2024年第53卷第7期文章目次
2024, 53(7):1836-1844.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240084
摘要:
在不同的激光线能量条件下对TC17钛合金进行了焊接，采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉伸和疲劳试验机对接头的宏观形貌、微观组织和力学性能进行了对比研究。结果表明：随着激光线能量的增加，焊缝宏观形貌由Y型转变为X型、焊缝中气孔缺陷数量先增加后减少，气孔缺陷主要分布在焊缝的中下部。焊缝由柱状晶粒组成，柱状晶内部存在条形枝晶，枝晶间距随着线能量的增加而逐渐增大。热影响区由尺寸较小的等轴晶组成，随着激光线能量的增加，α相晶粒逐渐细化，而β相逐渐粗化。在拉伸和疲劳试验中，TC17激光焊接接头均断裂在焊缝。受焊缝内部枝晶尺寸的影响，抗拉伸强度随线能量的增加而降低。气孔是导致疲劳断裂的主要原因，气孔缺陷数量越少，则疲劳寿命越长。
在不同的激光线能量条件下对TC17钛合金进行了焊接，采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉伸和疲劳试验机对接头的宏观形貌、微观组织和力学性能进行了对比研究。结果表明：随着激光线能量的增加，焊缝宏观形貌由Y型转变为X型、焊缝中气孔缺陷数量先增加后减少，气孔缺陷主要分布在焊缝的中下部。焊缝由柱状晶粒组成，柱状晶内部存在条形枝晶，枝晶间距随着线能量的增加而逐渐增大。热影响区由尺寸较小的等轴晶组成，随着激光线能量的增加，α相晶粒逐渐细化，而β相逐渐粗化。在拉伸和疲劳试验中，TC17激光焊接接头均断裂在焊缝。受焊缝内部枝晶尺寸的影响，抗拉伸强度随线能量的增加而降低。气孔是导致疲劳断裂的主要原因，气孔缺陷数量越少，则疲劳寿命越长。
2024, 53(7):1845-1854.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230520
摘要:
TC18钛合金锻件低倍组织出现分层现象。较亮的低倍组织具有较低的性能，通常被称为冷模组织。降低冷却速度可能会减少冷模组织的产生，但也可能加剧模具磨损。通过模拟和实验研究了TC18钛合金框锻件热锻过程低倍组织分层、模具磨损与工艺参数间的关系。通过二次开发将冷模组织和磨损深度预测模型导入DEFORM软件。利用开发后的软件模拟了钛合金框锻件连续锻造生产过程，研究了冷模组织和磨损特性。利用响应面法和优化参数，讨论了不同参数下模具磨损与冷模组织厚度间的关系。结果表明：钛合金锻件冷模组织含量主要受接触条件的影响，而锻模磨损深度主要受模具预热温度的影响。应用玻璃纤维润滑剂能在不显著增加磨损深度的前提下实现锻件冷模缺陷组织含量的有效降低。
TC18钛合金锻件低倍组织出现分层现象。较亮的低倍组织具有较低的性能，通常被称为冷模组织。降低冷却速度可能会减少冷模组织的产生，但也可能加剧模具磨损。通过模拟和实验研究了TC18钛合金框锻件热锻过程低倍组织分层、模具磨损与工艺参数间的关系。通过二次开发将冷模组织和磨损深度预测模型导入DEFORM软件。利用开发后的软件模拟了钛合金框锻件连续锻造生产过程，研究了冷模组织和磨损特性。利用响应面法和优化参数，讨论了不同参数下模具磨损与冷模组织厚度间的关系。结果表明：钛合金锻件冷模组织含量主要受接触条件的影响，而锻模磨损深度主要受模具预热温度的影响。应用玻璃纤维润滑剂能在不显著增加磨损深度的前提下实现锻件冷模缺陷组织含量的有效降低。
2024, 53(7):1909-1916.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230340
摘要:
钛合金弹性性质因其组成成分以及组织结构的差异而不同，如高纯Ti的弹性模量约为93 ~ 120.5 GPa。本文基于多尺度弹性响应本构模型，以双相α+β钛合金为例，理论预测了钛合金载荷作用下的等效弹性响应，理论计算了不同相含量的钛合金等效弹性性质，如等效弹性模量E ?、等效体积模量K ?、等效剪切模量G ?以及等效泊松比ν ?，揭示了相含量对钛合金弹性性质的影响机制。与不同细观力学模型以及实验测量值的比较表明，双相钛合金E ?受α相的影响较大，且α相的降低，近似从111.11 GPa逐渐降至87.49 GPa；K ?、G ?以及ν ?受β相的影响较大，随β相的增加，K ?近似从104.12 GPa增至117.21 GPa，G ?从42.02 GPa降至31.81 GPa，ν ?从0.322增至0.376，模型预测值与实验测量值大致相当，从而证实了该模型的准确性。
钛合金弹性性质因其组成成分以及组织结构的差异而不同，如高纯Ti的弹性模量约为93 ~ 120.5 GPa。本文基于多尺度弹性响应本构模型，以双相α+β钛合金为例，理论预测了钛合金载荷作用下的等效弹性响应，理论计算了不同相含量的钛合金等效弹性性质，如等效弹性模量E ?、等效体积模量K ?、等效剪切模量G ?以及等效泊松比ν ?，揭示了相含量对钛合金弹性性质的影响机制。与不同细观力学模型以及实验测量值的比较表明，双相钛合金E ?受α相的影响较大，且α相的降低，近似从111.11 GPa逐渐降至87.49 GPa；K ?、G ?以及ν ?受β相的影响较大，随β相的增加，K ?近似从104.12 GPa增至117.21 GPa，G ?从42.02 GPa降至31.81 GPa，ν ?从0.322增至0.376，模型预测值与实验测量值大致相当，从而证实了该模型的准确性。
2024, 53(7):1917-1927.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230339
摘要:
采用真空电弧熔炼炉制备了原位自生Ti2AlC增强Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,研究了CNTs含量对TiAl基合金的组织演变和力学性能的影响。结果表明,随着CNTs的增加,合金的凝固路径向高Al方向移动,γ相含量增多,与此同时片层组织逐渐细化,Ti2AlC的长径比逐渐减小。在固溶强化、细晶强化以及Ti2AlC析出相强化的作用下,合金的力学性能得到显著提高。随着CNTs含量的增加,合金的维氏硬度由358.4±19.2 HV提高到了428.5±23.1 HV。合金的室温压缩强度和高温压缩强度均随着CNTs的增加先增加后减小。当CNTs添加量为3.0 at.%时,其室温压缩强度和最大应变分别达到1890.61 MPa和29.09%,分别提升54.95%和28.31%。在800 ℃压缩中,合金的硬化和软化效果受CNTs含量影响,3.0 at.% CNTs的合金表现出最高的压缩强度,相比于未添加CNTs时提升约31.42%,而4.5 at.% CNTs的合金在不影响压缩强度的情况下表现出较好的软化效果。
