并进行了压缩试验。结果表明, 三种结构中TO-B结构的综合力学性能最优,抗压强度和压缩弹性模量值均满足人骨植入需求,是用于骨科植入物的最佳多孔结构类型。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230787

      摘要:定向凝固高温合金因具有较高的高温强度和抗蠕变性能、耐腐蚀和抗氧化性能,以及良好的组织稳定性和铸造性能,广泛应用于工业燃气轮机等先进动力推进系统的涡轮叶片等部件。燃气轮机用定向凝固高温合金通过调整不同固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素的比例,由第一代发展到第四代定向凝固合金。其晶内主要由γ相、γ?相组成,在晶界处存在碳化物、硼化物等能够钉扎晶界的析出相。在这些强化相的共同影响下,镍基定向凝固高温合金具有较好的随温度而改变的拉伸性能和蠕变性能。本文结合定向凝固高温合金在燃气轮机的应用现状,从成分特征、组织结构特征入手,进一步分析了其性能特征,并对未来定向凝固高温合金的研究进行了展望。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230790

      摘要:为了改善难变形高温合金U720Li的热加工性能,研究了变形前保温时间(5 min、10 min)对该合金的热变形行为的影响。结果表明,流动应力随应变速率的提高而增大,但随变形温度和保温时间的增加而减小。依据所建立的Arrhenius本构模型计算的峰值应力与实验值吻合良好,说明该模型可准确预测U720Li合金热变形行为。保温时间为5 min和10 min的热变形激活能分别为992.006 kJ·mol-1和850.996 kJ·mol-1。建立了U720Li合金在这两种保温时间下的热加工图。通过分析热加工图各区域对应的变形组织,明确了保温5 min的最佳热加工条件为1090~1110 ℃/1~10 s-1和1146~1180 ℃/1~10 s-1,而保温10 min的为1080~1090 ℃/1~10 s-1和1153~1160 ℃/1~10 s-1。可见适当缩短变形前保温时间可扩大该合金的安全加工窗口。在未发生开裂的情况下,动态再结晶(DRX)晶粒随变形温度和保温时间的增加而逐渐增大,但随应变速率的增加先减小后增大。当变形温度低于1100 ℃,主要DRX机制为颗粒诱导连续动态再结晶(PI-CDRX)。当变形温度高于1130 ℃,主要DRX机制转变为不连续动态再结晶(DDRX)。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230791

      摘要:为了研究新型亚稳β钛合金Ti-5.5Cr-5Al-4Mo-3Nb-2Zr的微观组织与拉伸性能之间的关系,本实验设计了一种可以在β基体中析出不同尺寸的α相的ABFCA热处理工艺(在α+β相区进行固溶处理然后随炉冷却最后进行时效处理)。这种热处理工艺获得的微观组织是由初生α相(αp)、亚微米级棒状α相(αr)和次生α相(αs)组成。结果表明,具有多尺寸的α相的合金具有较高的强度和极好的塑性。当合金的极限抗拉强度(UTS)为1125.4 MPa时,合金的断后伸长率(EL)可以达到18.3%。本实验建立了合金强度与α相之间的关系,合金的强度与α相的宽度以及平均间距的-1/2次幂成线性关系,尺寸和相间距较小的αs相通过对位错滑移的阻碍作用使合金的强度大大提高。通过透射电子显微镜观察表明,在α/β界面上存在大量的位错塞积,而且在拉伸变形之后的αp相内发现了大量的变形孪晶。当位错滑移受到阻碍时,在应力集中处萌发孪晶,而孪晶又可以启动一些难以滑移的位错,同时塑性应变在αp、αr、αs相和β基体中均匀分布,使得合金的塑性有较大提升。本实验提出的ABFCA热处理工艺为亚稳β钛合金的热处理提供了参考,本研究为钛合金的发展做出了一定的贡献。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230794

