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  • 基于数字图像相关技术的SLM-IN718细观表面裂纹扩展机制研究
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  • TiAl合金涡轮压缩损伤与拉伸断裂行为
  • 喷丸强度对FGH4113A高温合金微观组织的影响及定量表征
编辑推荐
  • 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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    2023年第11期

      >钛合金
    • 梁伟锋, 连利仙, 林紫锋, 刘颖

      2023,52(11):3715-3722   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230229

      摘要:采用增材制造与熔体渗透相结合的工艺制备了具有双连续相结构的Mg-Ti复合材料。研究了增材制造成形Ti-6Al-4V(TC4)多孔骨架增强体的孔结构类型和尺寸参数对孔隙率与力学性能的影响,使其兼具高孔隙率与良好力学强度。通过分析Mg-Ti复合材料的微观结构与界面结合机制,探究了钛合金骨架对其力学性能的强化作用。结果表明:Mg-Ti复合材料的抗压缩强度达到400 MPa,而其密度仅为2.56 g/cm3,具有用作轻量化结构材料的潜力。Mg-Ti复合材料的强度与未复合的Mg-9Al-1Zn(AZ91)合金基体相比提高了51%,这得益于Mg-Ti两相紧密的冶金结合界面,促进了载荷的有效传递。此外,双连续相结构引起的相互约束效应及钛合金骨架中超细针状α'-Ti马氏体引起的细晶强化对力学性能提升也做出了重要贡献。本研究采取的策略为复合材料的结构轻量化发展提供了新思路。

    • 王丁, 孙雨楠, 薛治国, 张鹏辉, 吴江涛, 樊科社, 黄杏利

      2023,52(11):3723-3729   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230180

      摘要:采用爆炸焊接技术制备尺寸为4260 mm×4260 mm×(6.5+32) mm的钛-钢复合板。采用超声波无损检测、相控阵波形显微镜、金相显微镜和扫描电子显微镜对复合材料板材的力学性能和界面形态进行分析。结果表明,当爆速、密度、炸药高度和间隔距离分别为2200~2270 m/s、0.80~0.82 g/cm3、45.0~46.0 mm和8.0~11.0 mm时,制备出的板材各项力学性能满足技术指标ASTM B898-2020。界面的波形为典型波纹状结合,界面清晰均匀,波形在漩涡区存在少量熔化,波幅和波长的比值为0.15~0.25,且在比值为0.2左右时,产品的剪切强度最高。本研究为大规格钛-钢复合板的制备提供工艺方法,并发现大规格钛-钢复合板的界面特点,为后续优化复合板爆炸焊接工艺提供理论指导。

    • 高健, 刘奋成, 刘丰刚, 尤启凡, 魏昱涵, 程诗翔

      2023,52(11):3881-3892   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220858

      摘要:研究了环境气氛氧含量对激光定向能量沉积TC4钛合金组织及力学性能的影响,通过OM、SEM和TEM及硬度实验、拉伸实验对成形试样的显微组织、力学性能和断口进行分析。结果表明:当成形气氛氧含量从50ppm、500ppm、2000ppm到5000 ppm逐渐提高,试样表面氧化程度增加,TC4钛合金试样表面颜色由由银白色逐渐过渡到黄色、蓝色和深灰色,XRD衍射图谱结果表明,试块表面氧化物种类增多,氧化层的厚度也逐渐增加;试样显微组织逐渐由网篮状组织转变为针状马氏体α′组织,板条粗化,长宽比减小;TC4钛合金试样的硬度和室温抗拉强度随成形气氛氧含量的增加逐渐提高,受金属晶格畸变及冷却速度的影响,沉积态成形试样的抗拉强度由920 MPa增加到982 MPa,延伸率由12.4%减小到10.9%。

    • 李磊, 韩飞孝, 周敏, 史蒲英, 尹雁飞

      2023,52(11):3909-3914   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220869

      摘要:采用径锻加工方式制备叶片用?30mm的小规格TC4棒材,并使用金相显微镜、XRD衍射仪及电子背散射(EBSD)技术研究棒材边部到心部的显微组织、物相组成和微观织构,并分析组织和织构对棒材力学性能一致性以及超声探伤杂波水平的影响。实验结果表明,径锻棒材内部晶粒得到充分细化,从边部到心部晶粒尺寸逐渐增大,径锻棒材的β转变片层组织被破碎。棒材中含有少量等轴状β相晶粒,分布在αp的晶界和β转变组织中。棒材边部为{0001}<10-10>板织构,R/2和心部为 <10-10>//轴向的丝织构,且棒材的织构强度从边部到心部逐渐减弱。棒材抗拉和屈服强度的变异系数仅为0.24%和0.29%,具有优异的一致性。径锻加工小规格TC4棒材的超声波杂波水平为?0.8-9dB,相对于轧制棒材杂波升高,这与径锻棒材显微组织不均匀区域的晶体取向变化有关。

    • 辛社伟, 刘向宏, 张思远, 周伟, 李倩, 郭荻子, 张平祥

      2023,52(11):3981-4001   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220794

      摘要:钛合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀、可焊接等性能特点,广泛应用于航空航天、舰船、兵器、核工业等重要的工业领域。但是钛合金的成本限制了其进一步推广和大规模应用,是目前钛合金总体用量不高的核心原因。本文从原材料、合金制备技术、钛产业链单位的协作等三个方面对钛合金低成本化技术研究与发展进行了归纳和评述,在此基础上,提出了未来低成本钛合金发展的趋势和建议。

    • 陈玉勇, 叶园, 张宇, 胡连喜, 孙剑飞

      2023,52(11):4002-4012   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220809

      摘要:轻质高强耐高温的TiAl合金一直是备受瞩目的先进结构材料,在航空航天、汽车等领域应用潜力巨大。但TiAl合金热加工性差,采用传统方法热成形难度大。而粉末冶金由于近净成形的特点,在制备复杂TiAl合金零部件上具有显著优势。近年来,科研工作者在TiAl合金粉末烧结技术上展开了大量工作,并取得一定进步。本文结合TiAl合金粉末成形技术的国内外发展现状,综述了放电等离子烧结(SPS)、热等静压、热压烧结、喷射成形、金属注射成形等方法制备TiAl合金的工艺、显微组织、力学性能和零部件,论述了上述制备方法的特点以及目前存在的不足,并提出了粉末冶金成形TiAl合金零部件的建议与未来发展方向。

    • >表面防护
    • 沙明红, 王爽, 李胜利, 贾春堂, 黄天荡, 朱晓雷, 艾新港, 廖湘巍

      2023,52(11):3685-3690   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230007

      摘要:采用激光熔覆的方法制备AlCoCrFeNiMox高熵合金涂层。研究Mo元素含量对涂层微观结构、硬度及耐腐蚀性的影响。结果表明,随着Mo含量的增加,微观组织从富(Al, Ni)的体心立方(bcc)相和富(Mo-Cr-Fe)的σ相,转变为富(Fe, Ni)的bcc相、富(Mo-Cr-Fe)的σ相、富(Al-Fe-Mo)的σ相与少量AlN相。此外,涂层的显微硬度(HV1)从6154.4 MPa增加到10652.6 MPa。随着Mo含量的添加,涂层在3.5%(质量分数)氯化钠溶液中的自腐蚀电位升高,当Mo含量为x=1.0时,涂层的耐腐蚀性能最好。

