2021年第50卷第3期文章目次
2021, 50(3):733-739.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200619
摘要:
对传统等通道转角挤压工艺(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)进行改进,提出一种新型剧烈塑性变形法(severe plastic deformation, SPD)——等通道球形转角膨胀挤压(Equal Channel Angular Expansion Extrusion with Spherical Cavity, ECAEE-SC)。该工艺通过耦合镦-剪-挤等多种变形效应,可在单道次挤压下实现坯料内部较大的塑性应变累积,进而获得理想的晶粒细化与性能提升效果。在室温条件下采用ECAEE-SC工艺对工业纯铝(Al-1060)进行单道次挤压,并与相同条件下的2道次ECAE变形结果进行对比。采用EBSD、SEM等测试手段,研究了工业纯铝ECAEE-SC变形晶粒特征与磨损表面形貌,并测试了变形材料显微硬度、拉伸性能与摩擦学性能。结果表明,在ECAEE-SC工艺剧烈塑性应变诱导下,工业纯铝经单道次挤压变形后晶粒显著细化,呈典型的剪切条带状特征。与初始退火态相比,变形材料显微硬度与抗拉强度分别提升了92.6%和91.8%,且性能提升效果明显优于2道次ECAE变形。同时, ECAEE-SC工艺有效提高了工业纯铝的耐磨性能,工业纯铝变形后表面磨痕宽度最小,磨痕深度最浅,其磨损机理以磨粒磨损为主导。
对传统等通道转角挤压工艺(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)进行改进,提出一种新型剧烈塑性变形法(severe plastic deformation, SPD)——等通道球形转角膨胀挤压(Equal Channel Angular Expansion Extrusion with Spherical Cavity, ECAEE-SC)。该工艺通过耦合镦-剪-挤等多种变形效应,可在单道次挤压下实现坯料内部较大的塑性应变累积,进而获得理想的晶粒细化与性能提升效果。在室温条件下采用ECAEE-SC工艺对工业纯铝(Al-1060)进行单道次挤压,并与相同条件下的2道次ECAE变形结果进行对比。采用EBSD、SEM等测试手段,研究了工业纯铝ECAEE-SC变形晶粒特征与磨损表面形貌,并测试了变形材料显微硬度、拉伸性能与摩擦学性能。结果表明,在ECAEE-SC工艺剧烈塑性应变诱导下,工业纯铝经单道次挤压变形后晶粒显著细化,呈典型的剪切条带状特征。与初始退火态相比,变形材料显微硬度与抗拉强度分别提升了92.6%和91.8%,且性能提升效果明显优于2道次ECAE变形。同时, ECAEE-SC工艺有效提高了工业纯铝的耐磨性能,工业纯铝变形后表面磨痕宽度最小,磨痕深度最浅,其磨损机理以磨粒磨损为主导。
2021, 50(3):740-745.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200180
摘要:
本文研究了Cu含量对Al-2.5Mg-xCu-0.2Si合金微观组织和性能的影响。由于形成Cu，Mg原子团簇，加入Cu的合金的显微硬度在时效初期有明显的快速硬化。随着时效时间的延长，由于S’相和GPB的形成使得合金的硬度再次提高，并达到硬度峰值。快速硬化的硬度值和峰值硬度值均随铜含量的增加而增加。铜含量增高，合金的抗拉强度和屈服强度增加明显，延伸率降低。含铜量增高，合金的抗晶间腐蚀能力变差。当合金Cu含量低于1.1%时，合金具有良好的抗晶间腐蚀性能；但含2.0%铜的合金抗晶间腐蚀性能显著降低。基于实验结果分析：含铜量为1.1%的合金具有较好的机械性能和抗腐蚀能力。
本文研究了Cu含量对Al-2.5Mg-xCu-0.2Si合金微观组织和性能的影响。由于形成Cu，Mg原子团簇，加入Cu的合金的显微硬度在时效初期有明显的快速硬化。随着时效时间的延长，由于S’相和GPB的形成使得合金的硬度再次提高，并达到硬度峰值。快速硬化的硬度值和峰值硬度值均随铜含量的增加而增加。铜含量增高，合金的抗拉强度和屈服强度增加明显，延伸率降低。含铜量增高，合金的抗晶间腐蚀能力变差。当合金Cu含量低于1.1%时，合金具有良好的抗晶间腐蚀性能；但含2.0%铜的合金抗晶间腐蚀性能显著降低。基于实验结果分析：含铜量为1.1%的合金具有较好的机械性能和抗腐蚀能力。
2021, 50(3):746-752.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200026
摘要:
半固态挤压铸造的A356合金首先在540℃进行固溶处理,随着固溶温度升高Mg和Si原子逐渐溶解于基体中,并产生了固溶强化作用。抗拉强度、延伸率和硬度在固溶6小时达到峰值,之后合金力学性能随固溶时间延长而下降。在固溶处理之后合金在180℃进行了不同时间的时效处理。随着时效时间延长,Mg2Si相逐渐在基体中析出,析出相显著球化细化,尺寸约为2μm。经过对合金组织和力学性能的分析,半固态挤压铸造A356合金的最佳热处理制度为：540℃固溶6小时,180℃时效4小时。经过固溶和时效处理后的合金抗拉强度达到336MPa,延伸率达到6.9%,硬度达到HV124,相对于热处理前提升了106.7%。
半固态挤压铸造的A356合金首先在540℃进行固溶处理,随着固溶温度升高Mg和Si原子逐渐溶解于基体中,并产生了固溶强化作用。抗拉强度、延伸率和硬度在固溶6小时达到峰值,之后合金力学性能随固溶时间延长而下降。在固溶处理之后合金在180℃进行了不同时间的时效处理。随着时效时间延长,Mg2Si相逐渐在基体中析出,析出相显著球化细化,尺寸约为2μm。经过对合金组织和力学性能的分析,半固态挤压铸造A356合金的最佳热处理制度为：540℃固溶6小时,180℃时效4小时。经过固溶和时效处理后的合金抗拉强度达到336MPa,延伸率达到6.9%,硬度达到HV124,相对于热处理前提升了106.7%。
2021, 50(3):753-761.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200196
摘要:
在航空航天、海洋运输和车辆制造等领域，制造材料朝着轻量化、复合化和高性能化的方向发展。由于铝合金和树脂基复合材料具有高比模量和高比强度等优点，其复合结构的连接技术也受到越来越多的关注。本文针对铝合金与树脂基复合材料连接技术的连接机理和影响因素进行综述。目前，铝合金和树脂基复合材料的连接方法主要有螺栓连接、铆接、胶接、注塑连接和焊接。其中螺栓连接和铆接工艺简单，但孔洞易产生应力集中；胶接成本低，但界面的抗冲击和抗剥离强度较低；注塑连接周期短，但强度有限；焊接自动化程度高，但设备昂贵。最后本文基于当前研究成果，指出高性能、高可靠性的铝合金与树脂基复合材料接头进一步研究发展方向。
在航空航天、海洋运输和车辆制造等领域，制造材料朝着轻量化、复合化和高性能化的方向发展。由于铝合金和树脂基复合材料具有高比模量和高比强度等优点，其复合结构的连接技术也受到越来越多的关注。本文针对铝合金与树脂基复合材料连接技术的连接机理和影响因素进行综述。目前，铝合金和树脂基复合材料的连接方法主要有螺栓连接、铆接、胶接、注塑连接和焊接。其中螺栓连接和铆接工艺简单，但孔洞易产生应力集中；胶接成本低，但界面的抗冲击和抗剥离强度较低；注塑连接周期短，但强度有限；焊接自动化程度高，但设备昂贵。最后本文基于当前研究成果，指出高性能、高可靠性的铝合金与树脂基复合材料接头进一步研究发展方向。
2021, 50(3):762-768.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200033
摘要:
实际生产过程中，补焊过程往往焊接接头的可靠性产生影响。本文研究了补焊对7N01-T5/7N01-T4异种铝合金腐蚀性能的影响。结果表明，补焊会导致焊接接头耐蚀性降低，特别是热影响区域。焊接接头腐蚀性能演变主要与补焊过程中Zn元素从基体向晶界处的扩散有关。
实际生产过程中，补焊过程往往焊接接头的可靠性产生影响。本文研究了补焊对7N01-T5/7N01-T4异种铝合金腐蚀性能的影响。结果表明，补焊会导致焊接接头耐蚀性降低，特别是热影响区域。焊接接头腐蚀性能演变主要与补焊过程中Zn元素从基体向晶界处的扩散有关。
2021, 50(3):769-774.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200009
摘要:
研究了不同锆添加量的3104合金的析出组织和力学性能。结果表明，随着Zr含量的增加，合金晶粒尺寸减小，当Zr质量分数大于或等于0.25%时，合金晶粒最小（20μm）。同时，晶粒形状由羽毛状变为等轴状。此外，Zr还可以通过形成Si相和其它金属间化合物来改善合金中Si和Mn元素的分布。维氏硬度分析表明，Zr的加入会降低Al-Mn-Fe 3104合金的硬度。此外，根据拉伸试验结果，当Zr质量分数不高于0.25%时，随着Zr含量的增加，合金的拉伸强度和延伸率都有所提高。适当的Zr含量可以起到钉扎位错和阻碍滑移的作用，提高合金的强度和韧性。
研究了不同锆添加量的3104合金的析出组织和力学性能。结果表明，随着Zr含量的增加，合金晶粒尺寸减小，当Zr质量分数大于或等于0.25%时，合金晶粒最小（20μm）。同时，晶粒形状由羽毛状变为等轴状。此外，Zr还可以通过形成Si相和其它金属间化合物来改善合金中Si和Mn元素的分布。维氏硬度分析表明，Zr的加入会降低Al-Mn-Fe 3104合金的硬度。此外，根据拉伸试验结果，当Zr质量分数不高于0.25%时，随着Zr含量的增加，合金的拉伸强度和延伸率都有所提高。适当的Zr含量可以起到钉扎位错和阻碍滑移的作用，提高合金的强度和韧性。
2021, 50(3):775-786.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200225
摘要:
本文综述了Al-Zn-Mg-Cu合金多尺度第二相粒子与性能关系研究。涉及的多尺度第二相粒子包括微米尺度的金属间化合物、亚微米尺度的弥散相、纳米尺度的晶内析出相和晶界析出相；涉及的相关性能主要指强度、断裂韧性以及腐蚀性能。通过回顾相关文献,结合作者所在课题组所做工作,可以得出以下结论：金属间化合物主导了合金的断裂韧性和腐蚀抗力；弥散相通过抑制基体再结晶方式,主导合金的强度、断裂韧性以及腐蚀抗力；晶界析出相主导合金的断裂韧性和腐蚀抗力；晶内析出相主导合金的强度和断裂韧性。
本文综述了Al-Zn-Mg-Cu合金多尺度第二相粒子与性能关系研究。涉及的多尺度第二相粒子包括微米尺度的金属间化合物、亚微米尺度的弥散相、纳米尺度的晶内析出相和晶界析出相；涉及的相关性能主要指强度、断裂韧性以及腐蚀性能。通过回顾相关文献,结合作者所在课题组所做工作,可以得出以下结论：金属间化合物主导了合金的断裂韧性和腐蚀抗力；弥散相通过抑制基体再结晶方式,主导合金的强度、断裂韧性以及腐蚀抗力；晶界析出相主导合金的断裂韧性和腐蚀抗力；晶内析出相主导合金的强度和断裂韧性。