采用真空电弧熔炼炉制备了原位自生Ti2AlC增强Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,研究了CNTs含量对TiAl基合金的组织演变和力学性能的影响。结果表明,随着CNTs的增加,合金的凝固路径向高Al方向移动,γ相含量增多,与此同时片层组织逐渐细化,Ti2AlC的长径比逐渐减小。在固溶强化、细晶强化以及Ti2AlC析出相强化的作用下,合金的力学性能得到显著提高。随着CNTs含量的增加,合金的维氏硬度由358.4±19.2 HV提高到了428.5±23.1 HV。合金的室温压缩强度和高温压缩强度均随着CNTs的增加先增加后减小。当CNTs添加量为3.0 at.%时,其室温压缩强度和最大应变分别达到1890.61 MPa和29.09%,分别提升54.95%和28.31%。在800 ℃压缩中,合金的硬化和软化效果受CNTs含量影响,3.0 at.% CNTs的合金表现出最高的压缩强度,相比于未添加CNTs时提升约31.42%,而4.5 at.% CNTs的合金在不影响压缩强度的情况下表现出较好的软化效果。
2024, 53(7):1937-1943.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230282
摘要:
金属塑性热耗散仍是一个未完全解决的问题,如现有文献中关于功-热转换系数及其应变、应变率相关性的实验结果并不一致。本文对TA2工业纯钛在0.1 s^(-1)-100 s^(-1) 应变率下拉伸过程的热耗散特性开展研究,采用DIC及红外测温同步测试系统对平板拉伸试样的变形及温度场演化过程进行分析。实验结果显示：当应变率大于1 s^(-1) 时,在试样拉伸颈缩前,可近似为绝热状态。TA2工业纯钛的Taylor-Quinney系数β的应变率效应不敏感,但并不是一个常数,而是随应变演化的。在加载初始阶段β随应变增大而增大,至拉伸应变9%左右时达到最大值0.92；随后β随应变发展逐渐减小,至应变30%时β减小为0.8左右。对不同变形阶段试样的EBSD微观分析表明,Taylor-Quinney系数的变化与材料变形过程孪晶及微观组织演化相关。
金属塑性热耗散仍是一个未完全解决的问题,如现有文献中关于功-热转换系数及其应变、应变率相关性的实验结果并不一致。本文对TA2工业纯钛在0.1 s^(-1)-100 s^(-1) 应变率下拉伸过程的热耗散特性开展研究,采用DIC及红外测温同步测试系统对平板拉伸试样的变形及温度场演化过程进行分析。实验结果显示：当应变率大于1 s^(-1) 时,在试样拉伸颈缩前,可近似为绝热状态。TA2工业纯钛的Taylor-Quinney系数β的应变率效应不敏感,但并不是一个常数,而是随应变演化的。在加载初始阶段β随应变增大而增大,至拉伸应变9%左右时达到最大值0.92；随后β随应变发展逐渐减小,至应变30%时β减小为0.8左右。对不同变形阶段试样的EBSD微观分析表明,Taylor-Quinney系数的变化与材料变形过程孪晶及微观组织演化相关。
2024, 53(7):1953-1961.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230359
摘要:
采用选区激光熔化(SLM)技术成形TC4钛合金均匀与梯度点阵结构,研究了不同杆径(0.8~1.2mm)、单胞类型(bcc、fcc、fbcc)、添加竖向支杆(bccz、fccz、fbccz)对均匀与梯度形式点阵结构压缩性能及能量吸收的影响规律。结果表明：1.2mm杆径点阵结构性能最优；fccz与fbccz点阵结构分别在同质量与同体积下具有最佳的性能；竖向支杆的存在能够大幅的增强点阵结构在特定加载条件下的性能；均匀点阵结构在失效前的压缩性能与能量吸收优于相同相对密度及应变的梯度点阵结构,由于梯度点阵结构逐层断裂的特性,在50%及更大应变的状态下具有更优的性能,更适于应用在吸能装置。
采用选区激光熔化(SLM)技术成形TC4钛合金均匀与梯度点阵结构,研究了不同杆径(0.8~1.2mm)、单胞类型(bcc、fcc、fbcc)、添加竖向支杆(bccz、fccz、fbccz)对均匀与梯度形式点阵结构压缩性能及能量吸收的影响规律。结果表明：1.2mm杆径点阵结构性能最优；fccz与fbccz点阵结构分别在同质量与同体积下具有最佳的性能；竖向支杆的存在能够大幅的增强点阵结构在特定加载条件下的性能；均匀点阵结构在失效前的压缩性能与能量吸收优于相同相对密度及应变的梯度点阵结构,由于梯度点阵结构逐层断裂的特性,在50%及更大应变的状态下具有更优的性能,更适于应用在吸能装置。
2024, 53(7):1992-1998.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230279
摘要:
后处理工业所涉及的关键设备如溶解器、蒸发器等长期处于高浓度、高放射性的沸腾硝酸中,保证设备安全可靠运行是首要目标。本文采用全浸腐蚀和电化学腐蚀实验手段研究了热处理工艺对Ti-5Ta-5V-8Cr-Al合金(Ti5581)在6 mol/L沸腾硝酸溶液中的腐蚀行为的影响。结果表明,仅固溶和460 ℃时效时Ti5581合金具有较低的腐蚀速率,腐蚀240 h后腐蚀速率为0.022 mm/a。进一步采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、等分析方法分析了Ti5581合金腐蚀后表面钝化膜的结构和成分,表明腐蚀后表层钝化膜平滑且致密,表层钝化膜为Ti和Ta的混合氧化物。研究发现Ti5581合金表层钝化膜的形成与α相的数量和形态相关：与550 ℃高温时效相比,460 ℃低温时效时α相尺寸较小且Ta元素质量分数较高,腐蚀均匀性更好,易于形成致密钝化膜且钝化膜更稳定。
后处理工业所涉及的关键设备如溶解器、蒸发器等长期处于高浓度、高放射性的沸腾硝酸中,保证设备安全可靠运行是首要目标。本文采用全浸腐蚀和电化学腐蚀实验手段研究了热处理工艺对Ti-5Ta-5V-8Cr-Al合金(Ti5581)在6 mol/L沸腾硝酸溶液中的腐蚀行为的影响。结果表明,仅固溶和460 ℃时效时Ti5581合金具有较低的腐蚀速率,腐蚀240 h后腐蚀速率为0.022 mm/a。进一步采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、等分析方法分析了Ti5581合金腐蚀后表面钝化膜的结构和成分,表明腐蚀后表层钝化膜平滑且致密,表层钝化膜为Ti和Ta的混合氧化物。研究发现Ti5581合金表层钝化膜的形成与α相的数量和形态相关：与550 ℃高温时效相比,460 ℃低温时效时α相尺寸较小且Ta元素质量分数较高,腐蚀均匀性更好,易于形成致密钝化膜且钝化膜更稳定。
2024, 53(7):2035-2041.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230304
摘要:
蠕变加载对结构件的服役性能会产生一定的影响。本文对等轴、双态、魏氏组织Ti6321钛合金进行蠕变预加载,对蠕变后的材料进行动态压缩试验,应变率为3000s-1,研究经不同蠕变应力加载后的Ti6321钛合金动态力学行为。结果表明：蠕变后钛合金的动态力学性能均表现出屈服应力下降,抗压强度上升。随蠕变应力增加,三种组织钛合金在动态压缩后的冲击吸收功增大,绝热剪切敏感性降低。未蠕变的钛合金经动态压缩后均产生相变带,等轴组织和双态组织钛合金蠕变预加载再经动态压缩后未失效,仅产生形变带,魏氏组织产生相变带导致失效。蠕变推迟了等轴组织和双态组织钛合金的绝热剪切相变的发生。