      摘要:分别以六水硝酸钇和氧氯化锆为钇源和锆源,采用水热法合成出了钇稳定氧化锆(YSZ)粉体,再以自制的YSZ粉末为原料,通过放电等离子烧结法(SPS)制备出YSZ块体材料,研究了烧结温度和压力对材料微观形貌、维氏硬度、断裂韧性等力学性能的影响规律。结果表明:钇掺量为10 %时,通过水热法可获得纯YSZ粉体。随着SPS温度和压力的升高,YSZ块体材料的密度逐渐增加,在1400 ℃/50 MPa条件下制备出孔隙率仅有2.6 %的YSZ块体。烧结温度的升高,材料的维氏硬度和纳米硬度先增大后减小,而弹性模量会随之增加,随烧结压力的增大,有利于材料力学性能的提升,1400℃ /50MPa时达到最大值,其维氏硬度、纳米硬度和弹性模量分别为13.11±0.2 GPa、15.67±0.21 GPa和350.43±6.19 GPa,而断裂韧性随烧结温度的升高先减小后增大,随烧结压力的增大而减小,在1400 ℃/20 MPa时达到最大,为5.4±0.27 MPa·m1/2。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230798

      摘要:采用自主研发的瞬时液相扩散焊(TLP)中间层材料,在1280 ℃/12h/0.01 MPa的焊接条件下进行DD5镍基单晶高温合金的TLP焊接试验,并使用SEM及热力学软件Jmatpro分析焊接接头显微组织及析出相,结果表明:中间层厚度对接头焊缝显微组织有较大影响,当中间层厚度为120 μm时,焊缝与母材的显微组织和成分趋近一致,未形成明显脆性析出相,焊缝中心线两侧的γ"相基本实现融合;当中间层厚度为160 μm和200 μm时,焊缝中的非等温凝固区(ASZ)由向日葵状共晶组织、鱼骨状的硼化物及富Ta、Hf的块状碳化物等脆性相组成。TLP焊接接头经过焊后热处理后,焊缝区的γ"正方度显著提高,尺寸与基体基本一致。在980 ℃/248 MPa条件下进行高温持久试验,当中间层厚度为120 μm时,持久寿命可达145.54h,并且随着中间层厚度的增加,接头的高温持久寿命不断降低,断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230799

      摘要:本文以两种高参数先进超超临界电站过热器及再热器管材备选材料(合金A, 合金B)为研究对象,系统分析了两种合金在长期时效过程中的局部晶界宽化现象、晶界宽化动力学及晶界宽化机理。结果表明,两种合金高温长时时效过程宽化晶界区域内主要析出相为M23C6碳化物和晶界γ′相;两种合金宽化晶界随时效时间的演变遵循JMAK方程。长时时效过程两种合金晶界宽化分为三个阶段:阶段一,晶界附近M23C6碳化物回溶,导致晶界M23C6碳化物快速粗化,促使晶界发生迁移;阶段二,在晶界迁移后会析出新的M23C6碳化物,使得晶界区域M23C6碳化物呈多层排列,晶界宽度增加;阶段三,当碳化物粗化速率减慢,在M23C6/γ界面处会析出γ′相,晶界短路扩散,使得γ′相长大,晶界宽度进一步增加。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230805

      摘要:本文基于表面工程与复合多元结构设计理念,采用微波ECR增强磁控溅射技术在钛合金螺纹紧固件表面制备了掺钛DLC薄膜,通过调控乙炔流量制备不同结构和性能的掺钛DLC复合薄膜。利用透射电子显微镜分析掺钛DLC薄膜微观形貌,通过XRD、拉曼光谱仪、台阶仪、纳米压痕仪、摩擦实验机等分析掺钛DLC复合薄膜的组织结构、残余应力、纳米硬度、膜基结合力和摩擦磨损特性。研究结果显示,掺钛DLC薄膜中生成了TiC晶相,合适乙炔流量能够有效降低薄膜的内应力,薄膜中sp3键的比例随着乙炔流量的增大逐渐降低。乙炔流量为25sccm的掺钛DLC复合薄膜的硬度和弹性模量较高,H/E和塑性指数(H3/E2)最大,具有较高的韧性,可以抵抗压头的划擦,因此划痕中薄膜保持良好的附着,同时具有最优异的耐磨损性能,可有效提高钛合金紧固件的使用寿命。试验结果可为钛合金螺纹紧固件表面硬质耐磨损薄膜制备提供技术方案和理论依据。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230809