2021, 50(3):787-794.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200004
摘要:
以细雾化铝粉和TiB2颗粒为原料,通过粉末冶金和热轧制制备微米TiB2和纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料。室温时,由于TiB2和Al2O3的综合强化作用,Al2O3/TiB2/Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为258.7MPa和279.3MPa,测试温度升至350℃时,TiB2颗粒的增强效果显著减弱,原位纳米Al2O3颗粒与位错的交互作用使得复合材料的屈服强度和抗拉强度达到98.2MPa和122.5MPa。在350℃退火1000h后,由于纳米Al2O3对晶界的钉扎作用抑制晶粒长大,强度和硬度未发生显著的降低。随着测试温度上升,复合材料的主要断裂机制从TiB2颗粒断裂向颗粒与基体的界面解离转变。
以细雾化铝粉和TiB2颗粒为原料,通过粉末冶金和热轧制制备微米TiB2和纳米Al2O3颗粒增强铝基复合材料。室温时,由于TiB2和Al2O3的综合强化作用,Al2O3/TiB2/Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为258.7MPa和279.3MPa,测试温度升至350℃时,TiB2颗粒的增强效果显著减弱,原位纳米Al2O3颗粒与位错的交互作用使得复合材料的屈服强度和抗拉强度达到98.2MPa和122.5MPa。在350℃退火1000h后,由于纳米Al2O3对晶界的钉扎作用抑制晶粒长大,强度和硬度未发生显著的降低。随着测试温度上升,复合材料的主要断裂机制从TiB2颗粒断裂向颗粒与基体的界面解离转变。
2021, 50(3):795-801.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200092
摘要:
惯性摩擦焊是一种连接异种金属理想的焊接方法，铝合金/不锈钢采用惯性摩擦焊进行焊接，并详细研究了焊接接头的形貌、组织、界面成分和力学性能。结果表面，在惯性摩擦焊接头的界面处形成了很薄的金属间化合物（IMC）反应层，该反应层主要由Al、Fe元素组成，是富集Si元素的FeAl3相。惯性摩擦焊接头组织由焊核区、完全动态再结晶区、热机械影响区和热影响区组成。完全动态再结晶区的晶粒小于0.1μm，它的平均宽度为5μm。接头的显微硬度最大值出现在不锈钢侧的完全动态再结晶区，其值为395.8 HV。惯性摩擦焊中，初始转速对接头的拉伸性能有显著影响。当初始转速为1200rpm时，铝/钢惯性摩擦焊接头的最大拉伸强度为323MPa，达到铝合金母材强度的92%。
惯性摩擦焊是一种连接异种金属理想的焊接方法，铝合金/不锈钢采用惯性摩擦焊进行焊接，并详细研究了焊接接头的形貌、组织、界面成分和力学性能。结果表面，在惯性摩擦焊接头的界面处形成了很薄的金属间化合物（IMC）反应层，该反应层主要由Al、Fe元素组成，是富集Si元素的FeAl3相。惯性摩擦焊接头组织由焊核区、完全动态再结晶区、热机械影响区和热影响区组成。完全动态再结晶区的晶粒小于0.1μm，它的平均宽度为5μm。接头的显微硬度最大值出现在不锈钢侧的完全动态再结晶区，其值为395.8 HV。惯性摩擦焊中，初始转速对接头的拉伸性能有显著影响。当初始转速为1200rpm时，铝/钢惯性摩擦焊接头的最大拉伸强度为323MPa，达到铝合金母材强度的92%。
2021, 50(3):867-875.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200744
摘要:
本文用截断近似法,研究了B2结构的铝-镝金属间化合物{110}面的位错性质。结果表明,伯格斯矢量为<110>方向的螺位错、刃位错和混合位错的芯宽度都要比<100>方向窄。它们相应的的不稳定层错能存在γus<110>大于γus<001>的关系,可见,不稳定层错能是影响具有B2结构的金属间化合物位错性质的重要因素之一。B2-AlDy滑移系为<111>{110}的位错,除了位错角为54.7°的位错以外,其他位错角的弹性应变能都要大于失配能,而且在相同周期内看,它们的相位总是相反；位错角为54.7°的位错,失配能比弹性应变能大,而且两者在相同周期内同相位。总体来说,B2-AlDy的{110}面上<100>、<110>和<111>方向的位错,随着位错角的减小(<111>方向的54.7°的位错除外),总能量以及相应的应力都依次增大。
本文用截断近似法,研究了B2结构的铝-镝金属间化合物{110}面的位错性质。结果表明,伯格斯矢量为<110>方向的螺位错、刃位错和混合位错的芯宽度都要比<100>方向窄。它们相应的的不稳定层错能存在γus<110>大于γus<001>的关系,可见,不稳定层错能是影响具有B2结构的金属间化合物位错性质的重要因素之一。B2-AlDy滑移系为<111>{110}的位错,除了位错角为54.7°的位错以外,其他位错角的弹性应变能都要大于失配能,而且在相同周期内看,它们的相位总是相反；位错角为54.7°的位错,失配能比弹性应变能大,而且两者在相同周期内同相位。总体来说,B2-AlDy的{110}面上<100>、<110>和<111>方向的位错,随着位错角的减小(<111>方向的54.7°的位错除外),总能量以及相应的应力都依次增大。
2021, 50(3):876-880.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200089
摘要:
通过半连续铸造方式向7A99铝合金中添加0.4%Mn元素,采用SEM、TEM、HRTEM与3DAP开展Mn元素在7A99铝合金铸锭、均匀化以及固溶时效过程中的微观组态分布的研究。研究结果表明,Mn元素在7A99铝合金铸锭中主要以晶界处鱼骨状的含AlZnMgCuMn的MgZn2型非平衡共晶化合物形式存在；均匀化处理后,Mn元素在7A99铝合金中主要以Al6Mn析出相与断续、细小、颗粒状的含AlZnMgCuMn的S型(Al2CuMg)第二相形式存在；固溶处理过程中,小部分Al6Mn析出相发生回溶,使得残留Al6Mn析出相尺寸范围处于0.2~1μm；120℃时效过程中,Mn元素始终主要以与尺寸稳定、与铝基体非共格的Al6Mn析出相形式存在；Mn元素在120℃时效过程中未析出新相,且未参与影响7A99铝合金中Zn、Mg元素的时效析出行为。
通过半连续铸造方式向7A99铝合金中添加0.4%Mn元素,采用SEM、TEM、HRTEM与3DAP开展Mn元素在7A99铝合金铸锭、均匀化以及固溶时效过程中的微观组态分布的研究。研究结果表明,Mn元素在7A99铝合金铸锭中主要以晶界处鱼骨状的含AlZnMgCuMn的MgZn2型非平衡共晶化合物形式存在；均匀化处理后,Mn元素在7A99铝合金中主要以Al6Mn析出相与断续、细小、颗粒状的含AlZnMgCuMn的S型(Al2CuMg)第二相形式存在；固溶处理过程中,小部分Al6Mn析出相发生回溶,使得残留Al6Mn析出相尺寸范围处于0.2~1μm；120℃时效过程中,Mn元素始终主要以与尺寸稳定、与铝基体非共格的Al6Mn析出相形式存在；Mn元素在120℃时效过程中未析出新相,且未参与影响7A99铝合金中Zn、Mg元素的时效析出行为。
2021, 50(3):932-938.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200261
摘要:
采用高阻尼铝合金对于构件或装备的轻量化和减震降噪具有重要意义。但由于Al的本征阻尼性能较低，通过合金化和引入高阻尼第二相等方法是提高铝合金阻尼性能的发展方向之一。本文研究了稀土La对含4%Sn铸造铝合金组织、阻尼和力学性能的影响，从La对Sn的形态和分布、La对Sn和铝合金基体润湿特性的影响等方面探讨了阻尼提高机制。研究结果表明， La含量为0.2%时，4%Sn的AlMgMnSi合金晶粒尺寸得到细化，β-Sn由大颗粒状变为细小、弥散分布，继续提高La含量至0.83%，晶粒变大，且在晶界处出现块状稀土化合物。La的加入可以有效提高含4%Sn铸造铝合金的阻尼性能，当La添加量为0.2%时，含4%Sn的AlMgMnSi和ZL102合金分别比不添加La的提高了约70%和100%。La改善了β-Sn与铝基体的润湿性，使β-Sn呈弥散、细小分布，从而有利于提高相界面阻尼，是本文试样具有较高阻尼性能的主要原因。
采用高阻尼铝合金对于构件或装备的轻量化和减震降噪具有重要意义。但由于Al的本征阻尼性能较低，通过合金化和引入高阻尼第二相等方法是提高铝合金阻尼性能的发展方向之一。本文研究了稀土La对含4%Sn铸造铝合金组织、阻尼和力学性能的影响，从La对Sn的形态和分布、La对Sn和铝合金基体润湿特性的影响等方面探讨了阻尼提高机制。研究结果表明， La含量为0.2%时，4%Sn的AlMgMnSi合金晶粒尺寸得到细化，β-Sn由大颗粒状变为细小、弥散分布，继续提高La含量至0.83%，晶粒变大，且在晶界处出现块状稀土化合物。La的加入可以有效提高含4%Sn铸造铝合金的阻尼性能，当La添加量为0.2%时，含4%Sn的AlMgMnSi和ZL102合金分别比不添加La的提高了约70%和100%。La改善了β-Sn与铝基体的润湿性，使β-Sn呈弥散、细小分布，从而有利于提高相界面阻尼，是本文试样具有较高阻尼性能的主要原因。
2021, 50(3):939-947.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200098
摘要:
基于宽粒径分布粉末（2-46 μm），应用选区激光熔化（SLM）技术制备了高Mg含量Al-14.4Mg-0.33Sc-0.19Zr铝合金。系统研究了不同工艺参数和时效处理条件对合金SLM成形性、组织和力学性能的影响。结果表明，高激光功率可有效降低细粉飞溅对样品成形性的干扰，SLM成形样品的最大的相对密度为98.6%。样品显微组织由熔池边界细小等轴晶和熔池内部粗大晶粒构成，Mg含量的增加降低了样品织构和柱状晶的含量。经不同温度时效处理后，SLM成形样品的硬度先增加后降低，在350 ℃时具有最大值。SLM成形样品在350 ℃下时效处理时，硬度和压缩屈服强度均随时效时间的增加出现双峰值现象，时效1 h后样品的硬度和强度均达到最大值，分别为163±3 HV和457±10 MPa，延伸率为27±3%。样品经350 ℃长时间时效处理后，由于第二相粒子的粗化，导致样品的硬度和强度有所降低。本研究通过保留铝合金粉末的细粉区，有效提升了粉末的利用率，降低了原料成本，获得了成形性和力学性能较优的高Mg含量SLM成形Al-Mg-Sc-Zr铝合金。
