2023年第52卷第2期文章目次
2023, 52(2):409-415.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220270
摘要:
微米级钽粉（Ta）在生物医疗增材制造和其它制造领域具有广阔的应用前景。采用射频热等离子体对不规则钽粉进行球化处理以改善其流动性，对等离子体球化处理前后的钽粉进行了表征，并分析了球化过程中卫星粉的形成过程与机制。结果表明，经等离子体球化后的钽粉具有较为理想的球形度和光滑的表面，其霍尔流动性和表观密度分别从13.6 s·(50 g)-1提高到6.73 s·(50 g)-1和6.83 g·cm-3提升至9.06 g·cm-3，钽粉的球化率和球形度分别可约达95.2%和0.92；球化过程中卫星粉的形成主要是因液滴的碰撞所致，且随着送粉速度的增加，液滴碰撞概率增大，液滴的凝并使球形颗粒的粒径增大。
微米级钽粉（Ta）在生物医疗增材制造和其它制造领域具有广阔的应用前景。采用射频热等离子体对不规则钽粉进行球化处理以改善其流动性，对等离子体球化处理前后的钽粉进行了表征，并分析了球化过程中卫星粉的形成过程与机制。结果表明，经等离子体球化后的钽粉具有较为理想的球形度和光滑的表面，其霍尔流动性和表观密度分别从13.6 s·(50 g)-1提高到6.73 s·(50 g)-1和6.83 g·cm-3提升至9.06 g·cm-3，钽粉的球化率和球形度分别可约达95.2%和0.92；球化过程中卫星粉的形成主要是因液滴的碰撞所致，且随着送粉速度的增加，液滴碰撞概率增大，液滴的凝并使球形颗粒的粒径增大。
2023, 52(2):416-425.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220691
摘要:
使用粉末冶金法将纳米级（70–80 nm）和微米级（500–600 nm）稀土氧化物（La2O3，Y2O3）与钨粉混合，随后通过冷等静压、中频感应烧结、旋锻、拉拔等一系列工艺制备了W-1.5La2O3-0.1Y2O3-0.1ZrO2（质量分数，%）材料。对含有纳米和微米尺寸稀土氧化物的阴极样品使用相同的焊接电流，分别进行了0.5、1、2 h的氩弧焊。结果表明，具有纳米级稀土氧化物的样品在焊接过程中表现出更高的工作稳定性，烧损同比降低了近85.4%。此外，随着工作时间的延长，阴极尖端不同区域的稀土氧化物聚集度显著增加。结合COMSOL Multiphysics温度模拟发现，第二相的扩散活化能降低了近34%。这是因为更为细小的第二相有效地控制了钨基体组织的演变，保留了大量晶界作为通道，促进了活性物质在电子发射过程中的扩散。
使用粉末冶金法将纳米级（70–80 nm）和微米级（500–600 nm）稀土氧化物（La2O3，Y2O3）与钨粉混合，随后通过冷等静压、中频感应烧结、旋锻、拉拔等一系列工艺制备了W-1.5La2O3-0.1Y2O3-0.1ZrO2（质量分数，%）材料。对含有纳米和微米尺寸稀土氧化物的阴极样品使用相同的焊接电流，分别进行了0.5、1、2 h的氩弧焊。结果表明，具有纳米级稀土氧化物的样品在焊接过程中表现出更高的工作稳定性，烧损同比降低了近85.4%。此外，随着工作时间的延长，阴极尖端不同区域的稀土氧化物聚集度显著增加。结合COMSOL Multiphysics温度模拟发现，第二相的扩散活化能降低了近34%。这是因为更为细小的第二相有效地控制了钨基体组织的演变，保留了大量晶界作为通道，促进了活性物质在电子发射过程中的扩散。
2023, 52(2):426-432.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220010
摘要:
采用第一性原理计算和实验方法研究了α-Zr及其氢化物的结构和弹性性能。考虑到所有可能的H-原子构型，构建了不同相的氢化物模型。结果表明，γ、δ和ε氢化物的稳定结构分别为P42/mmc、P42/nnm和I4/mmm。计算结果表明，ε氢化物的生成焓最低，并提出了γ→δ→ε的相变顺序。与α-Zr相比，氢化物的c轴晶格常数变小，γ、δ和ε单位胞的膨胀体积分别为12.1%、14.8%和17.9%。3种氢化物的计算弹性模量（E）均低于α-Zr，但弹性各向异性均高于α-Zr。通过纳米压痕实验分析了α-Zr基体和δ氢化物的弹性性能，结果表明，α-Zr基体和δ氢化物的E分别为116.88和111.01 GPa。因此，在氢化物/基体界面的氢化物侧容易发生应力集中，氢化物容易成为裂纹源，导致锆合金发生脆性断裂。
采用第一性原理计算和实验方法研究了α-Zr及其氢化物的结构和弹性性能。考虑到所有可能的H-原子构型，构建了不同相的氢化物模型。结果表明，γ、δ和ε氢化物的稳定结构分别为P42/mmc、P42/nnm和I4/mmm。计算结果表明，ε氢化物的生成焓最低，并提出了γ→δ→ε的相变顺序。与α-Zr相比，氢化物的c轴晶格常数变小，γ、δ和ε单位胞的膨胀体积分别为12.1%、14.8%和17.9%。3种氢化物的计算弹性模量（E）均低于α-Zr，但弹性各向异性均高于α-Zr。通过纳米压痕实验分析了α-Zr基体和δ氢化物的弹性性能，结果表明，α-Zr基体和δ氢化物的E分别为116.88和111.01 GPa。因此，在氢化物/基体界面的氢化物侧容易发生应力集中，氢化物容易成为裂纹源，导致锆合金发生脆性断裂。
2023, 52(2):433-440.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220006
摘要:
以粉末冶金烧结坯为原料，通过多道次轧制和中间退火得到厚度分别为0.035和0.030 mm的Mo-47.5Re箔材（质量分数，%）。在1300~1900 ℃氢气退火后，采用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析仪分析了退火温度对σ相特性的影响。EDS分析表明：第二相的Mo:Re原子比在ND方向接近1:1，在RD方向接近或低于1:2，因此Mo-47.5Re箔内绝大多数第二相是σ相；但RD方向第二相的Mo:Re 原子比相对较低，甚至接近1:4。钼铼合金箔材的特点是晶粒大、变形孪晶少、晶粒中的σ相颗粒比晶界处尺寸大、数量多。随着退火温度的升高，0.035和0.030 mm厚箔材中σ相的数量先增加后减少。1300 ℃退火后，0.035 mm箔材的σ相数量达到最大值，尺寸显著减小，而0.030 mm样品在1500 ℃退火后出现这种现象。1900 ℃退火后，0.030 mm样品的RD方向残留少量小尺寸σ相颗粒，ND方向和0.035 mm 样品的RD和ND方向的σ相颗粒全部重新回溶并消失。在轧制态和相对低温退火样品中，如1300 ℃，大部分σ相颗粒为不规则的多边形形貌，少数为球形。在1500 ℃及更高温度下退火后，一些样品中的σ相颗粒呈立方体形貌。
以粉末冶金烧结坯为原料，通过多道次轧制和中间退火得到厚度分别为0.035和0.030 mm的Mo-47.5Re箔材（质量分数，%）。在1300~1900 ℃氢气退火后，采用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析仪分析了退火温度对σ相特性的影响。EDS分析表明：第二相的Mo:Re原子比在ND方向接近1:1，在RD方向接近或低于1:2，因此Mo-47.5Re箔内绝大多数第二相是σ相；但RD方向第二相的Mo:Re 原子比相对较低，甚至接近1:4。钼铼合金箔材的特点是晶粒大、变形孪晶少、晶粒中的σ相颗粒比晶界处尺寸大、数量多。随着退火温度的升高，0.035和0.030 mm厚箔材中σ相的数量先增加后减少。1300 ℃退火后，0.035 mm箔材的σ相数量达到最大值，尺寸显著减小，而0.030 mm样品在1500 ℃退火后出现这种现象。1900 ℃退火后，0.030 mm样品的RD方向残留少量小尺寸σ相颗粒，ND方向和0.035 mm 样品的RD和ND方向的σ相颗粒全部重新回溶并消失。在轧制态和相对低温退火样品中，如1300 ℃，大部分σ相颗粒为不规则的多边形形貌，少数为球形。在1500 ℃及更高温度下退火后，一些样品中的σ相颗粒呈立方体形貌。
2023, 52(2):441-447.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220437
摘要:
提出Cu/NbTi异温包覆挤压，即在塑性变形过程中Cu和NbTi具有不同的温度。Cu/NbTi异温包覆挤压可以有效降低包覆层Cu的变形温度，从而减小包覆层Cu和NbTi芯间的屈服应力差值，有助于二者的协调变形。采用刚粘塑性有限元法模拟凹模入口角分别为60°，120°和180°时Cu/NbTi异温包覆挤压过程，揭示其界面结合情况。模拟结果表明，增大凹模入口角有助于减小包覆层Cu和NbTi芯间的相对伸长量，有益于二者的界面结合。根据有限元模拟优化的工艺参数，进行了Cu/NbTi异温包覆挤压实验，凹模入口角为180°。实验结果表明，该条件下Cu/NbTi包覆挤压过程中金属稳定流动，包覆层Cu和NbTi芯协调变形，二者间相对伸长量较小。实验结果与模拟结果吻合较好。
提出Cu/NbTi异温包覆挤压，即在塑性变形过程中Cu和NbTi具有不同的温度。Cu/NbTi异温包覆挤压可以有效降低包覆层Cu的变形温度，从而减小包覆层Cu和NbTi芯间的屈服应力差值，有助于二者的协调变形。采用刚粘塑性有限元法模拟凹模入口角分别为60°，120°和180°时Cu/NbTi异温包覆挤压过程，揭示其界面结合情况。模拟结果表明，增大凹模入口角有助于减小包覆层Cu和NbTi芯间的相对伸长量，有益于二者的界面结合。根据有限元模拟优化的工艺参数，进行了Cu/NbTi异温包覆挤压实验，凹模入口角为180°。实验结果表明，该条件下Cu/NbTi包覆挤压过程中金属稳定流动，包覆层Cu和NbTi芯协调变形，二者间相对伸长量较小。实验结果与模拟结果吻合较好。
2023, 52(2):448-453.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220244
摘要:
为了研究具有亚微米组分的钼铜粉末烧结时的晶间反应机制，采用亚微米活化层法制备了一种具备晶间反应层的钼铜复合材料。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM），对Mo-15Cu合金组织形貌、连接和结构特征进行了表征。研究了亚微米活化层对钼铜复合材料晶间反应的影响。结果表明，添加8%（质量分数）亚微米粉，可形成厚度约0.5 μm纳米活化层。Mo亚微米颗粒通过流动、扩散，改变晶间反应机制，形成了真正意义上的晶间反应层，厚度约为5 nm，实现了冶金结合。
为了研究具有亚微米组分的钼铜粉末烧结时的晶间反应机制，采用亚微米活化层法制备了一种具备晶间反应层的钼铜复合材料。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM），对Mo-15Cu合金组织形貌、连接和结构特征进行了表征。研究了亚微米活化层对钼铜复合材料晶间反应的影响。结果表明，添加8%（质量分数）亚微米粉，可形成厚度约0.5 μm纳米活化层。Mo亚微米颗粒通过流动、扩散，改变晶间反应机制，形成了真正意义上的晶间反应层，厚度约为5 nm，实现了冶金结合。
2023, 52(2):623-629.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220017
