2024年第53卷第9期文章目次
2024, 53(9):2446-2457.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230790
摘要:
为了改善难变形高温合金U720Li的热加工性能，研究了变形前保温时间（5和10 min）对该合金的热变形行为的影响。结果表明，流动应力随应变速率的提高而增大，但随变形温度和保温时间的增加而减小。依据所建立的Arrhenius本构模型计算的峰值应力与实验值吻合良好，说明该模型可准确预测U720Li合金热变形行为。保温时间为5和10 min的热变形激活能分别为992.006和850.996 kJ·mol-1。建立了U720Li合金在这2种保温时间下的热加工图。通过分析热加工图各区域对应的变形组织，明确了保温5 min的最佳热加工条件为1090~1110 ℃/1~10 s-1和1146~1180 ℃/1~10 s-1，而保温10 min的最佳热加工条件为1080~1090 ℃/1~10 s-1和1153~1160 ℃/ 1~10 s-1。可见适当缩短变形前保温时间可扩大该合金的安全加工窗口。在未发生开裂的情况下，动态再结晶（DRX）晶粒随变形温度和保温时间的增加而逐渐增大，但随应变速率的增加先减小后增大。当变形温度低于1100 ℃，主要DRX机制为颗粒诱导连续DRX。当变形温度高于1130 ℃，主要DRX机制转变为不连续DRX。
为了改善难变形高温合金U720Li的热加工性能，研究了变形前保温时间（5和10 min）对该合金的热变形行为的影响。结果表明，流动应力随应变速率的提高而增大，但随变形温度和保温时间的增加而减小。依据所建立的Arrhenius本构模型计算的峰值应力与实验值吻合良好，说明该模型可准确预测U720Li合金热变形行为。保温时间为5和10 min的热变形激活能分别为992.006和850.996 kJ·mol-1。建立了U720Li合金在这2种保温时间下的热加工图。通过分析热加工图各区域对应的变形组织，明确了保温5 min的最佳热加工条件为1090~1110 ℃/1~10 s-1和1146~1180 ℃/1~10 s-1，而保温10 min的最佳热加工条件为1080~1090 ℃/1~10 s-1和1153~1160 ℃/ 1~10 s-1。可见适当缩短变形前保温时间可扩大该合金的安全加工窗口。在未发生开裂的情况下，动态再结晶（DRX）晶粒随变形温度和保温时间的增加而逐渐增大，但随应变速率的增加先减小后增大。当变形温度低于1100 ℃，主要DRX机制为颗粒诱导连续DRX。当变形温度高于1130 ℃，主要DRX机制转变为不连续DRX。
2024, 53(9):2458-2467.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230834
摘要:
对镍基单晶高温合金在530 ℃的低周疲劳裂纹萌生行为进行研究。结果表明：在530 ℃、应变比0.05时，疲劳裂纹的萌生行为与最大应变的变化关系密切。在最大应变为2.0%时，疲劳裂纹在试样表面的驻留滑移带位置萌生，且萌生平面位于｛111｝滑移面，萌生位置未见缺陷。当最大应变低于1.6%时，裂纹萌生于试样亚表面或内部的铸造疏松位置，且铸造疏松位于垂直轴向力的｛100｝滑移面。裂纹沿｛100｝滑移面萌生后经小阶段扩展后再沿不同｛111｝滑移面进行扩展。随最大应变减小，裂纹萌生位置逐渐由表面向内部转变。裂纹萌生区存在沿断口表面向内部延伸的二次裂纹，且二次裂纹附近存在明显应力集中。在裂纹萌生区的断口表面附近位错密度较高，大量位错切入γ'相。断口表面存在50~100 nm的氧化层，Ni、Al、Cr和Co元素存在向表面氧化层的偏析行为。
对镍基单晶高温合金在530 ℃的低周疲劳裂纹萌生行为进行研究。结果表明：在530 ℃、应变比0.05时，疲劳裂纹的萌生行为与最大应变的变化关系密切。在最大应变为2.0%时，疲劳裂纹在试样表面的驻留滑移带位置萌生，且萌生平面位于｛111｝滑移面，萌生位置未见缺陷。当最大应变低于1.6%时，裂纹萌生于试样亚表面或内部的铸造疏松位置，且铸造疏松位于垂直轴向力的｛100｝滑移面。裂纹沿｛100｝滑移面萌生后经小阶段扩展后再沿不同｛111｝滑移面进行扩展。随最大应变减小，裂纹萌生位置逐渐由表面向内部转变。裂纹萌生区存在沿断口表面向内部延伸的二次裂纹，且二次裂纹附近存在明显应力集中。在裂纹萌生区的断口表面附近位错密度较高，大量位错切入γ'相。断口表面存在50~100 nm的氧化层，Ni、Al、Cr和Co元素存在向表面氧化层的偏析行为。
2024, 53(9):2478-2484.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230813
摘要:
在激光增材制造过程中，镍基高温合金存在裂纹和微孔等缺陷，阻碍其在各领域应用。将热等静压（HIP）与传统热处理（HT）相结合，以获得缺陷少且性能理想的激光粉末床熔融（LPBF）镍基高温合金零件。结果表明，HIP工艺提高致密度，传统HT改善显微缺陷并提高力学性能。经HIP处理后，LPBF试样缺陷体积分数下降，经HT处理后，HIP+HT缺陷含量略有上升。经后处理后，硬度呈下降趋势，室温下，HIP+HT试样的抗拉伸强度和断后伸长率分别提高到1326 MPa和21.3%。
在激光增材制造过程中，镍基高温合金存在裂纹和微孔等缺陷，阻碍其在各领域应用。将热等静压（HIP）与传统热处理（HT）相结合，以获得缺陷少且性能理想的激光粉末床熔融（LPBF）镍基高温合金零件。结果表明，HIP工艺提高致密度，传统HT改善显微缺陷并提高力学性能。经HIP处理后，LPBF试样缺陷体积分数下降，经HT处理后，HIP+HT缺陷含量略有上升。经后处理后，硬度呈下降趋势，室温下，HIP+HT试样的抗拉伸强度和断后伸长率分别提高到1326 MPa和21.3%。
2024, 53(9):2546-2554.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230453
摘要:
采用热控凝固工艺来制备等轴晶镍基高温合金能有效降低疏松冶金缺陷。本文针对1360℃、1380℃、1400℃和1420℃四种不同浇注温度对K417G合金的组织结构和力学性能进行研究。结果表明，随着浇注温度的升高，疏松含量显著降低，γ′相尺寸及面积分数略微的上升，其次(γ+γ′)共晶含量有稍许增加，而MC碳化物没有明显变化。浇注温度为1360℃的整体力学性能明显偏低，900℃，10-3s-1的抗拉强度和延伸率分别仅为656MPa和4.2%，760℃/645MPa持久寿命仅有18h。在1380℃-1420℃时，900℃，10-3s-1拉伸性能的差异相对较小，平均的抗拉强度及延伸率分别为761MPa和5.7%，而760℃/645MPa的持久性能随温度升高有下降的趋势，1380℃、1400℃和1420℃的持久寿命分别为88h、80h和74h。
采用热控凝固工艺来制备等轴晶镍基高温合金能有效降低疏松冶金缺陷。本文针对1360℃、1380℃、1400℃和1420℃四种不同浇注温度对K417G合金的组织结构和力学性能进行研究。结果表明，随着浇注温度的升高，疏松含量显著降低，γ′相尺寸及面积分数略微的上升，其次(γ+γ′)共晶含量有稍许增加，而MC碳化物没有明显变化。浇注温度为1360℃的整体力学性能明显偏低，900℃，10-3s-1的抗拉强度和延伸率分别仅为656MPa和4.2%，760℃/645MPa持久寿命仅有18h。在1380℃-1420℃时，900℃，10-3s-1拉伸性能的差异相对较小，平均的抗拉强度及延伸率分别为761MPa和5.7%，而760℃/645MPa的持久性能随温度升高有下降的趋势，1380℃、1400℃和1420℃的持久寿命分别为88h、80h和74h。
2024, 53(9):2555-2564.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230456
摘要:
采用真空感应（VIM）+电渣重熔（ESR ）+真空自耗（VAR）三联冶炼制备的GH4710合金铸锭经挤压获得棒材。在Gleeble1500试验机上开展等温压缩实验，研究了三联铸锭挤压态GH4710合金在温度1050~1150 ℃，应变速率0.01~5 s-1条件下的热变形行为。结果表明，应力应变曲线具有明显的动态再结晶特征，且应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而明显减小。基于应力应变曲线，建立了合金动态再结晶临界应变模型，同时建立了考虑应变影响的Arrhenius本构模型来精确描述合金应力、应变速率和温度的依赖关系。最后以动态材料模型为基础构建了合金热加工图，结合显微组织分析，明确了合金流变失稳特征为不均匀显微组织，确定了合金最佳锻造工艺参数范围为1050 ℃≤T≤1100 ℃、0.01 s-1≤ ≤0.1 s-1。
采用真空感应（VIM）+电渣重熔（ESR ）+真空自耗（VAR）三联冶炼制备的GH4710合金铸锭经挤压获得棒材。在Gleeble1500试验机上开展等温压缩实验，研究了三联铸锭挤压态GH4710合金在温度1050~1150 ℃，应变速率0.01~5 s-1条件下的热变形行为。结果表明，应力应变曲线具有明显的动态再结晶特征，且应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而明显减小。基于应力应变曲线，建立了合金动态再结晶临界应变模型，同时建立了考虑应变影响的Arrhenius本构模型来精确描述合金应力、应变速率和温度的依赖关系。最后以动态材料模型为基础构建了合金热加工图，结合显微组织分析，明确了合金流变失稳特征为不均匀显微组织，确定了合金最佳锻造工艺参数范围为1050 ℃≤T≤1100 ℃、0.01 s-1≤ ≤0.1 s-1。
2024, 53(9):2614-2623.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230474
摘要:
本工作通过小实验件获取合金亚固溶和过固溶热处理温度范围和组织性能变化规律；通过测温实验验证仿真模拟的热边界条件；提出了一种基于实验和有限元分析方法设计盘轴一体化镍基粉末高温合金涡轮盘热处理工艺的方法。采用该方法制定并施行的热处理工艺成功制备出大尺寸双性能涡轮盘,其不同部位的显微组织和机械性能得到了验证。
本工作通过小实验件获取合金亚固溶和过固溶热处理温度范围和组织性能变化规律；通过测温实验验证仿真模拟的热边界条件；提出了一种基于实验和有限元分析方法设计盘轴一体化镍基粉末高温合金涡轮盘热处理工艺的方法。采用该方法制定并施行的热处理工艺成功制备出大尺寸双性能涡轮盘,其不同部位的显微组织和机械性能得到了验证。
2024, 53(9):2624-2632.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230475
摘要:
选区激光熔化(SLM)是目前应用最广的金属材料增材制造技术之一，由于成形过程中存在复杂的热物理过程，导致其成形精度仍无法满足实际应用的要求。因此，为了提高SLM成形零件的尺寸精度，本研究提出了一种集成响应面法(RSM)和非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的方法来优化SLM成形GH3265高温合金的尺寸精度。首先采用响应面法建立了SLM工艺参数与X、Y和Z方向的尺寸误差模型，然后通过NSGA-Ⅱ对模型进行多目标优化。结果表明：响应面法构建的模型具有较高的预测精度，其相关系数R2依次为0.9456、0.9842、0.9704；优化算法在迭代1500次时，能够获得最优的加工参数区间：激光功率250.8-310 W、扫描速度1028-1400 mm/s、扫描间距0.071-0.084 mm；最终，试验验证结果表明该集成方法具有较高的可靠性，其X、Y、Z方向尺寸误差的ARE依次为5.95%、4.92%、3.97%。
选区激光熔化(SLM)是目前应用最广的金属材料增材制造技术之一，由于成形过程中存在复杂的热物理过程，导致其成形精度仍无法满足实际应用的要求。因此，为了提高SLM成形零件的尺寸精度，本研究提出了一种集成响应面法(RSM)和非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的方法来优化SLM成形GH3265高温合金的尺寸精度。首先采用响应面法建立了SLM工艺参数与X、Y和Z方向的尺寸误差模型，然后通过NSGA-Ⅱ对模型进行多目标优化。结果表明：响应面法构建的模型具有较高的预测精度，其相关系数R2依次为0.9456、0.9842、0.9704；优化算法在迭代1500次时，能够获得最优的加工参数区间：激光功率250.8-310 W、扫描速度1028-1400 mm/s、扫描间距0.071-0.084 mm；最终，试验验证结果表明该集成方法具有较高的可靠性，其X、Y、Z方向尺寸误差的ARE依次为5.95%、4.92%、3.97%。
2024, 53(9):2633-2641.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230479
摘要:
本研究通过对有限元模拟软件进行二次开发并嵌入所建立的微观组织演变模型,实现了FGH4113A镍基粉末高温合金涡轮盘锻造过程的宏微观耦合数值模拟。通过单因素实验方法,分析了坯料温度、模具温度、坯料高径比和应变速率对涡轮盘锻后平均晶粒尺寸及其分布的影响。基于响应面法,建立了工艺参数与微观组织之间的映射关系模型。以盘件锻后平均晶粒尺寸和标准偏差为微观组织优化目标,进行涡轮盘工艺参数的多目标优化,得到最优工艺参数为：坯料温度为1097℃左右、模具温度为976℃左右、坯料高径比为2.4、应变速率为0.021s-1。在优化后的参数条件下进行数值模拟和工艺实验以验证优化结果的可靠性,结果表明所优化的工艺参数可以同时细化涡轮盘的平均晶粒尺寸并提高其组织均匀性。本研究可以为高性能航空发动机涡轮盘生产过程中的工艺制定提供借鉴和参考。
本研究通过对有限元模拟软件进行二次开发并嵌入所建立的微观组织演变模型,实现了FGH4113A镍基粉末高温合金涡轮盘锻造过程的宏微观耦合数值模拟。通过单因素实验方法,分析了坯料温度、模具温度、坯料高径比和应变速率对涡轮盘锻后平均晶粒尺寸及其分布的影响。基于响应面法,建立了工艺参数与微观组织之间的映射关系模型。以盘件锻后平均晶粒尺寸和标准偏差为微观组织优化目标,进行涡轮盘工艺参数的多目标优化,得到最优工艺参数为：坯料温度为1097℃左右、模具温度为976℃左右、坯料高径比为2.4、应变速率为0.021s-1。在优化后的参数条件下进行数值模拟和工艺实验以验证优化结果的可靠性,结果表明所优化的工艺参数可以同时细化涡轮盘的平均晶粒尺寸并提高其组织均匀性。本研究可以为高性能航空发动机涡轮盘生产过程中的工艺制定提供借鉴和参考。
2024, 53(9):2405-2412.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230822
摘要:
钛合金的高温阻燃性能是制约其在航空发动机中应用的重要因素，而激光点火法能够精确反映钛合金在局部加热时的阻燃性能。在Ti-6Al与Ti-48Al的温度场研究中，通过钛合金激光点火实验表征了温度场演化特性，同时在微观瞬态机制分析中引入了分子动力学（MD）模拟与JMatPro计算等方法。结果表明：在激光连续照射下，Ti-Al系合金表面首先形成熔池，熔池温度场从中心到边缘呈正态分布。当中心温度达到起燃临界点时，产生扩展燃烧，扩展燃烧路径沿气流方向推进。与Ti-6Al相比，Ti-48Al合金在激光烧蚀下的阻燃性能更高。这是由于Ti-48Al具有更高的传热性能，导致光斑温度场边界附近的热集中效应减弱，因此需要增加氧分压，降低合金起燃点，才能在同等激光热源下达到Ti-48Al合金的起燃边界条件。另外在扩展燃烧路径方面，MD模型显示试件存在边界热集中效应，这揭示了除气流方向之外的另一种扩展燃烧路径影响机制，即激光光斑产生的热量传导至临近边界时中断，在边界附近产生热量集中，因此燃烧路径亦倾向于沿该方向扩展。