    • 赖茂林, 郭兰芳, 葛良全, 曾国强, 刘春海

      2023,52(11):3691-3696   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230022

      摘要:通过磁控溅射技术在Zr-4合金基体上沉积了厚度约为18 μm的FeCrAl涂层,以提高Zr合金的高温抗氧化性能。通过空气氧化实验研究了低Al含量的FeCrAl涂层抗氧化性能。为了评估涂层界面演变和元素迁移之间的关系,采用了场发射扫描电子显微镜、能谱仪和掠入射X射线衍射仪进行了深入分析。结果表明,尽管FeCrAl涂层在1000 ℃空气氧化后会出现分层剥落,但该涂层仍然有效地保护了Zr-4合金基体不被氧化。FeCrAl涂层性能下降的主要原因是高温下Al元素严重向外扩散以及Fe、Cr元素向内扩散,最终导致涂层内部分层和剥落。此外,还讨论了FeCrAl涂层在800、900和1000 ℃时的空气氧化行为。

    • 李钦东, 孟君晟, 陈柏森, 郝晨帆, 陈志辉

      2023,52(11):3707-3714   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230205

      摘要:以NH4Cl为活化剂,采用包埋法在309不锈钢上制备了纳米CeO2改性铝化物涂层。采用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜和能谱仪对涂层以及循环氧化50次后的表面和横截面进行了分析。微观结构研究表明,改性涂层中包含Fe4Al13相,由于基底金属的向外扩散,改性涂层捕获了少量的CeO2纳米颗粒。与不添加CeO2纳米颗粒的普通铝化物涂层相比,在900 ℃的大气环境下,分散CeO2改性铝化物涂层表现出更好的防氧化剥落性能;在50次循环氧化后,CeO2改性铝化物涂层上仍然可以发现一些Fe2Al5相,并存在向外扩散的Al层、中间的FeAl层和外部的Fe2Al5+FeAl混合层,这表明CeO2纳米颗粒可以延缓铝化物涂层的降解。

    • 郭晓峰, 张子龙, 秦磊, 袁博, 高俊翔, 庞自强

      2023,52(11):3757-3766   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230244

      摘要:以含双陶瓷结构的700℃新型涂层双管系统为研究对象,采用有限元顺次耦合的计算方法,研究了关键特征参数对系统传热与应力分布的影响。在此基础上,基于MATLAB与ABAQUS平台,开发了一种优化算法与有限元相结合的多层异质涂层系统结构优化设计方法,用以确定涂层双管系统的最优几何结构尺寸与材料物理性能参数。结果表明:陶瓷层厚度比、外陶瓷层导热系数、热膨胀系数、冷却蒸汽温度和压力均会对涂层双管系统的温度和应力分布产生重要影响;系统结构优化前后,P91钢管内表面温度下降约27℃,系统中热生长氧化物与粘接层界面处的最大Mises应力下降约151MPa,这表明当前提出的系统结构优化方法可以用于自动确定多层异质涂层系统的最优关键特征参数。

    • 王作凯, 祁子恒, 李子昱, 应丽霞, 巫瑞智, 王志登, 王桂香

      2023,52(11):3873-3880   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220853

      摘要:为了提高铝合金的耐蚀性能,本文采用阳极氧化法在铝表面制备多孔阳极氧化膜,并以阳极氧化膜为骨架,用原位生长法在其表面构筑具有层状双金属结构的镁铝水滑石(MgAl-LDH)。首次利用缓蚀剂二苄基二硫代氨基甲酸锌(ZBEC)对制备的MgAl-LDH膜层进行改性,通过SEM、EDS、XPS、FT-IR研究了改性MgAl-LDH膜层的形貌成分,通过电化学阻抗谱(EIS)技术研究了ZBEC浓度、改性温度、改性时间对改性膜层耐腐蚀性能的影响。结果表明,水滑石膜层呈垂直于基体表面的片状交错结构,ZBEC分子可以成功的和MgAl-LDH膜层进行结合。当ZBEC改性溶液的浓度为0.03 mol/L、温度45℃、时间15 min时,改性前后膜层的EIS低频模值由7.94×103Ω.cm2增加到1.995×106 (10的6次方)Ω.cm2,说明ZBEC改性提高了MgAl-LDH膜层的耐蚀性能。

    • >高温合金
    • 宋鹍, 黄霞

      2023,52(11):3767-3777   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230187

      摘要:利用分子动力学模拟研究了孔洞中心形成平面与加载方向的夹角(θ)对单晶镍在单轴拉伸下孔洞生长和聚集行为的影响及机理。结果表明:单晶镍的屈服应力和平均流动应力随着夹角θ的增加而下降,应力下降速率随着夹角θ的增加而加快。当夹角θ=90°时(加载方向垂直于孔洞中心平面时),单晶镍中孔洞独立生长时间最短且孔洞之间最先发生聚集,导致其最易进入软化阶段,这是由于夹角θ=90°时,单晶镍中最快的孔洞体积分数增长速率和损伤演化速率所导致。当夹角θ=90°时,单晶镍中1/6<112>(Shockley)位错长度的显著降低,以及FCC晶体结构的原子数目向Other和HCP晶体结构的最大转变速率,导致θ=90°时单晶镍的损伤演化速率最快且损伤程度最剧烈。值得注意的是,当θ=90°时单晶镍中孔洞最易聚集这是由于该条件下孔洞表面受到更大的拉应力作用所导致。通过该工作,旨在揭示金属材料在高应变率下的孔洞聚集行为及机理,并对揭示其软化行为和断裂机理提供了理论指导。

    • 张海燕, 程明, 胡如夫, 张士宏, 赵忠

      2023,52(11):3778-3784   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220799

      摘要:通过OM、TEM和热模拟压缩实验等分析测试方法,对DP-GH4169合金在热变形过程中片层状δ相的球化行为及动力学模型进行了研究。结果表明:片层状δ相的溶解球化行为主要为Nb原子由δ/γ相界到达基体γ的长程扩散控制;在热变形过程中,溶解球化对于片层状δ相的球化行为影响较小,片层状δ相的临界球化应变εc取决于变形温度和应变速率;在热模拟压缩实验范围内,片层状δ相的临界球化应变εc为0.04-0.10,且随着变形温度升高和应变速率降低而减小;热变形中片层状δ相的球化体积分数与热变形参数之间满足Avrami方程。

    • 赵鹏飞, 王旻, 欧美琼, 马颖澈, 刘奎

      2023,52(11):3809-3817   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220815