摘要:
自纤维增韧是改善钨材脆性的一种有效途径。本文采用放电等离子体烧结技术制备了以难熔金属钼为界面涂层的连续钨纤维增韧钨复合材料，研究复合材料拉伸脆-韧转变温度，分析和探讨钼涂层在复合材料断裂中的作用以及对Wf/W复合材料断裂模式的影响。结果表明：复合材料在400℃及以下均发生拉伸脆断，但从400℃开始，纤维与基体界面区域出现多条曲形裂纹，涂层有减弱钨基体和钨纤维界面结合强度的迹象。500℃时复合材料出现韧性断裂，韧性主要来源于纤维带来的伪韧性。钼作为界面涂层有助于发动纤维脱粘-韧断增韧机制，但涂层本身由于特殊结构取向并无预期的钼塑性变形带来增韧贡献。对纤维和粗晶结构钨材料的耐瞬态热冲击性能进行分析，高强韧、低DBTT的钨纤维比粗晶钨基体更能抗热冲击，纤维复合材料可以减少开裂区域。
自纤维增韧是改善钨材脆性的一种有效途径。本文采用放电等离子体烧结技术制备了以难熔金属钼为界面涂层的连续钨纤维增韧钨复合材料，研究复合材料拉伸脆-韧转变温度，分析和探讨钼涂层在复合材料断裂中的作用以及对Wf/W复合材料断裂模式的影响。结果表明：复合材料在400℃及以下均发生拉伸脆断，但从400℃开始，纤维与基体界面区域出现多条曲形裂纹，涂层有减弱钨基体和钨纤维界面结合强度的迹象。500℃时复合材料出现韧性断裂，韧性主要来源于纤维带来的伪韧性。钼作为界面涂层有助于发动纤维脱粘-韧断增韧机制，但涂层本身由于特殊结构取向并无预期的钼塑性变形带来增韧贡献。对纤维和粗晶结构钨材料的耐瞬态热冲击性能进行分析，高强韧、低DBTT的钨纤维比粗晶钨基体更能抗热冲击，纤维复合材料可以减少开裂区域。
2023, 52(2):753-762.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220059
摘要:
锆合金是目前唯一大规模商用的压水堆燃料包壳材料,其耐水侧腐蚀性能是影响核反应堆安全性与经济性的重要因素。微量合金元素(Fe、Nb等)主要以第二相的形式弥散分布在锆合金基体中,但可对锆合金的腐蚀行为产生显著影响。本文比较了不同锆合金中第二相的差异,综述了锆合金中典型第二相的腐蚀行为及其影响因素。分别比较了二元及三元第二相中主要合金元素Fe和Nb的腐蚀过程,总结了不同水化学条件下第二相腐蚀产物的差异及其对锆合金基体腐蚀行为的影响,并指出当前针对第二相腐蚀行为研究中存在的不足。最后,对锆合金第二相腐蚀行为研究趋势进行了展望,先进微观表征手段可进一步完善含Fe、Nb元素第二相的腐蚀机理研究,将为提高我国新型锆合金包壳材料的耐腐蚀性能提供理论参考。
锆合金是目前唯一大规模商用的压水堆燃料包壳材料,其耐水侧腐蚀性能是影响核反应堆安全性与经济性的重要因素。微量合金元素(Fe、Nb等)主要以第二相的形式弥散分布在锆合金基体中,但可对锆合金的腐蚀行为产生显著影响。本文比较了不同锆合金中第二相的差异,综述了锆合金中典型第二相的腐蚀行为及其影响因素。分别比较了二元及三元第二相中主要合金元素Fe和Nb的腐蚀过程,总结了不同水化学条件下第二相腐蚀产物的差异及其对锆合金基体腐蚀行为的影响,并指出当前针对第二相腐蚀行为研究中存在的不足。最后,对锆合金第二相腐蚀行为研究趋势进行了展望,先进微观表征手段可进一步完善含Fe、Nb元素第二相的腐蚀机理研究,将为提高我国新型锆合金包壳材料的耐腐蚀性能提供理论参考。
2023, 52(2):454-460.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220408
摘要:
通过废弃选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂与废NaCl盐焙烧，可以将催化剂中的钨和钒与钛分离。在最佳浸出条件下（焙烧温度900 ℃，焙烧时间3 h，废盐与废催化剂的质量比为0.5，浸出温度80 ℃，反应时间60 min），钨和钒的浸出率分别达到84.63%和66.42%，同时钛的损失率仅为1.3%。废NaCl盐和焙烧温度可以促进锐钛矿型TiO2转化为金红石型TiO2，反应后得到了金红石型TiO2。金红石型TiO2中的钛的价态为四价，晶格氧和化学吸附氧分别占57.26%和42.74%。该方法可以同时解决2种废弃物的处置问题。
通过废弃选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂与废NaCl盐焙烧，可以将催化剂中的钨和钒与钛分离。在最佳浸出条件下（焙烧温度900 ℃，焙烧时间3 h，废盐与废催化剂的质量比为0.5，浸出温度80 ℃，反应时间60 min），钨和钒的浸出率分别达到84.63%和66.42%，同时钛的损失率仅为1.3%。废NaCl盐和焙烧温度可以促进锐钛矿型TiO2转化为金红石型TiO2，反应后得到了金红石型TiO2。金红石型TiO2中的钛的价态为四价，晶格氧和化学吸附氧分别占57.26%和42.74%。该方法可以同时解决2种废弃物的处置问题。
2023, 52(2):461-469.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220388
摘要:
通过溶剂热法和滴钌法（室温）将钒和钌引入到NiS2中，并制备了包覆在泡沫镍上的V，Ru共掺杂NiS2微球(V, Ru)-NiS2/NF电催化剂。通过硫化过程产生粗糙的高尔夫球状结构暴露出丰富的活性位点，此外，钒和钌的协同作用可以优化NiS2的电子结构，提供额外的催化活性位点，进一步增强本征催化活性。泡沫镍的加入对催化材料起到支撑作用，避免聚集，同时提高导电性。结果表明，(V, Ru)-NiS2/NF电催化剂在碱性条件下表现出优异的电催化性能和优异的析氢反应稳定性。在10 mA·cm-2的电流密度下，(V, Ru)-NiS2/NF提供了38 mV的过电位，小于商业Pt/C的过电位，并且具有较低的Tafel斜率（80.3 mV·dec-1）、较高的电化学活性表面（ECSA）和在KOH溶液中24 h出色的稳定性。
通过溶剂热法和滴钌法（室温）将钒和钌引入到NiS2中，并制备了包覆在泡沫镍上的V，Ru共掺杂NiS2微球(V, Ru)-NiS2/NF电催化剂。通过硫化过程产生粗糙的高尔夫球状结构暴露出丰富的活性位点，此外，钒和钌的协同作用可以优化NiS2的电子结构，提供额外的催化活性位点，进一步增强本征催化活性。泡沫镍的加入对催化材料起到支撑作用，避免聚集，同时提高导电性。结果表明，(V, Ru)-NiS2/NF电催化剂在碱性条件下表现出优异的电催化性能和优异的析氢反应稳定性。在10 mA·cm-2的电流密度下，(V, Ru)-NiS2/NF提供了38 mV的过电位，小于商业Pt/C的过电位，并且具有较低的Tafel斜率（80.3 mV·dec-1）、较高的电化学活性表面（ECSA）和在KOH溶液中24 h出色的稳定性。
2023, 52(2):470-477.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220391
摘要:
利用扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）等分析了国内某型在役APU涡轮导向叶片的结构特征与热防护机理，研究了叶片失效件中高温防护涂层的厚度变化与失效模式。结果表明：飞机APU导向叶片中存在渗铝涂层+MCrAlY涂层与单一渗铝涂层2种不同的涂层结构；APU导向叶片失效件的MCrAlY涂层厚度从叶片尾缘—叶盆—前缘区域呈先增大后减小的趋势；受叶片构型影响，叶片尾缘区域涂层的氧化程度较严重，而叶盆区域越靠近前缘的位置涂层氧化损伤程度越低，但叶片前缘区域由于受CMAS腐蚀与高温氧化的耦合作用使得该区域涂层损伤最为严重。
利用扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）等分析了国内某型在役APU涡轮导向叶片的结构特征与热防护机理，研究了叶片失效件中高温防护涂层的厚度变化与失效模式。结果表明：飞机APU导向叶片中存在渗铝涂层+MCrAlY涂层与单一渗铝涂层2种不同的涂层结构；APU导向叶片失效件的MCrAlY涂层厚度从叶片尾缘—叶盆—前缘区域呈先增大后减小的趋势；受叶片构型影响，叶片尾缘区域涂层的氧化程度较严重，而叶盆区域越靠近前缘的位置涂层氧化损伤程度越低，但叶片前缘区域由于受CMAS腐蚀与高温氧化的耦合作用使得该区域涂层损伤最为严重。
2023, 52(2):478-485.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220013
摘要:
在磁控溅射过程中，通过观察在2~50 h的刻蚀时间下制备的ITO薄膜的表面形貌，研究了在磁控溅射过程中ITO靶表面的黑色凸起的形成过程，并探讨了刻蚀时间对沉积ITO薄膜的光电性能的影响。结果表明，随着刻蚀时间的增长，ITO靶材表面的In和Sn分布发生变化，导致ITO膜不均匀。薄膜的电学和光学性能因结节的形成而显著退化。而当刻蚀时间在40 h以下时，ITO薄膜的光电性能变化不大。然而，当蚀刻时间继续延长，薄膜的光电性能会迅速恶化。
在磁控溅射过程中，通过观察在2~50 h的刻蚀时间下制备的ITO薄膜的表面形貌，研究了在磁控溅射过程中ITO靶表面的黑色凸起的形成过程，并探讨了刻蚀时间对沉积ITO薄膜的光电性能的影响。结果表明，随着刻蚀时间的增长，ITO靶材表面的In和Sn分布发生变化，导致ITO膜不均匀。薄膜的电学和光学性能因结节的形成而显著退化。而当刻蚀时间在40 h以下时，ITO薄膜的光电性能变化不大。然而，当蚀刻时间继续延长，薄膜的光电性能会迅速恶化。
2023, 52(2):486-492.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220011
摘要:
反应等离子喷涂（RPS）技术被广泛用于制备不同使用需求的高性能涂层材料。基于经典的铝热反应原理，采用反应等离子喷涂技术分别在近常压和低压环境下制备了Al-Fe2O3涂层，通过XRD、SEM和EDS等分析方法对所制备涂层的相组成和显微结构进行了表征。阐明了Al和Fe2O3在加热和反应等离子喷涂过程中的反应机理。DTA分析结果表明，氩气氛下长时间热处理产物主要为Fe、Al2O3和FeAl相。然而，在等离子喷涂过程中，低氧分压环境导致中间产物FeAl2O4铁尖晶石相的生成，由于近常压等离子喷涂过程的冷却速度极快，该相可以保留在最终涂层结构中。而低压反应等离子喷涂等离子体射流飞行距离长，还原性气氛和较长的反应时间将其进一步还原为FeAl相。
反应等离子喷涂（RPS）技术被广泛用于制备不同使用需求的高性能涂层材料。基于经典的铝热反应原理，采用反应等离子喷涂技术分别在近常压和低压环境下制备了Al-Fe2O3涂层，通过XRD、SEM和EDS等分析方法对所制备涂层的相组成和显微结构进行了表征。阐明了Al和Fe2O3在加热和反应等离子喷涂过程中的反应机理。DTA分析结果表明，氩气氛下长时间热处理产物主要为Fe、Al2O3和FeAl相。然而，在等离子喷涂过程中，低氧分压环境导致中间产物FeAl2O4铁尖晶石相的生成，由于近常压等离子喷涂过程的冷却速度极快，该相可以保留在最终涂层结构中。而低压反应等离子喷涂等离子体射流飞行距离长，还原性气氛和较长的反应时间将其进一步还原为FeAl相。
