ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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γ' 相强化钴基高温合金成分设计与蠕变机理研究进展
近年来,随着航空发动机和地面燃机的持续发展,对其关键热端部件的环境抗力和承温能力的要求越来越高,γ′相强化钴基高温合金在抗热腐蚀性能和熔点温度等方面较镍基高温合金具有优势。为了促进此类合金的发展,本文基于国内外在合金开发和蠕变性能等方面的研究成果,结合本课题组的研究工作,总结了该类合金在合金化原理、合金设计方法和蠕变机理等方面的研究现状,凝练出了目前该类合金发展存在的关键基础科学问题,并对未来需要关注的研究方向进行了概述。
金属学报, 2023 Vol. 59 (9): 1125-1143    DOI: 10.11900/0412.1961.2023.00223
 
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Ti-(43-45)Al-4Nb-1Mo-0.2B合金轧制过程中显微组织演化及力学响应 PDF (2605KB)
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  2024年, 第60卷, 第7期 刊出日期:2024-07-11 上一期   
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研究论文
AlSi10Mg多孔结构在不同加载应变率下的损伤模式及响应机制
蔡宣明, 张伟, 范志强, 高玉波, 王俊元, 张柱军
金属学报. 2024, 60 (7): 857-868.   DOI: 10.11900/0412.1961.2023.00440
摘要   HTML   PDF (4456KB)

为探明AlSi10Mg多孔结构在不同加载应变率条件下的承载能力、破坏模式及破坏机理,展开了一系列实验研究、理论分析和数值模拟。通过实验研究明确了该AlSi10Mg多孔结构的损伤破坏模式主要表现为损伤断裂和剪切破坏,且其力学行为对加载应变率不敏感。结合结构损伤分析和高精度数值模拟研究,发现AlSi10Mg多孔结构在轴向压缩载荷作用下沿斜截面相对错动而发生剪切破坏,这一失效模式是导致其结构发生断裂破坏的最直接原因。结合实验研究和理论分析表明,当AlSi10Mg多孔结构应变小于10%时,其在低应变率和中应变率下的吸能特性十分接近;当结构应变大于10%时,其在中应变率下的吸能特性略高于低应变率加载时。在不同高应变率(378~1639 s-1)加载条件下,该AlSi10Mg多孔结构吸能特性十分接近。

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TC19合金铸锭中ZrMo元素的宏观偏析行为
朱绍祥, 王清江, 刘建荣, 陈志勇
金属学报. 2024, 60 (7): 869-880.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00163
摘要   HTML   PDF (2385KB)

为了提高航空发动机转动件用高温钛合金铸锭的成分均匀性,本工作研究了真空自耗电弧熔炼(VAR) TC19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo,质量分数,%)合金工业化铸锭中合金元素的宏观偏析行为,运用定向凝固技术分析了合金元素的偏析机制。结果表明,Al、Sn元素无明显宏观偏析,Zr、Mo元素存在宏观偏析。Zr元素在铸锭中心等轴晶区含量低,顶部冒口区含量高;Mo元素分布与Zr的分布趋势相反。Zr、Mo元素偏析与铸锭凝固组织相对应。凝固速率差异是造成Zr、Mo元素宏观偏析的主要原因;表面细晶区和柱状晶区由于较快的凝固速率,元素来不及再分配,基本保留液相的均匀成分;铸锭心部等轴晶区由于其较低的凝固速率和温度梯度,固/液界面呈平面或胞状,有利于元素在固/液界面充分再分配,使得凝固分配系数小于1的正偏析元素Zr在液相中的浓度大于固相,随凝固过程沿铸锭心部向冒口方向逐渐增加;凝固分配系数大于1的负偏析元素Mo在液相中的浓度小于固相,沿铸锭心部向冒口方向逐渐减少。液固两相的密度差造成等轴晶沉降及浮力促进了元素的宏观偏析。电磁搅拌产生的Lorentz力是熔池流动的主要驱动力,使熔池产生环轴向流场,与浮力产生的密度流和自感Lorentz力产生的环流相互作用,可降低溶质元素宏观偏析。