      摘要:K4750合金是一种新型铸造镍基高温合金,在700-750℃具有较为优异的力学性能,有望代替K4169合金使用。但是K4750合金的室温拉伸塑性波动性较大,合金室温拉伸性能、凝固组织和浇铸制度之间的关系尚不明确。本工作采用不同的浇铸温度和型壳冷却条件制备了多组K4750合金试棒,采用单轴拉伸测试了合金的室温拉伸性能,评价了合金室温拉伸性能对浇铸温度和型壳冷却速率变化的敏感性,并通过组织表征进行了机理阐述。结果表明,浇铸温度降低,合金晶粒尺寸显著减小,合金屈服强度小幅提高,塑性保持稳定;而当型壳冷却速率降低后,合金室温拉伸断后延伸率显著下降。这主要是由于型壳冷却条件显著影响了MC碳化物的析出特征。当冷却速率较低时,晶界析出粗大的长条状MC碳化物,其在应力作用下易于产生内部裂纹,从而加速合金晶界失效降低合金塑性。为优化K4750合金的室温拉伸性能,应重点关注型壳或铸件在浇铸后的冷却速率与晶界MC碳化物析出形态,抑制粗大晶界碳化物产生,提高晶界塑韧性。

    • 杨文超, 撒世鹏, 郝文硕, 秦嘉润, 张军, 刘林

      2023,52(11):3847-3856   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220837

      摘要:针对18个单晶高温合金叶片高效制备过程中温度场不均匀而导致的杂晶缺陷问题,设计了三种不同的单晶叶片模组结构,采用ProCast软件和CAFE模块对第二代单晶高温合金DD6不同模组结构在高速凝固工艺下的温度场和晶粒组织进行模拟研究,分析了不同模组结构下叶片的温度场演化和抽拉速率对杂晶的影响。结果表明,单层模组由于中柱的保温作用较小,导致叶片近中柱侧的散热效率高于近炉壁侧,凝固过程固液界面弯曲严重,凝固过冷大,杂晶形成倾向大;通过对单层模组添加套筒,以加强保温作用,可有效改善温度场,减小固液界面弯曲程度,避免杂晶形核;而双层叠加模组温度场分布均匀,凝固过冷小,杂晶形成倾向小。套筒模组和双层叠加模组在抽拉速率小于100 μm/s时均无杂晶形成,但双层叠加模组将模组直径缩小为其余两种模组结构的一半,降低了对炉体型腔尺寸的要求,有望实现单晶叶片的高效制备。

    • 徐仰涛, 王桐超, 吕鑫

      2023,52(11):3939-3946   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220877

      摘要:为了研究Ta元素和Mo元素合金化对Co-Al-W基高温合金γ′相强度和形貌的影响,构建γ′-L12超胞结构,对其六个非等效点位进行掺杂计算,分析能量结构和力学性能;并制备Co-8.8Al-9.8W-2X(X=Ta, Mo)合金,对合金进行5%和10%的压缩变形,使用透射电镜(TEM)技术对合金γ′相形貌和位错形态进行分析。结果表明:Ta原子掺杂时优先占据Al2位置,Mo原子掺杂时优先占据W6位置,Ta原子占据Al2位置会使得γ′-L12掺杂结构的强度以及组织稳定性升高,Mo原子在W6位置的掺杂则效果相反;由于在合金化时Ta原子优先占据在Al2位置,导致了γ′相强度升高,2Ta合金在进行压缩变形时γ′相形貌可以保持为立方状,位错对γ′相的切割破坏较为有限,而2Mo合金由于Mo原子优先占据W6位置导致γ′相强度降低,进行压缩变形时γ′相形貌由立方状转变为筏排状,位错对γ′相的破坏较为严重。

    • >材料科学
    • 赫荣辉, 王晗, 张泽, 李静媛, 文良元

      2023,52(11):3697-3706   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230192

      摘要:为改善医用镁合金微观组织特征与降解行为,采用挤压形变工艺改变医用镁合金的晶粒尺寸特征及析出相/金属间化合物尺寸、分布规律,探究了挤压态医用Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金微观结构特征及降解行为。结果表明:不同的热挤压变形并没有改变 Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金中第二相的类型,但改变了第二相的分布和形貌。Mg-2Zn-0.5Gd-1Y-0.5Mn镁合金的成分主为α-Mg和W-Mg3Y2Zn3。电化学测试结果表明,铸态、挤压370 ℃和挤压390 ℃合金腐蚀电流密度分别为2.498、3.656、1.012 μA·cm-2。这是由于铸态组织中析出相/金属间化合物呈带状分布在基体中,可作为微阴极形成电偶腐蚀位点,加速合金腐蚀速率。合金在370 ℃挤压时,由于实际温度较低,部分粗化相未能充分溶解到α-Mg基体中,随着析出相数量增加及分布混乱无序,微阴极面积比例增大,进而导致腐蚀速率加剧。而390 ℃挤压态镁合金的挤压速度快、耗散行为慢,且铸锭与挤压机间摩擦强烈,已发生充分动态再结晶行为,降低了微阴极数量/面积,增强了合金耐腐蚀性能。

    • 刘国琴, 连利仙, 刘颖

      2023,52(11):3730-3735   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230238

      摘要:以柠檬酸(CA)为螯合剂,即以有机物为碳源,通过溶胶-凝胶法辅助碳热还原氮化反应制备了CeN粉末。整个反应过程分为水相过程和热处理过程。水相过程主要是Ce3+和CA的螯合和聚酯,形成稳定的Ce3+-CA螯合物前驱体。通过水相过程实现Ce源与C源在分子水平上的均匀混合。热处理过程包括原位碳化和碳热还原氮化反应两部分。原位碳化过程形成的CeO2/C粉末促进了CeO2和C之间的紧密接触,从而减少Ce源和C源原子的扩散距离,以促进碳热还原氮化过程。

    • 陆豆豆, 李珊, 汤克彬, 王良涛, 陈铮

      2023,52(11):3736-3740   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230236

      摘要:为改善单晶锗的硬脆力学特征,用分子动力学模拟方法研究了3种不同剂量的离子注入对单晶锗表面的改性机理。分析结果表明,离子注入对锗基体造成了非晶相损伤,纳米压痕过程表现为晶格演化。纳米压痕结果揭示了非晶相的存在能够降低单晶锗的硬度和脆性,提高塑性。此外,锗基体的非晶相损伤程度和硬度与离子剂量有关。随着剂量的增加,非晶损伤程度加深,硬度降低。

    • 赵宽, 李金平, 王帮文, 崔强

      2023,52(11):3741-3747   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230174

      摘要:为了探究材料和载荷的随机性对TP304不锈钢裂尖驱动力的影响规律,通过将弹塑性有限元和Kriging代理模型相结合,实现裂尖驱动力的概率预测。为了提高有限元分析的效率,使用MATLAB对ABAQUS软件的前置处理和后置处理程序进行二次开发,实现随机样本的自动更改、批量计算和概率预测结果的自动分析。研究得到了随机因素作用下TP304不锈钢材料裂尖驱动力的统计分布规律,以及失效概率、失效概率密度函数、累计概率密度函数等概率特征,并对各随机因素的灵敏度进行了分析。最后,通过与Monte Carlo法对比分析了该方法的有效性和效率。结果表明,载荷和材料参数的随机性会显著影响TP304不锈钢裂纹尖端的驱动力,从而影响TP304不锈钢的失效概率,载荷和应变硬化指数对奥氏体TP304不锈钢材料裂尖驱动力的分散性影响最大。