钛合金的高温阻燃性能是制约其在航空发动机中应用的重要因素，而激光点火法能够精确反映钛合金在局部加热时的阻燃性能。在Ti-6Al与Ti-48Al的温度场研究中，通过钛合金激光点火实验表征了温度场演化特性，同时在微观瞬态机制分析中引入了分子动力学（MD）模拟与JMatPro计算等方法。结果表明：在激光连续照射下，Ti-Al系合金表面首先形成熔池，熔池温度场从中心到边缘呈正态分布。当中心温度达到起燃临界点时，产生扩展燃烧，扩展燃烧路径沿气流方向推进。与Ti-6Al相比，Ti-48Al合金在激光烧蚀下的阻燃性能更高。这是由于Ti-48Al具有更高的传热性能，导致光斑温度场边界附近的热集中效应减弱，因此需要增加氧分压，降低合金起燃点，才能在同等激光热源下达到Ti-48Al合金的起燃边界条件。另外在扩展燃烧路径方面，MD模型显示试件存在边界热集中效应，这揭示了除气流方向之外的另一种扩展燃烧路径影响机制，即激光光斑产生的热量传导至临近边界时中断，在边界附近产生热量集中，因此燃烧路径亦倾向于沿该方向扩展。
2024, 53(9):2413-2419.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230806
摘要:
针对钛合金叶片叶根区域铣削纹理难去除、抛光工具与工件易干涉等问题，提出弹性磁力小工具头抛光工艺，实现叶片叶根区域的光整加工。采用有限元软件 ANSYS Maxwell 仿真不同磁极极向排布对磁场分布状态的影响，比较了弹性和非弹性磁极载体对磁力小工具头抛光叶片叶根的效果；通过正交实验法优化了弹性磁力小工具头抛光叶片叶根的工艺参数。结果表明：与非弹性磁性抛光工具相比，采用聚氨酯作为磁极载体的弹性磁力工具可以有效提高被抛光工件的表面质量。采用最佳加工参数（主轴转速=900 r/min、进给速度=6 mm/min、加工间隙=1.5 mm以及磨料粒径=10~14 μm）对叶片进行抛光实验，叶片叶根处原有的铣削加工纹理被有效去除，表面粗糙度由抛光前的0.95 μm降至0.12 μm。验证了弹性磁力小工具头抛光工艺对实现高质量钛合金叶片叶根表面光整加工的可行性。
针对钛合金叶片叶根区域铣削纹理难去除、抛光工具与工件易干涉等问题，提出弹性磁力小工具头抛光工艺，实现叶片叶根区域的光整加工。采用有限元软件 ANSYS Maxwell 仿真不同磁极极向排布对磁场分布状态的影响，比较了弹性和非弹性磁极载体对磁力小工具头抛光叶片叶根的效果；通过正交实验法优化了弹性磁力小工具头抛光叶片叶根的工艺参数。结果表明：与非弹性磁性抛光工具相比，采用聚氨酯作为磁极载体的弹性磁力工具可以有效提高被抛光工件的表面质量。采用最佳加工参数（主轴转速=900 r/min、进给速度=6 mm/min、加工间隙=1.5 mm以及磨料粒径=10~14 μm）对叶片进行抛光实验，叶片叶根处原有的铣削加工纹理被有效去除，表面粗糙度由抛光前的0.95 μm降至0.12 μm。验证了弹性磁力小工具头抛光工艺对实现高质量钛合金叶片叶根表面光整加工的可行性。
2024, 53(9):2420-2429.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240152
摘要:
采用电子背散射衍射法研究了模锻对亚稳态β钛合金Ti55511显微组织演变和变形行为的影响。在模锻之前，对Ti55511合金进行了多道次锻造，以优化钛合金织构导致的力学行为各向异性。结果表明，模锻后，Ti55511部件局部区域表现出不同的显微组织和织构。在所有变形区域都没有发现<100>纤维织构。动态回复再结晶发生在模锻早期承受大应变的区域，大多数局部区域形成了网篮组织。
采用电子背散射衍射法研究了模锻对亚稳态β钛合金Ti55511显微组织演变和变形行为的影响。在模锻之前，对Ti55511合金进行了多道次锻造，以优化钛合金织构导致的力学行为各向异性。结果表明，模锻后，Ti55511部件局部区域表现出不同的显微组织和织构。在所有变形区域都没有发现<100>纤维织构。动态回复再结晶发生在模锻早期承受大应变的区域，大多数局部区域形成了网篮组织。
2024, 53(9):2430-2437.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230791
摘要:
为了研究新型亚稳β钛合金Ti-5.5Cr-5Al-4Mo-3Nb-2Zr的微观组织与拉伸性能之间的关系，设计了一种可以在β基体中析出不同尺寸α相的ABFCA热处理工艺（在α+β相区进行固溶处理，然后随炉冷却，最后进行时效处理）。这种热处理工艺获得的微观组织由初生α相（αp）、亚微米级棒状α相（αr）和次生α相（αs）组成。结果表明，具有多尺寸α相的合金具有较高的强度和极好的塑性。当合金的极限抗拉伸强度为1125.4 MPa时，合金的断后伸长率可以达到18.3%。建立了合金强度与α相之间的关系，即合金的强度与α相的宽度以及平均间距的?1/2次幂成线性关系，尺寸和相间距较小的αs相通过对位错滑移的阻碍作用使合金的强度大大提高。透射电子显微镜观察表明，在α/β界面上存在大量的位错塞积，而且在拉伸变形之后的αp相内发现了大量的形变孪晶。当位错滑移受到阻碍时，在应力集中处萌发孪晶，而孪晶又可以启动一些难以滑移的位错，同时塑性应变在αp、αr、αs相和β基体中均匀分布，使得合金的塑性有较大提升。
为了研究新型亚稳β钛合金Ti-5.5Cr-5Al-4Mo-3Nb-2Zr的微观组织与拉伸性能之间的关系，设计了一种可以在β基体中析出不同尺寸α相的ABFCA热处理工艺（在α+β相区进行固溶处理，然后随炉冷却，最后进行时效处理）。这种热处理工艺获得的微观组织由初生α相（αp）、亚微米级棒状α相（αr）和次生α相（αs）组成。结果表明，具有多尺寸α相的合金具有较高的强度和极好的塑性。当合金的极限抗拉伸强度为1125.4 MPa时，合金的断后伸长率可以达到18.3%。建立了合金强度与α相之间的关系，即合金的强度与α相的宽度以及平均间距的?1/2次幂成线性关系，尺寸和相间距较小的αs相通过对位错滑移的阻碍作用使合金的强度大大提高。透射电子显微镜观察表明，在α/β界面上存在大量的位错塞积，而且在拉伸变形之后的αp相内发现了大量的形变孪晶。当位错滑移受到阻碍时，在应力集中处萌发孪晶，而孪晶又可以启动一些难以滑移的位错，同时塑性应变在αp、αr、αs相和β基体中均匀分布，使得合金的塑性有较大提升。
2024, 53(9):2503-2512.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230567
摘要:
为提高选区激光熔化Ti-6Al-4V合金的低周疲劳性能,利用OM、SEM、TEM、室温拉伸及低周疲劳试验研究了热处理对选区激光熔化Ti-6Al-4V合金组织及性能的影响。结果表明,沉积态组织表现为外延生长的β柱状晶及晶内呈一定取向关系的针状马氏体α",经退火后α"发生分解转变为网篮编织状的α+β,经循环热处理后板条α发生球化,组织由等轴α、板条α和残余β构成。经热处理后,退火态低周疲劳性能达到锻件的87%以上,循环热处理态达到锻件的90%以上。
为提高选区激光熔化Ti-6Al-4V合金的低周疲劳性能,利用OM、SEM、TEM、室温拉伸及低周疲劳试验研究了热处理对选区激光熔化Ti-6Al-4V合金组织及性能的影响。结果表明,沉积态组织表现为外延生长的β柱状晶及晶内呈一定取向关系的针状马氏体α",经退火后α"发生分解转变为网篮编织状的α+β,经循环热处理后板条α发生球化,组织由等轴α、板条α和残余β构成。经热处理后,退火态低周疲劳性能达到锻件的87%以上,循环热处理态达到锻件的90%以上。
2024, 53(9):2513-2523.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240178
摘要:
β凝固γ-TiAl合金虽具有比传统γ-TiAl更高的强度指标和服役温度,但是目前关于这类合金的摩擦学性能和磨损机理仍缺乏系统深入的认识。本文以40CrMo钢为参照,研究了β凝固的Ti-44Al-3Mn-0.4Mo-0.4W(原子比,简称TMMW)合金在不同载荷下的干摩擦学行为。结果表明：TMMW和40CrMo钢的摩擦系数数值差异明显,且随着载荷变化呈现出不同规律；TMMW合金摩擦系数表现为先增加后保持相对稳定,而40CrMo钢的摩擦系数随着载荷的增加持续上升；随着载荷由2 N增加至10 N,TMMW合金比40CrMo钢具有更强的抗磨性,载荷为10 N时磨损率由6.97×10-3 mm3/(N·m)降低至1.88×10-4 mm3/(N·m)。TMMW合金的磨损机制以磨粒磨损为主,并伴随一些黏着磨损、磨粒磨损引起的塑性变形,而40CrMo钢以黏着磨损为主,伴随一定的氧化磨损和磨粒磨损。TMMW合金中相的硬度大小顺序为：βo＞α2＞γ,在室温干摩擦条下,βo相的耐磨性应较α2、γ相更佳。高载荷下(5~10 N),摩擦升温后,合金中存在的βo相自身软化,使得合金在对磨时容易发生塑性变形,进而确保摩擦系数数值保持相对稳定。
β凝固γ-TiAl合金虽具有比传统γ-TiAl更高的强度指标和服役温度,但是目前关于这类合金的摩擦学性能和磨损机理仍缺乏系统深入的认识。本文以40CrMo钢为参照,研究了β凝固的Ti-44Al-3Mn-0.4Mo-0.4W(原子比,简称TMMW)合金在不同载荷下的干摩擦学行为。结果表明：TMMW和40CrMo钢的摩擦系数数值差异明显,且随着载荷变化呈现出不同规律；TMMW合金摩擦系数表现为先增加后保持相对稳定,而40CrMo钢的摩擦系数随着载荷的增加持续上升；随着载荷由2 N增加至10 N,TMMW合金比40CrMo钢具有更强的抗磨性,载荷为10 N时磨损率由6.97×10-3 mm3/(N·m)降低至1.88×10-4 mm3/(N·m)。TMMW合金的磨损机制以磨粒磨损为主,并伴随一些黏着磨损、磨粒磨损引起的塑性变形,而40CrMo钢以黏着磨损为主,伴随一定的氧化磨损和磨粒磨损。TMMW合金中相的硬度大小顺序为：βo＞α2＞γ,在室温干摩擦条下,βo相的耐磨性应较α2、γ相更佳。高载荷下(5~10 N),摩擦升温后,合金中存在的βo相自身软化,使得合金在对磨时容易发生塑性变形,进而确保摩擦系数数值保持相对稳定。
2024, 53(9):2565-2570.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230457
摘要:
本文采用数值模拟方法，通过从熔炼起弧阶段的能量输入（以及散热）的角度分析影响铸锭尾部冶金质量的关键因素，对第三次熔炼的起弧工艺参数进行研究，并通过实验进行了验证。结果表明，电流起弧后随着熔炼的进行，铸锭表面温度逐渐升高，在熔炼至铸锭30mm高度处，表面温度达到最高。通过选择合适时机提升起弧电流大小，加快电流上升速度，可以使熔池表面温度明显上升。Φ720mm规格TC17钛合金第三次熔炼起弧电流增大4kA，1min快速升至大电流，大电流保持时间延长6min，能够实现熔池快速健全，达到稳定熔池时熔炼的金属重量减少约一半，数值模拟和实验结果的一致性吻合良好。
本文采用数值模拟方法，通过从熔炼起弧阶段的能量输入（以及散热）的角度分析影响铸锭尾部冶金质量的关键因素，对第三次熔炼的起弧工艺参数进行研究，并通过实验进行了验证。结果表明，电流起弧后随着熔炼的进行，铸锭表面温度逐渐升高，在熔炼至铸锭30mm高度处，表面温度达到最高。通过选择合适时机提升起弧电流大小，加快电流上升速度，可以使熔池表面温度明显上升。Φ720mm规格TC17钛合金第三次熔炼起弧电流增大4kA，1min快速升至大电流，大电流保持时间延长6min，能够实现熔池快速健全，达到稳定熔池时熔炼的金属重量减少约一半，数值模拟和实验结果的一致性吻合良好。
2024, 53(9):2438-2445.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230814
摘要:
采用高速激光熔覆技术制备了4种Ni-xCr合金熔覆层（x=20、40、60和80，质量分数），研究了不同Cr含量的Ni-Cr合金熔覆层的显微组织与耐磨性能的关系。结果表明，4种Ni-Cr合金熔覆层的组织均为网状枝晶结构。其中，Ni-20Cr和Ni-40Cr为单相的 γ-(Ni, Cr)固溶体，其磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损。随着Cr含量的增加，Ni-60Cr和Ni-80Cr为γ-(Ni, Cr)相和Cr相，且存在富Cr沉淀物，磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。适度增加Cr含量可以提高Ni-Cr合金熔覆层的硬度和耐磨性。然而，过量添加Cr会导致富Cr沉淀物的析出。这些沉淀物的硬度为2430.4 MPa，低于Ni-60Cr基体（4024.86 MPa）和Ni-80Cr基体（7022.68 MPa）的硬度。富Cr沉淀物与熔覆层基体之间存在硬度过渡区，裂纹极易在过渡区萌生并扩展，造成深层剥落，不利于熔覆层的耐磨性能。Ni-80Cr的硬度最高，但其Cr含量过高导致表面存在大量的贯穿性裂纹和较多的富Cr沉淀物，最终表现出最差的耐磨性能。Ni-60Cr拥有较高硬度和致密的微观结构，因此表现出最好的耐磨性能。
采用高速激光熔覆技术制备了4种Ni-xCr合金熔覆层（x=20、40、60和80，质量分数），研究了不同Cr含量的Ni-Cr合金熔覆层的显微组织与耐磨性能的关系。结果表明，4种Ni-Cr合金熔覆层的组织均为网状枝晶结构。其中，Ni-20Cr和Ni-40Cr为单相的 γ-(Ni, Cr)固溶体，其磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损。随着Cr含量的增加，Ni-60Cr和Ni-80Cr为γ-(Ni, Cr)相和Cr相，且存在富Cr沉淀物，磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。适度增加Cr含量可以提高Ni-Cr合金熔覆层的硬度和耐磨性。然而，过量添加Cr会导致富Cr沉淀物的析出。这些沉淀物的硬度为2430.4 MPa，低于Ni-60Cr基体（4024.86 MPa）和Ni-80Cr基体（7022.68 MPa）的硬度。富Cr沉淀物与熔覆层基体之间存在硬度过渡区，裂纹极易在过渡区萌生并扩展，造成深层剥落，不利于熔覆层的耐磨性能。Ni-80Cr的硬度最高，但其Cr含量过高导致表面存在大量的贯穿性裂纹和较多的富Cr沉淀物，最终表现出最差的耐磨性能。Ni-60Cr拥有较高硬度和致密的微观结构，因此表现出最好的耐磨性能。
2024, 53(9):2468-2477.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230811
摘要:
介绍了超离心状态下固体中沉降过程的最新进展以及未来应用前景，主要涉及高温超速离心设备、互溶体系以及化合物材料中的超重力固态相变。近90%的固态超速离心实验是在世界第一台（熊本大学）与第二台（日本原子能研究所）高温超速离心机上，以500 ℃以下的温度与106 g的最大离心加速度条件运行。强大的超重力场和温度场诱导材料中出现原子级梯度结构、晶粒生长与细化以及空位聚集等现象，并产生了新的物相结构与特性。浙江大学建造了一种实验温度高达1200 ℃的新型悬臂式高温超速离心机，为模拟高温合金在航空发动机运行环境中的合金成分、微观结构和性能演变提供了设备基础。
介绍了超离心状态下固体中沉降过程的最新进展以及未来应用前景，主要涉及高温超速离心设备、互溶体系以及化合物材料中的超重力固态相变。近90%的固态超速离心实验是在世界第一台（熊本大学）与第二台（日本原子能研究所）高温超速离心机上，以500 ℃以下的温度与106 g的最大离心加速度条件运行。强大的超重力场和温度场诱导材料中出现原子级梯度结构、晶粒生长与细化以及空位聚集等现象，并产生了新的物相结构与特性。浙江大学建造了一种实验温度高达1200 ℃的新型悬臂式高温超速离心机，为模拟高温合金在航空发动机运行环境中的合金成分、微观结构和性能演变提供了设备基础。
2024, 53(9):2485-2492.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230843