蠕变加载对结构件的服役性能会产生一定的影响。本文对等轴、双态、魏氏组织Ti6321钛合金进行蠕变预加载,对蠕变后的材料进行动态压缩试验,应变率为3000s-1,研究经不同蠕变应力加载后的Ti6321钛合金动态力学行为。结果表明：蠕变后钛合金的动态力学性能均表现出屈服应力下降,抗压强度上升。随蠕变应力增加,三种组织钛合金在动态压缩后的冲击吸收功增大,绝热剪切敏感性降低。未蠕变的钛合金经动态压缩后均产生相变带,等轴组织和双态组织钛合金蠕变预加载再经动态压缩后未失效,仅产生形变带,魏氏组织产生相变带导致失效。蠕变推迟了等轴组织和双态组织钛合金的绝热剪切相变的发生。
2024, 53(7):2049-2058.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230742
摘要:
为提升立式离心铸造大型钛合金铸件冶金质量,本文采用模流分析方法探讨了直线形和螺旋形横浇道浇注系统对熔体充型流态的影响。结果表明,传统直线形横浇道中存在熔体贴壁分布的现象,且缩小浇道截面尺寸无法避免横浇道空腔吸气区的形成,此外横浇道内出现熔体堆积和反流,充型铸件型腔的熔体呈射流态。基于达朗贝尔原理分析了熔体质点在横浇道二维平面内的运动行为,揭示了质点运动轨迹与直线形横浇道结构不匹配是上述问题的主要原因。进一步探讨了离心转速和质点初速度对轨迹线形状特征的影响,提出了适用于大型环状钛合金铸件的螺旋形横浇道浇注系统设计方法,模流分析结果验证了螺旋形横浇道可有效地减少吸气和湍流倾向,平衡铸件充型流场并形成自下而上的充型次序。
为提升立式离心铸造大型钛合金铸件冶金质量,本文采用模流分析方法探讨了直线形和螺旋形横浇道浇注系统对熔体充型流态的影响。结果表明,传统直线形横浇道中存在熔体贴壁分布的现象,且缩小浇道截面尺寸无法避免横浇道空腔吸气区的形成,此外横浇道内出现熔体堆积和反流,充型铸件型腔的熔体呈射流态。基于达朗贝尔原理分析了熔体质点在横浇道二维平面内的运动行为,揭示了质点运动轨迹与直线形横浇道结构不匹配是上述问题的主要原因。进一步探讨了离心转速和质点初速度对轨迹线形状特征的影响,提出了适用于大型环状钛合金铸件的螺旋形横浇道浇注系统设计方法,模流分析结果验证了螺旋形横浇道可有效地减少吸气和湍流倾向,平衡铸件充型流场并形成自下而上的充型次序。
2024, 53(7):2067-2082.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240176
摘要:
通过Ti和Al制备的Ti-Al系金属间化合物及复合材料由于具有优异的物理、化学和力学性能,在航空航天、汽车以及其它领域具有良好的应用前景。这些材料包括TiAl3、γ-TiAl和α2-Ti3Al等金属间化合物,以及Ti/Al、Ti/α2-Ti3Al、Ti/γ-TiAl、Ti/TiAl3、Ti/TiAl3/Al和Al/TiAl3等金属-金属或金属-金属间化合物复合材料。在上述材料的制备过程中,会涉及到各种Ti-Al反应扩散过程。因此,对Ti-Al反应扩散机理及动力学的深入理解,有助于合理高效的制备Ti-Al系金属间化合物及复合材料。目前对Ti-Al反应扩散机理及动力学的研究非常广泛,但很多结论仍存在争议。本文(下)部分系统综述了Ti-Al反应扩散动力学的研究现状,并对其未来的研究方向进行了展望。
通过Ti和Al制备的Ti-Al系金属间化合物及复合材料由于具有优异的物理、化学和力学性能,在航空航天、汽车以及其它领域具有良好的应用前景。这些材料包括TiAl3、γ-TiAl和α2-Ti3Al等金属间化合物,以及Ti/Al、Ti/α2-Ti3Al、Ti/γ-TiAl、Ti/TiAl3、Ti/TiAl3/Al和Al/TiAl3等金属-金属或金属-金属间化合物复合材料。在上述材料的制备过程中,会涉及到各种Ti-Al反应扩散过程。因此,对Ti-Al反应扩散机理及动力学的深入理解,有助于合理高效的制备Ti-Al系金属间化合物及复合材料。目前对Ti-Al反应扩散机理及动力学的研究非常广泛,但很多结论仍存在争议。本文(下)部分系统综述了Ti-Al反应扩散动力学的研究现状,并对其未来的研究方向进行了展望。
2024, 53(7):1874-1881.
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。疲劳裂纹扩展试样沿[001]方向平行于受拉的加载轴。通过扫描电子显微镜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研究垂直于断口的剖面塑性变形情况。通过透射电子显微镜观察断口附近位错机制随温度的变化。结果表明，受温度场、应力场以及暴露时间的作用，在650 ℃时发生氧化，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。
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。疲劳裂纹扩展试样沿[001]方向平行于受拉的加载轴。通过扫描电子显微镜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研究垂直于断口的剖面塑性变形情况。通过透射电子显微镜观察断口附近位错机制随温度的变化。结果表明，受温度场、应力场以及暴露时间的作用，在650 ℃时发生氧化，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。
2024, 53(7):1882-1886.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230040
摘要:
GH4169 高温合金在剪切-压缩变形后容易出现区域性微结构特征，这不利于后续的冷轧加工。在1000~1080 ℃温度范围内，保温1~3 h条件下进行再结晶退火处理以研究GH4169高温合金的微观组织演变行为，并通过调节晶粒大小优化其冷成形性能。结果表明，静态再结晶（SRX）在1000 ℃时完全形核，原有的粗大晶粒完全被细小的再结晶晶粒取代。大角度晶界（HAGB）的弓出位置是SRX的首选形核点。经1020~1060 ℃退火后，部分相邻的SRX晶粒之间发生吞并，导致一部分晶粒的尺寸增大，而初始动态再结晶（DRX）晶粒在应变集中区域仍保持微小的尺寸。再结晶晶粒（包括SRX和DRX）经1080 ℃退火后均匀长大，平均晶粒尺寸为87.89 μm，此时显微组织的区域特征完全消失，组织均匀化程度明显提高。由于SRX的生长事故，经1080 ℃退火后出现了阶梯状孪晶，且孪晶界 （Σ3）的长度分数达到35.8%，这有利于提高GH4169高温合金的高温持久性能。剪切-压缩变形态GH4169高温合金的最佳再结晶退火工艺最终被确定为1080 ℃保温1 h，水冷。