      摘要:针对U-Zr相图中富U端Zr在αU中的固溶度曲线所需的溶解焓和过剩熵,本文分别进行了第一性原理计算并与实验数据进行了对比分析。对于Zr-αU固溶体转变为δUZr2时对应的溶解焓和过剩熵,采用SQS模型得到每个Zr原子对应的结果为1.437 eV/Zr和1.060 kB/Zr,采用disorder模型得到每个Zr原子对应的结果为1.420 eV/Zr和 0.732 kB/Zr。基于实验数据,分析拟合得到的每个Zr原子的溶解焓为-0.823±0.712 meV/Zr,过剩熵为5.880±9.976 kB/Zr。对比理论计算和拟合实验数据的结果发现,振动熵对固溶度的影响不可忽略,并且理论和实验数据相差较大的原因可能与理论计算中设置的δUZr2中Zr的位置与实验中的具体结构位置参数不尽相同有关。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230811

      摘要:本文介绍了超离心状态下固体中沉降过程的最新进展以及未来应用前景,主要涉及高温超速离心设备、互溶体系以及化合物材料中的超重力固态相变。近90%的固态超速离心实验是在世界第一台(熊本大学)与第二台(日本原子能研究所)高温超速离心机上、通常以500℃以下的温度与1000000g的最大离心加速度条件运行。强大的超重力场和温度场诱导材料中出现原子级梯度结构、晶粒生长与细化、空位聚集等现象,并产生了新的物相结构与特性。浙江大学建造了一种实验温度高达1200℃的新型悬臂式高温超速离心机,为模拟高温合金在航空发动机运行环境中的合金成分、微观结构和性能演变提供了设备基础。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230812

      摘要:多金属复合材料可集成单一组元的特性,获得传统材料难以实现的高强韧和多功能特性,具有广阔应用前景。在此,提出了激光选区熔化和真空熔体浸渗技术制备层状多金属复合材料的新思路。以铜/316L为模型材料,成功制备了拥有精细层状结构的复合材料,探究了构型变化对复合材料性能的影响。结果表明,复合材料性能具有明显各向异性。随着316L层厚的增大,复合材料的抗压强度和弹性模量增大,导电性略有减小,分别可达纯铜的1.96、1.34和0.9倍。得益于结构优化(微米级层状)和组分选择(铜和不锈钢),复合材料同时拥有优异的强韧性和良好的导电性。此外,本文提供的方法新颖,普适性强,为设计和制备高性能多功能复合材料提供了新途径。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230818

      摘要:提高铺粉厚度可以明显提高选区激光熔化技术制备Ti-6Al-4V的效率,但其成形质量相比于常规层厚较差。退火热处理可以提高选区激光熔化制备钛合金试样的延展性,但其对大层厚成形钛合金的影响仍不明确。本文利用选区激光熔化制备大层厚制备Ti-6Al-4V,随后通过700℃和950℃退火处理,探究退火处理对Ti-6Al-4V组织性能的影响。研究表明,大层厚钛合金在扫描速度600 mm/s-800 mm/s时可以取得较好的成形质量。热处理后试样的微观组织由针状马氏体转变为粗板条状马氏体,在950℃热处理后出现β峰,进而影响材料的压缩性能。其中600mm/s的制备试样抗压强度为1593MPa,最大断裂应变为15.1%;通过退火热处理后极限抗压强度降低到1359MPa,最大断裂应变提升到22.2%。断裂形式也从脆性断裂转变为韧性-脆性断裂。

    • 优先出版日期:2024-03-22  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出钛合金在局部加热时的阻燃性能。本文在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模型显示的试件边界热集中效应,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,产生边界附近的热量集中,因此燃烧路径亦倾向于沿该方向扩展。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230827

      摘要:系统研究了V含量(0.1、0.2%,质量分数)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147MPa。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℃。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230828

      摘要:通过对Ti-1500合金进行热镦成形实验,对比分析了不同热镦温度下三个不同变形区的显微组织。实验结果表明:热镦工艺对微观组织演化有显著影响,热镦温度越高且变形量越大的区域动态再结晶越明显。具体表现为700 ℃时变形Ⅰ区和变形Ⅱ区未发生动态再结晶,变形Ⅲ区发生了明显的再结晶,820 ℃时发生了α→β相变且3个变形区均发生明显的动态再结晶,900 ℃时再结晶晶粒过度长大。700 ℃镦制时变形Ⅰ区形成了{001}//ND织构,随着变形量增大,变形Ⅱ区的晶粒逐渐向<001>和<111>方向转动,最终形成了强度更高且体积分数更多的{001}织构并形成了一部分{111}//ND织构,当变形量增至变形Ⅲ区时,再结晶形成了<001>取向的新晶粒,晶粒长大过程中<001>取向晶粒的晶界向<111>取向晶粒的晶界迁移,导致{001}织构强度和体积分数进一步增加,而{111}织构体积分数有所下降,并且820 ℃和900 ℃时的织构类型、织构强度以及织构演化规律与700 ℃时是一致的。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230834