基于宽粒径分布粉末（2-46 μm），应用选区激光熔化（SLM）技术制备了高Mg含量Al-14.4Mg-0.33Sc-0.19Zr铝合金。系统研究了不同工艺参数和时效处理条件对合金SLM成形性、组织和力学性能的影响。结果表明，高激光功率可有效降低细粉飞溅对样品成形性的干扰，SLM成形样品的最大的相对密度为98.6%。样品显微组织由熔池边界细小等轴晶和熔池内部粗大晶粒构成，Mg含量的增加降低了样品织构和柱状晶的含量。经不同温度时效处理后，SLM成形样品的硬度先增加后降低，在350 ℃时具有最大值。SLM成形样品在350 ℃下时效处理时，硬度和压缩屈服强度均随时效时间的增加出现双峰值现象，时效1 h后样品的硬度和强度均达到最大值，分别为163±3 HV和457±10 MPa，延伸率为27±3%。样品经350 ℃长时间时效处理后，由于第二相粒子的粗化，导致样品的硬度和强度有所降低。本研究通过保留铝合金粉末的细粉区，有效提升了粉末的利用率，降低了原料成本，获得了成形性和力学性能较优的高Mg含量SLM成形Al-Mg-Sc-Zr铝合金。
2021, 50(3):948-956.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200181
摘要:
本文利用Gleeble-3500热模拟系统和电子背散射衍射(EBSD)技术对5083铝合金的超快速退火组织演变规律进行了研究,探讨了快速加热速度、退火温度及冷轧变形量对5083铝合金晶粒尺寸的影响。5083铝合金经80%的冷轧变形后分别以25 ℃/s、250 ℃/s、500 ℃/s的加热速度升温至450 ℃保温3s后以40 ℃/s冷却时,平均晶粒尺寸随加热速度的增加由7.43 μm细化至4.98 μm。5083铝合金经80%冷轧变形后在不同退火温度(350 ℃、400 ℃、420 ℃、450 ℃和500 ℃)下进行超快速退火(加热速度500 ℃/s,保温时间3 s,冷却速度40 ℃/s)后,所得晶粒尺寸先减小再增大,在420 ℃退火时,晶粒尺寸达到最小为4.82 μm。再结晶晶粒尺寸受晶界迁移速率和形核率的耦合作用,在350 ℃ ~ 420 ℃超快速退火时,由于快速加热使形核率急剧增大,而形核温度较低,使晶界迁移速率较小,导致晶界迁移速率小于形核率,因而再结晶晶粒尺寸由5.23 μm细化至4.82 μm；在420 ℃ ~ 500 ℃超快速退火时,形核温度变高,晶界迁移速率快速增大,则晶界迁移速率大于形核率,使合金晶粒由4.82 μm粗化至6.20 μm,420 ℃是5083铝合金晶界迁移速率和形核率之间竞争的一个临界点。5083铝合金经50%、60%、71.4%、80%和87.5%的冷轧变形后以500 ℃/s的超快速加热速度升温至450 ℃保温3s后以40 ℃/s冷却,所得平均晶粒尺寸分别为7.94 μm、6.82 μm、6.03 μm、4.98 μm和4.84 μm,随轧制变形量的增大晶粒尺寸减小,但是冷轧制变量达到80%以后再进行超快速退火晶粒尺寸减小不明显。
本文利用Gleeble-3500热模拟系统和电子背散射衍射(EBSD)技术对5083铝合金的超快速退火组织演变规律进行了研究,探讨了快速加热速度、退火温度及冷轧变形量对5083铝合金晶粒尺寸的影响。5083铝合金经80%的冷轧变形后分别以25 ℃/s、250 ℃/s、500 ℃/s的加热速度升温至450 ℃保温3s后以40 ℃/s冷却时,平均晶粒尺寸随加热速度的增加由7.43 μm细化至4.98 μm。5083铝合金经80%冷轧变形后在不同退火温度(350 ℃、400 ℃、420 ℃、450 ℃和500 ℃)下进行超快速退火(加热速度500 ℃/s,保温时间3 s,冷却速度40 ℃/s)后,所得晶粒尺寸先减小再增大,在420 ℃退火时,晶粒尺寸达到最小为4.82 μm。再结晶晶粒尺寸受晶界迁移速率和形核率的耦合作用,在350 ℃ ~ 420 ℃超快速退火时,由于快速加热使形核率急剧增大,而形核温度较低,使晶界迁移速率较小,导致晶界迁移速率小于形核率,因而再结晶晶粒尺寸由5.23 μm细化至4.82 μm；在420 ℃ ~ 500 ℃超快速退火时,形核温度变高,晶界迁移速率快速增大,则晶界迁移速率大于形核率,使合金晶粒由4.82 μm粗化至6.20 μm,420 ℃是5083铝合金晶界迁移速率和形核率之间竞争的一个临界点。5083铝合金经50%、60%、71.4%、80%和87.5%的冷轧变形后以500 ℃/s的超快速加热速度升温至450 ℃保温3s后以40 ℃/s冷却,所得平均晶粒尺寸分别为7.94 μm、6.82 μm、6.03 μm、4.98 μm和4.84 μm,随轧制变形量的增大晶粒尺寸减小,但是冷轧制变量达到80%以后再进行超快速退火晶粒尺寸减小不明显。
2021, 50(3):957-962.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200282
摘要:
本文使用SEM、EBSD、纳米压痕和显微硬度等测试技术分析了搅拌摩擦加工Al-Pb表面复合材料的微观组织、织构和硬度分布。结果表明：使用FSP方法制备Al-Pb表面复合材料，Pb颗粒受到重力和搅拌作用，主要分布于盆状搅拌加工区的底部。塑性金属对流形成的洋葱环结构中，存在富Pb片层和形变铝基体片层。富Pb片层内的Pb颗粒，起到了良好的细化晶粒作用。变形铝基体片层分布有少量直径约100nm的新生Pb粒。受到细晶强化作用影响，富Pb颗粒区的硬度显著高于形变铝基体。加工区底部的SZ-AS区形成强Cube再结晶织构；SZ-RS区形成Cube织构和少量Brass织构；CSZ区的Cube织构较少，{111}织构增强；上部的AS区形成强Goss织构，RS区织构相对随机。
本文使用SEM、EBSD、纳米压痕和显微硬度等测试技术分析了搅拌摩擦加工Al-Pb表面复合材料的微观组织、织构和硬度分布。结果表明：使用FSP方法制备Al-Pb表面复合材料，Pb颗粒受到重力和搅拌作用，主要分布于盆状搅拌加工区的底部。塑性金属对流形成的洋葱环结构中，存在富Pb片层和形变铝基体片层。富Pb片层内的Pb颗粒，起到了良好的细化晶粒作用。变形铝基体片层分布有少量直径约100nm的新生Pb粒。受到细晶强化作用影响，富Pb颗粒区的硬度显著高于形变铝基体。加工区底部的SZ-AS区形成强Cube再结晶织构；SZ-RS区形成Cube织构和少量Brass织构；CSZ区的Cube织构较少，{111}织构增强；上部的AS区形成强Goss织构，RS区织构相对随机。
2021, 50(3):963-972.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200315
摘要:
铝合金具有密度低、重量轻、耐腐蚀、比强度高等优点,是结构轻量化设计的首选材料,但是其力学性能受铝合金的最终热处理状态和变形条件的影响很大。以5052-H32铝合金冷轧板为研究对象,借助于单向拉伸试验、硬度测试对不同热处理参数条件下的力学性能进行研究,分析不同热处理工艺参数对5052铝合金力学性能参数的影响机制,结果表明：对5052-H32铝合金进行再次热处理时,可以显著的降低其变形抗力,提高塑性变形能力；在热处理过程中的加热温度起主要作用,在合理的热处理温度和保温时间条件下,冷却方式对5052铝合金的强度、硬度的影响不大。在此基础上,借助Johnson-Cook模型建立了再次热处理后5052铝合金板材的本构模型。
铝合金具有密度低、重量轻、耐腐蚀、比强度高等优点,是结构轻量化设计的首选材料,但是其力学性能受铝合金的最终热处理状态和变形条件的影响很大。以5052-H32铝合金冷轧板为研究对象,借助于单向拉伸试验、硬度测试对不同热处理参数条件下的力学性能进行研究,分析不同热处理工艺参数对5052铝合金力学性能参数的影响机制,结果表明：对5052-H32铝合金进行再次热处理时,可以显著的降低其变形抗力,提高塑性变形能力；在热处理过程中的加热温度起主要作用,在合理的热处理温度和保温时间条件下,冷却方式对5052铝合金的强度、硬度的影响不大。在此基础上,借助Johnson-Cook模型建立了再次热处理后5052铝合金板材的本构模型。
2021, 50(3):1069-1083.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200255
摘要:
铝锂合金具有较高的比强度、比刚度以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳性能，在航空、航天、航海等关键领域备受关注。铝锂合金在美、俄等国已经被研究并应用了数十年；我国也通过多个科技攻关项目，在铝锂合金的研发、生产与应用方面取得了长足进展，但与发达国家相比尚有一定差距。本文从国内外铝锂合金的发展历程出发，深入探讨了铝锂合金的合金化思路、时效析出及强韧化机制。同时，对铝锂合金新型的成形及热处理工艺现状进行了系统的归纳总结。最后，提出了我国目前在铝锂合金开发应用方面存在的问题并对该系合金的发展方向进行了展望。
铝锂合金具有较高的比强度、比刚度以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳性能，在航空、航天、航海等关键领域备受关注。铝锂合金在美、俄等国已经被研究并应用了数十年；我国也通过多个科技攻关项目，在铝锂合金的研发、生产与应用方面取得了长足进展，但与发达国家相比尚有一定差距。本文从国内外铝锂合金的发展历程出发，深入探讨了铝锂合金的合金化思路、时效析出及强韧化机制。同时，对铝锂合金新型的成形及热处理工艺现状进行了系统的归纳总结。最后，提出了我国目前在铝锂合金开发应用方面存在的问题并对该系合金的发展方向进行了展望。
2021, 50(3):1084-1095.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200296
摘要:
SiCp/Al复合材料具有优异的性能，在尖端的空天装备中应用广泛，但由于其组成相碳化硅颗粒和铝合金之间存在的巨大性能差异，使得加工过程中极易出现加工损伤，严重影响SiCp/Al复合材料产品的精度和使役性能，制约着SiCp/Al复合材料的工程化应用。本文围绕SiCp/Al复合材料低损伤加工技术，从加工损伤的形成机理、加工损伤的影响因素、低损伤加工工具和加工工艺三个方面对国内外相关的研究进展进行分析，总结目前针对SiCp/Al复合材料低损伤加工技术研究现状和不足之处，并指出发展趋势和方向。
SiCp/Al复合材料具有优异的性能，在尖端的空天装备中应用广泛，但由于其组成相碳化硅颗粒和铝合金之间存在的巨大性能差异，使得加工过程中极易出现加工损伤，严重影响SiCp/Al复合材料产品的精度和使役性能，制约着SiCp/Al复合材料的工程化应用。本文围绕SiCp/Al复合材料低损伤加工技术，从加工损伤的形成机理、加工损伤的影响因素、低损伤加工工具和加工工艺三个方面对国内外相关的研究进展进行分析，总结目前针对SiCp/Al复合材料低损伤加工技术研究现状和不足之处，并指出发展趋势和方向。
2021, 50(3):802-806.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200129
摘要:
本研究采用放电等离子烧结方法首次制备了超细氮化硼多孔纤维改善的WC-ZrO2复合材料。在添加了超细氮化硼多孔纤维之后，样品的硬度和断裂韧性同时获得了提升。而个别成分样品的杨氏模量则突破了复合材料混合法则的局限，高达692GPa，接近纯WC的杨氏模量 700GPa。
本研究采用放电等离子烧结方法首次制备了超细氮化硼多孔纤维改善的WC-ZrO2复合材料。在添加了超细氮化硼多孔纤维之后，样品的硬度和断裂韧性同时获得了提升。而个别成分样品的杨氏模量则突破了复合材料混合法则的局限，高达692GPa，接近纯WC的杨氏模量 700GPa。