    • 张宇瀚, 金娜, 刘颖

      2023,52(11):3748-3756   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230245

      摘要:利用第一性原理计算研究了掺杂第四周期过渡金属元素对Mo2CoB2的结构、力学和热力学性质的影响。通过计算结合能和形成焓以及与Born-Huang标准比较,发现所有模型都满足力学与热力学稳定条件。采用点缺陷理论确定了掺杂元素在Mo2CoB2晶体中的占位以及占位偏好。结果表明,Sc和Ti对Mo点位表现出强烈的占位偏好,V对Mo点位仅有较弱的占位偏好。同时,Cr、Mn、Fe、Cu和Zn对Co点位具有较弱的占位偏好,而Ni对Co点位有较强的占位偏好。通过对比计算得到德拜温度,发现除Mo7TiCo4B8、Mo7VCo4B8和Mo7CrCo4B8外,其他掺杂模型的德拜温度都低于未掺杂模型,这说明实验中应尽量避免在Mo2CoB2硬质相中大量添加除Ti、V和Cr以外的过渡金属元素。最后,除Cr掺杂模型外,其他掺杂模型的硬度计算结果都低于未掺杂的模型。同时,占据偏好点位的掺杂元素模型的硬度通常比占据非偏好点位的更高。本研究为开发性能更好的Mo2CoB2金属陶瓷提供了理论支持。

    • >材料工艺
    • 刘劲松, 张良利, 王松伟, 宋鸿武, 张士宏

      2023,52(11):3785-3793   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220803

      摘要:水平连铸是生产铜板带坯的常用方法,探索工艺参数变化对铸坯质量的影响规律十分重要。采用数值模拟的方法分析了水平连铸拉速变化对结晶器内温度场、液穴深度、冷却速率等的影响规律,并结合工艺试验揭示了拉速变化对铸坯组织的影响机理。结果表明,随着铸坯拉速的不断提高,结晶器内的液穴深度持续增加,铸坯表面和芯部沿牵引方向的冷却速率均逐渐降低,且二者的冷却速率差值逐渐减小,当拉速为149mm/min时,二者冷却速率达到相同;随着铸坯拉速的不断提高,铸坯截面上晶粒生长方向与牵引方向的夹角逐渐增大,晶粒生长距离缩短,铸坯表面上晶粒数目增加,平均晶粒直径从1.96mm逐渐减小到1.05mm,整体组织均匀性明显提高。

    • 李明飞, 陈伟

      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。

    • 何龙军, 王庆阳

      2023,52(11):3801-3808   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220824

      摘要:采用中心Mg扩散工艺(IMD)设计并成功制备了两种不同导体结构(Cu 芯和CuNb 芯)的百米级MgB2线材,分别测试了线材的力学性能和超导传输性能;超导层临界电流密度(Layer Jc)达到4.3×105 A/cm2 (4.2 K,4 T)。采用不同方法分析了两根线材纵向MgB2超导层分布的均匀性,发现随着线材直径的减小,超导层分布更趋于均匀化,Φ 0.8 mm的线材基超比波动范围最小,基超比极差为0.02;MgB2 层分布均匀性的研究结果表明该线材中Mg、B密度分布均匀性良好;超导电性的测试结果显示Cu 替换芯线材临界电流Ic比CuNb替换芯线材临界电流Ic高出19 A (4.2 K, 4 T),而Jc性能基本一致;相同磁场强度下Cu替换芯线材的n值均高于CuNb 替换芯线材n值,该研究结果表明IMD工艺制备的MgB2线材能应用于绕制小型磁体以及Mg/B/Nb/Monel基体能够开发百米级高性能的MgB2线材。

    • 邹田春, 管玉玺

      2023,52(11):3818-3824   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220830

      摘要:采用闭孔泡沫铝和铝合金板制备单层夹芯板和六种多层夹芯结构。通过分析胞孔变形模式和宏观变形模式,研究了夹层板和芯层数量对结构准静态压缩力学性能和吸能特性的影响机制。结果表明:夹层板通过调节芯层间应力状态使芯层逐层坍塌,减少了由倾斜变形带的形成和延伸所导致的多芯层同步变形、横向滑动以及两侧滑移,使结构具有更高的坍塌应力、平台应力、单位体积吸能量以及更小的致密应变;芯层数量的增加导致无夹层板结构中变形带的长度和数量增加,从而改变了其宏观变形模式,致使结构两侧滑移现象加剧,同时积累了有夹层板结构中多个芯层中的胞孔缺陷,因此影响了逐层稳定变形,导致致密应变增大,坍塌应力、平台应力和单位体积吸能量减小,致密应变处的吸能效率降低。与其他结构相比,三层泡沫铝夹层板具有最佳的抗压强度和吸能性能。

    • 齐金磊, 王龙鹏, 韩东亚, 林江源, 黄浩, 文懋

      2023,52(11):3825-3831   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220832

      摘要:本文利用PVD技术在不同偏压下制备了一系列Ni3Al薄膜,通过XPS、XRD、SEM、AFM、纳米压痕仪以及显微硬度计等详细研究了偏压对于Ni3Al薄膜组分、沉积率、微观结构、硬度和断裂韧性的影响。结果表明:施加偏压可以增大溅射过程中被离化部分带电离子的动能,从而显著提高Ni3Al薄膜的沉积率、内部结构的致密性以及表面平整性;此外,适当偏压的引入可以诱导生成非晶包裹纳米晶的纳米复合结构,这种包裹态的双相纳米复合结构提供了大量晶界,增强了对位错的阻碍作用,位错堆积在晶界处无法继续运动从而导致硬度的增加。同时,大量存在的晶界可以消耗裂纹传播的能量、抑制宏观裂纹的产生,从而显著增强Ni3Al薄膜的断裂韧性。

    • 舒康豪, 熊毅, 厉勇, 张鑫, 殷立涛, 任凤章

      2023,52(11):3832-3840   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220846

      摘要:在室温环境中对新型Ni-W-Co-Ta高密度合金进行冷轧变形,借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、背散射电子衍射、电子万能试验机及显微硬度计对新型Ni-W-Co-Ta高密度合金变形过程中的微观组织及力学性能演变规律进行表征。结果表明:随着变形量的增加,新型Ni-W-Co-Ta高密度合金等轴晶粒沿轧制方向不断被拉长,同时产生大量的滑移带协调剧烈的塑性变形,并最终形成纤维组织。变形量的增大导致位错密度急剧增加,位错交互作用显著加强,进而将晶粒尺寸细化至25.5 nm。经过90%的严重塑性变形后,抗拉强度提高到1953 MPa;屈服强度提升至1806 MPa,硬度增加至534 HV,伸长率则急剧下降至9.1%。断口形貌则由韧性断裂向韧性-准解理混合型断裂转变。

