高温高压水中的S对蒸汽发生器合金的腐蚀是最复杂的腐蚀过程之一。本文从热力学计算和实验方面综述了高温高压水中硫致690和800合金腐蚀的研究进展。热力学计算主要以E-pH图、Volt等效图以及离子分布系数曲线展开,计算结果表明,S的价态以及与金属的相互作用主要受温度、pH值以及电极电位的影响,但热力学计算没有考虑S中间产物的影响作用。腐蚀电化学及表面分析结果表明,硫致腐蚀受温度、pH值、含硫离子种类、Cl^–等其它杂质离子、晶粒取向、合金成分以及应力等多因素影响,多因素之间可能存在复杂的交互作用。合金中Cr、Mo和Cu的加入可在一定程度上抑制硫致腐蚀,而Ni含量的增加则使硫致腐蚀敏感性增加。S更易吸附在材料表面缺陷处引起局部优先溶解,按照晶粒取向(111)<(100)<(110)硫致腐蚀敏感性增大。

多孔Ti继承了钛合金较高的比刚度、比强度等物理化学特性、优异的耐腐蚀性和生物相容性,其独特的孔隙结构又赋予其超低密度和大比表面积等特点,是结构功能一体化的人体替代材料,近年来在临床医学领域得到了非常广泛的应用。众多研究和应用表明,多孔Ti的性能和功能强烈依赖于不同方法制备多孔Ti的孔隙结构。表面活化技术可显著提高多孔Ti的表面活性,缩短植入人体后的愈合期。本文针对多孔Ti的结构和性能特点,介绍了多孔Ti的常见制备方法,对多孔Ti的表面改性、生物活性与骨诱导性及国内的研究现状进行了总结,展望了生物医用多孔Ti及钛合金的发展。

采用电化学阻抗谱(EIS)、极化扫描和循环伏安(CV)等电化学技术,结合SEM表面形貌分析技术,研究高强度低合金X80管线钢在富Fe酸性红壤环境中的硫酸盐还原菌(SRB)腐蚀行为及电化学过程。结果表明,酸性红壤环境中,环境适应期(前7 d) SRB对腐蚀电化学过程没有明显影响;SRB生长期的呼吸代谢活动导致X80钢的自然腐蚀电位降低,显著促进了管线钢的腐蚀过程;SRB通过胞外铁呼吸可与红壤颗粒表层FeOOH/Fe₂O₃等铁氧化物发生作用,引起FeOOH/Fe₂O₃的微生物异化还原,该过程中,SRB作为电子传输媒介,参与Fe和氧化铁间的电子转移,该机制是SRB促进局部腐蚀电化学过程的主要原因。提出了SRB促进红壤中管线钢微生物腐蚀(MIC)与胞外铁呼吸机制之间的联系。

对MS X70管线钢母材及其焊接接头氢致开裂(HIC)敏感性进行了评估,利用OM、FE-SEM和EBSD对其显微组织、HIC裂纹及周围的晶界结构进行了观察和分析,并通过计算渗透通量J_∞和氢有效扩散系数D_eff对母材及焊接接头的氢捕获效率进行了研究。结果表明,MS X70管线钢母材及其焊接接头的HIC敏感性均不能达到欧标要求,且焊接接头比母材具有更高的HIC敏感性。焊接接头的HIC敏感性较高主要归结于：以条状贝氏体为主的焊缝组织对H原子的捕获效率高于母材;焊接接头中较多的作为H通道的小角度晶界可通过提高大角度晶界氢捕获效率从而增加其裂纹敏感率;焊接接头中较少量低能重位点阵(CSL)晶界和Σ13b、Σ29b重位晶界降低了大角度晶界裂纹扩展抗力从而使其具有更高的HIC敏感性。