2023, 52(2):493-501.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220442
摘要:
采用常压干燥法，在Ti、SiO2、GaN、Al和Si 5种衬底上制备二氧化硅气凝胶薄膜，研究衬底类型对二氧化硅气凝胶薄膜形貌的影响。通过XPS法检测二氧化硅气凝胶薄膜与衬底之间的界面结合。采用椭偏仪结合反射光谱拟合的方法对二氧化硅气凝胶薄膜的折射率进行测量。通过原子力显微镜和场发射扫描电镜对二氧化硅气凝胶薄膜的表面及截面形貌进行观测。结果表明，二氧化硅气凝胶薄膜的形成会导致Al衬底表面Al-O中心峰产生0.07 eV的偏离，以及Ti衬底表面Ti 2p3/2中心峰0.43 eV的偏离。这表明Al衬底和Ti衬底与二氧化硅气凝胶薄膜之间形成了某种化学键。同时，折射指数测量显示，Ti衬底表面形成的二氧化硅气凝胶薄膜折射指数最低（1.17），平均孔隙率（63.8%）比硅衬底表面形成的二氧化硅气凝胶薄膜孔隙率（57.2%）要高。衬底类型对二氧化硅气凝胶薄膜形貌的影响与不同衬底的亲水性有关。由于Ti衬底亲水性最佳，更多的颗粒在Ti衬底表面形核和长大，导致其上制备的二氧化硅气凝胶薄膜具有更大的表面粗糙度，以及更大的颗粒和孔径。
采用常压干燥法，在Ti、SiO2、GaN、Al和Si 5种衬底上制备二氧化硅气凝胶薄膜，研究衬底类型对二氧化硅气凝胶薄膜形貌的影响。通过XPS法检测二氧化硅气凝胶薄膜与衬底之间的界面结合。采用椭偏仪结合反射光谱拟合的方法对二氧化硅气凝胶薄膜的折射率进行测量。通过原子力显微镜和场发射扫描电镜对二氧化硅气凝胶薄膜的表面及截面形貌进行观测。结果表明，二氧化硅气凝胶薄膜的形成会导致Al衬底表面Al-O中心峰产生0.07 eV的偏离，以及Ti衬底表面Ti 2p3/2中心峰0.43 eV的偏离。这表明Al衬底和Ti衬底与二氧化硅气凝胶薄膜之间形成了某种化学键。同时，折射指数测量显示，Ti衬底表面形成的二氧化硅气凝胶薄膜折射指数最低（1.17），平均孔隙率（63.8%）比硅衬底表面形成的二氧化硅气凝胶薄膜孔隙率（57.2%）要高。衬底类型对二氧化硅气凝胶薄膜形貌的影响与不同衬底的亲水性有关。由于Ti衬底亲水性最佳，更多的颗粒在Ti衬底表面形核和长大，导致其上制备的二氧化硅气凝胶薄膜具有更大的表面粗糙度，以及更大的颗粒和孔径。
2023, 52(2):502-507.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220645
摘要:
研究了Sn-20Bi-0.7Cu-xAg焊料凝固和时效过程中的物相生长动力学。通过实验和数值分析相结合分析了Ag含量和时效条件对界面结构和生长的影响，实验中对Sn-20Bi-0.7Cu分别添加了质量分数0.1%、0.4%、0.7%、1.0%、1.5%的Ag。为验证焊接接头的服役可靠性，在85 ℃和85%的湿度条件下，将接头放置0、10、30、50、100、200和500 h。采用扫描电镜等设备分析时效过程中界面化合物的形貌、厚度和分布，分析了β-Sn的形核界面和取向。结果表明，焊料中Ag含量的增加可以抑制界面Cu6Sn5层的生长，等温时效期间金属间化合物（Cu6Sn5+Cu3Sn）的生长为扩散控制机制。焊接时形成的扇贝状表面在时效时消失，这表明在垂直于界面方向上的生长机制变为稳定性增长，说明Ag3Sn有效降低了Cu6Sn5的生长动力。
研究了Sn-20Bi-0.7Cu-xAg焊料凝固和时效过程中的物相生长动力学。通过实验和数值分析相结合分析了Ag含量和时效条件对界面结构和生长的影响，实验中对Sn-20Bi-0.7Cu分别添加了质量分数0.1%、0.4%、0.7%、1.0%、1.5%的Ag。为验证焊接接头的服役可靠性，在85 ℃和85%的湿度条件下，将接头放置0、10、30、50、100、200和500 h。采用扫描电镜等设备分析时效过程中界面化合物的形貌、厚度和分布，分析了β-Sn的形核界面和取向。结果表明，焊料中Ag含量的增加可以抑制界面Cu6Sn5层的生长，等温时效期间金属间化合物（Cu6Sn5+Cu3Sn）的生长为扩散控制机制。焊接时形成的扇贝状表面在时效时消失，这表明在垂直于界面方向上的生长机制变为稳定性增长，说明Ag3Sn有效降低了Cu6Sn5的生长动力。
2023, 52(2):508-516.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220696
摘要:
通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、浸泡实验、析氢实验、电化学试验、拉伸试验等方法，研究了不同挤压温度（340、360、380、400 ℃）下，热挤压对铸态Mg-1Zn-0.3Zr-1Y-2Sn合金组织和性能的影响。结果表明：热挤压后，合金的第二相沿挤压方向破碎成颗粒，微观组织中存在动态再结晶和变形晶粒。随着挤压温度的升高，第二相的含量变化较小，动态再结晶晶粒尺寸逐渐增大。热挤压后，合金的力学性能得到改善，但其耐腐蚀性最终减弱。热挤压处理可以在腐蚀的早期阶段提高合金的耐腐蚀性能，但随着腐蚀的进行，在后期合金的耐蚀性能会降低。当热挤压温度为360 ℃时，合金具有较好的力学性能和耐腐蚀性能。
通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、浸泡实验、析氢实验、电化学试验、拉伸试验等方法，研究了不同挤压温度（340、360、380、400 ℃）下，热挤压对铸态Mg-1Zn-0.3Zr-1Y-2Sn合金组织和性能的影响。结果表明：热挤压后，合金的第二相沿挤压方向破碎成颗粒，微观组织中存在动态再结晶和变形晶粒。随着挤压温度的升高，第二相的含量变化较小，动态再结晶晶粒尺寸逐渐增大。热挤压后，合金的力学性能得到改善，但其耐腐蚀性最终减弱。热挤压处理可以在腐蚀的早期阶段提高合金的耐腐蚀性能，但随着腐蚀的进行，在后期合金的耐蚀性能会降低。当热挤压温度为360 ℃时，合金具有较好的力学性能和耐腐蚀性能。
2023, 52(2):517-526.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20220009
摘要:
采用等温热压缩实验研究了一种新型镍基高温合金在不同热变形条件下（变形温度1040~1120 ℃、应变量0.35~1.2、应变速率0.1 s-1）的动态再结晶行为。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）研究变形温度和应变量对合金热变形过程中组织演变和动态再结晶（DRX）形核机制的影响。结果表明，根据加工硬化率曲线能够准确确定DRX出现的临界应力和临界应变。合金的DRX晶粒体积分数随变形温度和应变量的增加而增加。在高温低应变速率下，不连续动态再结晶（DDRX）和连续动态再结晶（CDRX）形核机制同时发生。随着变形温度的升高，CDRX形核机制减弱，而CDRX机制在高温条件下占据主导。随着应变量的增加，合金中DDRX机制逐渐变强。热变形后期，CDRX仅作为辅助形核机制发挥作用。另外，Σ3孪晶界的形成有助于DRX晶粒的形核。
采用等温热压缩实验研究了一种新型镍基高温合金在不同热变形条件下（变形温度1040~1120 ℃、应变量0.35~1.2、应变速率0.1 s-1）的动态再结晶行为。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）研究变形温度和应变量对合金热变形过程中组织演变和动态再结晶（DRX）形核机制的影响。结果表明，根据加工硬化率曲线能够准确确定DRX出现的临界应力和临界应变。合金的DRX晶粒体积分数随变形温度和应变量的增加而增加。在高温低应变速率下，不连续动态再结晶（DDRX）和连续动态再结晶（CDRX）形核机制同时发生。随着变形温度的升高，CDRX形核机制减弱，而CDRX机制在高温条件下占据主导。随着应变量的增加，合金中DDRX机制逐渐变强。热变形后期，CDRX仅作为辅助形核机制发挥作用。另外，Σ3孪晶界的形成有助于DRX晶粒的形核。
2023, 52(2):527-534.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220513
摘要:
目的 研究稀土Ce与AlCrNbTiV高熵合金磁控共溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层500 ℃下的摩擦学性能。方法 采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的表面形貌、成份、物相和价态。通过纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果 采用磁控溅射技术可以制备出性能良好的(AlCrNbTiVCe)N涂层,Ce的引入改善了涂层微观组织和结构,增强了涂层的硬度,提高了涂层的抗塑性变形能力和抗弹性变形能力,进而使涂层具有良好的摩擦磨损性能。在常温下(AlCrNbTiVCe)N涂层的摩擦因数和磨损率与未含Ce的(AlCrNbTiV)N涂层相比均显著降低,其磨损机制为轻微的磨粒磨损和粘着磨损；在500 ℃下(AlCrNbTiVCe)N涂层具有比常温下更低的摩擦因数,其磨损机制以氧化磨损为主,这是由于涂层表面存在CeO2,起到了改善涂层摩擦性能的作用。结论 在磁控溅射工艺中引入Ce元素,可以获得摩擦学性能优良的(AlCrNbTiVCe)N涂层。
目的 研究稀土Ce与AlCrNbTiV高熵合金磁控共溅射(AlCrNbTiVCe)N涂层500 ℃下的摩擦学性能。方法 采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征涂层的表面形貌、成份、物相和价态。通过纳米压痕仪、球盘式摩擦磨损试验机和白光干涉三维形貌仪测试涂层的力学性能和摩擦学性能。结果 采用磁控溅射技术可以制备出性能良好的(AlCrNbTiVCe)N涂层,Ce的引入改善了涂层微观组织和结构,增强了涂层的硬度,提高了涂层的抗塑性变形能力和抗弹性变形能力,进而使涂层具有良好的摩擦磨损性能。在常温下(AlCrNbTiVCe)N涂层的摩擦因数和磨损率与未含Ce的(AlCrNbTiV)N涂层相比均显著降低,其磨损机制为轻微的磨粒磨损和粘着磨损；在500 ℃下(AlCrNbTiVCe)N涂层具有比常温下更低的摩擦因数,其磨损机制以氧化磨损为主,这是由于涂层表面存在CeO2,起到了改善涂层摩擦性能的作用。结论 在磁控溅射工艺中引入Ce元素,可以获得摩擦学性能优良的(AlCrNbTiVCe)N涂层。
2023, 52(2):535-543.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211146
摘要:
采用“C/N+Mn代Ni”的合金设计方法,制备出了一种具有良好热加工性能的低镍双相不锈钢21Cr-DSS,并研究了固溶处理工艺对新钢种微观组织、强韧性及耐点蚀性能的影响。结果表明：21Cr-DSS在热轧过程中铁素体比奥氏体更容易发生动态软化。固溶温度比保温时间对21Cr-DSS中两相比例的影响更明显,且奥氏体晶粒尺寸稳定性优于铁素体。随固溶温度升高,21Cr-DSS的强韧性得到改善,但当温度超过1100°C后,强韧性下降。在1050°C固溶处理30min时,21Cr-DSS具有最佳的综合性能,此时强塑积为58.9GPa%,-40°C低温冲击功为84J,在3.5%氯化钠溶液中的点蚀电位为0.43V。21Cr-DSS比常规LDX2101具有更优异的热加工性能和强韧性,且耐点蚀性能基本相当。与AISI 304奥氏体不锈钢相比,21Cr-DSS的强度和耐点蚀性能明显更优。