GH4169 高温合金在剪切-压缩变形后容易出现区域性微结构特征，这不利于后续的冷轧加工。在1000~1080 ℃温度范围内，保温1~3 h条件下进行再结晶退火处理以研究GH4169高温合金的微观组织演变行为，并通过调节晶粒大小优化其冷成形性能。结果表明，静态再结晶（SRX）在1000 ℃时完全形核，原有的粗大晶粒完全被细小的再结晶晶粒取代。大角度晶界（HAGB）的弓出位置是SRX的首选形核点。经1020~1060 ℃退火后，部分相邻的SRX晶粒之间发生吞并，导致一部分晶粒的尺寸增大，而初始动态再结晶（DRX）晶粒在应变集中区域仍保持微小的尺寸。再结晶晶粒（包括SRX和DRX）经1080 ℃退火后均匀长大，平均晶粒尺寸为87.89 μm，此时显微组织的区域特征完全消失，组织均匀化程度明显提高。由于SRX的生长事故，经1080 ℃退火后出现了阶梯状孪晶，且孪晶界 （Σ3）的长度分数达到35.8%，这有利于提高GH4169高温合金的高温持久性能。剪切-压缩变形态GH4169高温合金的最佳再结晶退火工艺最终被确定为1080 ℃保温1 h，水冷。
2024, 53(7):1887-1896.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230637
摘要:
直径超过2 m的超大型涡轮盘的锻造载荷接近甚至超过了国内最大压力机的极限（800 MN），是真正的极限制造。因此，保持良好的力学性能和控制锻造载荷是超大型涡轮盘热锻生产过程中必须同时兼顾的2个因素。基于田口法设计了25组不同的热锻参数，采用SNR和ANOVA方法对有限元模拟结果进行多目标优化分析，获得了最优锻造载荷和最均匀细化的再结晶组织，确定了极端制造条件下的最佳工艺参数组合（温度1120 ℃，应变速率0.06 s-1，预锻尺寸985/610/475 mm，模具温度280 ℃）。各参数对模拟结果的重要性顺序如下：变形温度>应变速率>坯料形状>>模具温度。使用最佳参数组合获得的实验结果与数值模拟结果吻合较好，表明该方法可以避免大量实验和数值模拟工作量，有效地控制超大型锻件的载荷和微观组织。
直径超过2 m的超大型涡轮盘的锻造载荷接近甚至超过了国内最大压力机的极限（800 MN），是真正的极限制造。因此，保持良好的力学性能和控制锻造载荷是超大型涡轮盘热锻生产过程中必须同时兼顾的2个因素。基于田口法设计了25组不同的热锻参数，采用SNR和ANOVA方法对有限元模拟结果进行多目标优化分析，获得了最优锻造载荷和最均匀细化的再结晶组织，确定了极端制造条件下的最佳工艺参数组合（温度1120 ℃，应变速率0.06 s-1，预锻尺寸985/610/475 mm，模具温度280 ℃）。各参数对模拟结果的重要性顺序如下：变形温度>应变速率>坯料形状>>模具温度。使用最佳参数组合获得的实验结果与数值模拟结果吻合较好，表明该方法可以避免大量实验和数值模拟工作量，有效地控制超大型锻件的载荷和微观组织。
2024, 53(7):1897-1908.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230649
摘要:
镍基高温合金在恶劣环境下具有优异的力学性能和耐高温性能。镍基高温合金的氧化行为高度依赖于材料的固有性能和氧化膜性能，而氧化膜性能主要取决于合金元素的种类和含量。大气成分、温度、应力、熔融盐等各种环境参数是直接影响材料氧化行为的基本因素。综述了合金元素和服役环境对镍基高温合金氧化行为的影响。铝、铬和钴是有利元素，可以形成致密、结合力强的氧化膜，以保护基体。钛、钼、铌、钨、钽的添加一般被认为会削弱抗氧化性能，但最近的研究有不同的观点。讨论了镍基高温合金的氧化机理，并对镍基高温合金的未来发展进行了展望。
镍基高温合金在恶劣环境下具有优异的力学性能和耐高温性能。镍基高温合金的氧化行为高度依赖于材料的固有性能和氧化膜性能，而氧化膜性能主要取决于合金元素的种类和含量。大气成分、温度、应力、熔融盐等各种环境参数是直接影响材料氧化行为的基本因素。综述了合金元素和服役环境对镍基高温合金氧化行为的影响。铝、铬和钴是有利元素，可以形成致密、结合力强的氧化膜，以保护基体。钛、钼、铌、钨、钽的添加一般被认为会削弱抗氧化性能，但最近的研究有不同的观点。讨论了镍基高温合金的氧化机理，并对镍基高温合金的未来发展进行了展望。
2024, 53(7):1985-1991.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230295
摘要:
本文研究了不同粒径镍基高温合金粉末的球形度、比表面积、氧含量、表面氧状态和高温氧化特征,总结了粉末在室温下的吸氧特性与高温氧化行为。将氩气雾化粉末筛分为<30 μm、30 ~ 49 μm、50 ~ 60 μm、61 ~ 73 μm和74 ~ 105 μm等不同粒度。发现粒径为61 ~ 73 μm的粉末平均球形度最低,比表面积最小,且氧含量最低；粒径为30 ~ 49 μm的粉末球形度最高,比表面积最大。但粒径小于30 μm的粉末氧含量最高。粉末在950 ℃高温氧化的过程可分为两个阶段。氧化初期(0~12 h),粉末表面形成致密的NiO、Cr2O3和TiO2混合氧化层。氧化后期(大于12 h),混合氧化层脱落,抗氧化性失效。氧化24 h后氧化层明显脱落并暴露基体,抗氧化性彻底失效。高温曝露100 h后,粉末已氧化为NiO,表面无明显层状氧化物。
本文研究了不同粒径镍基高温合金粉末的球形度、比表面积、氧含量、表面氧状态和高温氧化特征,总结了粉末在室温下的吸氧特性与高温氧化行为。将氩气雾化粉末筛分为<30 μm、30 ~ 49 μm、50 ~ 60 μm、61 ~ 73 μm和74 ~ 105 μm等不同粒度。发现粒径为61 ~ 73 μm的粉末平均球形度最低,比表面积最小,且氧含量最低；粒径为30 ~ 49 μm的粉末球形度最高,比表面积最大。但粒径小于30 μm的粉末氧含量最高。粉末在950 ℃高温氧化的过程可分为两个阶段。氧化初期(0~12 h),粉末表面形成致密的NiO、Cr2O3和TiO2混合氧化层。氧化后期(大于12 h),混合氧化层脱落,抗氧化性失效。氧化24 h后氧化层明显脱落并暴露基体,抗氧化性彻底失效。高温曝露100 h后,粉末已氧化为NiO,表面无明显层状氧化物。
2024, 53(7):2006-2017.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230286
摘要:
本文通过热压缩试验研究了IN783低膨胀高温合金在温度为1000-1120℃、应变速率为0.01-10 S-1条件下的热变形行为,并采用电子背散射衍射( EBSD)研究了不同变形参数下合金的组织演变规律。结果表明,IN783合金的峰值应力随着温度的升高和应变速率的减小而显著降低。基于 Arrhenius 方程和 Zener-Hollomon 参数模型,建立了该合金的本构方程,可以很好地描述热变形过程中峰值应力与变形温度和应变速率的关系。基于动态材料模型绘制了IN783合金的热加工图,并根据热加工图和微观组织分析,确定IN783镍基高温合金的失稳区为：变形温度1095℃-1120℃、应变速率100.39814-101 S-1。此外,在高温低速率条件下(1060-1120℃、0.01 S-1),尽管合金具有较高的功率耗散值,但会出现混晶组织和晶粒粗化现象,也不适合作为IN783合金的热加工区间。