2021, 50(3):807-815.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200121
摘要:
通过低温慢速挤压(LTSRE)和电脉冲处理(EPT)获得具有双峰结构的AZ91镁合金,这种结构由粗大的尺寸约为20-60μm 的未再结晶晶粒和细小的尺寸约为200nm的再结晶晶粒组成。双峰晶粒结构的形成原因主要是LTSRE过程中的不均匀变形以及EPT对于变形AZ91镁合金静态再结晶的加速效应。与常规热处理时的静态再结晶过程相比,EPT过程的再结晶温度显著降低,处理时间明显缩短,有效抑制了再结晶晶粒的生长。同时在EPT过程中析出了大量形状规则的Mg17Al12相,平均尺寸约为200nm。因此,本研究获得了屈服强度为463MPa和极限抗拉强度为527MPa的AZ91双峰合金,这主要归功于双峰组织以及细晶强化、析出强化和加工硬化的共同作用。
通过低温慢速挤压(LTSRE)和电脉冲处理(EPT)获得具有双峰结构的AZ91镁合金,这种结构由粗大的尺寸约为20-60μm 的未再结晶晶粒和细小的尺寸约为200nm的再结晶晶粒组成。双峰晶粒结构的形成原因主要是LTSRE过程中的不均匀变形以及EPT对于变形AZ91镁合金静态再结晶的加速效应。与常规热处理时的静态再结晶过程相比,EPT过程的再结晶温度显著降低,处理时间明显缩短,有效抑制了再结晶晶粒的生长。同时在EPT过程中析出了大量形状规则的Mg17Al12相,平均尺寸约为200nm。因此,本研究获得了屈服强度为463MPa和极限抗拉强度为527MPa的AZ91双峰合金,这主要归功于双峰组织以及细晶强化、析出强化和加工硬化的共同作用。
2021, 50(3):816-823.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200006
摘要:
为了研究晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的影响，采用分子动力学数值方法对不同切削晶向下的切削力、切削温度、材料去除及晶格结构变化进行分析和探讨，揭示不同的晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削质量作用机制。研究结果表明：在纳米切削过程中，随着晶面和晶向的变化，切削力、切削温度、材料去除和晶格结构都会有不同程度的变化；选择(010)晶面作为切削平面时切削力较小，产生的切削热较少，γ-TiAl合金表面加工质量较好，晶格结构转变较少；(010)[100]切削晶向下工件产生的切削热较少且最容易切削，晶格结构转变最少，γ-TiAl合金表面加工质量最优。
为了研究晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的影响，采用分子动力学数值方法对不同切削晶向下的切削力、切削温度、材料去除及晶格结构变化进行分析和探讨，揭示不同的晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削质量作用机制。研究结果表明：在纳米切削过程中，随着晶面和晶向的变化，切削力、切削温度、材料去除和晶格结构都会有不同程度的变化；选择(010)晶面作为切削平面时切削力较小，产生的切削热较少，γ-TiAl合金表面加工质量较好，晶格结构转变较少；(010)[100]切削晶向下工件产生的切削热较少且最容易切削，晶格结构转变最少，γ-TiAl合金表面加工质量最优。
2021, 50(3):824-828.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200139
摘要:
在本次实验研究中，为了获得综合力学性能良好的镁基复合材料，采用近液相线保温法制备10μm 15wt.% SiC/AZ91D半固态坯料进行半固态挤压后得到其复合材料，再经过415℃固溶处理24 h (T4)和进一步220℃时效处理8h (T6)。结果表明，随着固溶时效的进行，晶界处的Mg17Al12相溶解，然后在晶粒中二次析出，并逐渐球化。与T6处理前的15wt.% SiC/AZ91D复合材料相比，经T6处理后其具有良好的综合力学性能，拉伸强度、屈服强度、伸长率和硬度分别达到242MPa、204MPa、2.3%和132.26HV。
在本次实验研究中，为了获得综合力学性能良好的镁基复合材料，采用近液相线保温法制备10μm 15wt.% SiC/AZ91D半固态坯料进行半固态挤压后得到其复合材料，再经过415℃固溶处理24 h (T4)和进一步220℃时效处理8h (T6)。结果表明，随着固溶时效的进行，晶界处的Mg17Al12相溶解，然后在晶粒中二次析出，并逐渐球化。与T6处理前的15wt.% SiC/AZ91D复合材料相比，经T6处理后其具有良好的综合力学性能，拉伸强度、屈服强度、伸长率和硬度分别达到242MPa、204MPa、2.3%和132.26HV。
2021, 50(3):829-834.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200126
摘要:
应力松弛是热校形等精确成形工艺中的关键阶段。在松驰过程中,零件保持变形后的贴模状态一定时间,随着时间的推移零件内部应力逐渐减小。松弛过程的材料性能及本构模型研究是这些工艺的的基础性关键问题。本文研究了Ti-4Al-1.5Mn合金在500至700℃的应力松弛特性,首先在蠕变试验机上开展了该合金500℃、600℃和700℃条件下的松弛试验,基于松弛数据分别建了双曲正弦和时间硬化两类本构模型,并对模型的预测精度进行了预测。随后把两类本构模型应用于ABAQUS软件对板材V形弯曲过程进行了仿真分析。结果表明,应力松弛的影响因素主要有温度和时间,松弛过程可以分为两个阶段,第一阶段应力快速下降,第二阶段缓慢下降并逐渐稳定于松弛极限。双曲正弦和时间硬化模型均可以对松弛过程进行较准确地预测,V形弯曲后回弹结果表明双曲正弦比时间硬化模型具有更高的预测精度。研究结果对利用应力松弛进行精确成形的工艺设计具有指导意义。
应力松弛是热校形等精确成形工艺中的关键阶段。在松驰过程中,零件保持变形后的贴模状态一定时间,随着时间的推移零件内部应力逐渐减小。松弛过程的材料性能及本构模型研究是这些工艺的的基础性关键问题。本文研究了Ti-4Al-1.5Mn合金在500至700℃的应力松弛特性,首先在蠕变试验机上开展了该合金500℃、600℃和700℃条件下的松弛试验,基于松弛数据分别建了双曲正弦和时间硬化两类本构模型,并对模型的预测精度进行了预测。随后把两类本构模型应用于ABAQUS软件对板材V形弯曲过程进行了仿真分析。结果表明,应力松弛的影响因素主要有温度和时间,松弛过程可以分为两个阶段,第一阶段应力快速下降,第二阶段缓慢下降并逐渐稳定于松弛极限。双曲正弦和时间硬化模型均可以对松弛过程进行较准确地预测,V形弯曲后回弹结果表明双曲正弦比时间硬化模型具有更高的预测精度。研究结果对利用应力松弛进行精确成形的工艺设计具有指导意义。
2021, 50(3):835-847.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200011
摘要:
通过对Mg-3Sn-1Mn-1La合金在200-450℃温度和0.001-1.0s-1应变速率范围内进行等温压缩，研究了铸态的Mg-3Sn-1Mn-1La合金的热变形行为和组织演变。流变应力随着变形温度的降低和应变率的增加而明显增加。再结晶晶粒尺寸随温度升高和应变速率降低而增加。在较低的变形温度下，连续动态再结晶是DRX的主要机理。随着变形温度的增加，不连续的动态再结晶成为主要再结晶机制。分析并校正了摩擦变形加热对流动应力的影响。结果表明，在较高的应变速率和较低的变形温度下，形变热对流动应力有显著的影响，而摩擦作用较小。根据实验结果，建立了应变补偿的Arrhenius型方程。将实验数据与计算出的流动应力进行对比，结果表明建立的本构方程可以充分描述实验合金的热变形行为。
通过对Mg-3Sn-1Mn-1La合金在200-450℃温度和0.001-1.0s-1应变速率范围内进行等温压缩，研究了铸态的Mg-3Sn-1Mn-1La合金的热变形行为和组织演变。流变应力随着变形温度的降低和应变率的增加而明显增加。再结晶晶粒尺寸随温度升高和应变速率降低而增加。在较低的变形温度下，连续动态再结晶是DRX的主要机理。随着变形温度的增加，不连续的动态再结晶成为主要再结晶机制。分析并校正了摩擦变形加热对流动应力的影响。结果表明，在较高的应变速率和较低的变形温度下，形变热对流动应力有显著的影响，而摩擦作用较小。根据实验结果，建立了应变补偿的Arrhenius型方程。将实验数据与计算出的流动应力进行对比，结果表明建立的本构方程可以充分描述实验合金的热变形行为。
2021, 50(3):848-852.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200154
摘要:
本文使用钛掺杂氧化铟旋转靶制备透明导电薄膜应用在晶硅/非晶硅异质结电池上。在不同氧含量下，研究T100薄膜的光电性能，同时对比分析ITO薄膜。在电镜下T100薄膜呈现出柱状结构，并且展示出优异的光学性能。T100薄膜最大载流子迁移率可以达到75.6 cm2 V?1s?1。相比于ITO薄膜，T100薄膜具有优异的电学传导和透光率，因此在异质结电池量产线上电池转换效率可以实现0.26%的提升。
本文使用钛掺杂氧化铟旋转靶制备透明导电薄膜应用在晶硅/非晶硅异质结电池上。在不同氧含量下，研究T100薄膜的光电性能，同时对比分析ITO薄膜。在电镜下T100薄膜呈现出柱状结构，并且展示出优异的光学性能。T100薄膜最大载流子迁移率可以达到75.6 cm2 V?1s?1。相比于ITO薄膜，T100薄膜具有优异的电学传导和透光率，因此在异质结电池量产线上电池转换效率可以实现0.26%的提升。
2021, 50(3):853-859.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20200013
摘要:
系统研究了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa (x=0、0.5、1.0、3.0和5.0)合金的微观组织、拉伸性能、夏比冲击韧性和耐海水腐蚀性。结果表明，经α+β两相区锻造后，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-5Ta合金获得片层组织，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa (x = 0、0.5、1.0和3.0)均获得双态组织。XRD和TEM选择区域电子衍射表明，在添加Ta元素后，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa合金没有新相产生。对于双态组织Ti-6Al-3Nb-Zr-1M0-xTa合金，随着Ta含量的增加，其Mo当量逐渐增加，导致其屈服强度、抗拉强度和显微硬度均有所提高。而Ta含量对冲击吸收功的影响规律与屈服强度和抗拉强度的影响规律相反，其大小与冲击断口剪切唇区面积一致。当Ta含量超过1.0wt %时，由于α和β相之间的标准平衡电位差逐渐增大，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa合金的耐海水腐蚀逐渐降低。综合考虑强度、冲击韧性和耐海水腐蚀性能，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-1Ta合金综合匹配性最好，具有良好的海洋工程应用潜力。