摘要:
多孔阳极氧化物的形成机理至今仍不清楚。研究者倾向于用物理模型来解释它们的生长机理，很少报道电极电位对阳极氧化的影响，因为阳极氧化电压远远高于电极电位。创新性地引入电极电位理论、氧气气泡模型以及离子电流和电子电流理论来解释3种金属（Ti、Zr和Fe）在低电压下多孔阳极氧化物的生长机理。以Ti在0.5%（质量分数）NH4F水溶液中的阳极氧化为例，计算了电极电位，解释了在低电压下多孔阳极氧化物的形貌。结果表明，多孔阳极氧化物的生长由离子电流和电子电流的比值决定。阳极氧化过程中的金属分为2类：一类是容易形成致密氧化层的金属，另一类是容易导致氧气析出的金属。相应的，电解液也被分为2类：容易形成致密氧化层的电解液和容易导致氧气析出的电解液。
多孔阳极氧化物的形成机理至今仍不清楚。研究者倾向于用物理模型来解释它们的生长机理，很少报道电极电位对阳极氧化的影响，因为阳极氧化电压远远高于电极电位。创新性地引入电极电位理论、氧气气泡模型以及离子电流和电子电流理论来解释3种金属（Ti、Zr和Fe）在低电压下多孔阳极氧化物的生长机理。以Ti在0.5%（质量分数）NH4F水溶液中的阳极氧化为例，计算了电极电位，解释了在低电压下多孔阳极氧化物的形貌。结果表明，多孔阳极氧化物的生长由离子电流和电子电流的比值决定。阳极氧化过程中的金属分为2类：一类是容易形成致密氧化层的金属，另一类是容易导致氧气析出的金属。相应的，电解液也被分为2类：容易形成致密氧化层的电解液和容易导致氧气析出的电解液。
2024, 53(9):2493-2502.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20240092
摘要:
为探究纵波轧制(longitudinal wave rolling (LR))对AZ31B镁合金微观取向的影响,本文对AZ31B镁合金板材400 ℃/20 min和450℃/20 min热处理后,利用振幅0.35 mm,周期4 mm的纵波波纹轧辊和平轧辊进行了波-平和平-平两道次轧制。借助EBSD分析了轧制后板材波谷、波腰及波峰处的晶粒度及取向。分析结果表明：板材热处理后,基面织构强度和平均晶粒尺寸均降低,其中450℃/20min热处理后基面织构强度下降显著,但其平均晶粒尺寸增加；400℃/20min+LR后板材的平均晶粒尺寸显著降低,波峰和波谷处的基面织构强度较热处理试样增强,波腰基面织构强度几乎不变,然而因波峰和波谷大量晶粒分别沿RD的相反方向发生了偏转,故整体宏观织构强度显著降低；二道次轧制后,400℃/20min+LFR后波峰和波谷处的基面织构强度较400℃/20min+LR后对应位置显著降低,而波腰强度显著增强,同时各处平均晶粒尺寸进一步降低。400℃/20min+FFR后相比400℃/20min+LFR,其基面织构强度弱于波腰而强于波峰和波谷处。故400℃下LFR后板材与FFR后板材的整体基面织构强度接近。450℃/20min+FFR后板材相比400℃/20min+FFR后板材,其基面织构强度显著降低,{0001}<11-20>类型织构占比更低,同时平均晶粒尺寸增大。
为探究纵波轧制(longitudinal wave rolling (LR))对AZ31B镁合金微观取向的影响,本文对AZ31B镁合金板材400 ℃/20 min和450℃/20 min热处理后,利用振幅0.35 mm,周期4 mm的纵波波纹轧辊和平轧辊进行了波-平和平-平两道次轧制。借助EBSD分析了轧制后板材波谷、波腰及波峰处的晶粒度及取向。分析结果表明：板材热处理后,基面织构强度和平均晶粒尺寸均降低,其中450℃/20min热处理后基面织构强度下降显著,但其平均晶粒尺寸增加；400℃/20min+LR后板材的平均晶粒尺寸显著降低,波峰和波谷处的基面织构强度较热处理试样增强,波腰基面织构强度几乎不变,然而因波峰和波谷大量晶粒分别沿RD的相反方向发生了偏转,故整体宏观织构强度显著降低；二道次轧制后,400℃/20min+LFR后波峰和波谷处的基面织构强度较400℃/20min+LR后对应位置显著降低,而波腰强度显著增强,同时各处平均晶粒尺寸进一步降低。400℃/20min+FFR后相比400℃/20min+LFR,其基面织构强度弱于波腰而强于波峰和波谷处。故400℃下LFR后板材与FFR后板材的整体基面织构强度接近。450℃/20min+FFR后板材相比400℃/20min+FFR后板材,其基面织构强度显著降低,{0001}<11-20>类型织构占比更低,同时平均晶粒尺寸增大。
2024, 53(9):2524-2534.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230406
摘要:
在使用连续驱动摩擦焊焊接铝钢接头时,由于其焊接端面具有绕轴旋转的特点,焊接时会出现线速度沿半径方向不均的现象,使得焊接摩擦扭矩及产热不均匀,同时因为铝钢间的溶解度较低,这导致接头界面会出现厚度不均匀的铝钢金属间化合物,影响接头整体力学性能。冷喷涂沉积Si中间层可以与铝、钢达到良好的结合,减少硬脆Fe-Al金属间化合物的产生,形成性能良好的Fe-Al-Si 金属间化合物,改变接头结合方式。本文采用冷喷涂法将Si粉末沉积到Q235钢棒端面形成约20μm厚的中间层,使用连续驱动摩擦焊与1060铝棒进行焊接。对比分析Si中间层的添加对接头焊接过程中的摩擦扭矩、焊接温度,以及接头力学性能、界面IMCs的形貌及性质的影响。结果表明：Si中间层的添加减小了铝/钢界面的摩擦系数,降低了焊接接头摩擦扭矩及峰值温度,进而使得金属间化合物层的厚度降低；界面形貌呈犬牙交错状,接头出现了机械嵌合,增加了接触面积；金属间化合物主要成分Fe2Al5和Fe3Al被力学性能较好的Al2Fe2Si3、Al0.5Fe3Si0.5所替代；接头各位置弯曲角度平均提高59°,其韧性明显增强,力学性能的不均匀性降低。
在使用连续驱动摩擦焊焊接铝钢接头时,由于其焊接端面具有绕轴旋转的特点,焊接时会出现线速度沿半径方向不均的现象,使得焊接摩擦扭矩及产热不均匀,同时因为铝钢间的溶解度较低,这导致接头界面会出现厚度不均匀的铝钢金属间化合物,影响接头整体力学性能。冷喷涂沉积Si中间层可以与铝、钢达到良好的结合,减少硬脆Fe-Al金属间化合物的产生,形成性能良好的Fe-Al-Si 金属间化合物,改变接头结合方式。本文采用冷喷涂法将Si粉末沉积到Q235钢棒端面形成约20μm厚的中间层,使用连续驱动摩擦焊与1060铝棒进行焊接。对比分析Si中间层的添加对接头焊接过程中的摩擦扭矩、焊接温度,以及接头力学性能、界面IMCs的形貌及性质的影响。结果表明：Si中间层的添加减小了铝/钢界面的摩擦系数,降低了焊接接头摩擦扭矩及峰值温度,进而使得金属间化合物层的厚度降低；界面形貌呈犬牙交错状,接头出现了机械嵌合,增加了接触面积；金属间化合物主要成分Fe2Al5和Fe3Al被力学性能较好的Al2Fe2Si3、Al0.5Fe3Si0.5所替代；接头各位置弯曲角度平均提高59°,其韧性明显增强,力学性能的不均匀性降低。
2024, 53(9):2535-2545.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230448
摘要:
本文研究了Zr和Cr元素掺杂对Cu互连薄膜的结构及性能的影响。利用直流磁控溅射技术在SiO2/Si衬底上沉积了Cu、Cu(Zr)、Cu(Cr)、Cu(ZrCr)四种薄膜,并在400℃-800℃的不同温度下对薄膜真空退火1h。通过扫描电子显微(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和四探针法对不同薄膜的表面形貌、微观结构与电学性能进行测试分析。结果表明, Zr或Cr单元素掺杂均能在一定程度上提高Cu互连薄膜的热稳定性。Zr或Cr元素的析出阻止了Cu膜与Si基底的互扩散以及晶粒的长大和团聚,使薄膜层保持良好的性能,经700℃真空退火后,Cu(Zr)和Cu(Cr)薄膜的电阻率小于10μΩ?cm(纯Cu薄膜为74.70μΩ?cm)；Zr和Cr元素共掺杂进一步提升Cu互连薄膜的热稳定性,同时保持较低的电阻率和互连可靠性,尤其经800℃退火后,合金薄膜的电阻率低至3.23μΩ?cm(纯Cu薄膜为103.50μΩ?cm)。