本文通过热压缩试验研究了IN783低膨胀高温合金在温度为1000-1120℃、应变速率为0.01-10 S-1条件下的热变形行为,并采用电子背散射衍射( EBSD)研究了不同变形参数下合金的组织演变规律。结果表明,IN783合金的峰值应力随着温度的升高和应变速率的减小而显著降低。基于 Arrhenius 方程和 Zener-Hollomon 参数模型,建立了该合金的本构方程,可以很好地描述热变形过程中峰值应力与变形温度和应变速率的关系。基于动态材料模型绘制了IN783合金的热加工图,并根据热加工图和微观组织分析,确定IN783镍基高温合金的失稳区为：变形温度1095℃-1120℃、应变速率100.39814-101 S-1。此外,在高温低速率条件下(1060-1120℃、0.01 S-1),尽管合金具有较高的功率耗散值,但会出现混晶组织和晶粒粗化现象,也不适合作为IN783合金的热加工区间。
2024, 53(7):2025-2034.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230346
摘要:
在DD98M镍基高温合金的基础上，保持合金中γ"相形成元素(Ta+Ti)总量不变，利用真空感应熔炼制备A1- Ta/(Ta+Ti)=0、A2- Ta/(Ta+Ti)=0.34、A3- Ta/(Ta+Ti)=0.66、A4- Ta/(Ta+Ti)=1四种合金，并对铸态合金进行固溶时效和1273 k下的长期时效。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试方法对时效后的组织进行研究，分析高温长期时效和Ta/(Ta+Ti)变化对合金铸态组织和性能的影响规律。结果表明，长期时效会引起γ"相的部分分解，促进元素扩散，加剧元素偏析。随长期时效时间的延长，γ"相粗化长大，硬度降低，错配度绝对值减小，γ"相立方度降低。随Ta在(Ta+Ti)中占比增加，错配度绝对值减小，γ"相立方度降低，硬度增加，长期时效条件下Cr、Mo、W、Ta偏析加剧，Ti偏析得到缓解，Ta的加入会将W排挤至γ相。A2和A3合金长期时效后在晶界处有σ相和MC型碳化物析出，A1和A4合金长期时效晶界无析出，即Ta和Ti的协同作用会促使σ相和MC型碳化物的析出。A2合金有着相对高的γ"相体积分数、γ"相立方度、硬度和强度，最小的γ"相尺寸和最高的延伸率，因此四种合金中A2合金有着最好的综合力学性能。
在DD98M镍基高温合金的基础上，保持合金中γ"相形成元素(Ta+Ti)总量不变，利用真空感应熔炼制备A1- Ta/(Ta+Ti)=0、A2- Ta/(Ta+Ti)=0.34、A3- Ta/(Ta+Ti)=0.66、A4- Ta/(Ta+Ti)=1四种合金，并对铸态合金进行固溶时效和1273 k下的长期时效。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试方法对时效后的组织进行研究，分析高温长期时效和Ta/(Ta+Ti)变化对合金铸态组织和性能的影响规律。结果表明，长期时效会引起γ"相的部分分解，促进元素扩散，加剧元素偏析。随长期时效时间的延长，γ"相粗化长大，硬度降低，错配度绝对值减小，γ"相立方度降低。随Ta在(Ta+Ti)中占比增加，错配度绝对值减小，γ"相立方度降低，硬度增加，长期时效条件下Cr、Mo、W、Ta偏析加剧，Ti偏析得到缓解，Ta的加入会将W排挤至γ相。A2和A3合金长期时效后在晶界处有σ相和MC型碳化物析出，A1和A4合金长期时效晶界无析出，即Ta和Ti的协同作用会促使σ相和MC型碳化物的析出。A2合金有着相对高的γ"相体积分数、γ"相立方度、硬度和强度，最小的γ"相尺寸和最高的延伸率，因此四种合金中A2合金有着最好的综合力学性能。
2024, 53(7):2042-2048.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230343
摘要:
采用不同程度加工处理过的籽晶进行了高温合金DD419单晶铸件的制备实验，对宏观腐蚀后的铸件籽晶进行表面观察，并检测了相应部位的金相组织和晶体取向，对杂晶的起源进行了研究分析。结果发现，轻度加工的籽晶表面仅出现轻微再结晶，未对引晶造成影响，而中度和重度加工的籽晶有不同程度的再结晶。这些籽晶表面的再结晶产生于浇注前的预热和保温阶段，与铸件经标准固溶热处理后产生的再结晶形貌非常相似。在预热与浇注过程中，这些再结晶得到部分熔化，在随后的凝固过程中，回熔界面附近未熔的残余再结晶晶粒外延生长，从而形成杂晶缺陷。本工作证明了籽晶回熔区内杂晶的起源是籽晶表面的再结晶，而不是通常认为的液相中新晶粒形核。
采用不同程度加工处理过的籽晶进行了高温合金DD419单晶铸件的制备实验，对宏观腐蚀后的铸件籽晶进行表面观察，并检测了相应部位的金相组织和晶体取向，对杂晶的起源进行了研究分析。结果发现，轻度加工的籽晶表面仅出现轻微再结晶，未对引晶造成影响，而中度和重度加工的籽晶有不同程度的再结晶。这些籽晶表面的再结晶产生于浇注前的预热和保温阶段，与铸件经标准固溶热处理后产生的再结晶形貌非常相似。在预热与浇注过程中，这些再结晶得到部分熔化，在随后的凝固过程中，回熔界面附近未熔的残余再结晶晶粒外延生长，从而形成杂晶缺陷。本工作证明了籽晶回熔区内杂晶的起源是籽晶表面的再结晶，而不是通常认为的液相中新晶粒形核。
2024, 53(7):1817-1825.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230636
摘要:
采用水冷铜坩埚磁悬浮真空熔炼炉制备了(Fe63.3Mn14Si9.1Cr9.8C3.8)99.5?xCuxAg0.5 (x=1，2，3，4，5，at%)合金，并对合金试样进行抗菌时效处理，研究Cu含量对合金耐腐蚀性能以及抗菌性能的影响。结果表明，经过固溶时效处理后的中熵合金均为fcc结构，随着Cu含量的提高，fcc1富铁基体上逐渐析出了富Cu和富Ag的fcc2相。合金在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的耐腐蚀性能优于AISI304。随Cu含量的增加，腐蚀电流密度先减小而后增加，容抗弧半径先增大后减小，表明合金的耐腐蚀性能先增强后减弱。合金在大肠杆菌悬浮液中的腐蚀速率呈现出先增大后减小的趋势，x=2合金的耐生物腐蚀能力最优，而抗菌性能和腐蚀性能存在倒置关系。富Cu和富Ag的fcc2相能有效提升合金的抗菌性能，x=5合金的抗菌性能最优，抗菌率达到99.94%.
采用水冷铜坩埚磁悬浮真空熔炼炉制备了(Fe63.3Mn14Si9.1Cr9.8C3.8)99.5?xCuxAg0.5 (x=1，2，3，4，5，at%)合金，并对合金试样进行抗菌时效处理，研究Cu含量对合金耐腐蚀性能以及抗菌性能的影响。结果表明，经过固溶时效处理后的中熵合金均为fcc结构，随着Cu含量的提高，fcc1富铁基体上逐渐析出了富Cu和富Ag的fcc2相。合金在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的耐腐蚀性能优于AISI304。随Cu含量的增加，腐蚀电流密度先减小而后增加，容抗弧半径先增大后减小，表明合金的耐腐蚀性能先增强后减弱。合金在大肠杆菌悬浮液中的腐蚀速率呈现出先增大后减小的趋势，x=2合金的耐生物腐蚀能力最优，而抗菌性能和腐蚀性能存在倒置关系。富Cu和富Ag的fcc2相能有效提升合金的抗菌性能，x=5合金的抗菌性能最优，抗菌率达到99.94%.