    • 宋栓军, 邱成鸿, 韩宇琪, 方泽钰

      2023,52(11):3841-3846   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220833

      摘要:激光微细丝增材制造技术是一种能快速成形小型零件的制造技术,但由于受制造过程中热累积效应的影响,往往无法保证对成形零件的精准控形控性。针对这一问题,本文利用标定后的红外热像仪采集单道多层薄壁零件的表面温度,研究其制造过程温度场特征变化规律及热累积效应,为成形工艺的优化提供依据。结果表明:利用红外热像仪可实现对薄壁堆积过程温度场演化规律的研究,随着熔覆高度的增加,高温区域面积逐渐增大,热累积效应明显增强。熔覆过程中,热量向下传导,散热条件逐渐变差,各层冷却速率随层数增大而减小,直至趋于平稳。此外,当熔覆层数大于15层时,热累积效应不再对15层以下熔覆层产生影响。

    • 任雷, 付广艳, 刘恩泽, 谭政, 宁礼奎, 来永军, 佟健, 李海英, 郑志

      2023,52(11):3857-3866   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220838

      摘要:利用恒温氧化试验研究了不同Y含量的新型Fe-Ni-Cr-Al合金在1300 ℃空气中的氧化行为,采用X射线衍射仪器(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了氧化产物类型和分布。研究发现Y的添加有益于提高Fe-Ni-Cr-Al合金的抗氧化能力,其原因是由于Y元素的添加促进了Fe-Ni-Cr-Al合金表面形成致密的尖晶石和氧化铬的复合保护层,减缓了基体合金元素的扩散,同时,Y的加入促进了Al2O3由内氧化向外氧化的转变,减缓了合金内氮化进程,整体提高了合金的抗氧化性能。

    • 于濂清, 刘科, 张亚萍, 朱海丰

      2023,52(11):3867-3872   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220841

      摘要:本文对钕铁硼速凝薄带进行“氢化-歧化-脱氢-复合”工艺(HDDR)处理,研究了歧化时间、脱氢压力对HDDR磁粉磁性能的影响及磁各向异性的产生机理。通过XRD对其进行物相表征,SEM观察微观形貌及磁性能测试,结果表明:歧化时间决定了HD工艺后磁粉材料中歧化相和残余母相Nd2Fe14BH1.04的含量,残余母相能够更好地将母相的织构信息传递下去,使得新相Nd2Fe14B有很强的c轴织构,磁粉在歧化时间为40 min时各向异性达到最佳,DOA=0.55。而脱氢压力主要作为晶体生长的驱动力,压力在0.01 MPa时驱动力过大,导致脱氢之后晶粒生长方向随机,c轴织构不明显,生成的新相Nd2Fe14B的各向异性较弱;磁粉在脱氢压力为0.03 Mpa时各向异性得到显著增强,DOA=0.53。

    • 王 谢, 雷 前, 刘 咏

      2023,52(11):3893-3899   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220854

      摘要:利用熔铸和形变热处理工艺制备得到了一种Cu-Sn-Fe-Ni合金,并通过静置腐蚀和电化学测试研究了合金在3.5wt.%NaCl溶液中的静态腐蚀行为,用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对合金腐蚀后微观组织和腐蚀产物进行了表征,最后讨论分析了该合金腐蚀机理。结果表明:合金在3.5wt.%NaCl溶液中静态腐蚀速率为0.0473 mm/a,耐腐蚀性能较好;合金随着浸泡时间的增加,其耐腐蚀性先增加后减弱;合金在浸泡过程有明显的优先腐蚀倾向,首先发生脱Fe腐蚀,接着Cu氧化形成较致密的钝化膜,进而降低合金腐蚀速率,随后Sn和Ni开始溶解腐蚀,形成氧化膜,使钝化膜更为致密,但此时钝化膜下层依然发生脱Fe腐蚀,促使致密的钝化膜发生局部破坏,导致合金的耐腐蚀性能下降。

    • 孙既峰, 柯黎明, 徐洋

      2023,52(11):3900-3908   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220861

      摘要:对于铝/镁搅拌摩擦焊(FSW)接头,当母材厚度过大时,容易沿界面形成较厚的脆硬金属间化合物(IMCs),导致接头成形极其困难。本文创新地采用界面互锁复合Zn层,研究了厚板铝/镁FSW接头界面IMCs演变和接头性能变化规律,为后续实现铝/镁 FSW接头的高强度连接提供了理论及实践依据。 结果表明,斜对接接头镁侧界面上部生成了平均厚度为69.7μm的低熔点共晶层(Mg+Al12Mg17),中部和下部生成了平均厚度为42.7μm和21.2μm的IMCs,该IMCs层由Al12Mg17和Al3Mg2组成。相比于斜对接接头,当采用界面互锁复合Zn层时,界面局部位置生成了Al-Mg-Zn相(Al5Mg11Zn4)和Mg-Zn相(MgZn2、Mg2Zn3)替代了原有的Al-Mg IMCs,最低IMCs厚度仅为3.9μm。拉伸结果表明,接头抗拉强度由斜对接接头的2.7MPa提高至界面互锁复合Zn层接头的32.3MPa,这与界面互锁效应和IMCs厚度减薄有关。

    • 李伟光, 肖盼, 鹿中晖, 李英志, 夏永生, 楚鹰军, 潘吉林

      2023,52(11):3915-3921   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220870

      摘要:本文采用失重法、形貌分析、成分分析和电化学测试等方法研究了紫铜管长期埋藏于热带雨林土壤环境中的腐蚀行为。结果表面,紫铜管埋藏16年后,平均腐蚀速率为2.5μm/y,腐蚀失重规律符合幂函数模型,其拟合方程为C=0.4273t-0.246。紫铜管表面腐蚀产物呈淡绿色的致密鳞状结构,与金属基体结合良好。 XPS、EDS和FTIR分析结果显示该腐蚀产物主要成分为铜绿(Cu2(OH)2CO3)。电化学测试结果表明,埋藏16年后,紫铜管腐蚀速率变小,阻抗值明显增大,表明腐蚀产物膜对基体形成良好的保护作用,能有效减缓腐蚀过程的继续发展。

    • 陈文练, 杨益航, 陈晓红, 郑俊杰, 古思勇, 张厚安

      2023,52(11):3922-3930   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220871

      摘要:采用选择性激光熔化(SLM)3D打印方式成功设计和制造了具有点阵结构的钨材,结合有限元分析、扫描电镜、准静态单轴压缩试验探究了不同点阵结构下钨材力学性能的变化规律,分析了微观组织对力学性能的影响。结果表明圆弧型点阵结构可有效降低节点处的应力集中,保持点阵结构轻质、低孔隙率特性同时还维持着钨材的高强度力学性能,平均抗压强度达到535MPa,平均质量仅为1.25g,激光打印后圆弧点阵较立方点阵平均抗压强度提升93%,其中体心圆弧点阵(BCA)显示出更优抗压性能,极限抗压强度达到721MPa,结构致密度为理论值12.8%;力学性能指标接近于变形态。与立方点阵相比,圆弧点阵具有良好的能力吸收特性,后者相较前者总能量吸收值提升223%,圆弧点阵平均能量吸收达到1664J/cm3。此外,SEM图像显示圆弧点阵因其弧形特性,减少了打印中斜支柱的悬挂距离,成型效果优于立方点阵。

