镁合金具有良好的生物相容性和力学相容性,具有发展成为新一代可降解生物材料的前景。本文总结了医用镁合金合金化的原理与进展,分析了合金元素对镁合金材料学以及生物学性能的影响,重点讨论了医用镁合金显微组织(晶粒尺寸、第二相、长周期堆垛有序相(LPSO)、准晶相)、热处理和表面氧化膜对其降解行为的影响和腐蚀形态、机理方面的重要进展,并指出了医用镁合金的发展方向。

将一种Fe-Ni基沉淀强化奥氏体合金在980 ℃固溶后水淬,在620 ℃经过不同时间时效。利用硬度测试及原子探针层析技术(APT)研究时效过程中γ'相的析出行为及其对材料硬度的影响。结果表明,当时效时间小于6 h时,合金硬度增加较快,由时效前的145 HV迅速增加至205 HV,随后硬度增加速率缓慢;时效120 h时,硬度为251 HV。APT结果表明,合金经固溶处理后,合金元素均匀分布在基体中。在时效最初阶段,Ti发生了较为明显的偏聚,形成含有Fe、Ni和Al等元素的富Ti纳米团簇。随着时效时间延长,富Ti纳米团簇中的Ni和Al原子的含量逐步增多,而Fe、Cr及Mo等原子的含量不断减少;当时效至120 h时,团簇中Ni与Ti+Al比值近似于3,即已完全形成γ'相,表明γ'相析出是形核-长大过程。合金硬度的变化与时效过程中γ'相的数量密度和体积分数有关。

采用XRD、SEM及TEM等手段,研究了42CrMo钢经高能瞬时电脉冲及传统处理后组织与性能的变化。结果表明,480 ms电脉冲处理后水冷(EPQ)处理可细化42CrMo钢的晶粒和组织,促进残余奥氏体及孪晶马氏体的形成,处理后的综合力学性能比传统淬火(TQ)态42CrMo钢提高32%;随后的180 ms电脉冲处理后空冷(EPT)处理可提高EPQ态42CrMo钢中残余奥氏体的稳定性,促进复相组织的形成,处理后的综合力学性能比其经传统回火(TT)处理后提高13.9%。

通过向钎具钢中加入稀土Ce元素,研究了Ce对钎具钢中镁铝尖晶石和硫化物的改质过程和改质机理。结合SEM和EDS对钢中夹杂物的形貌、组成、数量和尺寸进行分析,采用Thermo-Calc和Factsage 6.3热力学软件对Ce改质尖晶石和硫化物的改质机理以及钢中合适Ce的质量分数进行理论计算。结果表明,稀土Ce对Al₂O₃、MgAl₂O₄和(Ca, Mn)S都具有很好的改质效果。无Ce添加时,钎具钢中夹杂物以MgAl₂O₄和(Ca, Mn)S为主;当钎具钢中的稀土含量为0.0078%时,MgAl₂O₄被改质为Ce-O,(Ca, Mn)S被改质为Ce-S,同时还存在一定量的Ce-O和MgO共生相,钢中夹杂物的尺寸减小。热力学计算结果表明,钢中不同的Ce含量对应不同的稀土夹杂物(CeAlO₃、Ce-O)类型。稀土Ce对MgAl₂O₄的改质顺序为：MgAl₂O₄→CeAlO₃+MgO→Ce₂O₃+MgO→Ce₂O₃,Factsage 6.3的理论计算结果与实验观察基本吻合。

利用OM、XRD、TEM、DSC、Vickers硬度计和拉伸试验机等研究了拉伸预变形诱发{332}<113>孪晶与随后时效析出等温ω相对不同O含量(0.1%~0.5%,质量分数) β型Ti-15Mo合金力学性能的影响。结果表明,随着合金中O含量的增加,机械孪晶的形成以及等温ω相的析出受到了抑制,且拉伸预变形诱发孪晶对等温ω相析出的影响较小。经拉伸预变形和随后时效处理,低O含量合金呈现出较高的屈服强度和较好的均匀伸长率,而高O含量合金发生脆性断裂。孪生与位错滑移的耦合塑性变形使得低O含量合金呈现出良好的强度和塑性匹配,其高的屈服强度主要受位错滑移主导,良好的均匀伸长率主要归因于预变形诱发孪晶的静态晶粒细化以及后续孪生变形导致的动态晶粒细化效应。这些结果表明,通过对合金元素O的有效利用,以及合理的预变形与热处理制度,能够改变塑性变形方式和相析出行为,从而在较大范围内调控β型钛合金的强度和塑性匹配。