2024, 53(7):1826-1835.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230644
摘要:
波纹辊冷轧粘合（CCRB）作为一种新型轧制工艺，在金属复合板的制备过程中受到广泛关注，但不同压下量下波纹复合板的力学性能及界面的微观形貌尚不明确。采用数值模拟和实验方法，研究了在55%、60%、65%和70%压下量下制备铜/铝波纹复合板的情况。通过ABAQUS有限元模拟仿真软件建立三维模型，模拟了轧制过程中的应力和应变曲线。通过扫描电子显微镜、电子背散射衍射、X射线能谱仪等方法研究了波纹复合板界面形貌。结果表明，复合板的极限抗拉伸强度和剪切强度在65%压下量下达到最大值，分别为221.08和79 MPa，在55%压下量下达到最小值，分别为169.34和45 MPa。在65%和70%压下量下，由于剧烈的塑性变形作用，复合板形成拉长的晶粒和细小的等轴晶。但70%压下量下，由于轧制力过大，基体金属产生微裂纹，导致拉伸性能下降，这与力学实验结果一致。
波纹辊冷轧粘合（CCRB）作为一种新型轧制工艺，在金属复合板的制备过程中受到广泛关注，但不同压下量下波纹复合板的力学性能及界面的微观形貌尚不明确。采用数值模拟和实验方法，研究了在55%、60%、65%和70%压下量下制备铜/铝波纹复合板的情况。通过ABAQUS有限元模拟仿真软件建立三维模型，模拟了轧制过程中的应力和应变曲线。通过扫描电子显微镜、电子背散射衍射、X射线能谱仪等方法研究了波纹复合板界面形貌。结果表明，复合板的极限抗拉伸强度和剪切强度在65%压下量下达到最大值，分别为221.08和79 MPa，在55%压下量下达到最小值，分别为169.34和45 MPa。在65%和70%压下量下，由于剧烈的塑性变形作用，复合板形成拉长的晶粒和细小的等轴晶。但70%压下量下，由于轧制力过大，基体金属产生微裂纹，导致拉伸性能下降，这与力学实验结果一致。
2024, 53(7):1855-1862.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.E20230043
摘要:
随着化石燃料的迅速枯竭和一系列环境问题的出现，开发和利用新型电化学储能装置已迫在眉睫，而电极材料的设计、制备和优化是决定超级电容器性能的关键因素。采用水热法将蜀葵秸秆转化为多孔碳基质，并在其上锚定了MnO和Co纳米晶。结果表明，制备的生物碳具有多孔结构和良好的电子传输特性，而其上的纳米晶MnO-Co则具有高电容。由于独特的纳米碳骨架结构和较大的比表面积（345.9 m2·g-1），MnO-Co 纳米晶/多孔碳显示出优异的电化学电容（1 A·g-1时为146 F·g-1）和循环稳定性，循环1000次后，比容量仍保持在 99.4%。
随着化石燃料的迅速枯竭和一系列环境问题的出现，开发和利用新型电化学储能装置已迫在眉睫，而电极材料的设计、制备和优化是决定超级电容器性能的关键因素。采用水热法将蜀葵秸秆转化为多孔碳基质，并在其上锚定了MnO和Co纳米晶。结果表明，制备的生物碳具有多孔结构和良好的电子传输特性，而其上的纳米晶MnO-Co则具有高电容。由于独特的纳米碳骨架结构和较大的比表面积（345.9 m2·g-1），MnO-Co 纳米晶/多孔碳显示出优异的电化学电容（1 A·g-1时为146 F·g-1）和循环稳定性，循环1000次后，比容量仍保持在 99.4%。
2024, 53(7):1863-1873.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230639
摘要:
在FSW过程中，T型接头的内角热输入低、塑性流动差导致其易出现虫洞、隧道、交界线等缺陷，造成应力集中，很难实现具有良好力学性能的Al/Cu异种焊缝。创新性地将圆角处预置焊丝应用于4 mm厚的6061-T6铝合金和纯铜异种FSW T-搭接接头的连接，以期改善T型接头的内角材料塑性流动，获得具有良好力学性能的接头。分析了3种预置焊丝对Al/Cu异种 FSW T-搭接接头显微组织和力学性能的影响。结果表明，保持焊接速度35 mm/min不变，旋转速度在700~800 r/min条件下，3种预置焊丝接头大针搅拌区都表现出“洋葱环”。阶梯状搅拌头有效抑制了大量筋板材料向壁板的迁移，减少了Al/Cu互混。大针搅拌区由于少量Cu颗粒被搅拌，流动路径长，不易形成金属间化合物。Al/Cu形成了有效的冶金结合，其交界面处金属间化合物厚度小于1 μm。预置Cu的Al/Cu T-接头沿壁板方向像同种材料对接接头，呈韧性断裂；预置Al的Al/Cu T-接头改变交界线缺陷走向，筋板方向获得一定高度的Al/Cu混合区，机械互锁结合效果达到最优，断裂多在交界面处，抗拉伸强度达157 MPa，呈混合断裂。预置焊丝是一种适用于Al/Cu异种FSW T-搭接接头焊接的良好方法。
在FSW过程中，T型接头的内角热输入低、塑性流动差导致其易出现虫洞、隧道、交界线等缺陷，造成应力集中，很难实现具有良好力学性能的Al/Cu异种焊缝。创新性地将圆角处预置焊丝应用于4 mm厚的6061-T6铝合金和纯铜异种FSW T-搭接接头的连接，以期改善T型接头的内角材料塑性流动，获得具有良好力学性能的接头。分析了3种预置焊丝对Al/Cu异种 FSW T-搭接接头显微组织和力学性能的影响。结果表明，保持焊接速度35 mm/min不变，旋转速度在700~800 r/min条件下，3种预置焊丝接头大针搅拌区都表现出“洋葱环”。阶梯状搅拌头有效抑制了大量筋板材料向壁板的迁移，减少了Al/Cu互混。大针搅拌区由于少量Cu颗粒被搅拌，流动路径长，不易形成金属间化合物。Al/Cu形成了有效的冶金结合，其交界面处金属间化合物厚度小于1 μm。预置Cu的Al/Cu T-接头沿壁板方向像同种材料对接接头，呈韧性断裂；预置Al的Al/Cu T-接头改变交界线缺陷走向，筋板方向获得一定高度的Al/Cu混合区，机械互锁结合效果达到最优，断裂多在交界面处，抗拉伸强度达157 MPa，呈混合断裂。预置焊丝是一种适用于Al/Cu异种FSW T-搭接接头焊接的良好方法。
2024, 53(7):1928-1936.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230306
摘要:
为探究纵波轧制（LR）对AZ31B镁合金板材基面织构的影响，本文对AZ31B镁合金板材进行400℃/20min和450℃/20min热处理，振幅0.35mm，周期4mm的纵波波纹辊和平辊轧制。采用XRD对热处理及轧制后的板材进行宏观织构表征，运用极图及ODF对织构演变进行了分析，同时对金属在轧制变形区的变形行为进行了仿真分析。结果表明：板材热处理后，400℃下的（0002）极图中极密度最大值由11.21降到8.41，450℃降到7.08，450℃下热处理后的织构强度弱于400℃；LR后板材的基面织构显著弱化，大量晶粒向RD、TD方向发生了偏转，其中向RD方向最多偏转30°，向TD方向最多偏转40°，400℃下的（0002）峰值织构强度降到4.33，450℃下降到5.62，400℃下LR的织构弱化效果比450℃更明显；二道次轧制后的板材，450℃下的基面织构强度要弱于400℃。分析表明：LR使得晶粒的c轴取向由ND向TD、RD方向发生了偏转，这是由于LR过程中存在类似于异步轧制过程中的“搓轧区”，其中产生的剪切力使晶粒沿RD方向发生偏转，弯曲和挤压复合变形下金属流动和剪切促进晶粒TD取向。
为探究纵波轧制（LR）对AZ31B镁合金板材基面织构的影响，本文对AZ31B镁合金板材进行400℃/20min和450℃/20min热处理，振幅0.35mm，周期4mm的纵波波纹辊和平辊轧制。采用XRD对热处理及轧制后的板材进行宏观织构表征，运用极图及ODF对织构演变进行了分析，同时对金属在轧制变形区的变形行为进行了仿真分析。结果表明：板材热处理后，400℃下的（0002）极图中极密度最大值由11.21降到8.41，450℃降到7.08，450℃下热处理后的织构强度弱于400℃；LR后板材的基面织构显著弱化，大量晶粒向RD、TD方向发生了偏转，其中向RD方向最多偏转30°，向TD方向最多偏转40°，400℃下的（0002）峰值织构强度降到4.33，450℃下降到5.62，400℃下LR的织构弱化效果比450℃更明显；二道次轧制后的板材，450℃下的基面织构强度要弱于400℃。分析表明：LR使得晶粒的c轴取向由ND向TD、RD方向发生了偏转，这是由于LR过程中存在类似于异步轧制过程中的“搓轧区”，其中产生的剪切力使晶粒沿RD方向发生偏转，弯曲和挤压复合变形下金属流动和剪切促进晶粒TD取向。