    • 朱丽仙, 何俊杰, 张仁银, 付丽, 周璇, 毛勇

      2023,52(11):3931-3938   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220875

      摘要:铂铱键合丝是一种应用于特种微电子器件封装的高强度引线键合材料,经拉拔制备的铂铱合金微细丝材的热处理是调控键合丝终服役性能的关键环节。本文以Φ25 μm超细Pt-10Ir键合丝为研究对象,通过高分辨FIB-EBSD联动表征技术,对不同退火工艺下超细丝材显微组织及形变织构进行了深入分析测定,并对其力/电学性能的演变进行了分析。结果表明:随着退火温度的升高,显微组织由拉拔态的细小纤维状晶粒逐渐转变为部分等轴组织,等轴状组织优先在晶界处形核长大且丝材织构强度逐渐下降,破断力逐渐降低,延伸率逐渐升高而电阻率则呈现出先降低后升高的趋势。Pt-10Ir超细键合丝在600℃/30 min退火后,主要发生回复,未发生明显的再结晶,织构取向演变为<111>平行于丝材拉拔方向的形变织构,破断力为37.06 cN,抗拉强度为755.29 MPa,延伸率为1.30%,电阻率为22.81 μΩ·cm,表现出好的力/电综合性能。该研究为贵金属超细键合丝材的性能优化提供理论和实验基础。

    • 张智颖, 梁瑞清, 陈俊霖, 梅晁源, 李娟, 孙润广

      2023,52(11):3947-3953   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230384

      摘要:系统的研究了不同周期的纳米凹坑和纳米柱孔氧化铝膜表面直接修饰当归多糖(ASP)或通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)共价连接修饰ASP后,乳腺癌细胞MDA-MB-231在其表面生长的细胞形态和活性规律。研究发现,当归多糖直接修饰纳米凹坑和纳米柱孔结构能够有效抑制乳腺癌细胞的活性,对细胞形态影响较小。但纳米凹坑结构的细胞活性抑制效果优于纳米柱孔结构,纳米凹坑在300 nm周期时具有最优的细胞活性抑制效果,抑制率为27.7%。用KH550共价修饰ASP的纳米凹坑和纳米柱孔结构对细胞活性的抑制效果要优于直接修饰ASP时的抑制效果,细胞形态也发生了明显的变化,胞体周围生成大量板状伪足。纳米凹坑结构上的细胞活性抑制效果要优于纳米柱孔结构,纳米凹坑在300 nm周期时抑制效果最佳,抑制率为28.2%。该结果对于药物的设计以及输运具有一定的指导作用。

    • >评述
    • 王一唱, 袁灵洋, 杨磊, 彭立明, 丁文江

      2023,52(11):3954-3970   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220800

      摘要:轻质高强铸造铝合金在航空航天、汽车轻量化等方面展现出独特的优势。对铸造铝合金成形性能和力学性能进一步优化,对拓宽其应用领域意义重大。本文综述了Al-Zn系高强铸造铝合金的研究现状与进展,重点归纳了高强铸造铝合金(微)合金化、晶粒细化、组织纯净化、热处理优化等方面的强化机制及现有研究成果,并对铸造铝合金目前研发中所存在的问题进行探讨,最后对高强铸造铝合金的发展方向进行了展望,对高强铸造铝合金的发展具有一定的实践和理论指导意义。

    • 袁坤权

      2023,52(11):3981-4001   DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220804

      摘要:按照多主元设计理念所制备的高熵合金展现了高强度、高韧性以及良好的耐磨性、耐氧化和热稳定性等优异综合性能,使其有望成为一种优异的新型结构材料。高熵合金在成分设计上可通过调整各主元元素的浓度、添加间隙原子等方式调控合金的层错能和微观结构,引入析出强化、细晶强化和相变或孪晶诱导塑性效应等强韧化机制,进而改善合金的综合力学性能。本文主要总结了近年来非等原子比和间隙碳/氮原子添加的成分设计对面心立方高熵合金体系的微观结构、力学性能和变形机制的影响,旨在为新型高性能面心立方高熵合金的设计提供理论基础。

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    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230618

      摘要:研究了DD6镍基单晶高温合金从530℃到850℃的疲劳裂纹稳定扩展行为。疲劳裂纹扩展CT试样沿[001]方向平行于受拉的加载轴。通过扫描电子显微镜SEM研究疲劳裂纹扩展试验后的断口形貌,并根据形貌特点分为源区、预制裂纹区、稳定扩展区以及快速扩展区。通过电子背散射衍射技术EBSD研究垂直于断口的剖面的塑性变形情况。通过透射电子显微镜TEM观察断口附近位错机制随温度的变化。本研究结果表明,受温度场、应力场以及暴露时间的作用,在650℃时即发生氧化,且在650℃至760℃之间,由于γ’相的弱化,在γ与γ’相中形成大量连续的位错,导致合金氧化加剧,同时760℃下疲劳扩展寿命显著下降。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230621

      摘要:堆芯关键部件材料Fe-Cr基奥氏体钢在高温和辐照环境下长时服役,辐照空位簇聚形成空洞导致辐照肿胀和硬化现象。本文采用相场方法耦合中心温度场和一维温度场研究Fe-Cr合金空位簇聚和空洞演化行为。计算结果表明,中心温度场下,温度梯度促使空位向中心温度高的区域迁移,导致中心高温区域空洞浓度高,优先出现空洞形核,空洞尺寸大,低温区域空位浓度低,空洞尺寸小;一维温度场下,体扩散机制控制下,空洞的迁移速度与温度梯度正相关,与初始孔径无关;表面扩散机制控制下,空洞的迁移速度与温度梯度成正相关,与初始孔径负相关。该研究结果启发局域组织老化引起的导热不均材料或宏观温度梯度下服役部件的组织和性能预测。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230625

      摘要:耐事故核燃料能显著增强轻水核反应堆在失水事故下抵御堆芯熔化的能力,是核燃料技术变革和核电安全技术提升的重要方向。在现役锆合金包壳表面涂覆Cr涂层,形成具备良好结合力、优异耐高温高压水腐蚀性能和抗高温氧化性能的新型包壳材料,是最有望在短期内获得实际工程应用的耐事故核燃料解决方案。本文综述了Cr涂层锆合金在高温蒸汽环境中氧化行为研究进展,重点关注Cr涂层的氧化动力学、Cr涂层微观组织对抗氧化性能的影响,以及长时间氧化后Cr涂层的失效机理和Cr-Zr互扩散行为。此外,总结了增强Cr涂层抗氧化性能和抑制Cr-Zr互扩散的策略,并展望了未来的发展方向,以期为Cr涂层核燃料包壳的优化设计和工程应用提供参考。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230636

      摘要:本工作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,并对试样进行抗菌实效处理后,研究不同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含量提高在FCC1基体上逐渐析出了富Cu和Ag的FCC2相。合金在3.5% NaCl溶液中的耐蚀性能均优于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Ag的FCC2相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99.93%.