研究了Sn (0.2%,质量分数)的添加对一种富Mg的Al-Mg-Si合金经历不同时间的自然时效后在250 ℃下人工时效过程中的时效硬化行为的影响,并利用TEM观察揭示了其微观机理。结果表明,在Al-Mg-Si合金中添加微量Sn (0.2%)可以改变合金250 ℃人工时效的强化相析出路径：当直接进行人工时效时,析出相主要为β"相;当进行自然时效+人工时效处理时,随着自然时效时间的延长,β"相的比例不增反降,而β'相的比例不降反增,但最终β"相的比例仍高于β'相的比例。Sn对强化相析出路径的改变,可以明显提高合金高温人工时效的硬化能力。Sn的添加提高了基体中有效的Si浓度,从而改变了不含Sn合金的强化相析出路径。

利用倾斜溅射的方法制备了非晶CoFeB磁性薄膜,研究了倾斜溅射对非晶CoFeB磁性薄膜条纹磁畴结构、面内静态磁各向异性、面内转动磁各向异性、垂直磁各向异性的影响规律。结果表明,倾斜溅射可以有效地降低CoFeB非晶薄膜条纹磁畴结构出现的临界厚度,无倾斜溅射时,CoFeB薄膜出现条纹磁畴结构的临界厚度大于240 nm,倾斜溅射时,出现条纹磁畴结构的临界厚度小于240 nm。磁性测试结果表明,对于具有条纹磁畴结构的CoFeB薄膜,倾斜溅射不仅可以提高磁性薄膜的面内静态磁各向异性的强度,同时还可以增强面内转动磁各向异性与垂直磁各向异性的强度。随着倾斜溅射角度的逐渐增大,磁各向异性的强度均呈现增大的趋势。XRD和TEM观测结果证明,CoFeB薄膜趋于非晶结构,同时,SEM观察结果表明,CoFeB薄膜虽然不存在长程有序的晶体结构,但依然可以形成柱状结构,由于倾斜溅射技术,形成的柱状结构呈倾斜状态,从而增强了薄膜的垂直磁各向异性,导致条纹磁畴结构的出现。

采用共还原方法制备了Ni-Pt/CeO₂催化剂,并在不同气氛(空气、H₂、NH₃和CO)和不同温度下对催化剂进行热处理。结果表明,改变热处理条件可调变催化剂表面Ni/Pt摩尔比,进而调控催化性能,Ni-Pt/CeO₂催化剂表面的Ni/Pt摩尔比为0.8~1.14时,催化剂具有较高的催化活性。此外,在催化剂表面引入非金属元素N可大幅度提高Ni-Pt/CeO₂的催化活性,该发现有望为发展高性能水合肼分解制氢催化剂提供新的思路与途径。

根据电阻加热金属原理,提出了一种适用于空间环境的金属成形方法：电阻加热金属丝材熔敷成形技术。将金属丝材与基板短路,可编程电源输出的电流流过金属丝材与基板产生电阻热,金属丝材开始熔化与过渡。电压电流采集系统与高速摄像系统分别对电信号和图像实时同步采集,分析金属丝材熔化过程和过渡行为的电信号与图像的变化,研究电流波形和电流大小对金属熔体的影响,分析电阻加热金属丝材过程动态电阻的变化趋势,通过不同空间位置下金属熔体向基板过渡的行为,研究重力对金属熔体在过渡阶段的影响。结果表明,恒流电流加热金属丝材时,改变电流大小可以改变金属熔体的总热量,但无法精确控制加热速率和热量的输入;脉冲电流加热金属丝材时,通过脉冲个数精确控制加热速率和热量输入。在过渡阶段,当恒流电流工作时,熔体受到一个固定方向的力直至过渡;当脉冲电流工作时,熔体受力摆动过渡。2种电流分别加热金属丝材时,金属丝材的动态电阻变化趋势基本相同且与金属丝材的熔化状态对应。在地面环境下,金属熔体过渡阶段受到表面张力、电磁收缩力作用,使其可以克服重力过渡至基板,验证了电阻加热金属丝材熔敷成形技术在空间环境下的可行性。