2024, 53(7):1944-1952.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230344
摘要:
采用准原位电子背散射衍射(EBSD)、滑移迹线法和晶内取向轴法(IGMA)研究了轧制退火态Mg-Nd合金板材在室温(RT)和-150℃深冷(CT)条件下沿轧制方向压缩变形过程中的变形行为。结果表明：变形温度不影响孪生模式，但会显著影响孪生形核率以及滑移模式。相比于RT压缩，经相同的压缩变形（4%），CT压缩显著增大了样品变形过程中的局部应力，导致孪晶形核率提高了约10%，孪晶界总长度提高了约8%，并促进了非基面滑移，其比例由RT压缩时的45.5%增加至CT压缩的65.9%；此外，低温抑制了压缩变形过程中的基面滑移，其比例由RT压缩的54.5%降低至CT的34.1%。
采用准原位电子背散射衍射(EBSD)、滑移迹线法和晶内取向轴法(IGMA)研究了轧制退火态Mg-Nd合金板材在室温(RT)和-150℃深冷(CT)条件下沿轧制方向压缩变形过程中的变形行为。结果表明：变形温度不影响孪生模式，但会显著影响孪生形核率以及滑移模式。相比于RT压缩，经相同的压缩变形（4%），CT压缩显著增大了样品变形过程中的局部应力，导致孪晶形核率提高了约10%，孪晶界总长度提高了约8%，并促进了非基面滑移，其比例由RT压缩时的45.5%增加至CT压缩的65.9%；此外，低温抑制了压缩变形过程中的基面滑移，其比例由RT压缩的54.5%降低至CT的34.1%。
2024, 53(7):1962-1969.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230332
摘要:
Cr涂层锆合金包壳是提高轻水反应堆燃料组件抗高温氧化性能的重要方法。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在水蒸气环境中的高温氧化行为,采用多弧离子镀工艺制备Cr涂层Zr-4合金样品,在1000 °C和1100 °C水蒸气环境中开展高温氧化实验,采用高精度天平获得样品氧化增重,采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)测试分析样品的表面与截面微观形貌、元素分布、物相及Cr-Zr扩散层厚度。结果显示,多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的大颗粒,Cr涂层沿着(1 1 0)晶面择优生长。高温蒸气单位面积氧化增重与时间近似遵循抛物线规律,1100 °C的蒸气氧化速率明显高于1000 °C,相同温度下Cr涂层Zr-4合金的氧化速率低于无涂层Zr-4合金。高温蒸气氧化后,样品表面生成针须状氧化物,且氧化物间存在大量微孔。在1100 °C高温蒸气氧化3h和4h后,样品表面被氧化生成蠕虫状的团状物。样品截面呈层状结构,由外向内分别为Cr2O3层,Cr涂层,Cr-Zr扩散层,Zr-4合金层。但表面Cr2O3层的厚度并不是随着氧化时间的增加而同步增加的,而Cr-Zr扩散层的厚度随氧化温度和氧化时间的增加而增大,且与氧化时间基本呈线性关系。因此,采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在1000 °C和1100 °C下表现出良好的抗高温蒸气氧化性能。
Cr涂层锆合金包壳是提高轻水反应堆燃料组件抗高温氧化性能的重要方法。本文旨在研究Cr涂层Zr-4合金在水蒸气环境中的高温氧化行为,采用多弧离子镀工艺制备Cr涂层Zr-4合金样品,在1000 °C和1100 °C水蒸气环境中开展高温氧化实验,采用高精度天平获得样品氧化增重,采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)测试分析样品的表面与截面微观形貌、元素分布、物相及Cr-Zr扩散层厚度。结果显示,多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金样品表面存在大量尺寸不等的大颗粒,Cr涂层沿着(1 1 0)晶面择优生长。高温蒸气单位面积氧化增重与时间近似遵循抛物线规律,1100 °C的蒸气氧化速率明显高于1000 °C,相同温度下Cr涂层Zr-4合金的氧化速率低于无涂层Zr-4合金。高温蒸气氧化后,样品表面生成针须状氧化物,且氧化物间存在大量微孔。在1100 °C高温蒸气氧化3h和4h后,样品表面被氧化生成蠕虫状的团状物。样品截面呈层状结构,由外向内分别为Cr2O3层,Cr涂层,Cr-Zr扩散层,Zr-4合金层。但表面Cr2O3层的厚度并不是随着氧化时间的增加而同步增加的,而Cr-Zr扩散层的厚度随氧化温度和氧化时间的增加而增大,且与氧化时间基本呈线性关系。因此,采用多弧离子镀制备的Cr涂层Zr-4合金在1000 °C和1100 °C下表现出良好的抗高温蒸气氧化性能。
2024, 53(7):1970-1977.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230324
摘要:
本研究将Fe、Al作为联合变量进行微调,检测并分析Fe、Al共同变化对Fe(2-x)CrMnAlxCu(x=1.3、1.4、1.5、1.6、1.7)高熵合金的相结构、微观组织、压缩性能、硬度、摩擦性能的影响。实验结果表明,Fe(2-x)CrMnAlxCu高熵合金的枝晶间及枝晶组织均由bcc相构成,且枝晶内部析出有序bcc相和FeAl相析出物,其析出物含量随着Fe含量减少,Al含量的增加略微增加,使得Fe(2-x)CrMnAlxCu高熵合金的硬度不断增加。当x=1.6时,高熵合金的综合性能达到最佳,其硬度高达558.5 HV,屈服强度为1205.43 MPa,抗压强度为1431.52 MPa,变形率为9.06%。并且在Fe含量减少,Al含量的增加的同时,高熵合金内的元素偏析的现象得到了一定程度的缓解。
本研究将Fe、Al作为联合变量进行微调,检测并分析Fe、Al共同变化对Fe(2-x)CrMnAlxCu(x=1.3、1.4、1.5、1.6、1.7)高熵合金的相结构、微观组织、压缩性能、硬度、摩擦性能的影响。实验结果表明,Fe(2-x)CrMnAlxCu高熵合金的枝晶间及枝晶组织均由bcc相构成,且枝晶内部析出有序bcc相和FeAl相析出物,其析出物含量随着Fe含量减少,Al含量的增加略微增加,使得Fe(2-x)CrMnAlxCu高熵合金的硬度不断增加。当x=1.6时,高熵合金的综合性能达到最佳,其硬度高达558.5 HV,屈服强度为1205.43 MPa,抗压强度为1431.52 MPa,变形率为9.06%。并且在Fe含量减少,Al含量的增加的同时,高熵合金内的元素偏析的现象得到了一定程度的缓解。
2024, 53(7):1978-1984.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230283
摘要:
通过引入具有正混合焓和大原子尺寸差的Co-Ag原子对、降低Zr元素含量,设计出一种高热稳定性的Zr60Al10Co22Ag8非晶合金,采用真空熔融甩带法制备出合金非晶条带。将非晶条带在不同温度下进行退火,通过X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)和透射电子显微镜(TEM)等手段研究了非晶条带的结构特征、晶化行为,探讨了Zr60Al10Co22Ag8非晶合金中团簇状非晶相的形成及其对合金热稳定性的作用。结果表明,Zr60Al10Co22Ag8熔纺条带形成了完全非晶相(Fully amorphous phase, am),加热时存在2个结晶放热峰。在高于Tx1温度下退火后形成了团簇状非晶相(Clustered glass phase,C-glass),即使退火时间高达24小时,Zr60Al10Co22Ag8合金仍表现为原子排布无序结构。其晶化行为为：[am] → [C-glass] → [C-glass’ + Al2CoZr6 + AgZr + Ag2Al] → [Al2CoZr6 + AgZr + AlZr3](其中,C-glass’为结晶残余团簇状非晶相)。具有正混合焓和大原子尺寸差的Co-Ag原子对的大量存在,导致组成元素长程重排困难,使得团簇状非晶相抵抗晶化的能力极高。这种形成团簇状非晶相、在较宽退火条件下具有抵抗晶化能力的非晶合金,为新型耐热非晶合金提供了新的设计思路。