采用“C/N+Mn代Ni”的合金设计方法,制备出了一种具有良好热加工性能的低镍双相不锈钢21Cr-DSS,并研究了固溶处理工艺对新钢种微观组织、强韧性及耐点蚀性能的影响。结果表明：21Cr-DSS在热轧过程中铁素体比奥氏体更容易发生动态软化。固溶温度比保温时间对21Cr-DSS中两相比例的影响更明显,且奥氏体晶粒尺寸稳定性优于铁素体。随固溶温度升高,21Cr-DSS的强韧性得到改善,但当温度超过1100°C后,强韧性下降。在1050°C固溶处理30min时,21Cr-DSS具有最佳的综合性能,此时强塑积为58.9GPa%,-40°C低温冲击功为84J,在3.5%氯化钠溶液中的点蚀电位为0.43V。21Cr-DSS比常规LDX2101具有更优异的热加工性能和强韧性,且耐点蚀性能基本相当。与AISI 304奥氏体不锈钢相比,21Cr-DSS的强度和耐点蚀性能明显更优。
2023, 52(2):544-550.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211149
摘要:
通过定向凝固方法可以制备高质量的Mg3Sb2晶体,根据凝固理论计算了平界面生长临界速率,在此速率下可以有效抑制第二相Sb的析出。对不同的凝固速率下的Mg3Sb2晶体微观组织进行了分析,表明凝固速率为5ums-1时可以有效减少Mg空位的出现,并在晶体中获得过量Mg原子,有利于更好的提升热电性能。通过消除晶界和Ag元素掺杂有效提升了Mg3Sb2晶体的载流子迁移率和浓度,在测试温度区间(300-800K)内,最大电导率值可达309Scm-1,同时保持了较高的Seebeck系数值,从而获得了更好的电子传输性能(PFmax=1.2mWm-1K-2),通过Hall测试和第一性原理计算对此结果进行了验证。Ag掺杂浓度为2.5at%下相应的热电优值最高可以达到0.67,此方法为Mg3Sb2基热电材料性能优化提供了新的路径,也为制备高性能的Mg3(Sb, Bi)2三元合金提供参考。
通过定向凝固方法可以制备高质量的Mg3Sb2晶体,根据凝固理论计算了平界面生长临界速率,在此速率下可以有效抑制第二相Sb的析出。对不同的凝固速率下的Mg3Sb2晶体微观组织进行了分析,表明凝固速率为5ums-1时可以有效减少Mg空位的出现,并在晶体中获得过量Mg原子,有利于更好的提升热电性能。通过消除晶界和Ag元素掺杂有效提升了Mg3Sb2晶体的载流子迁移率和浓度,在测试温度区间(300-800K)内,最大电导率值可达309Scm-1,同时保持了较高的Seebeck系数值,从而获得了更好的电子传输性能(PFmax=1.2mWm-1K-2),通过Hall测试和第一性原理计算对此结果进行了验证。Ag掺杂浓度为2.5at%下相应的热电优值最高可以达到0.67,此方法为Mg3Sb2基热电材料性能优化提供了新的路径,也为制备高性能的Mg3(Sb, Bi)2三元合金提供参考。
2023, 52(2):551-558.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211148
摘要:
本文以等原子比CoCrNi中熵合金为基础，采用真空电弧熔炼炉制备了CoCrxNi(x=1.0, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0)中熵合金，研究了Cr元素含量对合金微观组织及力学性能的影响。结果表明：CoCrxNi(x=1.0, 1.5, 1.6)中熵合金为单一的面心立方相(FCC)；随着Cr元素含量增加，CoCrxNi(x=1.7, 1.8, 1.9, 2.0)中熵合金的FCC相基体中析出了体心立方相的富Cr条状组织；合金的强度、硬度随着Cr元素含量的增加而不断提高，但塑性恶化；与等原子比CoCrNi中熵合金相比，CoCr1.7Ni中熵合金在保持较高塑性的同时，强度、硬度显著提高。
本文以等原子比CoCrNi中熵合金为基础，采用真空电弧熔炼炉制备了CoCrxNi(x=1.0, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0)中熵合金，研究了Cr元素含量对合金微观组织及力学性能的影响。结果表明：CoCrxNi(x=1.0, 1.5, 1.6)中熵合金为单一的面心立方相(FCC)；随着Cr元素含量增加，CoCrxNi(x=1.7, 1.8, 1.9, 2.0)中熵合金的FCC相基体中析出了体心立方相的富Cr条状组织；合金的强度、硬度随着Cr元素含量的增加而不断提高，但塑性恶化；与等原子比CoCrNi中熵合金相比，CoCr1.7Ni中熵合金在保持较高塑性的同时，强度、硬度显著提高。
2023, 52(2):559-567.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211152
摘要:
对4mm镍基高温合金Inconel625薄板进行等离子弧焊实验,对比研究了3种不同焊接热输入下焊接接头各部分的微观组织、接头力学性能、断口形貌以及母材和焊缝的高温腐蚀行为。结果表明Inconel625等离子焊接接头组织是由母材的奥氏体等轴晶、焊缝融合线附近的胞状晶以及焊缝中心的树枝晶组成；在焊缝处有大量的碳化物和少量Laves相析出,使得焊接接头力学性能降低,韧性下降,焊缝成为接头薄弱环节；在焊接热输入为10.175KJ/cm时接头力学性能最优,抗拉强度为765.3MPa与母材的785.4MPa相当,延伸率为31.9%相较于母材的42.8%有所下降,试样断裂方式为发生在焊缝处的韧性断裂；母材和焊缝金属在750℃下24h熔盐腐蚀后腐蚀产物基本相同,主要为外层颗粒状NiO和Cr2O3以及NiCr2O4腐蚀层。
对4mm镍基高温合金Inconel625薄板进行等离子弧焊实验,对比研究了3种不同焊接热输入下焊接接头各部分的微观组织、接头力学性能、断口形貌以及母材和焊缝的高温腐蚀行为。结果表明Inconel625等离子焊接接头组织是由母材的奥氏体等轴晶、焊缝融合线附近的胞状晶以及焊缝中心的树枝晶组成；在焊缝处有大量的碳化物和少量Laves相析出,使得焊接接头力学性能降低,韧性下降,焊缝成为接头薄弱环节；在焊接热输入为10.175KJ/cm时接头力学性能最优,抗拉强度为765.3MPa与母材的785.4MPa相当,延伸率为31.9%相较于母材的42.8%有所下降,试样断裂方式为发生在焊缝处的韧性断裂；母材和焊缝金属在750℃下24h熔盐腐蚀后腐蚀产物基本相同,主要为外层颗粒状NiO和Cr2O3以及NiCr2O4腐蚀层。
2023, 52(2):568-574.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211157
摘要:
本文研究了Zn元素对均匀化态Mg-3Sn-Ca合金腐蚀性能的影响。 Mg-3Sn-Ca合金中主要由CaMgSn及Mg2Sn相组成,加入Zn元素后晶粒得到明显细化,第二相体积分数增加并呈弥散分布,并有Mg2Ca相析出。此外,本文采用浸泡实验、析氢测试分析了Mg-3Sn-Ca(TX31)和Mg-3Sn-Ca-Zn(TXZ311)两种合金的腐蚀速率。并通过电化学极化曲线和阻抗谱表征分析了TX31和TXZ311两种合金的耐蚀性能。结果表明, TXZ311合金具有更细小、均匀的晶粒及CaMgSn第二相,合金腐蚀膜层更加致密,这导致TZX311合金的耐蚀性远高于TX31合金。
本文研究了Zn元素对均匀化态Mg-3Sn-Ca合金腐蚀性能的影响。 Mg-3Sn-Ca合金中主要由CaMgSn及Mg2Sn相组成,加入Zn元素后晶粒得到明显细化,第二相体积分数增加并呈弥散分布,并有Mg2Ca相析出。此外,本文采用浸泡实验、析氢测试分析了Mg-3Sn-Ca(TX31)和Mg-3Sn-Ca-Zn(TXZ311)两种合金的腐蚀速率。并通过电化学极化曲线和阻抗谱表征分析了TX31和TXZ311两种合金的耐蚀性能。结果表明, TXZ311合金具有更细小、均匀的晶粒及CaMgSn第二相,合金腐蚀膜层更加致密,这导致TZX311合金的耐蚀性远高于TX31合金。
2023, 52(2):575-585.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211161
摘要:
采用合金熔炼—内氧化法制备了系列Cu改性AgSnO2In2O3电接触材料样品。利用温升试验台和电寿命型式试验系统对 Cu改性样品进行温升、电寿命性能评价,利用离位VR 3D投影技术、XRD与附带能谱的SEM等仪器对Cu改性样品的3D显微结构、物相组成、微观形貌及化学成分进行了表征,并探究其电寿命服役能力失效机制。结果表明：随着Cu掺杂量的增加,改性样品的显微组织从短小的类晶须状氧化物向细长的类纤维状氧化物组织转变,但当Cu掺杂量高达6.8 wt.%时,组织内部发生了“溶解-偏析”现象,大量氧化物颗粒优先在晶界处发生偏聚。改性AgSnO2In2O3触点材料的温升随着Cu掺杂量的增加呈先下降而后上升的变化态势,当铜掺杂量为2.15 wt.%时,其温升平均值低至76.558K。系列Cu改性AgSnO2In2O3材料的电寿命服役能力顺序如下：Cu (2.15) ＞Cu (1.65)＞Cu (1.1)＞Cu (3.4)＞Cu (4.0)＞Cu(6.8),相应的电寿命失效模式为熔焊,其主要原因在于电弧侵蚀过程中存在微裂纹、高比例 (Ag, Cu)组织或(Sn, Cu)组织富集以及大面积喷溅等失效特征。
采用合金熔炼—内氧化法制备了系列Cu改性AgSnO2In2O3电接触材料样品。利用温升试验台和电寿命型式试验系统对 Cu改性样品进行温升、电寿命性能评价,利用离位VR 3D投影技术、XRD与附带能谱的SEM等仪器对Cu改性样品的3D显微结构、物相组成、微观形貌及化学成分进行了表征,并探究其电寿命服役能力失效机制。结果表明：随着Cu掺杂量的增加,改性样品的显微组织从短小的类晶须状氧化物向细长的类纤维状氧化物组织转变,但当Cu掺杂量高达6.8 wt.%时,组织内部发生了“溶解-偏析”现象,大量氧化物颗粒优先在晶界处发生偏聚。改性AgSnO2In2O3触点材料的温升随着Cu掺杂量的增加呈先下降而后上升的变化态势,当铜掺杂量为2.15 wt.%时,其温升平均值低至76.558K。系列Cu改性AgSnO2In2O3材料的电寿命服役能力顺序如下：Cu (2.15) ＞Cu (1.65)＞Cu (1.1)＞Cu (3.4)＞Cu (4.0)＞Cu(6.8),相应的电寿命失效模式为熔焊,其主要原因在于电弧侵蚀过程中存在微裂纹、高比例 (Ag, Cu)组织或(Sn, Cu)组织富集以及大面积喷溅等失效特征。
2023, 52(2):586-592.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220004
摘要:
通过EBSD研究了Cu-1.6Ni-1.2Co-0.65Si合金板材在生产制备过程中织构的演变。结果表明：该合金固溶态试样的织构成分主要是α纤维织构的Brass织构，Goss织构，S织构及少量Copper织构。固溶后直接时效处理不改变试样的织构种类，但会显著降低Brass织构的强度，略微增强Copper织构的强度。冷轧变形态试样随着冷轧变形量的增加，Brass织构会逐渐取代其他原始类型织构，整体织构极密度增大，该合金加工硬化对于硬度的提升与Brass织构极密度的增加成正相关。500℃时效初期织构种类保持不变，织构整体极密度略微增大，随着时效时间的延长，整体织构的极密度逐渐下降，织构种类趋于分散。时效过程中织构极密度先增大后减小的趋势与硬度的变化规律相同；随着时效温度的增加，冷轧试样发生再结晶以及晶粒长大，Brass织构趋于分散，强度逐渐减弱，再结晶织构形成并逐渐集中，极密度强度逐渐增大。
通过EBSD研究了Cu-1.6Ni-1.2Co-0.65Si合金板材在生产制备过程中织构的演变。结果表明：该合金固溶态试样的织构成分主要是α纤维织构的Brass织构，Goss织构，S织构及少量Copper织构。固溶后直接时效处理不改变试样的织构种类，但会显著降低Brass织构的强度，略微增强Copper织构的强度。冷轧变形态试样随着冷轧变形量的增加，Brass织构会逐渐取代其他原始类型织构，整体织构极密度增大，该合金加工硬化对于硬度的提升与Brass织构极密度的增加成正相关。500℃时效初期织构种类保持不变，织构整体极密度略微增大，随着时效时间的延长，整体织构的极密度逐渐下降，织构种类趋于分散。时效过程中织构极密度先增大后减小的趋势与硬度的变化规律相同；随着时效温度的增加，冷轧试样发生再结晶以及晶粒长大，Brass织构趋于分散，强度逐渐减弱，再结晶织构形成并逐渐集中，极密度强度逐渐增大。
2023, 52(2):593-600.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20211154
摘要:
以BaCO3、ZnO、Ta2O5为原料，采用固相反应法制备了Ba(Zn1/3Ta2/3)O3（BZT）陶瓷材料。对BZT的物相结构、高温相稳定性、热导率、热膨胀系数和喷涂工艺适应性进行表征研究，并与同类Ba(Mg1/3Ta2/3)O3（BMT）、Ba(Ni1/3Ta2/3)O3（BNT）和Ba(Sr1/3Ta2/3)O3（BST）对比，以评价BZT作为热障涂层陶瓷层材料的应用潜力。结果表明，BZT在室温至1500 oC内无相变，且经1600 oC长时处理48 h后不分解，表现出良好的高温相稳定性；在1200 oC，BZT的热导率仅为1.65 W·m-1·K-1，明显低于BMT（2.59 W·m-1·K-1），BNT（2.56 W·m-1·K-1）和BST（2.11 W·m-1·K-1），呈现出更好的高温隔热能力；同时，BZT在200~1400 oC内的平均热膨胀系数为11.3×10-6 K-1，高于BNT（10.7×10-6 K-1）和BST（8.1×10-6 K-1）；由等离子喷涂制备的BZT涂层物相为单一的钙钛矿结构，所制备的YSZ/BZT双陶瓷层涂层层间结合良好。综合考虑，BZT陶瓷有望成为新型热障涂层的候选材料。
以BaCO3、ZnO、Ta2O5为原料，采用固相反应法制备了Ba(Zn1/3Ta2/3)O3（BZT）陶瓷材料。对BZT的物相结构、高温相稳定性、热导率、热膨胀系数和喷涂工艺适应性进行表征研究，并与同类Ba(Mg1/3Ta2/3)O3（BMT）、Ba(Ni1/3Ta2/3)O3（BNT）和Ba(Sr1/3Ta2/3)O3（BST）对比，以评价BZT作为热障涂层陶瓷层材料的应用潜力。结果表明，BZT在室温至1500 oC内无相变，且经1600 oC长时处理48 h后不分解，表现出良好的高温相稳定性；在1200 oC，BZT的热导率仅为1.65 W·m-1·K-1，明显低于BMT（2.59 W·m-1·K-1），BNT（2.56 W·m-1·K-1）和BST（2.11 W·m-1·K-1），呈现出更好的高温隔热能力；同时，BZT在200~1400 oC内的平均热膨胀系数为11.3×10-6 K-1，高于BNT（10.7×10-6 K-1）和BST（8.1×10-6 K-1）；由等离子喷涂制备的BZT涂层物相为单一的钙钛矿结构，所制备的YSZ/BZT双陶瓷层涂层层间结合良好。综合考虑，BZT陶瓷有望成为新型热障涂层的候选材料。
2023, 52(2):601-608.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220008
摘要:
采用溶胶-凝胶法合成了Sc掺杂La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8-xScxO3-?(LSCFScx, x=0, 0.04, 0.08)阴极粉体，系统分析了LSCFSc阴极材料的晶体结构、表面元素化学形态、催化活性及电化学性能。XRD结果表明，LSCF为立方结构，Sc3+掺杂后LSCFSc阴极材料由立方相向六方结构转变。LSCFSc阴极材料的电导率随着Sc3+的掺杂而降低，在300-800 ℃温度范围内LSCFSc0.08阴极样品的电导率仍大于100 S/cm。XPS结果表明Sc3+掺杂提高了LSCFSc阴极材料表面吸附氧(OAds)的含量，LSCFSc0.08阴极材料在800℃测得的极化面电阻RASR为0.026 Ω·cm2，相比LSCF阴极材料RASR降低了约87.6%，显著改善了LSCFSc阴极材料对氧气的吸附/解离能力，提升了对氧气的催化活性。以Ni-SDC为阳极材料，SDC为电解质，LSCFSc0.08为阴极材料组装成Ni-SDC|SDC|LSCFSc0.08阳极支撑型单电池，在800℃时最大功率密度为806mW/cm2，表明Sc3+掺杂可以显著提升阴极材料的电化学性能。
采用溶胶-凝胶法合成了Sc掺杂La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8-xScxO3-?(LSCFScx, x=0, 0.04, 0.08)阴极粉体，系统分析了LSCFSc阴极材料的晶体结构、表面元素化学形态、催化活性及电化学性能。XRD结果表明，LSCF为立方结构，Sc3+掺杂后LSCFSc阴极材料由立方相向六方结构转变。LSCFSc阴极材料的电导率随着Sc3+的掺杂而降低，在300-800 ℃温度范围内LSCFSc0.08阴极样品的电导率仍大于100 S/cm。XPS结果表明Sc3+掺杂提高了LSCFSc阴极材料表面吸附氧(OAds)的含量，LSCFSc0.08阴极材料在800℃测得的极化面电阻RASR为0.026 Ω·cm2，相比LSCF阴极材料RASR降低了约87.6%，显著改善了LSCFSc阴极材料对氧气的吸附/解离能力，提升了对氧气的催化活性。以Ni-SDC为阳极材料，SDC为电解质，LSCFSc0.08为阴极材料组装成Ni-SDC|SDC|LSCFSc0.08阳极支撑型单电池，在800℃时最大功率密度为806mW/cm2，表明Sc3+掺杂可以显著提升阴极材料的电化学性能。
2023, 52(2):609-616.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220026
摘要:
Al-Mg系（5系）铝合金具有良好的加工性、耐腐蚀性和焊接性等，但中等硬度限制了其耐磨性的发挥。本文在5系铝合金的主要元素Al-xMg-0.5Mn的基础上复合添加0.14wt.%Zr和0.35wt.%Er，研究稀土高镁铝合金中（Mg含量最高达9.28 wt.%）Mg含量对其显微组织及摩擦磨损性能的影响。随着Mg含量从2.96wt.%增加到9.28wt.%，Al-xMg-0.5Mn-0.14Zr-0.35Er合金中形成的(Al，Mg，Mn，Er，Zr)复合白色相不断增多，尺寸不断增大，由棒条状变成细小鱼骨状，最后形成均匀分布的粗大鱼骨状。随着Mg含量从2.96wt.%增加到9.28wt.%，Er、Mg元素经常“相伴偏聚”，主要以Al(ErxMg1-x)和Al(Erx(Mg，Mn)1-x)相形式存在，由块状复合相转变成均匀分布的(Al，Mg，Mn，Er)复合相，具有一定强化作用，可显著改善合金摩擦磨损性能。复合添加0.14wt.%Zr和0.35wt.%Er后，合金的磨损方式从粘着磨损及磨粒磨损的混合磨损（Mg含量在2.96wt.%-5.15wt.%）转变到磨粒磨损为主（Mg含量在5.7wt.%—9.28wt.%）。随着Mg含量从2.96wt.%增加到6.8wt.%，合金的耐磨性逐渐提高；当Mg含量增加到8.0wt.%—9.28wt.%时合金耐磨性趋于稳定，400s以后瞬时摩擦磨损系数μ达到1.11-1.15稳定值。
Al-Mg系（5系）铝合金具有良好的加工性、耐腐蚀性和焊接性等，但中等硬度限制了其耐磨性的发挥。本文在5系铝合金的主要元素Al-xMg-0.5Mn的基础上复合添加0.14wt.%Zr和0.35wt.%Er，研究稀土高镁铝合金中（Mg含量最高达9.28 wt.%）Mg含量对其显微组织及摩擦磨损性能的影响。随着Mg含量从2.96wt.%增加到9.28wt.%，Al-xMg-0.5Mn-0.14Zr-0.35Er合金中形成的(Al，Mg，Mn，Er，Zr)复合白色相不断增多，尺寸不断增大，由棒条状变成细小鱼骨状，最后形成均匀分布的粗大鱼骨状。随着Mg含量从2.96wt.%增加到9.28wt.%，Er、Mg元素经常“相伴偏聚”，主要以Al(ErxMg1-x)和Al(Erx(Mg，Mn)1-x)相形式存在，由块状复合相转变成均匀分布的(Al，Mg，Mn，Er)复合相，具有一定强化作用，可显著改善合金摩擦磨损性能。复合添加0.14wt.%Zr和0.35wt.%Er后，合金的磨损方式从粘着磨损及磨粒磨损的混合磨损（Mg含量在2.96wt.%-5.15wt.%）转变到磨粒磨损为主（Mg含量在5.7wt.%—9.28wt.%）。随着Mg含量从2.96wt.%增加到6.8wt.%，合金的耐磨性逐渐提高；当Mg含量增加到8.0wt.%—9.28wt.%时合金耐磨性趋于稳定，400s以后瞬时摩擦磨损系数μ达到1.11-1.15稳定值。
2023, 52(2):617-622.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220038
摘要:
采用直流电弧热等离子体对不规则TA1粉末进行球化处理。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、粒度粒形分析仪、霍尔流量计及氧氮分析仪等分析测试手段,研究球化工艺对粉末组织形貌、粒度、球形度、流动性、松装密度及氧含量的影响。结果表明,球化处理可将不规则形状TA1粉末球化为表面附着一层纳米颗粒的实心球形；粉末内部组织由等轴状α相转变为长条状α相。球化处理使TA1粉末平均粒径和氧含量降低,球形度升高。原料粉末粒度越小、等离子体发生器功率越高,球化后粉末平均粒径越小,球形度越高；但会导致球化后粉末中纳米颗粒含量升高、粉末流动性变差、松装密度降低；去除纳米颗粒可以提高粉末流动性,进一步降低氧含量。
采用直流电弧热等离子体对不规则TA1粉末进行球化处理。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、粒度粒形分析仪、霍尔流量计及氧氮分析仪等分析测试手段,研究球化工艺对粉末组织形貌、粒度、球形度、流动性、松装密度及氧含量的影响。结果表明,球化处理可将不规则形状TA1粉末球化为表面附着一层纳米颗粒的实心球形；粉末内部组织由等轴状α相转变为长条状α相。球化处理使TA1粉末平均粒径和氧含量降低,球形度升高。原料粉末粒度越小、等离子体发生器功率越高,球化后粉末平均粒径越小,球形度越高；但会导致球化后粉末中纳米颗粒含量升高、粉末流动性变差、松装密度降低；去除纳米颗粒可以提高粉末流动性,进一步降低氧含量。