系统研究了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa (x=0、0.5、1.0、3.0和5.0)合金的微观组织、拉伸性能、夏比冲击韧性和耐海水腐蚀性。结果表明，经α+β两相区锻造后，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-5Ta合金获得片层组织，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa (x = 0、0.5、1.0和3.0)均获得双态组织。XRD和TEM选择区域电子衍射表明，在添加Ta元素后，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa合金没有新相产生。对于双态组织Ti-6Al-3Nb-Zr-1M0-xTa合金，随着Ta含量的增加，其Mo当量逐渐增加，导致其屈服强度、抗拉强度和显微硬度均有所提高。而Ta含量对冲击吸收功的影响规律与屈服强度和抗拉强度的影响规律相反，其大小与冲击断口剪切唇区面积一致。当Ta含量超过1.0wt %时，由于α和β相之间的标准平衡电位差逐渐增大，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-xTa合金的耐海水腐蚀逐渐降低。综合考虑强度、冲击韧性和耐海水腐蚀性能，Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo-1Ta合金综合匹配性最好，具有良好的海洋工程应用潜力。
2021, 50(3):860-866.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200781
摘要:
开发制备了一种汽车用含Nb 0.5wt%的Fe-28Mn-10Al-C-0.5Nb低密度钢，旨在研究Nb在奥氏体Fe-Mn-Al-C低密度钢中的存在形态，以及Nb添加对Fe-Mn-Al-C低密度钢组织与力学性能影响。结果表明，Nb在Fe-28Mn-10Al-C-0.5Nb低密度钢中会以NbC的形式，分布于奥氏体晶内和晶界处。Fe-Mn-Al-C低密度钢中加入Nb后，奥氏体晶粒平均尺寸由39.49μm细化到13.67μm，并抑制退火孪晶形成。随着Nb添加，Fe-28Mn-10Al-C低密度钢的屈服强度和拉伸强度升高64-170MPa，断后伸长率升高11%，强度与延展性表现出良好平衡。加Nb低密度钢的高强度与高韧性与NbC析出相的沉淀强化和奥氏体细晶强化有关，且含Nb低密度钢屈服强度的升高主要由析出强化引起。
开发制备了一种汽车用含Nb 0.5wt%的Fe-28Mn-10Al-C-0.5Nb低密度钢，旨在研究Nb在奥氏体Fe-Mn-Al-C低密度钢中的存在形态，以及Nb添加对Fe-Mn-Al-C低密度钢组织与力学性能影响。结果表明，Nb在Fe-28Mn-10Al-C-0.5Nb低密度钢中会以NbC的形式，分布于奥氏体晶内和晶界处。Fe-Mn-Al-C低密度钢中加入Nb后，奥氏体晶粒平均尺寸由39.49μm细化到13.67μm，并抑制退火孪晶形成。随着Nb添加，Fe-28Mn-10Al-C低密度钢的屈服强度和拉伸强度升高64-170MPa，断后伸长率升高11%，强度与延展性表现出良好平衡。加Nb低密度钢的高强度与高韧性与NbC析出相的沉淀强化和奥氏体细晶强化有关，且含Nb低密度钢屈服强度的升高主要由析出强化引起。
2021, 50(3):881-886.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200257
摘要:
纯铌环形焊缝是超导腔加工过程中最常见的结构之一,然而电子束环焊的熔池行为却鲜有研究。本文基于VOF算法建立了2 mm厚的高纯铌环焊过程的三维数学模型,在模型中考虑了金属蒸汽反冲压力、表面张力、重力等关键熔池驱动力,计算出了环型熔池的温度场和流场,对熔池中关键位置进行分析,并总结了纯铌环焊熔池的特点。模拟结果表明,在纯铌环形结构未熔透时,由于母材对熔池的支撑作用,匙孔波动情况与平焊类似；在环形结构焊透后,在Maragoni效应和重力的作用下,熔池表面液态金属加速扩展。此外,数值模拟与试验结果吻合良好,验证了数学模型的合理性。
纯铌环形焊缝是超导腔加工过程中最常见的结构之一,然而电子束环焊的熔池行为却鲜有研究。本文基于VOF算法建立了2 mm厚的高纯铌环焊过程的三维数学模型,在模型中考虑了金属蒸汽反冲压力、表面张力、重力等关键熔池驱动力,计算出了环型熔池的温度场和流场,对熔池中关键位置进行分析,并总结了纯铌环焊熔池的特点。模拟结果表明,在纯铌环形结构未熔透时,由于母材对熔池的支撑作用,匙孔波动情况与平焊类似；在环形结构焊透后,在Maragoni效应和重力的作用下,熔池表面液态金属加速扩展。此外,数值模拟与试验结果吻合良好,验证了数学模型的合理性。
2021, 50(3):887-893.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200300
摘要:
碳化钨（WC）在高温动力装备上应用越来越多，WC的脆性和高密度限制了其更广泛的使用，金属原子掺杂是提高WC性能的一种方法。采用基于第一原理的广义梯度作为近似交换相关函数，研究了A0.25W0.75C (A为Ti、V、Cr、Mn、Co和Ni)的弹性、电子和x射线吸收特性。数值分析结果显示，Ti0.25W0.75C的B/G值(B为体模量，G为剪切模量)为1.869，改性为延性材料，其它均为脆性材料。掺杂25%的V、Co原子可使WC的脆性降低，掺杂25%的Cr、Mn、Ni原子脆性增大。掺杂后化合物的态密度分布范围减小，费米能级处数值增大，金属性增强，其中Mn0.25W0.75C金属性最强。参杂后X射线吸收谱蓝移，在软X射线波段存在吸收波段，其中Cr，V，Ti在15.74～22.25nm波段出现强吸收峰。研究结果有助于塑性低密度WC类化合物的实验和应用研究。
碳化钨（WC）在高温动力装备上应用越来越多，WC的脆性和高密度限制了其更广泛的使用，金属原子掺杂是提高WC性能的一种方法。采用基于第一原理的广义梯度作为近似交换相关函数，研究了A0.25W0.75C (A为Ti、V、Cr、Mn、Co和Ni)的弹性、电子和x射线吸收特性。数值分析结果显示，Ti0.25W0.75C的B/G值(B为体模量，G为剪切模量)为1.869，改性为延性材料，其它均为脆性材料。掺杂25%的V、Co原子可使WC的脆性降低，掺杂25%的Cr、Mn、Ni原子脆性增大。掺杂后化合物的态密度分布范围减小，费米能级处数值增大，金属性增强，其中Mn0.25W0.75C金属性最强。参杂后X射线吸收谱蓝移，在软X射线波段存在吸收波段，其中Cr，V，Ti在15.74～22.25nm波段出现强吸收峰。研究结果有助于塑性低密度WC类化合物的实验和应用研究。
2021, 50(3):894-901.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200312
摘要:
利用Gleeble-3500型热模拟试验机对BT25钛合金进行单道次等温压缩实验,分别采用Najafizadeh-Jonas加工硬化率模型和Cingara-McQueen流变应力模型研究了合金在变形温度1040 ~ 1100 ℃,应变速率0.001 ~ 1 s-1和最大压下率为60%的条件下动态再结晶的临界条件,分析真应力-真应变曲线,计算加工硬化率并建立了临界应变模型；同时通过线性回归法计算材料参数,构建JMAK 动态再结晶动力学方程,并采用该模型模拟了BT25钛合金在热变形过程中动态再结晶行为。研究结果显示：流动应力表现出对应变速率和变形温度非常敏感；高温和低应变速率有利于DRX发生；有限元模型对DRX体积分数的预测误差在10%以内,研究结果表明该模型具有良好的预测能力,为工业生产中塑性变形和微观结构的预测提供了有效的工具。
利用Gleeble-3500型热模拟试验机对BT25钛合金进行单道次等温压缩实验,分别采用Najafizadeh-Jonas加工硬化率模型和Cingara-McQueen流变应力模型研究了合金在变形温度1040 ~ 1100 ℃,应变速率0.001 ~ 1 s-1和最大压下率为60%的条件下动态再结晶的临界条件,分析真应力-真应变曲线,计算加工硬化率并建立了临界应变模型；同时通过线性回归法计算材料参数,构建JMAK 动态再结晶动力学方程,并采用该模型模拟了BT25钛合金在热变形过程中动态再结晶行为。研究结果显示：流动应力表现出对应变速率和变形温度非常敏感；高温和低应变速率有利于DRX发生；有限元模型对DRX体积分数的预测误差在10%以内,研究结果表明该模型具有良好的预测能力,为工业生产中塑性变形和微观结构的预测提供了有效的工具。
2021, 50(3):902-910.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200320
摘要:
采用真空高温和真空高频两种热处理工艺对铈钨电极进行热处理,利用金相显微镜、电子探针显微分析仪(EPMA)和 X-射线光电子能谱(XPS)等测试分析方法对热处理前后的铈钨电极表面金相形貌和铈元素的浓度-深度分布及价态演变进行研究,以此分析了电极中铈元素的扩散和富集的行为机理,阐明了铈钨电极热处理工艺对其制灯后发射性能的影响。
采用真空高温和真空高频两种热处理工艺对铈钨电极进行热处理,利用金相显微镜、电子探针显微分析仪(EPMA)和 X-射线光电子能谱(XPS)等测试分析方法对热处理前后的铈钨电极表面金相形貌和铈元素的浓度-深度分布及价态演变进行研究,以此分析了电极中铈元素的扩散和富集的行为机理,阐明了铈钨电极热处理工艺对其制灯后发射性能的影响。
2021, 50(3):911-917.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200321
摘要:
本文针对TC18合金大型锻棒冲击韧性的横纵向差异及其内在原因进行了系统研究。夏比冲击实验显示,锻棒头部、中部和尾部三处C-L试样的冲击韧性均高于C-R试样。示波冲击实验发现,抵抗裂纹萌生的能力是决定合金冲击韧性的关键因素,C-L试样的裂纹萌生功明显大于C-R试样。断裂形貌分析表明,裂纹以微孔聚集方式萌生,主要起源于试样缺口附近的强硬相界面处(如晶界α相)。C-L样品中微观组织的拉长方向和开裂方向平行,但和微孔萌生后聚集生长的方向垂直,裂纹不易生长至临界尺寸进行纵深扩展,因而消耗的裂纹萌生功较高,表现出较好的冲击韧性；相反,C-R样品的初生α相(包括晶界α相)和裂纹萌生的方向相同,裂纹容易顺着强硬相界面直接生长至临界尺寸而失稳扩展,从而导致较低的冲击韧性。