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预变形对双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材室温力学行为及微观组织演变的影响
汪丽佳, 胡励, 苗天虎, 周涛, 何曲波, 刘相果
金属学报. 2024, 60 (7): 881-889.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00634
摘要   HTML   PDF (3763KB)

为揭示双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材预变形后的室温变形行为及微观组织演化规律,对该板材施加压下量5%的深冷轧制预变形,结合室温单轴拉伸和微观组织表征实验,研究预变形对制备板材力学行为及微观组织演变的影响。结果表明,沿轧制方向(RD)试样的初始屈服强度和断裂延伸率较未预变形试样分别提升212.5%和降低56.9%。沿板材横向(TD)试样的初始屈服强度和断裂延伸率较未预变形试样分别降低6.7%和提升37.9%。不同方向试样初始屈服强度的差异主要是由于TD试样中TD织构组分所对应的晶粒比RD试样中双峰分离非基面织构组分所对应的晶粒更容易激活基面<a>滑移。断裂延伸率的差异主要是由于在RD试样中,{101¯2}拉伸孪晶的扩张受到抑制,会较早出现{101¯1}压缩孪晶,而在TD试样中,{101¯2}拉伸孪晶可以有效扩张,且后期出现一定数量的{101¯1}-{101¯2}双孪晶来承载/协调塑性应变。

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Ga添加对304L不锈钢力学性能和抗菌性能的影响
孟玉佳, 席通, 杨春光, 赵金龙, 张新蕊, 于英杰, 杨柯
金属学报. 2024, 60 (7): 890-900.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00351
摘要   HTML   PDF (2800KB)

Ga元素具有优异的抗菌能力,多形成镓配合物作为药物使用,但Ga很少在镓合金中展现其抗菌效果。为挖掘含Ga合金的抗菌能力,本工作利用金相观察、拉伸实验以及抗菌实验等方法探究Ga添加对304L奥氏体不锈钢的力学性能和抗菌性能的影响,并初步探讨了304L-Ga不锈钢的抗菌机理。结果表明,经过固溶处理后,Ga添加使不锈钢的屈服强度和伸长率提高,抗拉强度和硬度降低,同时因其固溶作用使不锈钢晶格常数增大。304L-Ga不锈钢具有优异的抗菌性,钝化膜表面释放的Ga3+引起细菌中活性氧(ROS)的高表达,导致氧化应激和杀菌作用。接触杀菌为304L-Ga不锈钢的杀菌机制之一,细菌与不锈钢充分接触,使细菌体内的质子(H+)与不锈钢表面所释放电子发生耗尽反应,促进不锈钢表面Ga的溶解。同时,在质子消耗反应中产生额外的ROS,进一步增强了材料的抗菌效果。

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M50钢中 M2C一次碳化物高温转变机制
马芳, 陆星宇, 周丽娜, 杜宁宇, 类承帅, 刘宏伟, 李殿中
金属学报. 2024, 60 (7): 901-914.   DOI: 10.11900/0412.1961.2023.00106
摘要   HTML   PDF (5796KB)

以双真空冶炼的M50钢为研究对象,通过SEM、EPMA及TEM对铸态及高温扩散后M50钢中的一次碳化物进行了详细表征,系统研究了合金成分及温度对铸态M2C一次碳化物高温转变机制的影响,揭示了在1160~1250℃下M2C一次碳化物的高温分解机制。研究结果表明:M50钢中的M2C一次碳化物主要有3种形态,分别是棒状、片层状与块状,成分上表现出Fe元素含量依次降低、Mo元素含量依次升高的分布规律。合金成分的差异导致M2C一次碳化物在1160~1250℃高温扩散处理时表现出不同的热稳定性及不同的组织转变机制。其中,1160~1180℃保温时Fe元素含量较高的M2C碳化物快速回溶到基体中,部分M2C碳化物转变为MC碳化物,MC碳化物长大速度较慢;1210℃保温时M2C碳化物几乎完全溶解,一次碳化物数量明显减少,但部分MC碳化物快速长大,形成球形大尺寸MC碳化物;1250℃保温时,M2C碳化物完全溶解,未发现大尺寸MC碳化物,但存在基体组织熔化现象,此时基体中的Mo、V合金元素向形成的液相中扩散,并在凝固后形成呈球形分布的新生M2C碳化物。