本文研究了Zr和Cr元素掺杂对Cu互连薄膜的结构及性能的影响。利用直流磁控溅射技术在SiO2/Si衬底上沉积了Cu、Cu(Zr)、Cu(Cr)、Cu(ZrCr)四种薄膜,并在400℃-800℃的不同温度下对薄膜真空退火1h。通过扫描电子显微(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和四探针法对不同薄膜的表面形貌、微观结构与电学性能进行测试分析。结果表明, Zr或Cr单元素掺杂均能在一定程度上提高Cu互连薄膜的热稳定性。Zr或Cr元素的析出阻止了Cu膜与Si基底的互扩散以及晶粒的长大和团聚,使薄膜层保持良好的性能,经700℃真空退火后,Cu(Zr)和Cu(Cr)薄膜的电阻率小于10μΩ?cm(纯Cu薄膜为74.70μΩ?cm)；Zr和Cr元素共掺杂进一步提升Cu互连薄膜的热稳定性,同时保持较低的电阻率和互连可靠性,尤其经800℃退火后,合金薄膜的电阻率低至3.23μΩ?cm(纯Cu薄膜为103.50μΩ?cm)。
2024, 53(9):2571-2579.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230458
摘要:
在α+β两相区高温区(750~850℃)对热轧态Zr-2.5Nb合金板材进行加热,保温不同时间(1~10h),随后以不同方式冷却至室温,研究热处理工艺参数对合金微观组织类型、显微组织特征(相含量、晶粒尺寸等)及力学性能的影响。结果表明,与水冷的发生的切变型相变相比,空冷和炉冷均发生扩散型转变,其中空冷过程中β相内部析出纳米级板条状αs相,形成双态组织；炉冷过程中αp相直接消耗β相长大,形成等轴组织。随着热处理温度的升高和保温时间的延长,空冷双态组织中αp相含量逐渐减小,βtrans相连续性增强,αs相片层宽度增大；炉冷等轴组织中αp相含量基本保持不变、平均晶粒尺寸增加,残余β相连续性增强。与炉冷等轴组织相比,空冷双态组织中纳米级αs相使合金具有更高的强度、αp相保证了良好的塑性,降低热处理温度、减少保温时间可使双态组织合金获得优异的强塑性匹配。
在α+β两相区高温区(750~850℃)对热轧态Zr-2.5Nb合金板材进行加热,保温不同时间(1~10h),随后以不同方式冷却至室温,研究热处理工艺参数对合金微观组织类型、显微组织特征(相含量、晶粒尺寸等)及力学性能的影响。结果表明,与水冷的发生的切变型相变相比,空冷和炉冷均发生扩散型转变,其中空冷过程中β相内部析出纳米级板条状αs相,形成双态组织；炉冷过程中αp相直接消耗β相长大,形成等轴组织。随着热处理温度的升高和保温时间的延长,空冷双态组织中αp相含量逐渐减小,βtrans相连续性增强,αs相片层宽度增大；炉冷等轴组织中αp相含量基本保持不变、平均晶粒尺寸增加,残余β相连续性增强。与炉冷等轴组织相比,空冷双态组织中纳米级αs相使合金具有更高的强度、αp相保证了良好的塑性,降低热处理温度、减少保温时间可使双态组织合金获得优异的强塑性匹配。
2024, 53(9):2580-2587.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230459
摘要:
目的 研究沉积离子能量对沉积在氢燃料电池金属双极板表面的TiC/a-C:H涂层导电性和耐腐蚀性能影响。方法 通过磁过滤真空阴极弧沉积技术以Ti靶为Ti源,通入乙炔气体在-100~-500 V基体负偏压下于SS 304不锈钢和单晶硅表面沉积了厚度为0.52~1.05 μm的TiC/a-C:H复合涂层,研究分析了涂层的微观结构、涂层成分、相结构、耐腐蚀性能和导电性能的变化规律。结果 在-100~-500 V基体负偏压下沉积的TiC/a-C:H复合涂层均呈现致密的低缺陷特征,涂层为非晶碳包覆的nc-TiC纳米晶所构建的纳米晶/非晶复合结构,随着负偏压增大,涂层中纳米晶尺寸从3.3 nm增至7.9 nm。最优的nc-TiC/a-C:H涂层(负偏压-100 V)在模拟氢燃料电池腐蚀环境(80℃, 0.5 mol/L H2SO4+2 ppm HF 水溶液)下实现了0.0525 μA/cm2的超低腐蚀电流密度,在1.4 MPa的压紧力下实现了1.49 mΩ/cm2的极低ICR值。结论 采用磁过滤真空阴极弧沉积法制备的nc-TiC/a-C:H涂层可以在宽的负偏压范围内有效提高SS 304不锈钢双极板的耐腐蚀和导电性,满足DOE 2025目标对氢燃料电池双极板的性能需求,该工作为大规模制备高性能金属双极板涂层开辟了一条新途径。
目的 研究沉积离子能量对沉积在氢燃料电池金属双极板表面的TiC/a-C:H涂层导电性和耐腐蚀性能影响。方法 通过磁过滤真空阴极弧沉积技术以Ti靶为Ti源,通入乙炔气体在-100~-500 V基体负偏压下于SS 304不锈钢和单晶硅表面沉积了厚度为0.52~1.05 μm的TiC/a-C:H复合涂层,研究分析了涂层的微观结构、涂层成分、相结构、耐腐蚀性能和导电性能的变化规律。结果 在-100~-500 V基体负偏压下沉积的TiC/a-C:H复合涂层均呈现致密的低缺陷特征,涂层为非晶碳包覆的nc-TiC纳米晶所构建的纳米晶/非晶复合结构,随着负偏压增大,涂层中纳米晶尺寸从3.3 nm增至7.9 nm。最优的nc-TiC/a-C:H涂层(负偏压-100 V)在模拟氢燃料电池腐蚀环境(80℃, 0.5 mol/L H2SO4+2 ppm HF 水溶液)下实现了0.0525 μA/cm2的超低腐蚀电流密度,在1.4 MPa的压紧力下实现了1.49 mΩ/cm2的极低ICR值。结论 采用磁过滤真空阴极弧沉积法制备的nc-TiC/a-C:H涂层可以在宽的负偏压范围内有效提高SS 304不锈钢双极板的耐腐蚀和导电性,满足DOE 2025目标对氢燃料电池双极板的性能需求,该工作为大规模制备高性能金属双极板涂层开辟了一条新途径。
2024, 53(9):2588-2595.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230463
摘要:
为了研究P在超级铁素体不锈钢中的作用，基于S44660钢成分，调整了P的质量分数，控制P含量分别为0.004%、0.009%、0.033%以及0.055%四种试验钢，研究了P的含量变化对铸造S44660超级铁素体不锈钢组织与力学性能的影响。结果表明:在P含量为0.004%、0.009%和0.033%时，P含量增加可以扩大S44660超级铁素体不锈钢的结晶温度范围（ΔT），减小晶粒尺寸并提升等轴晶率，但当P含量为0.055%时，晶粒尺寸反而增大，等轴晶率下降；适量的P可以提高材料的室温拉伸性能以及硬度；P对材料冲击韧性具有双重作用，一方面P对晶粒有细化作用，进而提升材料的冲击吸收功，另一方面，过量的P会促使其在晶界处偏聚，进而影响材料的韧性。
为了研究P在超级铁素体不锈钢中的作用，基于S44660钢成分，调整了P的质量分数，控制P含量分别为0.004%、0.009%、0.033%以及0.055%四种试验钢，研究了P的含量变化对铸造S44660超级铁素体不锈钢组织与力学性能的影响。结果表明:在P含量为0.004%、0.009%和0.033%时，P含量增加可以扩大S44660超级铁素体不锈钢的结晶温度范围（ΔT），减小晶粒尺寸并提升等轴晶率，但当P含量为0.055%时，晶粒尺寸反而增大，等轴晶率下降；适量的P可以提高材料的室温拉伸性能以及硬度；P对材料冲击韧性具有双重作用，一方面P对晶粒有细化作用，进而提升材料的冲击吸收功，另一方面，过量的P会促使其在晶界处偏聚，进而影响材料的韧性。
2024, 53(9):2596-2603.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230467
摘要:
从微观组织和磁性能方面研究了Fe含量对NdFe10.25TiNb0.25/Xwt.%α-Fe永磁合金的影响。合金铸锭均是由α-Fe相、1:12相和富Nd相组成,Fe含量增加,α-Fe相含量增加,1:12相含量减少。合金薄带晶粒尺寸随着Fe含量的增加而逐渐减小,并产生Fe2Ti相,Fe2Ti相和富 Nd 相含量随着Fe含量的增加而逐渐减少。当X≥15时,合金薄带只有1:12相和α-Fe相,平均晶粒尺寸减小到60 nm以下。渗氮后平均晶粒尺寸减小15%~20%,磁性能得到明显改善。X=15时,得到的氮化合金薄带磁性能较佳,矫顽力为1010 Oe,饱和磁化强度为130.7 emu/g,比X=0时矫顽力提高了25%,饱和磁化强度提高了12%。粘结后最大磁能积先下降后升高，X=15时最高，达到了4.03 MGOe，相比于X=0时的2.88 MGOe，增幅达到了40%。X=15时的氮化合金薄带高温结构稳定性较好，在360℃以下保持结构稳定，高温应用潜力大。
从微观组织和磁性能方面研究了Fe含量对NdFe10.25TiNb0.25/Xwt.%α-Fe永磁合金的影响。合金铸锭均是由α-Fe相、1:12相和富Nd相组成,Fe含量增加,α-Fe相含量增加,1:12相含量减少。合金薄带晶粒尺寸随着Fe含量的增加而逐渐减小,并产生Fe2Ti相,Fe2Ti相和富 Nd 相含量随着Fe含量的增加而逐渐减少。当X≥15时,合金薄带只有1:12相和α-Fe相,平均晶粒尺寸减小到60 nm以下。渗氮后平均晶粒尺寸减小15%~20%,磁性能得到明显改善。X=15时,得到的氮化合金薄带磁性能较佳,矫顽力为1010 Oe,饱和磁化强度为130.7 emu/g,比X=0时矫顽力提高了25%,饱和磁化强度提高了12%。粘结后最大磁能积先下降后升高，X=15时最高，达到了4.03 MGOe，相比于X=0时的2.88 MGOe，增幅达到了40%。X=15时的氮化合金薄带高温结构稳定性较好，在360℃以下保持结构稳定，高温应用潜力大。
2024, 53(9):2604-2613.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230473
摘要:
本文研究了Mg-5.65Gd-3.15Y-0.48Zr（VW53）镁合金室温压缩过程中的孪生行为及其对组织性能的影响，通过将固溶态VW53镁合金在室温下进行不同应变的压缩实验，然后利用光学金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等技术对试样进行微观组织观察和分析，并测试试样的维氏显微硬度。结果表明：VW53镁合金在室温压缩过程中，主要产生{10-12}拉伸孪晶和{11-21}拉伸孪晶，随着应变增加{10-12}孪晶会形核、生长、合并、甚至吞并整个晶粒，而{11-21}孪晶不会发生显著的扩展合并。孪晶界可以阻碍位错移动和分割细化晶粒，随着应变的增加，孪晶界相互交截和分割细化晶粒的程度提高，可以有效提高VW53镁合金力学性能。
本文研究了Mg-5.65Gd-3.15Y-0.48Zr（VW53）镁合金室温压缩过程中的孪生行为及其对组织性能的影响，通过将固溶态VW53镁合金在室温下进行不同应变的压缩实验，然后利用光学金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等技术对试样进行微观组织观察和分析，并测试试样的维氏显微硬度。结果表明：VW53镁合金在室温压缩过程中，主要产生{10-12}拉伸孪晶和{11-21}拉伸孪晶，随着应变增加{10-12}孪晶会形核、生长、合并、甚至吞并整个晶粒，而{11-21}孪晶不会发生显著的扩展合并。孪晶界可以阻碍位错移动和分割细化晶粒，随着应变的增加，孪晶界相互交截和分割细化晶粒的程度提高，可以有效提高VW53镁合金力学性能。
2024, 53(9):2642-2652.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230488
摘要:
为了延长脱硫浆液循环泵叶轮的寿命，采用激光熔覆技术在脱硫浆液循环泵叶轮的母材30CrMnSiA钢表面制备了WC增强CoCrFeNiTi-WCx(x=0、5、10、15、20wt%)高熵合金涂层，系统研究了WC含量对涂层的显微组织、力学和耐蚀性能影响。研究发现CoCrFeNiTi高熵合金涂层相组成为FCC(Fe-Ni)、BCC(Fe-Cr)、Laves(CoTi2)和AB-type(Ti的化合物)，随着WC含量增加，Laves相衍射峰强度增强，且生成了新相碳化物（WC、TiC、Cr7C3和Fe3C）。CoCrFeNiTi高熵合金涂层主要组织为底部的胞状晶和顶部的等轴枝晶，随着WC含量增加，涂层组织主要为等轴枝晶，且晶粒尺寸逐渐细化。WC的加入提高了涂层的性能，其中CoCrFeNiTi-20%WC涂层硬度最大（654.955 HV0.2），且摩擦系数（0.664）和磨损率（1.3×102 um3?s -1?N-1）最小，耐磨性能最好，磨损机制主要为轻微的黏着磨损和磨粒磨损。此外，随着WC含量增加，涂层表现出更低的腐蚀速率和腐蚀电流。其中，CoCrFeNiTi-20%WC涂层腐蚀电流最小，耐腐蚀性能最好。
为了延长脱硫浆液循环泵叶轮的寿命，采用激光熔覆技术在脱硫浆液循环泵叶轮的母材30CrMnSiA钢表面制备了WC增强CoCrFeNiTi-WCx(x=0、5、10、15、20wt%)高熵合金涂层，系统研究了WC含量对涂层的显微组织、力学和耐蚀性能影响。研究发现CoCrFeNiTi高熵合金涂层相组成为FCC(Fe-Ni)、BCC(Fe-Cr)、Laves(CoTi2)和AB-type(Ti的化合物)，随着WC含量增加，Laves相衍射峰强度增强，且生成了新相碳化物（WC、TiC、Cr7C3和Fe3C）。CoCrFeNiTi高熵合金涂层主要组织为底部的胞状晶和顶部的等轴枝晶，随着WC含量增加，涂层组织主要为等轴枝晶，且晶粒尺寸逐渐细化。WC的加入提高了涂层的性能，其中CoCrFeNiTi-20%WC涂层硬度最大（654.955 HV0.2），且摩擦系数（0.664）和磨损率（1.3×102 um3?s -1?N-1）最小，耐磨性能最好，磨损机制主要为轻微的黏着磨损和磨粒磨损。此外，随着WC含量增加，涂层表现出更低的腐蚀速率和腐蚀电流。其中，CoCrFeNiTi-20%WC涂层腐蚀电流最小，耐腐蚀性能最好。
2024, 53(9):2653-2660.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230497
摘要:
本文使用传统反挤压（Conventional Backward Extrusion，CBE）和旋转反挤压（Rotational Backward Extrusion，RBE）两种工艺制备了不同的Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr (wt.%)合金杯形件。使用OM、SEM、EBSD等测试方法对不同杯形件的对应区域进行表征。结果表明：RBE的晶粒细化能力远远大于CBE,RBE心部的晶粒细化效果最好，RBE-Ⅲ区域的动态再结晶（Dynamic Recrystallization，DRX）含量可达98.1%，平均晶粒尺寸为2.5μm。RBE的织构弱化能力也优于CBE，心部的织构强度可弱化为1.258。在RBE得到杯形件当中，其LPSO相的破碎程度也大于CBE，第二相（β相）分布的也更加均匀，析出的β相可以通过粒子刺激形核（Particles Simulated Nucleation，PSN）机制促进DRX，并通过钉扎效应抑制晶粒长大。在CBE和RBE杯形件成形过程中，其动态再结晶机制相同，为连续动态再结晶（Continuous Dynamic ecrystallization，CDRX）和不连续动态再结晶（Discontinuous Dynamic Recrystallization，DDRX）两种。