2023, 52(2):630-638.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220048
摘要:
高Al、Ti含量镍基变形高温合金开坯塑性的严重恶化已经成为制约其广泛应用的瓶颈。这类合金的热塑性特征受γ′析出相的显著影响,但以往关于γ′对其热变形行为影响的研究均未考虑晶界强化元素的干扰。本文制备了一种不含C、B、Zr等晶界强化元素的高Al+Ti镍基变形高温合金铸锭并对其进行了充分的均匀化处理,重点研究了该合金在1060℃(γ/γ′双相区)和1170℃(γ单相区)的塑性变形行为。结果表明,γ单相区的变形抗力远小于γ/γ′双相区,且γ单相区的热塑性明显更好。有趣的是在γ单相区的流变曲线上出现了明显的屈服降现象,而在γ/γ′双相区并未出现。这可能由于在γ单相区有更多Al、Ti被释放,这些以溶质形式存在的Al、Ti能有效阻碍位错移动并最终将其锁定。在γ/γ′双相区和γ单相区开裂的模式均为沿晶开裂,说明在热加工过程中这类合金的晶界是最薄弱环节。当对数应变达到0.36时在γ/γ′双相区和γ单相区均已发生不连续动态再结晶(DDRX),且随着应变的增大DRX晶粒数量明显增多,但晶粒尺寸无明显变化。由于一次γ′对晶界具有钉扎作用,γ单相区的DRX晶粒尺寸明显大于γ/γ′双相区,但前者DRX晶粒的颗粒密度明显更小。总之,γ单相区变形抗力明显更低且热塑性更好的主要原因是,其DRX晶粒的快速长大会迅速降低原始晶界附近的位错密度。
高Al、Ti含量镍基变形高温合金开坯塑性的严重恶化已经成为制约其广泛应用的瓶颈。这类合金的热塑性特征受γ′析出相的显著影响,但以往关于γ′对其热变形行为影响的研究均未考虑晶界强化元素的干扰。本文制备了一种不含C、B、Zr等晶界强化元素的高Al+Ti镍基变形高温合金铸锭并对其进行了充分的均匀化处理,重点研究了该合金在1060℃(γ/γ′双相区)和1170℃(γ单相区)的塑性变形行为。结果表明,γ单相区的变形抗力远小于γ/γ′双相区,且γ单相区的热塑性明显更好。有趣的是在γ单相区的流变曲线上出现了明显的屈服降现象,而在γ/γ′双相区并未出现。这可能由于在γ单相区有更多Al、Ti被释放,这些以溶质形式存在的Al、Ti能有效阻碍位错移动并最终将其锁定。在γ/γ′双相区和γ单相区开裂的模式均为沿晶开裂,说明在热加工过程中这类合金的晶界是最薄弱环节。当对数应变达到0.36时在γ/γ′双相区和γ单相区均已发生不连续动态再结晶(DDRX),且随着应变的增大DRX晶粒数量明显增多,但晶粒尺寸无明显变化。由于一次γ′对晶界具有钉扎作用,γ单相区的DRX晶粒尺寸明显大于γ/γ′双相区,但前者DRX晶粒的颗粒密度明显更小。总之,γ单相区变形抗力明显更低且热塑性更好的主要原因是,其DRX晶粒的快速长大会迅速降低原始晶界附近的位错密度。
2023, 52(2):639-644.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220052
摘要:
以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,开展了热机载荷作用下TGO厚度和界面形貌对系统应力分布的影响研究。结果表明：TGO的厚度与其界面粗糙度均会对系统的Mises应力分布产生影响,但是与TGO厚度相比,粗糙度对TGO/BC界面靠近波峰处的Mises应力影响更加显著。此外,在TGO界面幅值和波长一定的条件下,不同的界面波形排列不会直接影响系统TGO/BC界面波峰处的Mises峰值应力；由于幅值和波长变化有效地改变了TGO界面的曲率,它们是控制涂层双管系统TGO/BC界面应力分布的关键特征参量。
以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,开展了热机载荷作用下TGO厚度和界面形貌对系统应力分布的影响研究。结果表明：TGO的厚度与其界面粗糙度均会对系统的Mises应力分布产生影响,但是与TGO厚度相比,粗糙度对TGO/BC界面靠近波峰处的Mises应力影响更加显著。此外,在TGO界面幅值和波长一定的条件下,不同的界面波形排列不会直接影响系统TGO/BC界面波峰处的Mises峰值应力；由于幅值和波长变化有效地改变了TGO界面的曲率,它们是控制涂层双管系统TGO/BC界面应力分布的关键特征参量。
2023, 52(2):645-650.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220054
摘要:
本文介绍了等离子体喷涂钨涂层和粉末冶金钨氧化镧合金面对等离子体材料的制备,并对其进行了性能分析,主要包括微观结构、杂质含量、气孔大小及气孔率分布、结合强度、热导率以及热负荷疲劳性能和承受能力。结果显示：真空等离子体喷涂钨涂层性能比大气喷涂钨涂层性能优越,是更为合适的钨涂层制备技术。真空喷涂钨涂层具有较低的气孔率、较高的热导率、较低的杂质含量和较优异的热负荷性能,能够承受10MW/m2、100周次疲劳测试。氧化镧弥散掺杂相具有钉扎作用,能够抑制钨烧结过程中的长大,有效提高钨材料强度,改善热负荷性能,W-1wt.%La2O3材料能够承受6MW/m2的热负荷。
本文介绍了等离子体喷涂钨涂层和粉末冶金钨氧化镧合金面对等离子体材料的制备,并对其进行了性能分析,主要包括微观结构、杂质含量、气孔大小及气孔率分布、结合强度、热导率以及热负荷疲劳性能和承受能力。结果显示：真空等离子体喷涂钨涂层性能比大气喷涂钨涂层性能优越,是更为合适的钨涂层制备技术。真空喷涂钨涂层具有较低的气孔率、较高的热导率、较低的杂质含量和较优异的热负荷性能,能够承受10MW/m2、100周次疲劳测试。氧化镧弥散掺杂相具有钉扎作用,能够抑制钨烧结过程中的长大,有效提高钨材料强度,改善热负荷性能,W-1wt.%La2O3材料能够承受6MW/m2的热负荷。
2023, 52(2):651-657.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220055
摘要:
以乙酸锌、锡酸钠、氟化铵为原料,利用NH4F刻蚀,采用水热法制备了尺寸250nm的空心结构的ZnSn(OH)6立方体,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、荧光光谱(PL)等来表征ZnSn(OH)6的晶体结构、形貌和光学性能,通过降解亚甲基蓝(MB)来探索不同水热时间制备的ZnSn(OH)6的光催化性能。研究发现,水热2h制备的ZnSn(OH)6具有完整的空心结构,对甲基蓝(MB)在可见光下降解效率为150 min降解97.4 %。说明空心ZnSn(OH)6立方体光催化材料是一种具有前景的可见光催化降解材料。
以乙酸锌、锡酸钠、氟化铵为原料,利用NH4F刻蚀,采用水热法制备了尺寸250nm的空心结构的ZnSn(OH)6立方体,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、荧光光谱(PL)等来表征ZnSn(OH)6的晶体结构、形貌和光学性能,通过降解亚甲基蓝(MB)来探索不同水热时间制备的ZnSn(OH)6的光催化性能。研究发现,水热2h制备的ZnSn(OH)6具有完整的空心结构,对甲基蓝(MB)在可见光下降解效率为150 min降解97.4 %。说明空心ZnSn(OH)6立方体光催化材料是一种具有前景的可见光催化降解材料。
2023, 52(2):658-666.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220056
摘要:
本文研究了固溶+等温时效及固溶+随炉冷却两种不同热处理工艺下Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr合金的低周疲劳行为。结果显示：固溶+等温时效处理后的到的M1合金显微组织中含有短棒状的晶内α相以及连续晶界α相；固溶+随炉冷却处理后得到的M2合金显微组织中含有细长针状的晶内α相、连续晶界α相以及WGB α相。在0.6%、0.7%和0.8%的较低应变幅下M1合金和M2合金均呈现出循环稳定的现象,晶内α相间距较小的M2合金呈现出较高的应力幅值；在1.0%的较高应变幅下,由于背应力和摩擦应力的竞争机制,导致M1合金和M2合金均呈现循环软化现象。在0.9%和1.0%的较高应变幅下M2合金的背应力硬化速率相对较小,其循环软化现象更加明显,其应力幅值相对较低。M2合金的晶内α相将基体分割为若干“封闭单元”且β晶界处形成了向晶内平行生长的WGB α相,导致其低周疲劳寿命均低于M1合金。
本文研究了固溶+等温时效及固溶+随炉冷却两种不同热处理工艺下Ti-6Mo-5V-3Al-2Fe-2Zr合金的低周疲劳行为。结果显示：固溶+等温时效处理后的到的M1合金显微组织中含有短棒状的晶内α相以及连续晶界α相；固溶+随炉冷却处理后得到的M2合金显微组织中含有细长针状的晶内α相、连续晶界α相以及WGB α相。在0.6%、0.7%和0.8%的较低应变幅下M1合金和M2合金均呈现出循环稳定的现象,晶内α相间距较小的M2合金呈现出较高的应力幅值；在1.0%的较高应变幅下,由于背应力和摩擦应力的竞争机制,导致M1合金和M2合金均呈现循环软化现象。在0.9%和1.0%的较高应变幅下M2合金的背应力硬化速率相对较小,其循环软化现象更加明显,其应力幅值相对较低。M2合金的晶内α相将基体分割为若干“封闭单元”且β晶界处形成了向晶内平行生长的WGB α相,导致其低周疲劳寿命均低于M1合金。
2023, 52(2):667-674.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220057
摘要:
本文采用冷坩埚悬浮熔炼法制备了Al0.3CoCrFeNiBx (x=0,0.01,0.05,0.1)系列高熵合金。利用X射线衍射仪、电子背散射衍射分析、扫描电子显微镜及附带的波谱仪分析了B的添加对Al0.3CoCrFeNi合金组织结构的影响,研究了Al0.3CoCrFeNiBx合金的显微硬度、室温摩擦磨损性能及室温压缩性能。结果表明：Al0.3CoCrFeNi合金为FCC结构,随着B含量的增加,FCC相基体中晶界处Cr2B析出相逐渐增多,且Cr2B相由颗粒状分布逐渐转变为连续网状分布,致使合金的硬度、耐磨性和屈服强度均逐渐提高。可见,Cr2B析出相弥散强化作用显著,Al0.3CoCrFeNiB0.1综合性能更佳。
本文采用冷坩埚悬浮熔炼法制备了Al0.3CoCrFeNiBx (x=0,0.01,0.05,0.1)系列高熵合金。利用X射线衍射仪、电子背散射衍射分析、扫描电子显微镜及附带的波谱仪分析了B的添加对Al0.3CoCrFeNi合金组织结构的影响,研究了Al0.3CoCrFeNiBx合金的显微硬度、室温摩擦磨损性能及室温压缩性能。结果表明：Al0.3CoCrFeNi合金为FCC结构,随着B含量的增加,FCC相基体中晶界处Cr2B析出相逐渐增多,且Cr2B相由颗粒状分布逐渐转变为连续网状分布,致使合金的硬度、耐磨性和屈服强度均逐渐提高。可见,Cr2B析出相弥散强化作用显著,Al0.3CoCrFeNiB0.1综合性能更佳。