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1Cr22Mn16N高氮奥氏体不锈钢塑性变形连接中界面组织演化及愈合机制
杨瑞泽, 翟汝宗, 任少飞, 孙明月, 徐斌, 乔岩欣, 杨兰兰
金属学报. 2024, 60 (7): 915-925.   DOI: 10.11900/0412.1961.2023.00015
摘要   HTML   PDF (4134KB)

为解决高氮奥氏体不锈钢焊接难题,以高氮奥氏体不锈钢1Cr22Mn16N为实验材料,采用塑性变形连接技术实现了1Cr22Mn16N的连接。通过OM、EBSD和TEM等手段研究了不同变形参数下的连接界面组织演化,讨论了界面愈合机理,并采用拉伸实验评估了连接接头的结合强度。研究结果表明,随着变形量的增加和变形温度的升高,连接界面的结合程度显著提高。当变形温度达到1200℃,变形量为40%时,连接界面结合较好,其拉伸性能达到基体同等水平。在塑性变形连接过程中,由于热力耦合促使原始粗大的晶粒细化,在连接界面处发生不连续动态再结晶,随后再结晶晶粒核心通过消耗变形晶粒中的应变储能发生长大,诱导连接界面弯曲,晶界迁移;与此同时,位错在应力的作用下堆积和缠结,在界面附近的变形晶粒内形成了大量亚晶界,随着应力的增大发生了连续动态再结晶,使亚晶界转变成大角度晶界,促进了连接界面愈合。高氮奥氏体不锈钢1Cr22Mn16N塑性变形连接过程中,在连续动态再结晶与不连续动态再结晶的协同作用下实现了界面的连接。

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铸型正反转搅动对精密铸造K4169合金凝固组织和室温力学性能的影响
陈诚, 杨光昱, 金梦辉, 王强, 汤鑫, 程会民, 介万奇
金属学报. 2024, 60 (7): 926-936.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00224
摘要   HTML   PDF (3027KB)

为揭示离心铸造工艺在晶粒细化和力学性能提升等方面的优势,本工作对比分析了铸型正反转搅动动力学细晶法离心铸造工艺和常规重力铸造工艺条件下K4169合金典型结构特征件的凝固组织和室温力学性能,研究了2种工艺条件下得到的合金组织、元素偏析、第二相分布以及断口组织形貌和室温力学性能。结果表明,铸型正反转搅动处理可使K4169合金铸态组织明显细化,当铸型正反转持续时间为4 s时,K4169合金的晶粒组织细化效果显著,晶粒尺寸从重力铸造工艺下的(5.37 ± 0.21) mm减小至(0.27 ± 0.01) mm;铸造K4169合金的初生相破碎,枝晶形貌退化,合金元素偏析程度减轻,凝固组织中Laves相数量减少,碳化物数量略有增加;铸型正反转4 s条件下,铸态合金的室温抗拉强度比重力铸造条件下提高了31.4%。

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共晶组织强化NbMoZrVSi x 难熔高熵合金的摩擦磨损性能及磨损机理
王瀚铭, 杜银, 裴旭辉, 王海丰
金属学报. 2024, 60 (7): 937-946.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00223
摘要   HTML   PDF (5080KB)