对36种金属材料在三亚海水中的腐蚀电位序、腐蚀电位对潮汐变化的响应以及不同金属合金元素成分对耐三亚海水环境腐蚀的作用进行了研究。结果表明,三亚海水环境中金属材料腐蚀电位的稳定区间较大,腐蚀电位序从高到低为：镍基合金、双相不锈钢、奥氏体不锈钢和紫铜、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、铜合金、低合金钢、碳钢、铸铁、铝合金和铝阳极。碳钢电位随潮汐变化的波动在动力学控制下,高潮位时腐蚀电位较负;在扩散作用控制下,高潮位时腐蚀电位较正。金属腐蚀电位在海水中的波动体现了腐蚀产物膜对扩散控制下的腐蚀具有阻碍作用。在三亚海水环境中,低C和高合金元素含量的碳钢对氧扩散抑制作用较好。奥氏体不锈钢的腐蚀电位随潮汐变化的波动远小于铁素体不锈钢和马氏体不锈钢,浸泡2700 h后,含Mo的奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢有较为稳定的腐蚀电位,腐蚀产物膜具有较好的保护性。铝阳极在三亚海水环境中的腐蚀电位随海水高含氧量时间的增加而上升,含Ga和高Zn含量的铝阳极材料的腐蚀电位较为稳定。Al青铜和T2紫铜在三亚海水环境中有较稳定的腐蚀电位,并且有较好的耐蚀性。

基于位错理论建立了Ni单晶微柱压缩变形过程的三维离散位错动力学模型,该模型考虑了晶体塑性变形过程中位错所受的外载荷、位错间相互作用力、位错线张力及自由表面镜像力的影响。应用该模型研究了Ni单晶微柱压缩变形过程中流动应力和变形机制的应变率效应,同时,结合理论分析研究了应变率对流动应力中有效应力、位错源激活应力和位错间弹性相互作用力的影响。结果表明：当应变率较低时,Ni单晶微柱压缩变形中位错源激活应力主导流动应力,位错源激活数量较少,初始位错密度对流动应力影响很小,呈现单滑移变形;随着应变率增加,晶体变形过程中的流动应力随之增加,流动应力中位错源激活应力所占比例逐渐减小,有效应力逐渐主导流动应力,同时激活多个滑移系内的位错源来协调塑性变形;应变率越高,各激活滑移系内的塑性应变贡献相差越小,单晶微柱变形逐渐由单滑移向多滑移机制转变;在高应变率条件下,晶体初始位错密度越高塑性变形过程中流动应力越小。

利用分子动力学方法对具有特征晶体取向的Cu/Ti层状复合体在单轴拉伸和平面应变压缩2种变形过程中的微观力学行为进行了研究。模拟结果显示,拉伸载荷作用下,位错优先在Cu/Ti异质界面处形核并沿着{111}晶面向Cu层内部运动,变形机制为层内约束滑移。随着位错的增殖,位错之间发生交互作用并在Cu层内形成插入型层错和形变孪晶。而在此形变过程中Ti层内未发现塑性变形系统的启动。随着载荷继续增大,Cu/Ti界面处的应力集中导致复合体发生断裂。在平面应变压缩变形的模拟中,发现Cu/Ti界面处的应力集中促使Ti层中形成剪切带,剪切带内部及其近邻区域仅存在少量位错。随着外加应变增大,多种变形机制的共同作用引起晶粒旋转,同时复合体内的原子无序度增加。此外,不同初始取向和不同应变速率下的Cu/Ti复合体的微观塑性变形机制和力学性能存在显著差异。研究结果揭示了包含有密排六方金属层状复合材料的微观形变机制。