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230646

      摘要:本研究采用分子动力学模拟方法研究了单晶钛的变形机制,研究温度为500~1000K,应变率为"0.0001" 〖"ps" 〗^"-1" ~"0.01" 〖"ps" 〗^"-1" ,加载方式为拉伸和压缩,对结果进行了应力应变分析、势能分析、共进邻分析和位错密度分析。结果表明,随温度的升高,屈服强度降低,屈服点对应的应变值减小;在相同温度下,拉伸屈服强度略高于压缩屈服强度;不同加载速率下弹性模量变化不大,加载速率增加屈服强度增大。随温度的升高或加载速率增加,体系的势能峰值增加。随着应变的进行,HCP结构减少,Other结构增加,BCC、FCC结构出现并增加(除变形温度1000K时以外);超过屈服点后,各种结构逐渐趋于平稳;随着温度的升高,晶体结构的转变提前发生。随着温度的升高,位错密度降低,拉伸载荷下的总位错密度大于压缩载荷;整个变形过程中的主要位错类型是Other位错、1/3<-1100>位错和1/3<11-20>位错。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230667

      摘要:目的 解决物性参数差异大的TC4-7075异质合金的连接难题,拓展高比强度钛-铝异质合金复合结构的应用范围。方法 选用AlTiVNbSi高熵合金为中间层材料,采用激光熔化沉积技术实现了TC4和AA7075异质合金的有效连接,采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM、EBSD)、显微硬度以及拉伸实验等检测方法,对连接区的宏观形貌、微观组织、成分分布以及界面特性等微观特征进行了表征。结果 连接接头与TC4钛合金侧界面结合良好,存在宽度约为20μm的界面过渡区,靠近界面的TC4有集束魏氏组织产生,7075侧界面存在宽度为20μm的化合物区。结论 基于高熵合金的以AlTiVNbSi为中间层材料,采用激光熔化沉积技术可实现钛-铝异质合金的有效连接,连接接头硬度约为696HV,高于母材硬度,近钛侧连接区硬度高于近铝侧连接区硬度,抗拉强度为116MPa。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230024

      摘要:本文进行了TC4钛合金和Al6061铝合金的异种金属热等静压扩散连接实验,研究了TC4连接接头的界面特征、形成机制和力学性能,并通过热力学分析解释相关实验现象。结果表明,热等静压扩散连接及后续退火处理后,两侧母材元素发生了明显的互扩散,其中Si、Mg元素在化学势驱动力作用下分别富集于扩散过渡区和Al侧界面。接头界面发生冶金反应生成TiAl3、TiAl、Ti3Al等金属间化合物,通过有效生成热模型计算表明TiAl3相优先生成。硬度实验表明界面生成的Ti-Al金属间化合物具有较高的硬度。拉伸实验显示接头最大抗拉强度达到了144MPa。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230026

      摘要:本文采用自行设计的感应线圈、刚性拘束工装与实验室现有感应加热装置结合,以5毫米厚TC4钛合金为母材进行局部感应加热刚性拘束热自压扩散连接,探究了不同加热温度和热处理前后对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,加热温度过低为900°时导致原子扩散不充分,或者加热温度过高为990°时超过β→α相变温度形成的粗大魏氏体组织都会使接头力学性能降低。随着温度的升高,热拘束应力场对接头施加的压力先升高后降低,接头的连接质量也先升高后降低。只有加热温度为950°稍低于β→α相变温度时,组织分布最均匀,等轴α相晶粒最明显。且原子扩散更充分,应力场对接头施加的压力最高,接头力学性能最好。经650℃/3h退火热处理后,发生了α→β相变,晶格的畸变程度降低,晶粒细化。TSCB接头残余应力状态由拉应力转变为压应力。残余应力显著降低,应力得到释放。从而提高了TSCB接头的力学性能,解决了TSCB接头塑性较低的问题。

    • 优先出版日期:2023-12-01  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230029

      摘要:本文以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni无铅钎料合金为研究对象,基于石墨烯纳米片(GNSs)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。研究结果表明:Ni-GNSs的加入,抑制复合钎料的线膨胀,产生晶格畸变,导致位错产生,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,使复合钎料得以强化,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% 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钎料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,有效缓解复合钎料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钎料合金接头的断裂位置由热老化前的钎缝区向钎缝/界面IMC移动,为韧脆混合断裂;而添加0.05% 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。

    • 优先出版日期:2023-11-28  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230616

      摘要:材料疲劳延寿以及复杂形状零部件加工等工业需求不断提高,对激光冲击过程中的具体工艺方法进行合理改进和优化已尤为迫切。本文针对激光冲击处理在航空制造等重大工业应用领域所面临的具体需求,综述了最新发展的若干工艺改进方法。所涉及工艺优化策略摆脱激光冲击对高性能激光器的设备依赖,从非激光参数调整的角度实现更具经济性和可行性的表面防护与加工的应用目标。所指非激光参数包括吸收层、约束层以及激光与材料离焦状态等可调节指标,该类指标工艺设定区间广泛且易控,并体现出良好的异形构件适应性。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230525

      摘要:辐照空洞导致的辐照肿胀是堆芯长时服役奥氏体钢失效的重要原因。本文采用介观尺度的相场模型耦合辐照速率理论和微弹性理论,研究外加全局应力和局域位错应力场对奥氏体Fe-Cr合金辐照空洞组织的影响。外加应力作用下空洞形核的孕育期缩短,空洞长大加速,沿着外加应力方向空洞形貌被拉长为纺锤形;相比无外加应力下,外加应力作用使空洞平均尺寸更大,空洞数量减少。外加应力越大,空洞平均尺寸越大、数量越少、体积分数越大,形貌改变越显著。位错偶极子和位错阵列的弹性应力场吸引空位在其位错核周围择优形核长大,且与无位错作用相比,位错应力作用下空洞数量增多、平均半径减小,最终体积分数基本不受位错影响。对比外加应力和位错应力场作用,全局应力引起的肿胀较位错更为显著。本研究结果可启发堆芯奥氏体钢组织老化和性能衰退评估。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230531