难熔高熵合金共晶强化组织的形成机制及其对室温摩擦磨损行为的研究,可为后续开发具有优异摩擦磨损性能的难熔高熵合金提供新的设计思路。本工作利用摩擦试验机、SEM和XPS等手段研究了微量Si元素添加对NbMoZrV难熔高熵合金室温摩擦学性能的影响规律,分析了不同硅化物的析出形态对合金磨损机理的影响。结果表明:适量Si元素添加时,NbMoZrVSi0.1难熔高熵合金的bcc基体晶界处会均匀析出由Zr-Zr3Si相组成的共晶组织结构,该共晶组织会显著提高合金的硬度和耐磨性。不同于NbMoZrV、NbMoZrVSi0.05和NbMoZrVSi0.2合金波动较大的摩擦学行为,在不同加载力下,含有共晶组织结构的NbMoZrVSi0.1难熔高熵合金在室温滑动干摩擦实验中表现出了稳定的摩擦系数和磨损率。磨损机理分析表明,Zr-Zr3Si共晶组织的形成会抑制NbMoZrVSi0.1难熔高熵合金在摩擦过程中的裂纹萌生扩展以及脆性剥落,并促进随后均匀氧化的发生,使得其仅表现出轻微磨粒磨损的特征,从而使其耐磨性得到显著提升。

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四元Co-Ni-Cr-Al合金高温氧化模式及其转变机理
吕云蕾, 任延杰, 冯抗抗, 周梦妮, 王文, 陈荐, 牛焱
金属学报. 2024, 60 (7): 947-956.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00200
摘要   HTML   PDF (4216KB)

为深入探究Cr、Al元素对Co-Ni合金高温氧化行为的影响,本工作研究了四元Co-20Ni-8Cr-xAl (x = 3、5,质量分数,%)合金在纯氧中800、900、1000和1100℃下的氧化行为。氧化后,2种合金表面均生成了复杂的氧化膜。2种合金在800、900和1000℃下均有不连续Al2O3膜生成,1100℃下仅在Co-20Ni-8Cr-5Al表面生成Al2O3。温度从800℃升到900℃,合金的氧化速率均提高,而温度从1000℃升高到1100℃后,2种合金的氧化速率均下降。合金中Al含量由3%增加到5%,Co-Ni-Cr-Al合金的氧化速率随之下降,但5%的Al含量仍不足以令合金表面生成保护性的Al2O3膜。与Al含量相同的Co-Ni-Al三元合金相比,Cr和Al的同时存在有利于降低四元Co-Ni-Cr-Al合金的氧化速率。

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(111)取向纳米孪晶Cu的抗氧化性能及焊料润湿性
许增光, 周士祺, 李晓, 刘志权
金属学报. 2024, 60 (7): 957-967.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00334
摘要   HTML   PDF (3759KB)

在先进封装产业中,(111)取向纳米孪晶Cu ((111)nt-Cu)与一般随机取向多晶组织Cu (C-Cu)相比具有多种优势,包括高强度、出色的延伸率和良好的导电性。近年来,3D封装以及器件小型化的趋势对先进封装中电镀Cu材料理化性能提出了更加严苛的要求,C-Cu直接暴露在空气中容易氧化是先进封装制程中亟待解决的问题,(111)nt-Cu成为代替C-Cu的潜在方案。本工作从Cu基体的氧化层厚度和焊料在Cu基体上的润湿性2个方面,对电镀(111)nt-Cu和C-Cu的抗氧化性能进行了深入分析研究。运用TEM、XPS表征方法,对氧化层成分与厚度进行了测量;采用EBSD和FIB等手段对Cu基体表面的晶界以及晶粒尺寸进行了测量和分析;使用SEM对2种Cu基体/氧化层界面形貌进行了精细表征。结果表明,在250℃空气气氛下,(111)nt-Cu具有比C-Cu更好的抗氧化性能。氧化时间为9 min时,(111)nt-Cu氧化层厚度仅为C-Cu氧化层厚度的43.2%。氧化12 min后,(111)nt-Cu与纯Sn反应制作的焊点的接触角比C-Cu的小26.7%,且焊料铺展面积比C-Cu的大24.6%。2种Cu基体上都生成了含有纳米晶CuO和Cu2O两相混合结构氧化层。(111)nt-Cu具有更好的抗氧化性能,原因是(111)晶面和内部的孪晶界具有更低的表面能,并且其基体表面有更小的大角度晶界面积分数,有效地限制了Cu原子向外的扩散速率。