采用2 MeV质子束在360 ℃对国产核用304不锈钢试样进行了辐照实验,利用显微硬度仪、透射电子显微镜(TEM)和三维原子探针(3DAP)等研究了材料的辐照损伤,分析了辐照剂量对辐照损伤演化的影响规律。结果表明,304不锈钢辐照损伤微观结构以位错环和少量孔洞为主,位错环的数量密度为10²² m^-3量级,平均尺寸小于10 nm。材料在晶界和位错环处发生元素偏析,其中Cr、Ni在晶界和位错环处偏析程度相近,而Si在位错环处的偏析程度数倍于晶界。位错环平均尺寸和数量密度、晶界偏析程度以及辐照硬化程度均随辐照剂量增加而增加,并在3.0~5.0 dpa范围内趋于饱和。

在0.2 mm/min的抽拉速率下对高温合金CM247LC进行了单晶定向凝固实验,观察分析了水淬的糊状区内的组织。结果显示,合金凝固时首先形成γ枝晶,然后初生MC碳化物在γ枝晶尖端稍后的位置开始形成,γ/γ′共晶在凝固最后阶段析出。值得注意的是,γ/γ′共晶反应是以化学成分和晶体结构都完全不同的MC碳化物作为异质形核核心,而不是依附在形核条件更好的γ相上。检测结果表明,在MC碳化物基底上形成的γ/γ′共晶体具有杂乱的晶体取向,与单晶γ相基体的取向完全不同,说明宏观上为单晶体的高温合金铸件实际上可能含有许多微小杂晶晶粒,使得铸件的单晶性受到影响。

以一种超超临界电站管材用镍基合金为研究对象,结合管材的冷热加工过程及系列压缩热变形与固溶退火实验,利用OM和TEM等手段分析了该合金热加工过程中的动、静态再结晶行为。结果表明：该合金的动态再结晶过程是以晶界弓弯方式形核的非连续动态再结晶为主,静态再结晶则以应变诱导晶界迁动形核机制为主。此外,动态再结晶与静态再结晶过程中产生的不同形态的台阶晶界,其本质是实现表面对低指数面的偏离,保证更多晶界面为低能密排面,以使晶界界面能降低;其形态取决于晶界面的晶体学关系以及晶界位错的Burgers矢量;台阶晶界的存在还可以促进晶界迁移,加速再结晶过程。而且,在再结晶过程进行完全后,台阶晶界仍部分保留,以降低界面能并继续促进后续的晶粒长大过程。

以新型Co-Al-W基高温合金为基础,进行了外加静磁场下定向凝固实验,考察了不同磁场强度对凝固组织形貌和偏析的影响。结果显示：在抽拉速率为5 μm/s时,施加纵向强磁场,诱发熔体流动,造成界面失稳,形成“斑状”偏析和游离碎晶;磁场不变(2 T),进一步增加抽拉速率时,边部的游离碎晶和“斑状”偏析组织减少,凝固界面变得平直;施加横向磁场时,诱发更强的界面前沿流动,偏析加剧,碎晶增多;增加偏析合金元素Ta时,偏析进一步加剧,造成过冷形核,诱发柱状晶向等轴晶转变(CET)。磁场下热电磁对流形成偏析,是造成CET的根本原因。

利用自主研发的SEM原位高温拉伸台,研究了750 ℃高温条件下镍基高温合金Inconel 740H单轴拉伸变形过程中微观组织演变规律及微裂纹萌生与扩展机制。结果表明,在室温和高温条件下,Inconel 740H合金变形过程中晶界是主要的裂纹萌生源,但是在室温时微裂纹也会在晶内萌生。通过对原位变形机制的分析表明,750 ℃高温不仅降低了滑移系的开启能量,使更多的滑移系容易开动,而且弱化了晶界强度,使晶界具有弯曲和滑移的变形特性,从而增强了合金的塑性协调变形能力,但是却降低了合金的屈服强度和抗拉强度,高温同时也使合金晶界的相对强度弱化,导致微裂纹更易从晶界处萌生并扩展。