      摘要:对镍基单晶高温合金在530 °C的低周疲劳裂纹萌生行为进行研究。结果表明:在530 °C,应变比0.05时,疲劳裂纹的萌生行为与最大应变的变化关系密切。在最大应变为2.0%时,疲劳裂纹在试样表面的驻留滑移带位置萌生,且萌生平面位于{111}滑移面,萌生位置未见缺陷。当最大应变低于1.6%时,裂纹萌生于试样亚表面或内部的铸造疏松位置,且铸造疏松位于垂直轴向力的{100}滑移面。裂纹沿{100}滑移面萌生后经小阶段扩展后再沿不同{111}滑移面进行扩展。随最大应变减小,裂纹萌生位置逐渐由表面向内部转变。裂纹萌生区存在沿断口表面向内部延伸的二次裂纹,且二次裂纹附近存在明显应力集中。在裂纹萌生区的断口表面附近位错密度较高,存在大量位错切入γ"相。断口表面存在50-100nm的氧化层,Ni、Co元素主要向表面氧化层偏析。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230839

      摘要:本文研究添加不同浓度硫酸铈 (Ce2(SO4)3)对工业电解液电沉积过程中镍沉积层晶粒细化的作用。通过阴极极化曲线(LSV)、循环伏安曲线(CV)和计时电流曲线(CA)分析不同浓度Ce2(SO4)3对镍电结晶行为的影响;利用扫描电子显微镜分析沉积层微观组织形貌;利用原子力显微镜分析沉积层晶粒尺寸高度波动范围以及表面均方根粗糙度;通过X射线衍射分析其择优取向和晶体结构。结果表明:添加不同浓度Ce2(SO4)3会使镍的起始沉积电位发生负移,阴极极化程度增大,过电位增加,形核弛豫时间tm缩短,加快镍电沉积过程中的形核速率,从而使沉积层晶粒细化。但添加Ce2(SO4)3并不会改变镍的电结晶形核机理,同时也不会改变镍沉积层的晶体结构,其仍为面心立方结构 (FCC)。当添加0.6 g/L的Ce2(SO4)3时,晶粒生长取向由(111)面转变为(111)面和(220)面双向择优生长,此时沉积层晶粒分布均匀,晶粒发生明显细化。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240041

      摘要:REBa2Cu3O7-x 高温超导涂层导体(即第二代高温超导带材)具有优异的有场载流特性和力学性能,在电力、交通、医疗和军事等领域具有潜在的应用前景,近年来受到国内外超导研究团队的广泛关注。提高涂层导体中超导层厚度有利于增强超导电流传输能力和增大工程临界电流密度,是降低二代带材应用成本的主要途径之一。临界电流密度(Jc)随膜厚增大而下降的“膜厚效应”是阻碍高品质超导厚膜研制所面临的主要问题。本文主要介绍了 YBCO 厚膜的制备方法和外延生长机理,讨论了影响 Jc 的各种因素和提高 Jc 的主要途径,并综述了国际主要研究团队在 YBCO 厚膜方面的最新研究进展。

    • 优先出版日期:2024-03-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240043

      摘要:研究利用新型双级HIPIMS技术在不同沉积时间条件下制备得到TiN镀层,分析不同镀层生长阶段其微观结构与应力状态对镀层力学、摩擦学、耐腐蚀等服役性能的影响。结果表明,随着沉积时间由30min增加至120min,TiN镀层表面结构均呈大小颗粒紧密掺杂的圆胞状结构,始终保持沉积-结晶-生长的原子堆积增厚机制;当沉积时间由90min(镀层厚度3884nm)增加至120min(镀层厚度4456nm)时,镀层应力状态出现压-拉转变。当沉积时间为90min时,TiN镀层结构致密且较小的压应力(-0.54 GPa),镀层具有较高的硬度与弹性模量(27.5 GPa、340.2 GPa)、较好的摩擦学性能(平均摩擦系数0.52,最小磨损率1.68×10-4 g/s)及耐腐蚀性能(最小腐蚀电流密度1.0632×10-8A·cm-2、最小腐蚀速率5.5226×10-5 mm·A-1)。

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