2023, 52(2):675-684.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220058
摘要:
本文采用微弧氧化技术在Ti-13Nb-13Zr合金表面制备HA/TiO2复合涂层。通过改变电解液中Ca/P比值，研究不同Ca/P比对微弧氧化涂层的相组成及组织变化，以及对耐磨性、耐蚀性与体外生物活性的影响。 结果表明： 随着电解液Ca/P比增大，涂层粗糙度及孔隙率增大。涂层相组成以锐钛矿及金红石为主，金红石相含量随着电解液Ca/P比增大而增大。乙酸钙含量为35g/L的电解液制备的CA35涂层厚度达80.59 μm，表面Ca/P比为1.98，表现出最好的耐磨耐蚀性能。与基体相比，CA35涂层平均摩擦系数约为0.19，下降了43%。采用Pt参比电极和0.9 wt% NaCl测试溶液对涂层的耐蚀性进行检测。CA35涂层的腐蚀电流密度为4.94 μA/cm2，腐蚀电位为-221.71 mV。CA35涂层在Kokubo 溶液中产生矿化产物的速度最快。 研究发现适当提高电解液Ca/P比能有效促进HA的形成，提高涂层的耐磨耐蚀性能，过高的Ca/P比会导致涂层性能下降。此外，本文对Ca/P比对涂层性能的影响机理进行了探讨。
本文采用微弧氧化技术在Ti-13Nb-13Zr合金表面制备HA/TiO2复合涂层。通过改变电解液中Ca/P比值，研究不同Ca/P比对微弧氧化涂层的相组成及组织变化，以及对耐磨性、耐蚀性与体外生物活性的影响。 结果表明： 随着电解液Ca/P比增大，涂层粗糙度及孔隙率增大。涂层相组成以锐钛矿及金红石为主，金红石相含量随着电解液Ca/P比增大而增大。乙酸钙含量为35g/L的电解液制备的CA35涂层厚度达80.59 μm，表面Ca/P比为1.98，表现出最好的耐磨耐蚀性能。与基体相比，CA35涂层平均摩擦系数约为0.19，下降了43%。采用Pt参比电极和0.9 wt% NaCl测试溶液对涂层的耐蚀性进行检测。CA35涂层的腐蚀电流密度为4.94 μA/cm2，腐蚀电位为-221.71 mV。CA35涂层在Kokubo 溶液中产生矿化产物的速度最快。 研究发现适当提高电解液Ca/P比能有效促进HA的形成，提高涂层的耐磨耐蚀性能，过高的Ca/P比会导致涂层性能下降。此外，本文对Ca/P比对涂层性能的影响机理进行了探讨。
2023, 52(2):685-691.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220061
摘要:
在800℃下对Ti2AlNb基合金进行等温多向锻造,采用SEM、XRD、EBSD和硬度测试等定量分析了不同变形道次下合金微观组织和显微硬度的变化规律,揭示了板条O相的动态球化行为和合金硬化机制。结果表明：随变形道次的增加,初始粗大板条O相先后经历了动态机械破碎和动态再结晶两种细化机制,板条完全球化主要发生在3道次变形过程中；板条O相的动态球化过程伴随着弯曲、扭折、剪切和晶粒撕裂这四种变形行为,后两类变形的机制可概括为：O/O相界分离、B2相嵌入、O相分离和O相球化；3道次变形后初始板条O相细化至1.3μm的等轴组织,细小等轴O相含量高达68.84%,此时合金硬度较初始样提高了103.55HV,晶界硬化机制的贡献占比为64%。
在800℃下对Ti2AlNb基合金进行等温多向锻造,采用SEM、XRD、EBSD和硬度测试等定量分析了不同变形道次下合金微观组织和显微硬度的变化规律,揭示了板条O相的动态球化行为和合金硬化机制。结果表明：随变形道次的增加,初始粗大板条O相先后经历了动态机械破碎和动态再结晶两种细化机制,板条完全球化主要发生在3道次变形过程中；板条O相的动态球化过程伴随着弯曲、扭折、剪切和晶粒撕裂这四种变形行为,后两类变形的机制可概括为：O/O相界分离、B2相嵌入、O相分离和O相球化；3道次变形后初始板条O相细化至1.3μm的等轴组织,细小等轴O相含量高达68.84%,此时合金硬度较初始样提高了103.55HV,晶界硬化机制的贡献占比为64%。
2023, 52(2):692-698.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220063
摘要:
采用搅拌摩擦加工（FSP）技术对铸态Mg-Zn合金进行表面处理，以提高其耐空蚀—腐蚀性能。使用SEM、EDS、XRD、显微硬度计观察和测定表面改性层的显微组织、元素分布、相组成和显微硬度，使用超声振动空蚀设备和电化学工作站研究其空蚀—腐蚀性能。结果表明：FSP技术能够细化和均匀铸态组织，消除成分偏析，提高材料表面硬度。FSP合金在人工海水中更易形成腐蚀产物膜，其保护性能更优，是FSP样品耐腐蚀性能提升的主要原因。铸态样品经FSP改性后硬度依然较低，故蒸馏水条件下的耐空蚀性能未获提升，但改性后合金良好的耐腐蚀性能提升了其在人工海水条件下的耐空蚀性能。
采用搅拌摩擦加工（FSP）技术对铸态Mg-Zn合金进行表面处理，以提高其耐空蚀—腐蚀性能。使用SEM、EDS、XRD、显微硬度计观察和测定表面改性层的显微组织、元素分布、相组成和显微硬度，使用超声振动空蚀设备和电化学工作站研究其空蚀—腐蚀性能。结果表明：FSP技术能够细化和均匀铸态组织，消除成分偏析，提高材料表面硬度。FSP合金在人工海水中更易形成腐蚀产物膜，其保护性能更优，是FSP样品耐腐蚀性能提升的主要原因。铸态样品经FSP改性后硬度依然较低，故蒸馏水条件下的耐空蚀性能未获提升，但改性后合金良好的耐腐蚀性能提升了其在人工海水条件下的耐空蚀性能。
2023, 52(2):699-709.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220067
摘要:
本工作研究了热处理工艺对一种新型第三代镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)的γ"相组织的影响规律。主要探究了亚固溶热处理的温度、保温时间、冷却速度，以及过固溶+亚固溶、亚固溶+亚固溶对γ"相的影响。结果表明：亚固溶温度越接近γ"相固溶温度，回溶越多；γ"相的回溶倾向与尺寸成反比；晶内未回溶的γ"相尺寸与保温时间呈正比，数量与保温时间呈反比；晶界γ"相尺寸随保温时间增加而增大；γ"相总体积分数随保温时间增加没有明显变化；使用较快的冷速可使晶内重新析出细小的单模组织；使用较慢的冷速可使晶内重新析出多模组织；回溶析出的γ"相尺寸与冷却速度成反比；过固溶+亚固溶热处理后的组织主要受亚固溶热处理的温度和冷速影响，温度越低，晶内的矩形γ"相越多；小尺寸球形γ"相在高温阶段会粗化成矩形，受γ/γ"相的错配度绝对值影响；亚固溶+亚固溶热处理的组织受温度影响较大，根据温度的不同，γ"相组织会有各种变化。
本工作研究了热处理工艺对一种新型第三代镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)的γ"相组织的影响规律。主要探究了亚固溶热处理的温度、保温时间、冷却速度，以及过固溶+亚固溶、亚固溶+亚固溶对γ"相的影响。结果表明：亚固溶温度越接近γ"相固溶温度，回溶越多；γ"相的回溶倾向与尺寸成反比；晶内未回溶的γ"相尺寸与保温时间呈正比，数量与保温时间呈反比；晶界γ"相尺寸随保温时间增加而增大；γ"相总体积分数随保温时间增加没有明显变化；使用较快的冷速可使晶内重新析出细小的单模组织；使用较慢的冷速可使晶内重新析出多模组织；回溶析出的γ"相尺寸与冷却速度成反比；过固溶+亚固溶热处理后的组织主要受亚固溶热处理的温度和冷速影响，温度越低，晶内的矩形γ"相越多；小尺寸球形γ"相在高温阶段会粗化成矩形，受γ/γ"相的错配度绝对值影响；亚固溶+亚固溶热处理的组织受温度影响较大，根据温度的不同，γ"相组织会有各种变化。
2023, 52(2):710-718.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220068
摘要:
对TB17钛合金进行了亚β固溶处理(固溶温度800℃-835℃,固溶时间0.5h-9h),采用电子探针分析了Al、Mo、Nb元素在初生α相和β基体中的分布,研究了合金亚β固溶时初生α相析出、元素重分布规律及其对时效次生相的影响。结果表明,合金亚β温度固溶时以晶内析出针状初生α相为主,晶界析出少量片层状初生α相。初生α相析出量随亚β固溶温度升高而降低,固溶温度高于825℃时基本不析出α相。初生α相尺寸随固溶时间延长而增大,固溶时间超过2h后,初生α相析出量达到稳态。Al元素倾向于在初生α相中富集,Mo和Nb元素则倾向于β基体富集。初生α相中心部位Al元素浓度较高,边缘部位较低,而Mo和Nb元素中心部位则浓度较低,边缘部位较高。增加初生α相析出量,会使β基体Al浓度降低,Mo、Nb元素浓度升高。初生α相较少(2%)时初生α相周围的次生α相以针状或片层状形貌为主,远离初生α相区域的次生α相以似网篮结构为主,初生α相较多(10%)时次生α相均以片层状形貌为主。
对TB17钛合金进行了亚β固溶处理(固溶温度800℃-835℃,固溶时间0.5h-9h),采用电子探针分析了Al、Mo、Nb元素在初生α相和β基体中的分布,研究了合金亚β固溶时初生α相析出、元素重分布规律及其对时效次生相的影响。结果表明,合金亚β温度固溶时以晶内析出针状初生α相为主,晶界析出少量片层状初生α相。初生α相析出量随亚β固溶温度升高而降低,固溶温度高于825℃时基本不析出α相。初生α相尺寸随固溶时间延长而增大,固溶时间超过2h后,初生α相析出量达到稳态。Al元素倾向于在初生α相中富集,Mo和Nb元素则倾向于β基体富集。初生α相中心部位Al元素浓度较高,边缘部位较低,而Mo和Nb元素中心部位则浓度较低,边缘部位较高。增加初生α相析出量,会使β基体Al浓度降低,Mo、Nb元素浓度升高。初生α相较少(2%)时初生α相周围的次生α相以针状或片层状形貌为主,远离初生α相区域的次生α相以似网篮结构为主,初生α相较多(10%)时次生α相均以片层状形貌为主。
2023, 52(2):719-727.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220069
摘要:
使用真空电弧炉熔炼出TiZrHf中熵合金和纯Ti,利用冷轧及退火得到再结晶后的等轴晶粒,并采用 X射线衍射方法研究其相组成；使用扫描电镜和EBSD对TiZrHf合金和纯Ti组织进行表征并进行滑移迹线分析。结果表明: TiZrHf合金与纯Ti都为单相HCP结构且轴比接近,经再结晶后织构类型都为基面织构。在室温下沿RD拉伸变形10%时,TiZrHf合金的锥面滑移开动比例为26%,接近纯Ti中锥面滑移晶粒占比的两倍,且生成{10-12}拉伸孪晶的数量明显多于纯Ti。
使用真空电弧炉熔炼出TiZrHf中熵合金和纯Ti,利用冷轧及退火得到再结晶后的等轴晶粒,并采用 X射线衍射方法研究其相组成；使用扫描电镜和EBSD对TiZrHf合金和纯Ti组织进行表征并进行滑移迹线分析。结果表明: TiZrHf合金与纯Ti都为单相HCP结构且轴比接近,经再结晶后织构类型都为基面织构。在室温下沿RD拉伸变形10%时,TiZrHf合金的锥面滑移开动比例为26%,接近纯Ti中锥面滑移晶粒占比的两倍,且生成{10-12}拉伸孪晶的数量明显多于纯Ti。
2023, 52(2):728-736.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220077