以K444镍基高温合金为基体,采用多弧离子镀法制备了NiCrAlY涂层、喷涂-烧结法制备了搪瓷基复合涂层,并对比研究了2种涂层的抗热震性能。热震实验高温段温度为900 ℃。高温段保温1.5 h后经水或空气冷却为一个热震循环。结果表明,NiCrAlY涂层的抗热震性能较差。当冷却介质为水时,水淬热震30 cyc后,涂层表面氧化膜开裂明显,且有个别裂纹已穿透氧化膜,扩展至涂层内部;而搪瓷基复合涂层的抗热震性能非常优异。热震后,涂层表面及内部均未发现裂纹,涂层和基体界面结合良好。经分析,其优良的抗热震性能源于：(1) 搪瓷釉热膨胀系数与高温合金基体匹配度高;(2) 纳米Ni和NiCrAlY金属颗粒的加入进一步增大涂层热膨胀系数的同时,还提高了搪瓷的韧塑性。

采用溅射Al和Al-Ni薄膜作为钎料的方法,研究了溅射Al对Si₃N₄的润湿作用,实现了铝基薄膜钎料对Si₃N₄陶瓷的直接钎焊。结果表明,Al直接溅射在Si₃N₄表面所获得的各钎焊接头钎缝致密饱满,与陶瓷形成无反应过渡层的良好冶金结合,纯Al钎焊接头的剪切强度为106 MPa,Al-1.0%Ni亚共晶钎焊接头的强度提高到148 MPa,Al-3.0%Ni接头的强度因钎缝形成共晶组织而略有降低,为132 MPa,这些接头的剪切断裂均产生于钎缝之中。采用首先溅射Ni薄膜作为底层的Al-1.0%Ni薄膜钎料进行了对比,这种钎料得到的钎焊接头断裂产生于钎缝与陶瓷的界面,强度也仅为81 MPa。这表明,高能量溅射Al粒子直接撞击对Si₃N₄具有“润湿”作用,使得Al和Al-Ni合金薄膜熔化后即可实现对Si₃N₄的钎焊。

采用高转速微型搅拌摩擦焊接工艺实现了0.8 mm厚6061-T6铝合金薄板对接。利用OM、SEM、TEM及EBSD等测试技术探讨了高转速对接头微观组织及力学性能的影响规律。结果表明,高转速焊接6061-T6薄板时,焊缝表面成型良好,焊缝各区域组织呈连续均匀过渡。与常规搅拌摩擦焊相比,高转速工艺下,焊缝区β-Mg₂Si、S相(Al₂CuMg)和Al₈Fe₂Si析出相数量增多,特别是长条状β-Mg₂Si数量增多,焊缝区显微硬度值明显提升;转速8000 r/min、焊速1500 mm/min条件下,接头最大抗拉强度高达301.8 MPa,是母材抗拉强度(351.7 MPa)的85.8%;转速对6061-T6铝合金超薄板高转速搅拌摩擦焊对接接头抗拉强度影响较小,接头断裂模式为脆性断裂为主的韧-脆混合断裂。

采用分子动力学方法模拟了Ni_100-xP_x (x=19.0、19.4、19.6、19.8、20.0、21.0)合金在冷速为5×10¹² K/s下的快速凝固过程,并采用Voronoi多面体指数〈n₃,n₄,n₅,n₆〉和团簇类型指数(Zn_i/(ijkl)_i...)对其局域原子结构进行了表征。结果发现,Ni原子的团簇属性主要是高配位(Z≥12)的Frank-Kasper团簇及其变形结构,典型的化学短程序为Ni_Z-2P₃,基本团簇间可通过交叉共享(IS)联结形成中程序结构;而P原子的局域结构除了Z=10的BSAP多面体外,还存在大量高配位(特别是Z=12)的Frank-Kasper结构形态,典型的化学短程序为Ni₁₂P;并且,P芯基本团簇的壳层原子全部为Ni,其间只能通过顶点共享(VS)、边共享(ES)和面共享(FS)联结形成扩展团簇。BSAP多面体及其相关结构被证实对Ni_100-xP_x非晶合金的形成具有重要影响,其数量在共晶点x=19.6时最多,偏离共晶点越远,所占比例越小,其结果与不同浓度下Ni_100-xP_x合金非晶形成能力的变化趋势一致。这可能就是Ni-P合金在共晶点具有最强非晶形成能力的原因。