通过引入具有正混合焓和大原子尺寸差的Co-Ag原子对、降低Zr元素含量,设计出一种高热稳定性的Zr60Al10Co22Ag8非晶合金,采用真空熔融甩带法制备出合金非晶条带。将非晶条带在不同温度下进行退火,通过X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)和透射电子显微镜(TEM)等手段研究了非晶条带的结构特征、晶化行为,探讨了Zr60Al10Co22Ag8非晶合金中团簇状非晶相的形成及其对合金热稳定性的作用。结果表明,Zr60Al10Co22Ag8熔纺条带形成了完全非晶相(Fully amorphous phase, am),加热时存在2个结晶放热峰。在高于Tx1温度下退火后形成了团簇状非晶相(Clustered glass phase,C-glass),即使退火时间高达24小时,Zr60Al10Co22Ag8合金仍表现为原子排布无序结构。其晶化行为为：[am] → [C-glass] → [C-glass’ + Al2CoZr6 + AgZr + Ag2Al] → [Al2CoZr6 + AgZr + AlZr3](其中,C-glass’为结晶残余团簇状非晶相)。具有正混合焓和大原子尺寸差的Co-Ag原子对的大量存在,导致组成元素长程重排困难,使得团簇状非晶相抵抗晶化的能力极高。这种形成团簇状非晶相、在较宽退火条件下具有抵抗晶化能力的非晶合金,为新型耐热非晶合金提供了新的设计思路。
2024, 53(7):1999-2005.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230331
摘要:
研究镍粉颗粒在直流电弧热等离子体中的汽化过程可以为优化热等离子体纳米镍粉的制备工艺提供参考。本文通过对磁流体力学方程和颗粒热动力学方程的耦合求解，研究了原料粒径、工作气流量及送粉速率等参数对镍粉颗粒在直流热等离子体中的运动行为及加热过程的影响效应。研究表明，粒径较小的颗粒在高温区内停留的时间更长，从等离子体中吸收到的热量更多，因此能够在更短的时间内被加热到完全汽化；降低工作气流量及送粉速率均可以增加镍粉颗粒从热等离子体中获得的能量，这对于提升颗粒的汽化率，改善最终制备的纳米镍粉品质是有益的。
研究镍粉颗粒在直流电弧热等离子体中的汽化过程可以为优化热等离子体纳米镍粉的制备工艺提供参考。本文通过对磁流体力学方程和颗粒热动力学方程的耦合求解，研究了原料粒径、工作气流量及送粉速率等参数对镍粉颗粒在直流热等离子体中的运动行为及加热过程的影响效应。研究表明，粒径较小的颗粒在高温区内停留的时间更长，从等离子体中吸收到的热量更多，因此能够在更短的时间内被加热到完全汽化；降低工作气流量及送粉速率均可以增加镍粉颗粒从热等离子体中获得的能量，这对于提升颗粒的汽化率，改善最终制备的纳米镍粉品质是有益的。
2024, 53(7):2018-2024.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230289
摘要:
采用静态高压釜研究了Fe13Cr5Al4Mo合金在360 ℃、18.6 MPa 70 μL/L LiOH水溶液中的腐蚀行为,以评估其在高温高压水环境中的耐腐蚀性能。采用SEM、TEM、EDS等研究了Fe13Cr5Al4Mo合金腐蚀后的氧化膜显微组织及其演化行为。结果表明,Fe13Cr5Al4Mo合金在LiOH水溶液中表现为腐蚀失重,这与LiOH影响了Fe的氧化物溶解-再沉积过程有关。Fe13Cr5Al4Mo合金在LiOH水溶液中长期腐蚀形成的氧化膜主要由Fe(Cr,Al)2O4组成,靠近外表面存在少量Fe3O4。这层Fe(Cr,Al)2O4膜可以阻碍金属阳离子和氧离子在氧化膜内的扩散,进而延缓Fe13Cr5Al4Mo合金的进一步腐蚀。
采用静态高压釜研究了Fe13Cr5Al4Mo合金在360 ℃、18.6 MPa 70 μL/L LiOH水溶液中的腐蚀行为,以评估其在高温高压水环境中的耐腐蚀性能。采用SEM、TEM、EDS等研究了Fe13Cr5Al4Mo合金腐蚀后的氧化膜显微组织及其演化行为。结果表明,Fe13Cr5Al4Mo合金在LiOH水溶液中表现为腐蚀失重,这与LiOH影响了Fe的氧化物溶解-再沉积过程有关。Fe13Cr5Al4Mo合金在LiOH水溶液中长期腐蚀形成的氧化膜主要由Fe(Cr,Al)2O4组成,靠近外表面存在少量Fe3O4。这层Fe(Cr,Al)2O4膜可以阻碍金属阳离子和氧离子在氧化膜内的扩散,进而延缓Fe13Cr5Al4Mo合金的进一步腐蚀。
2024, 53(7):2059-2066.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230351
摘要:
自被发现以来,铁基超导体因其较高的临界电流密度、较低的各向异性以及极高的上临界磁场而受到科学家们的广泛关注,具有极好的应用前景,同时也是研究高温超导机制的重要抓手。“11”体系作为结构最简单的铁基超导材料,其不含有毒元素As以及对掺杂敏感等特点使其成为领域内的研究的热点。本文从线带材、涂层导体和薄膜两个角度综述了“11”体系铁基超导材料实用化的研究进展。
自被发现以来,铁基超导体因其较高的临界电流密度、较低的各向异性以及极高的上临界磁场而受到科学家们的广泛关注,具有极好的应用前景,同时也是研究高温超导机制的重要抓手。“11”体系作为结构最简单的铁基超导材料,其不含有毒元素As以及对掺杂敏感等特点使其成为领域内的研究的热点。本文从线带材、涂层导体和薄膜两个角度综述了“11”体系铁基超导材料实用化的研究进展。
2024, 53(7):2083-2093.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230321
摘要:
共晶高熵合金由于优异的铸造性能以及优良的强塑性匹配受到了广泛关注,然而,共晶高熵合金的成分设计始终是一项挑战。针对这一项挑战,国内外学者开发了多种共晶高熵合金的成分设计方法。每种方法各有特点和局限性,本文对共晶高熵合金的成分设计方法进行了全面评述。
共晶高熵合金由于优异的铸造性能以及优良的强塑性匹配受到了广泛关注,然而,共晶高熵合金的成分设计始终是一项挑战。针对这一项挑战,国内外学者开发了多种共晶高熵合金的成分设计方法。每种方法各有特点和局限性,本文对共晶高熵合金的成分设计方法进行了全面评述。
2024, 53(7):2094-2108.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230301
摘要:
由于激光选区熔化(SLM)技术加工周期较短、易于成形结构复杂的零件,现已广泛应用于生物医疗、航空航天、汽车和军工制造业等领域。但是由于在成型过程中激光与粉末间复杂地相互作用,激光选区熔化制件的缺陷呈现出多样化的特点,且控制难度加大,这在一定程度上限制了该技术的发展和应用。对于飞溅缺陷的形成机制和控制方法的研究,是近年来研究的热点之一。总结了近年来的相关研究成果,将粉末、熔池及成形层作为线索,从飞溅物对成形件的影响、飞溅物形成原因、监测和控制方法以及未来研究方向四部分阐述SLM过程中飞溅形成机制和控制方法,并展望了未来的发展方向。
由于激光选区熔化(SLM)技术加工周期较短、易于成形结构复杂的零件,现已广泛应用于生物医疗、航空航天、汽车和军工制造业等领域。但是由于在成型过程中激光与粉末间复杂地相互作用,激光选区熔化制件的缺陷呈现出多样化的特点,且控制难度加大,这在一定程度上限制了该技术的发展和应用。对于飞溅缺陷的形成机制和控制方法的研究,是近年来研究的热点之一。总结了近年来的相关研究成果,将粉末、熔池及成形层作为线索,从飞溅物对成形件的影响、飞溅物形成原因、监测和控制方法以及未来研究方向四部分阐述SLM过程中飞溅形成机制和控制方法,并展望了未来的发展方向。