摘要:
为了实现稀土单晶高温合金中稀土含量的稳定控制，明确稀土元素在熔炼过程中参与的坩埚界面反应机理，研究了熔炼时间对含Y高温合金CMSX-4与Al2O3陶瓷坩埚在真空感应熔炼过程中的界面反应和稀土Y收得率的影响。实验结果表明：随着熔炼时间的延长界面反应加剧，熔炼过程中Y首先与Al2O3陶瓷基体发生反应生成Y2O3，生成的Y2O3会继续与Al2O3发生反应生成Y、Al原子比不同的铝酸钇反应层，最终坩埚表面形成的界面反应产物由外层的YAlO3、内层的Y3Al5O12(Y3Al2(AlO4)3) 以及附着的高温合金组成。熔炼10~30min时合金中稀土Y收得量为41.023、4.566和5.368ppm。
为了实现稀土单晶高温合金中稀土含量的稳定控制，明确稀土元素在熔炼过程中参与的坩埚界面反应机理，研究了熔炼时间对含Y高温合金CMSX-4与Al2O3陶瓷坩埚在真空感应熔炼过程中的界面反应和稀土Y收得率的影响。实验结果表明：随着熔炼时间的延长界面反应加剧，熔炼过程中Y首先与Al2O3陶瓷基体发生反应生成Y2O3，生成的Y2O3会继续与Al2O3发生反应生成Y、Al原子比不同的铝酸钇反应层，最终坩埚表面形成的界面反应产物由外层的YAlO3、内层的Y3Al5O12(Y3Al2(AlO4)3) 以及附着的高温合金组成。熔炼10~30min时合金中稀土Y收得量为41.023、4.566和5.368ppm。
2023, 52(2):737-744.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220086
摘要:
对于能量沉积技术,离子轰击是独立于晶粒尺寸之外影响残余应力的重要因素,沉积束流能量和通量是决定残余应力演化的关键参数。本文分别采用高功率调制脉冲磁控溅射 (Modulated Pulsed Power magnetron sputtering, MPPMS) 和高功率深振荡磁控溅射 (Deep Oscillation magnetron sputtering, DOMS) 控制沉积Cr薄膜的束流能量和通量,在相近的平均功率下调节微脉冲参数对峰值电流和峰值电压进行控制,进而实现离子轰击对本征残余应力控制。MPPMS和DOMS沉积的Cr薄膜厚度分别控制在 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5 和 3.0 μm,并对残余应力进行对比研究。所有沉积的Cr薄膜均呈现 Cr(110) 择优取向,且形成了晶粒尺寸相当的致密T区结构。较之MPPMS,DOMS沉积Cr薄膜更呈现残余压应力特征。当Cr薄膜小于0.5 μm时,DOMS沉积Cr薄膜的残余应力表现出较高的压应力；进一步增加膜厚,残余应力逐渐受残余拉应力控制。在薄膜生长过程中,离子轰击在薄膜生长初期对残余应力贡献不大,当薄膜生长较厚时,离子能量对薄膜残余应力影响明显。离子能量是影响残余压应力形成的重要因素,高能量离子轰击有利于残余压应力的形成和控制。
对于能量沉积技术,离子轰击是独立于晶粒尺寸之外影响残余应力的重要因素,沉积束流能量和通量是决定残余应力演化的关键参数。本文分别采用高功率调制脉冲磁控溅射 (Modulated Pulsed Power magnetron sputtering, MPPMS) 和高功率深振荡磁控溅射 (Deep Oscillation magnetron sputtering, DOMS) 控制沉积Cr薄膜的束流能量和通量,在相近的平均功率下调节微脉冲参数对峰值电流和峰值电压进行控制,进而实现离子轰击对本征残余应力控制。MPPMS和DOMS沉积的Cr薄膜厚度分别控制在 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5 和 3.0 μm,并对残余应力进行对比研究。所有沉积的Cr薄膜均呈现 Cr(110) 择优取向,且形成了晶粒尺寸相当的致密T区结构。较之MPPMS,DOMS沉积Cr薄膜更呈现残余压应力特征。当Cr薄膜小于0.5 μm时,DOMS沉积Cr薄膜的残余应力表现出较高的压应力；进一步增加膜厚,残余应力逐渐受残余拉应力控制。在薄膜生长过程中,离子轰击在薄膜生长初期对残余应力贡献不大,当薄膜生长较厚时,离子能量对薄膜残余应力影响明显。离子能量是影响残余压应力形成的重要因素,高能量离子轰击有利于残余压应力的形成和控制。
2023, 52(2):745-752.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220460
摘要:
生物医用材料具有优异的力学性能、稳定性及生物相容性等特点，被广泛应用于牙科、骨科、医疗器械等领域。但生物医用材料在使用中易出现各种感染问题，危害人体健康。微弧氧化能够在钛基、镁基等生物医用材料表面构建抗菌膜层，是有效解决感染问题的表面改性技术之一。本文概述了粒子掺入微弧氧化膜层的国内外研究现状及机理，重点综述了近年来Ag、Ag2O、Cu、CuO、ZnO及其它金属氧化物粒子掺入微弧氧化膜层构建抗菌表面的最新研究动态，阐述了粒子掺入对微弧氧化膜层耐蚀性、耐磨性的影响，并对粒子掺入微弧氧化抗菌膜层的应用和发展进行了展望。
生物医用材料具有优异的力学性能、稳定性及生物相容性等特点，被广泛应用于牙科、骨科、医疗器械等领域。但生物医用材料在使用中易出现各种感染问题，危害人体健康。微弧氧化能够在钛基、镁基等生物医用材料表面构建抗菌膜层，是有效解决感染问题的表面改性技术之一。本文概述了粒子掺入微弧氧化膜层的国内外研究现状及机理，重点综述了近年来Ag、Ag2O、Cu、CuO、ZnO及其它金属氧化物粒子掺入微弧氧化膜层构建抗菌表面的最新研究动态，阐述了粒子掺入对微弧氧化膜层耐蚀性、耐磨性的影响，并对粒子掺入微弧氧化抗菌膜层的应用和发展进行了展望。
2023, 52(2):763-769.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220412
摘要:
采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表征了变形态及不同温度退火的Cu-Nb复合线材的微观组织与织构演变,并利用纳米压痕研究了线材硬度随退火温度的变化规律。结果表明,在400-500 ℃退火时,Nb芯丝开始发生球化,纳米尺度Cu基体开始再结晶。退火后线材织构并没有明显变化,始终保持很强的平行于拉拔方向的<111>Cu//<110>Nb丝织构。分别用复合材料混合法则和约束层滑移(Confined layer slip, CLS)模型对纳米硬度值进行拟合。Nb芯丝球化前线材硬度可以通过约束层滑移模型拟合,退火温度超过800 ℃时硬度则符合复合材料混合定律。
采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表征了变形态及不同温度退火的Cu-Nb复合线材的微观组织与织构演变,并利用纳米压痕研究了线材硬度随退火温度的变化规律。结果表明,在400-500 ℃退火时,Nb芯丝开始发生球化,纳米尺度Cu基体开始再结晶。退火后线材织构并没有明显变化,始终保持很强的平行于拉拔方向的<111>Cu//<110>Nb丝织构。分别用复合材料混合法则和约束层滑移(Confined layer slip, CLS)模型对纳米硬度值进行拟合。Nb芯丝球化前线材硬度可以通过约束层滑移模型拟合,退火温度超过800 ℃时硬度则符合复合材料混合定律。
2023, 52(2):770-776.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220479
摘要:
研究不同连接温度对TC11合金直接扩散连接接头的显微组织和力学性能的影响,并与原始母材进行了比较。实验结果表明：TC11合金直接扩散连接的最优工艺参数为900 ℃/30 min/60 min,扩散接头界面处无孔洞,接头抗拉强度与原始TC11母材接近且塑性优于原始母材。对原始TC11母材和最优工艺参数下的扩散焊接头在室温下进行高周疲劳性能测试。与原始TC11母材相比,TC11合金直接扩散连接的疲劳性能降低,且所有接头断裂均发生在扩散结合界面处。通过观察疲劳断口结合界面的微观结构特征分析得出,扩散接头界面两侧母材的晶体取向差异使得疲劳裂纹萌生,这是降低接头疲劳性能的主要原因。
研究不同连接温度对TC11合金直接扩散连接接头的显微组织和力学性能的影响,并与原始母材进行了比较。实验结果表明：TC11合金直接扩散连接的最优工艺参数为900 ℃/30 min/60 min,扩散接头界面处无孔洞,接头抗拉强度与原始TC11母材接近且塑性优于原始母材。对原始TC11母材和最优工艺参数下的扩散焊接头在室温下进行高周疲劳性能测试。与原始TC11母材相比,TC11合金直接扩散连接的疲劳性能降低,且所有接头断裂均发生在扩散结合界面处。通过观察疲劳断口结合界面的微观结构特征分析得出,扩散接头界面两侧母材的晶体取向差异使得疲劳裂纹萌生,这是降低接头疲劳性能的主要原因。
2023, 52(2):777-784.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20220441
摘要:
FeCrAl合金优良的高温抗氧化性能使其成为反应堆燃料包壳的候选替代材料之一,然而Cr和Al的存在会对其力学性能产生负面影响,对反应堆的安全运行造成潜在风险。为了分析FeCrAl合金体系在微观尺度的变形机制,采用分子动力学方法研究了温度和应变速率两个重要影响因素下FeCrAl单晶的力学性能,对应力应变、缺陷分布、位错密度的变化及变形机制进行了讨论,分析了溶质原子对模拟结果的影响。结果表明,温度升高导致原子热运动加剧,促进了缺陷的形成和生长,降低了原子间相互作用,导致弹性模量和抗拉强度随温度的升高而降低。应变速率的升高导致弹性模量和抗拉强度降低,低应变速率的塑性变形机制主要孪生变形,中等应变速率下为位错滑移,高应变速率下为原子排列无序化的变形机制。温度和应变速率对α-Fe和FeCrAl具有相同的作用趋势,但与α-Fe相比,FeCrAl中的Cr和Al会产生明显的晶格畸变和应力集中,促进了缺陷和位错的形成和运动,降低材料的屈服强度和抗拉强度。基于计算结果,对FeCrAl单晶体系建立了基于F-B方程的本构模型,拓展了计算结果的应用范围。
FeCrAl合金优良的高温抗氧化性能使其成为反应堆燃料包壳的候选替代材料之一,然而Cr和Al的存在会对其力学性能产生负面影响,对反应堆的安全运行造成潜在风险。为了分析FeCrAl合金体系在微观尺度的变形机制,采用分子动力学方法研究了温度和应变速率两个重要影响因素下FeCrAl单晶的力学性能,对应力应变、缺陷分布、位错密度的变化及变形机制进行了讨论,分析了溶质原子对模拟结果的影响。结果表明,温度升高导致原子热运动加剧,促进了缺陷的形成和生长,降低了原子间相互作用,导致弹性模量和抗拉强度随温度的升高而降低。应变速率的升高导致弹性模量和抗拉强度降低,低应变速率的塑性变形机制主要孪生变形,中等应变速率下为位错滑移,高应变速率下为原子排列无序化的变形机制。温度和应变速率对α-Fe和FeCrAl具有相同的作用趋势,但与α-Fe相比,FeCrAl中的Cr和Al会产生明显的晶格畸变和应力集中,促进了缺陷和位错的形成和运动,降低材料的屈服强度和抗拉强度。基于计算结果,对FeCrAl单晶体系建立了基于F-B方程的本构模型,拓展了计算结果的应用范围。