本文使用传统反挤压（Conventional Backward Extrusion，CBE）和旋转反挤压（Rotational Backward Extrusion，RBE）两种工艺制备了不同的Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr (wt.%)合金杯形件。使用OM、SEM、EBSD等测试方法对不同杯形件的对应区域进行表征。结果表明：RBE的晶粒细化能力远远大于CBE,RBE心部的晶粒细化效果最好，RBE-Ⅲ区域的动态再结晶（Dynamic Recrystallization，DRX）含量可达98.1%，平均晶粒尺寸为2.5μm。RBE的织构弱化能力也优于CBE，心部的织构强度可弱化为1.258。在RBE得到杯形件当中，其LPSO相的破碎程度也大于CBE，第二相（β相）分布的也更加均匀，析出的β相可以通过粒子刺激形核（Particles Simulated Nucleation，PSN）机制促进DRX，并通过钉扎效应抑制晶粒长大。在CBE和RBE杯形件成形过程中，其动态再结晶机制相同，为连续动态再结晶（Continuous Dynamic ecrystallization，CDRX）和不连续动态再结晶（Discontinuous Dynamic Recrystallization，DDRX）两种。
2024, 53(9):2661-2668.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230502
摘要:
采用Gleeble-3500热模拟试验机对均匀化后的工业电解镍进行了热压缩实验,在变形量60%的条件下,研究了变形温度为900,1000,1100,1200 ℃,应变速率为0.01,0.1,1,10 s-1时的热变形行为。根据压缩数据获得真应力-真应变曲线,分析了变形温度和应变速率对电解镍力学性能的影响,并得到流变应力本构方程,基于动态材料模型及Prassd失稳准则建立了热加工图。结果表明：电解镍对变形温度和应变速率表现出较强的敏感性,随变形温度的升高和应变速率的降低,流变应力逐渐减小；随应变的增加,流变应力达峰值下降至某一值后趋于平稳,呈现出流变软化特征；根据热加工图,获得电解镍较佳的热加工工艺范围为：变形温度980~1040 ℃,应变速率3.16~10 s-1；变形温度为1100 ℃,应变速率为1~4 s-1。
采用Gleeble-3500热模拟试验机对均匀化后的工业电解镍进行了热压缩实验,在变形量60%的条件下,研究了变形温度为900,1000,1100,1200 ℃,应变速率为0.01,0.1,1,10 s-1时的热变形行为。根据压缩数据获得真应力-真应变曲线,分析了变形温度和应变速率对电解镍力学性能的影响,并得到流变应力本构方程,基于动态材料模型及Prassd失稳准则建立了热加工图。结果表明：电解镍对变形温度和应变速率表现出较强的敏感性,随变形温度的升高和应变速率的降低,流变应力逐渐减小；随应变的增加,流变应力达峰值下降至某一值后趋于平稳,呈现出流变软化特征；根据热加工图,获得电解镍较佳的热加工工艺范围为：变形温度980~1040 ℃,应变速率3.16~10 s-1；变形温度为1100 ℃,应变速率为1~4 s-1。
2024, 53(9):2669-2677.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230478
摘要:
非晶合金因“长程无序、短程有序”的亚稳态结构特征，所以具有优异的机械性能、耐腐蚀性能以及突出的磁学性能与催化性能等功能特点。但对于玻璃形成能力较弱、难以形成大尺寸块体的非晶合金来说，其应用范围受限，故多以合金涂层的形式呈现。因为制备非晶合金粉末的周期长、成本高，在不考虑具体涂层制备工艺的前提下，非晶合金涂层成分的筛选与优化对涂层的性能显得尤为重要。本文主要介绍了非晶合金涂层的制备链条、不同形态非晶合金的相似性；同时以Al基非晶合金为例，综述了Al基非晶合金成分设计与优化过程的脉络，并对Al基非晶合金粉末的制备与热喷涂Al基非晶合金涂层的研究现状进行归纳总结，希望为新型非晶合金涂层成分设计与开发，提供新角度与新思路。
非晶合金因“长程无序、短程有序”的亚稳态结构特征，所以具有优异的机械性能、耐腐蚀性能以及突出的磁学性能与催化性能等功能特点。但对于玻璃形成能力较弱、难以形成大尺寸块体的非晶合金来说，其应用范围受限，故多以合金涂层的形式呈现。因为制备非晶合金粉末的周期长、成本高，在不考虑具体涂层制备工艺的前提下，非晶合金涂层成分的筛选与优化对涂层的性能显得尤为重要。本文主要介绍了非晶合金涂层的制备链条、不同形态非晶合金的相似性；同时以Al基非晶合金为例，综述了Al基非晶合金成分设计与优化过程的脉络，并对Al基非晶合金粉末的制备与热喷涂Al基非晶合金涂层的研究现状进行归纳总结，希望为新型非晶合金涂层成分设计与开发，提供新角度与新思路。
2024, 53(9):2678-2694.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230500
摘要:
先进轻质铝锂合金因其出色的断裂韧性、高比强度比刚度、稳定高低温性能、良好耐蚀性,现已成为最具竞争力的航空航天材料之一。激光焊接具有能量密度高、热影响区窄、结构变形小和焊接速度快等优势,是焊接铝锂合金薄板材料最具潜力的工艺方法。采用铝锂合金焊接结构替代机械连接,可有效提高材料利用率,减少零件使用,降低制造成本,实现结构减重。目前,铝锂合金因其自身材料特性,在激光焊接过程中仍存在一些关键技术问题亟待解决。本文综述了铝锂合金,激光焊接技术,以及铝锂合金激光焊接技术在国内外航空航天领域的研究现状,并展望了铝锂合金激光焊接技术的主要研究方向。
先进轻质铝锂合金因其出色的断裂韧性、高比强度比刚度、稳定高低温性能、良好耐蚀性,现已成为最具竞争力的航空航天材料之一。激光焊接具有能量密度高、热影响区窄、结构变形小和焊接速度快等优势,是焊接铝锂合金薄板材料最具潜力的工艺方法。采用铝锂合金焊接结构替代机械连接,可有效提高材料利用率,减少零件使用,降低制造成本,实现结构减重。目前,铝锂合金因其自身材料特性,在激光焊接过程中仍存在一些关键技术问题亟待解决。本文综述了铝锂合金,激光焊接技术,以及铝锂合金激光焊接技术在国内外航空航天领域的研究现状,并展望了铝锂合金激光焊接技术的主要研究方向。
2024, 53(9):2695-2712.
DOI: 10.12442/j.issn.1002-185X.20230503
摘要:
以纳米和亚微米尺度为主的微纳米铜粉，因其具有高导电导热性、低的电化学迁移行为、强的可焊性以及低廉的价格和易得的原料，是现代军工、船舶、航天与尖端科技领域的重要功能材料。针对不同应用特性而对微纳米铜粉的形貌粒度和表面特性有着不同的要求，同时较小的粒度分布和较高的活性以及易氧化的特性对制备和存储提出了更高的要求。液相还原法利用氧化还原反应的机理，通过调控工艺条件可以针对性控制微纳米铜粉的粒径和形貌，并可在此基础上进行表面改性处理改善其抗氧化能力，以达到更好的应用特性。本文综述了液相还原过程中不同调控因素（还原剂、铜源、保护剂、溶剂、反应温度和pH）对微纳米铜粉形貌粒度及分散性的影响，进一步概括了微纳米铜粉抗氧化的三种处理方法（表面包覆、表面晶面重构和表面转化处理），简述了微纳米铜粉在化学催化、医疗抗菌、润滑摩擦和电子浆料等领域的应用现状，总结了微纳米铜粉的应用困境和发展方向，并对其发展前景进行展望，以期为液相还原法制备微纳米铜粉的发展提供借鉴。
以纳米和亚微米尺度为主的微纳米铜粉，因其具有高导电导热性、低的电化学迁移行为、强的可焊性以及低廉的价格和易得的原料，是现代军工、船舶、航天与尖端科技领域的重要功能材料。针对不同应用特性而对微纳米铜粉的形貌粒度和表面特性有着不同的要求，同时较小的粒度分布和较高的活性以及易氧化的特性对制备和存储提出了更高的要求。液相还原法利用氧化还原反应的机理，通过调控工艺条件可以针对性控制微纳米铜粉的粒径和形貌，并可在此基础上进行表面改性处理改善其抗氧化能力，以达到更好的应用特性。本文综述了液相还原过程中不同调控因素（还原剂、铜源、保护剂、溶剂、反应温度和pH）对微纳米铜粉形貌粒度及分散性的影响，进一步概括了微纳米铜粉抗氧化的三种处理方法（表面包覆、表面晶面重构和表面转化处理），简述了微纳米铜粉在化学催化、医疗抗菌、润滑摩擦和电子浆料等领域的应用现状，总结了微纳米铜粉的应用困境和发展方向，并对其发展前景进行展望，以期为液相还原法制备微纳米铜粉的发展提供借鉴。