本文针对TC18合金大型锻棒冲击韧性的横纵向差异及其内在原因进行了系统研究。夏比冲击实验显示,锻棒头部、中部和尾部三处C-L试样的冲击韧性均高于C-R试样。示波冲击实验发现,抵抗裂纹萌生的能力是决定合金冲击韧性的关键因素,C-L试样的裂纹萌生功明显大于C-R试样。断裂形貌分析表明,裂纹以微孔聚集方式萌生,主要起源于试样缺口附近的强硬相界面处(如晶界α相)。C-L样品中微观组织的拉长方向和开裂方向平行,但和微孔萌生后聚集生长的方向垂直,裂纹不易生长至临界尺寸进行纵深扩展,因而消耗的裂纹萌生功较高,表现出较好的冲击韧性；相反,C-R样品的初生α相(包括晶界α相)和裂纹萌生的方向相同,裂纹容易顺着强硬相界面直接生长至临界尺寸而失稳扩展,从而导致较低的冲击韧性。
2021, 50(3):918-923.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200342
摘要:
为探究脉冲电压幅值与电解液流动状态对无掩模定域性电沉积微镍柱的影响,采用体视显微镜和SEM扫描电子显微镜对电沉积的微镍柱进行观察、检测,并计算了平均沉积直径和速率。在实验的基础上通过控制变量法研究了脉冲电压幅值与电解液流动状态对沉积微镍柱平均直径、平均沉积速率和表面形貌的影响。研究表明,脉冲电压幅值越大,微镍柱沉积速率越大,表面形貌越粗糙；平均沉积直径和速率会随电解液流动状态变化而发生改变,沉积速率随电解液流速的增加而加快；液滴、微液滴和微射流状态下电压的增大会导致微镍柱沉积直径增大,冲击射流状态下电压的增大会导致微镍柱直径先增大后减小且微镍柱顶部呈明显的尖锥状并在镍柱周边存在“毛刺”；微镍柱的表面形貌随电解液流动状态的不同而不同,大流速喷射条件下,微镍柱表面更平整、致密。
为探究脉冲电压幅值与电解液流动状态对无掩模定域性电沉积微镍柱的影响,采用体视显微镜和SEM扫描电子显微镜对电沉积的微镍柱进行观察、检测,并计算了平均沉积直径和速率。在实验的基础上通过控制变量法研究了脉冲电压幅值与电解液流动状态对沉积微镍柱平均直径、平均沉积速率和表面形貌的影响。研究表明,脉冲电压幅值越大,微镍柱沉积速率越大,表面形貌越粗糙；平均沉积直径和速率会随电解液流动状态变化而发生改变,沉积速率随电解液流速的增加而加快；液滴、微液滴和微射流状态下电压的增大会导致微镍柱沉积直径增大,冲击射流状态下电压的增大会导致微镍柱直径先增大后减小且微镍柱顶部呈明显的尖锥状并在镍柱周边存在“毛刺”；微镍柱的表面形貌随电解液流动状态的不同而不同,大流速喷射条件下,微镍柱表面更平整、致密。
2021, 50(3):924-931.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200272
摘要:
纳晶ZnO材料在微电子领域有着广泛应用，其导热特性对电子器件性能有着重要的影响。为了探究晶界几何结构对纳晶ZnO材料导热性能的影响，论文将晶界表面抽象出几种典型几何形状，深入讨论了晶界表面粗糙度的计算以及声子入射角对镜面反射率的影响，改进了晶界镜面反射率的计算模型。采用PhonTS软件，用迭代法求解玻尔兹曼输运方程模拟计算得到了纳晶ZnO晶格热导率。基于分子动力学理论计算了ZnO完美材料的热导率，分析了镜面反射率、声子入射角、晶粒尺寸等因素对热导率的影响。结果表明：(1)晶界表面粗糙度的减小或声子入射角的增大会使晶界镜面反射率增大；(2)声子在晶界发生镜面反射不会产生热阻，纳晶材料的热导率会随着镜面反射率的增大而增大；(3)纳晶ZnO材料的热导率表现出强烈的尺寸效应，尺寸效应随着晶粒尺寸的增大而减小。
纳晶ZnO材料在微电子领域有着广泛应用，其导热特性对电子器件性能有着重要的影响。为了探究晶界几何结构对纳晶ZnO材料导热性能的影响，论文将晶界表面抽象出几种典型几何形状，深入讨论了晶界表面粗糙度的计算以及声子入射角对镜面反射率的影响，改进了晶界镜面反射率的计算模型。采用PhonTS软件，用迭代法求解玻尔兹曼输运方程模拟计算得到了纳晶ZnO晶格热导率。基于分子动力学理论计算了ZnO完美材料的热导率，分析了镜面反射率、声子入射角、晶粒尺寸等因素对热导率的影响。结果表明：(1)晶界表面粗糙度的减小或声子入射角的增大会使晶界镜面反射率增大；(2)声子在晶界发生镜面反射不会产生热阻，纳晶材料的热导率会随着镜面反射率的增大而增大；(3)纳晶ZnO材料的热导率表现出强烈的尺寸效应，尺寸效应随着晶粒尺寸的增大而减小。
2021, 50(3):973-978.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200211
摘要:
针对激光立体成形变半径圆筒件边部及外沿塌陷、热累积效应引起力学性能下降等增材制造难点，提出了脉冲激光成形FeCrNiCu合金圆筒件优化路径及工艺，实现了变半径圆筒结构的直接熔覆成形，验证了该结构件良好的组织构成以及力学性能。试验结果表明：覆层顶部为细小致密的等轴晶组织，中部由具有定向生长趋势的树枝晶构成，底部由胞状晶构成，晶内及晶间有颗粒状Cr7C3型强化析出相析出。覆层显微硬度最高值为675HV0.1，覆层显微硬度主要分布在554~576HV0.1；成形层(纵向)的抗拉强度最大为1070MPa，抗拉强度范围1010~1070MPa；成形层(横向)的抗拉强度最大为860MPa，抗拉强度范围780~960MPa。覆层冲击韧性分布在511~727.5kJ?m-2，相关力学试验验证了该结构件具有优良的力学性能。
针对激光立体成形变半径圆筒件边部及外沿塌陷、热累积效应引起力学性能下降等增材制造难点，提出了脉冲激光成形FeCrNiCu合金圆筒件优化路径及工艺，实现了变半径圆筒结构的直接熔覆成形，验证了该结构件良好的组织构成以及力学性能。试验结果表明：覆层顶部为细小致密的等轴晶组织，中部由具有定向生长趋势的树枝晶构成，底部由胞状晶构成，晶内及晶间有颗粒状Cr7C3型强化析出相析出。覆层显微硬度最高值为675HV0.1，覆层显微硬度主要分布在554~576HV0.1；成形层(纵向)的抗拉强度最大为1070MPa，抗拉强度范围1010~1070MPa；成形层(横向)的抗拉强度最大为860MPa，抗拉强度范围780~960MPa。覆层冲击韧性分布在511~727.5kJ?m-2，相关力学试验验证了该结构件具有优良的力学性能。
2021, 50(3):979-987.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200218
摘要:
采用真空感应熔炼法制备Mn65-Cu23.75-Zn3-Al3-Ni3-Fe2-Ce0.05 (at%)合金。对该合金进行轧制处理,然后进行均匀化退火。分别在850 ℃和950~1050 ℃对合金进行普通固溶及半固态固溶处理,随后在430 ℃时效0~16 h。研究半固态固溶温度及时效时间对Mn-Cu合金组织、阻尼性能和力学性能的影响。结果表明：普通固溶合金组织由单一γ-MnCu相构成,而半固态固溶合金组织则由富Mn和贫Mn的γ-MnCu相构成,且随着半固态固溶温度的升高,贫Mn相的含量不断增加。合金阻尼性能随时效时间的延长呈现出先上升后下降趋势。在最优时效条件下,较低的半固态固溶温度可提高合金的阻尼性能,而较高的半固态固溶温度则会降低其阻尼性能。和S850合金相比,S950合金的强塑积提高了约70%。但随着半固态固溶温度的增加,合金强塑积又有所下降。
采用真空感应熔炼法制备Mn65-Cu23.75-Zn3-Al3-Ni3-Fe2-Ce0.05 (at%)合金。对该合金进行轧制处理,然后进行均匀化退火。分别在850 ℃和950~1050 ℃对合金进行普通固溶及半固态固溶处理,随后在430 ℃时效0~16 h。研究半固态固溶温度及时效时间对Mn-Cu合金组织、阻尼性能和力学性能的影响。结果表明：普通固溶合金组织由单一γ-MnCu相构成,而半固态固溶合金组织则由富Mn和贫Mn的γ-MnCu相构成,且随着半固态固溶温度的升高,贫Mn相的含量不断增加。合金阻尼性能随时效时间的延长呈现出先上升后下降趋势。在最优时效条件下,较低的半固态固溶温度可提高合金的阻尼性能,而较高的半固态固溶温度则会降低其阻尼性能。和S850合金相比,S950合金的强塑积提高了约70%。但随着半固态固溶温度的增加,合金强塑积又有所下降。
2021, 50(3):988-994.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200252
摘要:
本文使用电熔BaZrO3耐火材料和Y2O3耐火材料复合,在1650℃保温24h烧制成坩埚,感应熔炼制备TiAl合金。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)结合能谱仪(EDS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)和氧/氮分析仪等手段分析了复合坩埚耐火材料相结构和显微结构,研究了复合耐火材料坩埚与TiAl合金熔体界面反应。结果表明,复合坩埚耐火材料由Zr固溶Y2O3和Y掺杂BaZrO3两相组成,Y2O3的引入提高了电熔BaZrO3耐火材料稳定性。熔解侵蚀作用是复合坩埚耐火材料与TiAl合金熔体界面作用机制,但游离Al2O3仍会与分解的BaO反应生成BaAl2O4附着在坩埚内壁；熔炼制备TiAl合金锭中氧含量仅为0.0986wt.%, 与理论计算值相一致,且符合工业用TiAl合金铸锭用氧含量标准,表明了电熔BaZrO3/Y2O3是一种极有潜力的TiAl合金感应熔炼制备用耐火材料。
本文使用电熔BaZrO3耐火材料和Y2O3耐火材料复合,在1650℃保温24h烧制成坩埚,感应熔炼制备TiAl合金。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)结合能谱仪(EDS)、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)和氧/氮分析仪等手段分析了复合坩埚耐火材料相结构和显微结构,研究了复合耐火材料坩埚与TiAl合金熔体界面反应。结果表明,复合坩埚耐火材料由Zr固溶Y2O3和Y掺杂BaZrO3两相组成,Y2O3的引入提高了电熔BaZrO3耐火材料稳定性。熔解侵蚀作用是复合坩埚耐火材料与TiAl合金熔体界面作用机制,但游离Al2O3仍会与分解的BaO反应生成BaAl2O4附着在坩埚内壁；熔炼制备TiAl合金锭中氧含量仅为0.0986wt.%, 与理论计算值相一致,且符合工业用TiAl合金铸锭用氧含量标准,表明了电熔BaZrO3/Y2O3是一种极有潜力的TiAl合金感应熔炼制备用耐火材料。
2021, 50(3):995-999.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200268
摘要:
一步法合成La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ-Gd0.2Ce0.8O2-δ（LSCFN-CGO）混合电导对称电极，并采用La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ（LSGM）作为电解质制备了结构为LSCFN-CGO||LSGM||LSCFN-CGO的对称电池。分别使用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对LSCFN-CGO粉体物相及电极微观结构进行分析。一步法制得的LSCFN-CGO电极粉体为纯相，LSCFN钙钛矿相与CGO萤石相具备极好的化学相容性，且烧结得到了良好微观结构的对称电极。采用H2（3% H2O），C3H8（3% H2O）为燃料气测试电池性能，850 ℃电池最大功率密度可分别达980 mW/cm2 和 869 mW/cm2。稳定性测试在C3H8（3% H2O）气氛中0.3 A/cm2的恒流放电条件下进行，全程共420 h，衰减较小，期间进行8次电极氧化还原循环，对称电极具有理想的碳基燃料下氧化还原再生能力。实验结果表明采用一步法合成混合电导电极是一种简便、优化的电极制备方法，具有广阔的应用前景。
一步法合成La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ-Gd0.2Ce0.8O2-δ（LSCFN-CGO）混合电导对称电极，并采用La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ（LSGM）作为电解质制备了结构为LSCFN-CGO||LSGM||LSCFN-CGO的对称电池。分别使用X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对LSCFN-CGO粉体物相及电极微观结构进行分析。一步法制得的LSCFN-CGO电极粉体为纯相，LSCFN钙钛矿相与CGO萤石相具备极好的化学相容性，且烧结得到了良好微观结构的对称电极。采用H2（3% H2O），C3H8（3% H2O）为燃料气测试电池性能，850 ℃电池最大功率密度可分别达980 mW/cm2 和 869 mW/cm2。稳定性测试在C3H8（3% H2O）气氛中0.3 A/cm2的恒流放电条件下进行，全程共420 h，衰减较小，期间进行8次电极氧化还原循环，对称电极具有理想的碳基燃料下氧化还原再生能力。实验结果表明采用一步法合成混合电导电极是一种简便、优化的电极制备方法，具有广阔的应用前景。
2021, 50(3):1000-1006.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200270
摘要:
钾(K)掺杂钨(W)合金已经表现了优异的高温力学性能,成为最有希望的PFMs备选材料之一。为评估氢同位素在W-K合金中的滞留情况,采用放电等离子烧结技术(SPS),制备了纯W及K含量82 ppm的W-K合金,通过气相热充法引入D元素,考察热脱附行为。研究表明,气相热充D释放温区从600 K延伸至1200 K ,掺杂K后,D脱附活化能从0.86 eV下降到0.68 eV；纯W样品D滞留量不到1 appm左右,掺杂K后有所提高,但依然大大优于商用ITER级纯W。
钾(K)掺杂钨(W)合金已经表现了优异的高温力学性能,成为最有希望的PFMs备选材料之一。为评估氢同位素在W-K合金中的滞留情况,采用放电等离子烧结技术(SPS),制备了纯W及K含量82 ppm的W-K合金,通过气相热充法引入D元素,考察热脱附行为。研究表明,气相热充D释放温区从600 K延伸至1200 K ,掺杂K后,D脱附活化能从0.86 eV下降到0.68 eV；纯W样品D滞留量不到1 appm左右,掺杂K后有所提高,但依然大大优于商用ITER级纯W。
2021, 50(3):1007-1015.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200290
摘要:
直接激光沉积是一种重要的激光增材制造技术，在制备高熔点熔体自生氧化物陶瓷领域得到越来越多的应用。由于对激光增材制造陶瓷在不同激光能量作用下的影响规律及其内在机制理解不足，该技术更广泛的应用受到限制。为此，本文深入研究了激光能量密度对直接激光沉积熔体自生莫来石陶瓷孔隙/密度、微观组织和力学性能的影响。结果表明，较低激光能量密度（15 J/mm2）所制备的陶瓷样件边缘分布有尺寸较大的气孔，使得样件整体孔隙率较高，且表面粘粉严重，这与成形扫描速度大和硅酸盐熔体粘度高有关。而较高激光能量密度（90 J/mm2）虽然可以获得表面光滑、莫来石晶粒尺寸较小的陶瓷样件。但由于单位时间内输入熔池能量高，粉末蒸发产生的气孔来不及逃逸出熔池，使得样件心部形成较大的气孔，限制了样件的力学性能。在激光能量密度为45 J/mm2时，获得了表面相对光洁、孔隙率较低和力学性能较高的莫来石陶瓷样件。本文结果为直接激光沉积增材制造高性能陶瓷过程中合理选定工艺条件提供了理论指导及技术支撑。
直接激光沉积是一种重要的激光增材制造技术，在制备高熔点熔体自生氧化物陶瓷领域得到越来越多的应用。由于对激光增材制造陶瓷在不同激光能量作用下的影响规律及其内在机制理解不足，该技术更广泛的应用受到限制。为此，本文深入研究了激光能量密度对直接激光沉积熔体自生莫来石陶瓷孔隙/密度、微观组织和力学性能的影响。结果表明，较低激光能量密度（15 J/mm2）所制备的陶瓷样件边缘分布有尺寸较大的气孔，使得样件整体孔隙率较高，且表面粘粉严重，这与成形扫描速度大和硅酸盐熔体粘度高有关。而较高激光能量密度（90 J/mm2）虽然可以获得表面光滑、莫来石晶粒尺寸较小的陶瓷样件。但由于单位时间内输入熔池能量高，粉末蒸发产生的气孔来不及逃逸出熔池，使得样件心部形成较大的气孔，限制了样件的力学性能。在激光能量密度为45 J/mm2时，获得了表面相对光洁、孔隙率较低和力学性能较高的莫来石陶瓷样件。本文结果为直接激光沉积增材制造高性能陶瓷过程中合理选定工艺条件提供了理论指导及技术支撑。
2021, 50(3):1016-1019.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200308
摘要:
本文通过金相组织观察、XRD分析和透磁率检测，研究了Co90Zr7Ta3三元合金微观组织，并通过分析材料组织与透磁率(PTF, pass through flux)变化，得到热机械处理对透磁率的影响。实验结果表明：真空熔炼制备的Co90Zr7Ta3三元合金有大量枝晶组织，主要包含Co基体和枝晶结构的(Co,Ta)11Zr2。采用轧制及热处理后，合金内部枝晶结构破碎，发生球化。合金中Co基体中的fcc相转变为hcp相，hcp相中(0001)含量的增加提高了靶材透磁率。
本文通过金相组织观察、XRD分析和透磁率检测，研究了Co90Zr7Ta3三元合金微观组织，并通过分析材料组织与透磁率(PTF, pass through flux)变化，得到热机械处理对透磁率的影响。实验结果表明：真空熔炼制备的Co90Zr7Ta3三元合金有大量枝晶组织，主要包含Co基体和枝晶结构的(Co,Ta)11Zr2。采用轧制及热处理后，合金内部枝晶结构破碎，发生球化。合金中Co基体中的fcc相转变为hcp相，hcp相中(0001)含量的增加提高了靶材透磁率。
2021, 50(3):1020-1025.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200309
摘要:
采用硼/碳热还原-热压烧结集成工艺（BCTR&HP）制备了高纯致密的Sm1-2xEuxBaxB6（x=0.1，0.2，0.3）多晶块体，系统研究Eu&Ba掺杂SmB6对其结构、力学性能与电学特性的影响。结果表明，BCTR&HP制备的Sm1-2xEuxBaxB6呈CsCl型简单立方单相结构，晶格常数随Eu&Ba掺杂量的增加而增大，贡献于力学性能的提高和电阻率的下降。热电子发射性能结果表明，Eu&Ba掺杂能够改善SmB6阴极材料的发射特性，在测试温度1773 K，外加电压1 kV条件下，Sm0.4Eu0.3Ba0.3B6多晶体的发射电流密度达到35.1 mA.cm-2，零场电流密度达到21.4 mA.cm-2，在1523~1773 K其平均有效功函数为3.6 eV，其固有的高电阻率可作为“直热式”阴极简化热子结构，具有很大的应用前景。
采用硼/碳热还原-热压烧结集成工艺（BCTR&HP）制备了高纯致密的Sm1-2xEuxBaxB6（x=0.1，0.2，0.3）多晶块体，系统研究Eu&Ba掺杂SmB6对其结构、力学性能与电学特性的影响。结果表明，BCTR&HP制备的Sm1-2xEuxBaxB6呈CsCl型简单立方单相结构，晶格常数随Eu&Ba掺杂量的增加而增大，贡献于力学性能的提高和电阻率的下降。热电子发射性能结果表明，Eu&Ba掺杂能够改善SmB6阴极材料的发射特性，在测试温度1773 K，外加电压1 kV条件下，Sm0.4Eu0.3Ba0.3B6多晶体的发射电流密度达到35.1 mA.cm-2，零场电流密度达到21.4 mA.cm-2，在1523~1773 K其平均有效功函数为3.6 eV，其固有的高电阻率可作为“直热式”阴极简化热子结构，具有很大的应用前景。
2021, 50(3):1026-1031.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200325
摘要:
将Co3O4、Li2CO3、Mg(OH)2和Y2O3按一定化学计量比称取并混合均匀后,采用高温固相法合成LiCo1-x-yMgxYyO2正极材料并探究了Mg-Y共掺杂对钴酸锂高电压性能的影响。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分别表征其晶体结构和形貌。LiCo1-x-yMgxYyO2正极材料高电压性能测试,结果表明选择Mg掺杂量为0.2wt%下,当Y掺杂量的质量百分数为0.10%wt时,在3.0-4.6V电压范围内0.5C下的初始放电比容量为212.3mAh/g,循环50圈的容量保持率为96.28%。4C大倍率下,未掺杂Y元素样品容量保持率为54.92%,相比之下Y掺杂后容量保持率提高为60.43%。
将Co3O4、Li2CO3、Mg(OH)2和Y2O3按一定化学计量比称取并混合均匀后,采用高温固相法合成LiCo1-x-yMgxYyO2正极材料并探究了Mg-Y共掺杂对钴酸锂高电压性能的影响。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分别表征其晶体结构和形貌。LiCo1-x-yMgxYyO2正极材料高电压性能测试,结果表明选择Mg掺杂量为0.2wt%下,当Y掺杂量的质量百分数为0.10%wt时,在3.0-4.6V电压范围内0.5C下的初始放电比容量为212.3mAh/g,循环50圈的容量保持率为96.28%。4C大倍率下,未掺杂Y元素样品容量保持率为54.92%,相比之下Y掺杂后容量保持率提高为60.43%。
2021, 50(3):1032-1036.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200332
摘要:
以Mg 粉、Sn 粉和Zn 粉为初始原料,采用机械合金化和热压烧结的方法制备Mg-25Sn-xZn合金。研究了Zn添加量对Mg-25Sn合金显微组织和性能的影响。结果表明：Mg-25Sn-xZn体系的机械合金化过程中,Zn元素不参与合金化反应,但Zn的引入降低了Mg+Mg2Sn混合物的尺寸。除固溶外,烧结态Mg-25Sn-xZn中Zn完全转变成MgZn2相。且随Zn含量的增加,MgZn2相的尺寸逐步增大,Mg晶界和Mg2Sn颗粒相周围是MgZn2相的择优分布位置。添加6wt% Zn的Mg-25Sn合金具有最优的力学性能,其显微维氏硬度1.60GPa、屈服强度388MPa、抗压强度497MPa、断裂应变7.5%。
以Mg 粉、Sn 粉和Zn 粉为初始原料,采用机械合金化和热压烧结的方法制备Mg-25Sn-xZn合金。研究了Zn添加量对Mg-25Sn合金显微组织和性能的影响。结果表明：Mg-25Sn-xZn体系的机械合金化过程中,Zn元素不参与合金化反应,但Zn的引入降低了Mg+Mg2Sn混合物的尺寸。除固溶外,烧结态Mg-25Sn-xZn中Zn完全转变成MgZn2相。且随Zn含量的增加,MgZn2相的尺寸逐步增大,Mg晶界和Mg2Sn颗粒相周围是MgZn2相的择优分布位置。添加6wt% Zn的Mg-25Sn合金具有最优的力学性能,其显微维氏硬度1.60GPa、屈服强度388MPa、抗压强度497MPa、断裂应变7.5%。
2021, 50(3):1037-1043.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200340
摘要:
本文运用内聚力模型研究了锆-钛-钢复合板在粘结试验中的界面损伤过程，并利用扫描电子显微镜分析了界面断裂机理。运用正交试验研究了不同热处理工艺条件下的表面耐腐蚀性能，分析了保温温度、保温时间和升降温速率对粘结性能的影响。结果表明，I型裂纹加载下，界面损伤由内壁处开始，并逐渐发展至整个界面。界面整体属于脆性断裂，而波峰与波谷的过渡斜面则为混合断裂。腐蚀试验的塔菲尔极化曲线研究结果表明，锆覆层在HCl溶液中以点腐蚀为主，而在HAc溶液中以均匀腐蚀为主。爆炸焊接后，锆复合板的耐点腐蚀性能低于纯锆材料，并且保温温度越高，保温时间越长，耐腐蚀性能下降越明显。
本文运用内聚力模型研究了锆-钛-钢复合板在粘结试验中的界面损伤过程，并利用扫描电子显微镜分析了界面断裂机理。运用正交试验研究了不同热处理工艺条件下的表面耐腐蚀性能，分析了保温温度、保温时间和升降温速率对粘结性能的影响。结果表明，I型裂纹加载下，界面损伤由内壁处开始，并逐渐发展至整个界面。界面整体属于脆性断裂，而波峰与波谷的过渡斜面则为混合断裂。腐蚀试验的塔菲尔极化曲线研究结果表明，锆覆层在HCl溶液中以点腐蚀为主，而在HAc溶液中以均匀腐蚀为主。爆炸焊接后，锆复合板的耐点腐蚀性能低于纯锆材料，并且保温温度越高，保温时间越长，耐腐蚀性能下降越明显。
2021, 50(3):1044-1054.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200349
摘要:
为了研制高品质W/Re合金靶材,采用机械混料、压制成形和真空烧结致密化的工艺路线制备了纯钨及铼含量分别为1wt.%、5wt.%、10wt.%的钨/铼(W/Re)合金,测试了W/Re合金的致密度、晶粒度及晶粒取向、磁控溅射沉积等性能。研究表明,W/Re合金的致密度随Re含量增加而逐渐提高,其中W/10wt.%Re合金致密度达96.6%。W/10wt.%Re合金靶材纯度极高,EBSD图中W/10wt.%Re合金晶粒细小均匀,晶粒尺寸主要介于10μm～40μm之间,W/Re合金晶粒随机分布,并未出现明显的择优取向,且其中小角度晶界(<10°)达85%以上,非常适用于磁控溅射镀膜。随着磁控溅射沉积压力的提高,W/Re合金薄膜的晶粒尺寸逐渐细化,镀膜表面平整程度逐渐提高,薄膜的厚度呈逐渐增加的趋势。镀膜在40.5°、58.6°、73.5°附近出现分别属(110)、(200)和(211)晶面的衍射峰,且随着沉积压力升高,(110)晶面衍射峰逐渐减弱,而(200)晶面衍射峰则逐渐增强。
为了研制高品质W/Re合金靶材,采用机械混料、压制成形和真空烧结致密化的工艺路线制备了纯钨及铼含量分别为1wt.%、5wt.%、10wt.%的钨/铼(W/Re)合金,测试了W/Re合金的致密度、晶粒度及晶粒取向、磁控溅射沉积等性能。研究表明,W/Re合金的致密度随Re含量增加而逐渐提高,其中W/10wt.%Re合金致密度达96.6%。W/10wt.%Re合金靶材纯度极高,EBSD图中W/10wt.%Re合金晶粒细小均匀,晶粒尺寸主要介于10μm～40μm之间,W/Re合金晶粒随机分布,并未出现明显的择优取向,且其中小角度晶界(<10°)达85%以上,非常适用于磁控溅射镀膜。随着磁控溅射沉积压力的提高,W/Re合金薄膜的晶粒尺寸逐渐细化,镀膜表面平整程度逐渐提高,薄膜的厚度呈逐渐增加的趋势。镀膜在40.5°、58.6°、73.5°附近出现分别属(110)、(200)和(211)晶面的衍射峰,且随着沉积压力升高,(110)晶面衍射峰逐渐减弱,而(200)晶面衍射峰则逐渐增强。
2021, 50(3):1055-1061.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200288
摘要:
采用金相显微镜和扫描电镜分析了GH4169D合金电子束焊接接头的显微组织,利用显微硬度计测试了母材、热影响区和焊缝的显微硬度,采用体式显微镜和扫描电镜研究了焊接接头持久断裂特征。结果表明,GH4169D母材中的主要析出相为1~20μm长的片层状晶界η相、30~80nm的颗粒状γ′相和少量的碳氮化物。热影响区中的主要析出相为10~20nm的颗粒状γ′相,几乎没有晶界η相。焊缝中为枝晶组织,枝晶间存在含有共晶组织的白色析出相,析出相尺寸约为2~6μm,枝晶杆中含有10nm以下的细小颗粒状γ′相。母材的显微硬度低于热影响区和焊缝,不同区域的显微硬度主要受γ′相尺寸的影响。焊接接头的持久断裂过程包括蠕变裂纹扩展、快速扩展和瞬断三个阶段,蠕变裂纹扩展区中为沿晶断裂,快速扩展区中为沿晶和穿晶混合断裂,瞬断区为穿晶断裂。蠕变裂纹扩展起始于试样表面的热影响区,热影响区中晶界η相含量低和裂纹尖端晶界氧化是导致焊接接头持久性能低于母材持久性能的主要原因。
采用金相显微镜和扫描电镜分析了GH4169D合金电子束焊接接头的显微组织,利用显微硬度计测试了母材、热影响区和焊缝的显微硬度,采用体式显微镜和扫描电镜研究了焊接接头持久断裂特征。结果表明,GH4169D母材中的主要析出相为1~20μm长的片层状晶界η相、30~80nm的颗粒状γ′相和少量的碳氮化物。热影响区中的主要析出相为10~20nm的颗粒状γ′相,几乎没有晶界η相。焊缝中为枝晶组织,枝晶间存在含有共晶组织的白色析出相,析出相尺寸约为2~6μm,枝晶杆中含有10nm以下的细小颗粒状γ′相。母材的显微硬度低于热影响区和焊缝,不同区域的显微硬度主要受γ′相尺寸的影响。焊接接头的持久断裂过程包括蠕变裂纹扩展、快速扩展和瞬断三个阶段,蠕变裂纹扩展区中为沿晶断裂,快速扩展区中为沿晶和穿晶混合断裂,瞬断区为穿晶断裂。蠕变裂纹扩展起始于试样表面的热影响区,热影响区中晶界η相含量低和裂纹尖端晶界氧化是导致焊接接头持久性能低于母材持久性能的主要原因。
2021, 50(3):1062-1068.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200269
摘要:
飞机积冰一直是威胁飞机安全的重要因素之一，而传统飞机除冰方式在面对未来全电飞机和智能飞行的改变中显得力不从心。本文提出一种基于Ni、CNT和LIT-PDMS的疏冰-涡流热效应一体化的新型复合材料，既具有疏水性可预防结冰的特性，又可利用涡流热效应进行非接触式除冰。Ni-CNT/LIT-PDMS复合材料静态接触角约为106.5°，为疏水性材料，能有效水珠阻止在飞机表面聚集进而结冰；在感应加热装置输入电压为30V时，其发热最高平衡温度约为119℃，且能进行多次加热且具有良好的热稳定性，完全融化20g的冰层只需要232 s；在ε=0.001的30次循环拉伸中，其内部导电网络具有良好的稳定性和回弹性。Ni-CNT/LIT-PDMS复合材料可以完成飞机除冰工作，保障飞行安全。
飞机积冰一直是威胁飞机安全的重要因素之一，而传统飞机除冰方式在面对未来全电飞机和智能飞行的改变中显得力不从心。本文提出一种基于Ni、CNT和LIT-PDMS的疏冰-涡流热效应一体化的新型复合材料，既具有疏水性可预防结冰的特性，又可利用涡流热效应进行非接触式除冰。Ni-CNT/LIT-PDMS复合材料静态接触角约为106.5°，为疏水性材料，能有效水珠阻止在飞机表面聚集进而结冰；在感应加热装置输入电压为30V时，其发热最高平衡温度约为119℃，且能进行多次加热且具有良好的热稳定性，完全融化20g的冰层只需要232 s；在ε=0.001的30次循环拉伸中，其内部导电网络具有良好的稳定性和回弹性。Ni-CNT/LIT-PDMS复合材料可以完成飞机除冰工作，保障飞行安全。
2021, 50(3):1096-1106.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200330
摘要:
非晶合金具有优异的力学性能、耐蚀性、磁性能等，是一种具有极大应用潜力的新型结构材料和功能材料，然而传统方法制备的非晶合金受“临界冷却速度”的影响，有尺寸上的限制，制约了非晶合金的应用范围。而放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）制备的非晶合金不受 “临界冷却速度”的影响，可以制备出较大尺寸的非晶合金。本文主要从致密化机理、工艺影响因素、性能对比、数值模拟等方面介绍了放电等离子烧结制备非晶合金的研究现状，分析了其难点及以后的发展方向。
非晶合金具有优异的力学性能、耐蚀性、磁性能等，是一种具有极大应用潜力的新型结构材料和功能材料，然而传统方法制备的非晶合金受“临界冷却速度”的影响，有尺寸上的限制，制约了非晶合金的应用范围。而放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）制备的非晶合金不受 “临界冷却速度”的影响，可以制备出较大尺寸的非晶合金。本文主要从致密化机理、工艺影响因素、性能对比、数值模拟等方面介绍了放电等离子烧结制备非晶合金的研究现状，分析了其难点及以后的发展方向。
2021, 50(3):1107-1112.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20200200
摘要:
体心立方(BCC)结构的第五族金属元素V具有高的氢渗透率和力学性能,且价格比Pd金属低。在此基础上开发的V基合金膜相比纯V有较高的抗氢脆性,有望成为未来商业应用中代替Pd-Ag的合金膜材料。本文对氢分离合金膜的渗透原理、韧性-脆性转变的氢浓度以及V基合金膜的渗透性能进行了综述并对未来发展趋势进行了简单的展望。
体心立方(BCC)结构的第五族金属元素V具有高的氢渗透率和力学性能,且价格比Pd金属低。在此基础上开发的V基合金膜相比纯V有较高的抗氢脆性,有望成为未来商业应用中代替Pd-Ag的合金膜材料。本文对氢分离合金膜的渗透原理、韧性-脆性转变的氢浓度以及V基合金膜的渗透性能进行了综述并对未来发展趋势进行了简单的展望。