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Nb3Sn超导线材中Ta层的去除及腐蚀机理
高瞻, 张泽荣, 程军胜, 王秋良
金属学报. 2024, 60 (7): 968-976.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00362
摘要   HTML   PDF (2858KB)

高质量的超导接头对于超导磁体的建造和后期稳定运行有着关键的作用。然而,针对Nb3Sn线材,常常因为内部Ta阻挡层的存在而影响超导接头的制备。为了探究Nb3Sn超导线材中Ta阻挡层的去除方法,选取内锡法制备的Nb3Sn超导线材为实验对象,研究了线材在HF溶液、HF气氛、HF和H2O2混合溶液以及HF和HNO3混合溶液中的腐蚀行为和特征,利用SEM和OM分析了线材微观结构和腐蚀形貌。结果表明,Ta层在HF和HNO3混合溶液中腐蚀最快,在HF和H2O2混合溶液中次之,在HF气氛中较慢,在HF溶液中最慢。综合腐蚀后效果,采用HF和H2O2混合溶液进行腐蚀是去除Nb3Sn超导线材中Ta阻挡层的最佳方法。同时,选取高纯Ta片为研究对象,分别在上述介质中进行腐蚀实验,并通过OM、XRD和XPS观察和分析试样腐蚀形貌、物相结构变化和腐蚀溶液中的元素价态,揭示了Ta的腐蚀机理,氧化剂的存在可以通过加快Ta表面Ta2O5膜的形成来加快HF对Ta的腐蚀速率。

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构型化石墨烯纳米片/2009Al复合材料热膨胀系数模拟
周丽, 张明远, 杨欣盛, 刘振宇, 王全兆, 肖伯律, 马宗义
金属学报. 2024, 60 (7): 977-989.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00333
摘要   HTML   PDF (5204KB)

石墨烯纳米片/Al复合材料热特性与其微观组织密切相关,但尚缺系统性的从微观结构模拟到热学性能预测。本工作利用有限元软件ABAQUS建立了微观石墨烯纳米片/2009Al复合材料三维模型,分析了石墨烯纳米片分布形式、几何构型和体积分数对复合材料热膨胀系数的影响。结果表明,复合材料的热膨胀系数受石墨烯纳米片的分布形式影响较小。只有当石墨烯纳米片在基体内的分布形式为2簇时,热膨胀系数比其他分布形式小。石墨烯纳米片几何构型和体积分数对热膨胀系数影响明显。随着石墨烯纳米片体积分数的增加,复合材料热膨胀系数逐渐减小。与基体相比,当复合材料中石墨烯纳米片的体积分数为2.5%,且呈集聚分布时,热膨胀系数下降幅度最大,约为27%。通过与实验结果对比,验证了模型的正确性。

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贝氏体轨道钢连铸凝固过程中溶质微观偏析模型及分析
高新亮, 巴文月, 张正, 席仕平, 徐东, 杨志南, 张福成
金属学报. 2024, 60 (7): 990-1000.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00549
摘要   HTML   PDF (2972KB)

为揭示贝氏体轨道钢凝固过程中的溶质再分配规律,本工作综合考虑钢液凝固过程中δ/γ相变和枝晶粗化的影响,建立了贝氏体轨道钢凝固过程中溶质元素微观偏析模型,分析了冷却速率、C含量、Mn含量、S含量、P含量对钢液凝固过程中枝晶间溶质元素微观偏析行为、零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)的影响。结果表明,枝晶间S、P元素偏析严重;在不同固相率时,冷却速率对溶质元素微观偏析的影响存在一定差异。C含量主要影响钢的凝固方式,进而影响凝固过程钢中溶质元素的微观偏析行为;Mn、P、S含量对其余溶质元素微观偏析影响不大。C、Mn含量的增加导致ZST和ZDT均降低;随冷却速率、S和P含量增加,ZST变化不大,ZDT明显降低。

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