      摘要:锆合金包壳在反应堆环境下受到辐照与腐蚀的协同作用。本文使用6.37 MeV Xe离子辐照Zr-1Nb合金,评估了常温0.5M LiOH水环境中辐照前后Zr-1Nb合金的电化学腐蚀特性,并测量了辐照前后Zr-1Nb合金的显微硬度和表面形貌、物相组成。经过Xe离子辐照后,Zr-1Nb合金表面出现了离子剥蚀形成的凹凸起伏,表面粗糙度和硬度随辐照剂量增加而增加。0.5 dpa剂量辐照后样品的腐蚀电流密度相比于未辐照样品增加约18倍,2.7 dpa剂量样品则增加约72倍。同时,辐照后样品的腐蚀电位降低,极化电阻显著减少。此外,辐照后Zr-1Nb合金样品低频阻抗降低,容抗弧半径也随辐照剂量增加而减少。极化曲线和电化学阻抗测量结果表明,离子辐照增强了Zr-1Nb合金的腐蚀倾向,其耐腐蚀性能随辐照剂量增加而降低。电化学腐蚀测试后,Zr-1Nb合金表面出现了板条形组织,且离子辐照后样品该板条形组织更加细小。Zr-1Nb合金辐照样品耐腐蚀性能下降主要是合金基体的辐照损伤导致的结果。

    • 优先出版日期:2023-11-22  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型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0.5wt.%的Mn元素可以将合金的铸态微观组织从3.28μm细化到2.65μm,使其抗拉强度从882MPa提高到966MPa,但延伸率从7.8%下降到5.1%。锻造后两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。与Ti-Al-Mo-Zr-Fe-B合金的抗拉强度和延伸率增加到966MPa和16.4%相比,含有0.5wt.% Mn元素的合金具有更高的抗拉强度,达到了1079MPa,同时,延伸率达到了15.7%,。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。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230551

      摘要:低密度铌合金具有密度低、熔点高、耐腐蚀性好等特点,广泛应用于航空航天、核工程、高温结构等领域。为研究不同变形工艺对低密度铌合金组织及性能的影响,本文分别对低密度铌合金进行了轧制和挤压变形,通过OM、SEM观察,力学性能测试等方法进行了探究。结果表明:采用轧制变形时,变形量大,微观组织较均匀,第二相弥散分布,强度较高的同时塑性较好,断后伸长率可达37%;采用挤压变形时,易应力集中而开裂,变形不易深入,微观组织不易均匀,强度较高,但塑性仅有15%,对变形组织对性能的影响进行了分析,可指导铌合金的加工。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230568

      摘要:镍基单晶高温合金具有优异的高温综合性能,是航空发动机涡轮叶片和导向叶片等部件的首选材料,承受高温度和高应力的严苛服役环境。目前,高冷效叶片的结构设计中采用多种复杂冷却结构以提高其承温能力,其中以层板冷却和双层壁冷却为代表的微型冷却结构是其主流发展方向。但由于这类复杂涡轮叶片中存在超薄壁结构,已成为叶片制造的关键点和难点。本文综述了镍基单晶高温合金薄壁结构的发展趋势,分析了薄壁受限空间的缺陷产生及枝晶生长规律,阐述了薄壁结构对力学性能的影响,展望了先进涡轮叶片的制备及其组织控制的发展趋势。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230570

      摘要:本文采用真空电弧熔炼炉制备FeCrMnxAlCu(x=0、0.5、1.0、1.5、2.0)高熵合金。通过XRD、SEM、EDS等设备检测分析了合金的微观组织和化学成分。同时,采用电化学极化曲线法和浸泡试验检测了合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的耐腐蚀性。腐蚀后采用XPS设备对合金表面进行分析。微观组织表征结果表明,所制备的高熵合金呈现典型的枝晶和枝晶间组织,并具有FCC+BCC双相结构。腐蚀测试结果表明,在3.5 wt.% NaCl溶液中,高熵合金的耐蚀性能随着Mn含量增加先升高后下降,但与无Mn合金相比,含Mn的合金仍表现出更好的耐蚀性能。其中,FeCrMnAlCu高熵合金的耐蚀性能最好,表现出较正的自腐蚀电位(Ecorr=-0.417 V)和较小的自腐蚀电流密度(Icorr=2.120×10-6 A?cm-2)。此外,FeCrMnxAlCu高熵合金表现出活化行为,并形成不连续且松散的腐蚀产物膜。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230572

      摘要:本文采用真空电弧熔炼技术制备了FexCrMnAlCu(x=0, 0.5, 1, 1.5, 2)高熵合金,使用XRD、SEM、EDS对腐蚀前后合金的相结构与微观组织进行了表征,通过动电位极化曲线、EIS、XPS以及浸泡实验对合金在3.5% NaCl溶液中的腐蚀行为与氧化膜成分进行了表征,研究结果表明:FexCrMnAlCu高熵合金均为BCC+FCC相的双相结构,Fe元素的添加使得BCC相衍射峰强度逐渐增强。随着Fe含量的增加,合金的耐腐蚀性能先增强后减弱,添加了Fe元素的合金耐腐蚀性能均强于不含Fe的合金,这是由于Fe元素的加入使得晶粒尺寸发生了变化,使得单位面积上的晶界数量改变,从而造成耐腐蚀性能的变化。FexCrMnAlCu合金的腐蚀类型主要为晶间腐蚀,腐蚀后合金表面形成了由各元素氧化物组成的氧化膜。Fe1.5CrMnAlCu合金的自腐蚀电流密度最小(1.75×10-6 A/cm2)、自腐蚀电位最正(-0.589 V),容抗弧半径最大。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230575

      摘要:TiN涂层因良好的耐腐蚀、导电性能在金属双极板改性领域被广泛应用。TiN沉积过程中易受制备条件影响而形成非金属空位,进而影响涂层性能。因此,本文利用第一性原理方法计算了含有不同非金属空位量的TiNx体系的电子结构,展开了非金属空位对各TiNx体系的晶体结构、能带结构、态密度、自由电子相对浓度及电荷布居影响研究。分析结果表明,随着非金属空位的形成,各TiNx体系稳定性逐渐下降,非金属空位形成能逐渐升高。经计算,各TiNx体系的自由电子相对浓度大小排序如下:TiN0.25>TiN>TiN0.5>TiN0.75。TiNx体系的导电能力主要由Ti原子3d轨道状态的金属化、N原子2p轨道贡献的减少以及N原子缺失导致晶胞体积减小等三个因素共同影响。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230580

      摘要:高熵碳化物(HECs)是一种具有巨大潜力的材料,可用作析氢反应(HER)的催化剂,但纳米级 HECs 的生产仍是一项重大挑战。本研究通过在1173 K的CaCl2中对金属氧化物和石墨进行电脱氧,成功制备了具有面心立方(FCC)结构的纳米级(VNbTaZrHf)C HEC粉末。在1M KOH中进行了电化学性能测试,以探索(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HER性能。(VZrHfNbTa)C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HEC开发了一种新方法。

    • 优先出版日期:2023-11-22  DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230600

      摘要:为节约镍材的使用成本,充分发挥镍材优异的耐腐蚀性能,选用厚度1mm的纯镍N6作为复板、3mm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,采用金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对界面结合形貌和元素进行分析, 以及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20um,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325.5Mpa。分析数值模拟结果,界面形貌与试验得到的界面形貌具有一致性,模拟结果展示了特征点的速度、塑性变形程度也与实验结果基本吻合。

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