ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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中国材料基因工程研究进展
材料基因工程是材料领域的颠覆性前沿技术,将对材料研发模式产生革命性的变革,全面加速材料从设计到工程化应用的进程,大幅度提升新材料的研发效率,缩短研发周期,降低研发成本,促进工程化应用。本文从基础理论与方法、关键技术与装备、新材料研发与工程化应用、人才培养以及材料基因工程新理念的形成和推广等方面,综述了中国材料基因工程的研究进展,并提出了未来发展方向建议。
金属学报, 2020 Vol. 56 (10): 1313-1323    DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00199
 
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冷喷涂镍及镍基复合涂层的研究进展 PDF (5319KB)
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  2021年, 第57卷, 第10期 刊出日期:2021-10-11 上一期   
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综述
国内航空发动机涡轮盘用铸锻难变形高温合金热加工研究现状与展望
张瑞, 刘鹏, 崔传勇, 曲敬龙, 张北江, 杜金辉, 周亦胄, 孙晓峰
金属学报. 2021, 57 (10): 1215-1228.   DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00153
摘要   HTML   PDF (4039KB)

近年来我国对高性能航空发动机的需求越来越迫切,随之涡轮盘用合金服役环境也越来越苛刻,耐700℃以上的GH4065、GH4720Li、GH4068和GH4151等一系列涡轮盘用铸锻合金被广泛研究、制备或使用。为了促进这类合金的发展和综合性能提升,本文从合金种类、均匀化处理工艺、铸锭开坯、盘件制备和组织性能调控等方面综述了我国涡轮盘用铸锻难变形合金的热加工研究现状,凝练出这类合金在研究制备过程中的短板问题,并对未来的工作方向进行了展望,借此促进涡轮盘用铸锻难变形高温合金的发展和工艺稳定性的提升。

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连铸中间包加热技术及其冶金功能研究进展
唐海燕, 刘锦文, 王凯民, 肖红, 李爱武, 张家泉
金属学报. 2021, 57 (10): 1229-1245.   DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00046
摘要   HTML   PDF (1837KB)

连铸中间包是钢水浇铸过程承上启下的重要冶金反应器,中间包加热控温是提升铸坯乃至后续轧材质量一致性的新技术。为保证连续浇注过程中间包内钢水温度稳定、实现生产顺行与恒温恒拉速连铸,中间包加热控温技术日益受到重视。针对近年来在特殊钢连铸生产中开始采用的中间包等离子加热和通道式感应加热相关热点问题,本文系统阐述了其加热原理和设备特点,介绍了等离子加热技术在国内外的发展状况,重点分析了常用的通道式感应加热中间包在加热器设计、布置方式及其对中间包内钢水流场、温度场和夹杂物去除方面的研究进展。基于近年在感应加热中间包应用研究中的深入认识,探讨了新技术使用过程中发现的新问题以及进一步提高其应用效果的途径。表明,中间包钢水加热技术实现了钢水浇铸温度的主动控制,不仅是发展高效连铸和调控铸态组织的重要手段,同时也将丰富中间包冶金学的研究内容。

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研究论文
锻造-增材复合制造Ti-6Al-4V合金结合区显微组织及力学性能
马健凯, 李俊杰, 王志军, 王俞鉴, 王锦程
金属学报. 2021, 57 (10): 1246-1257.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00416
摘要   HTML   PDF (4965KB)

在Ti-6Al-4V合金锻造成形双态组织基材上采用激光立体成形方法(送粉式激光增材制造)沉积块体试样,研究了不同线能量密度输入下基材与增材结合区的微观组织特征及形成机制。结果表明,结合区内不同高度部位由于热源影响程度存在差异,形成了从下到上的非均匀组织。其中下部区域由于峰值温度较低,仍保持初始双态组织形貌,但发生一定粗化;中部区域随着温度升高以及保温时间延长,形成等轴α相、层片α相及大量次生α相的混合组织;而上方靠近增材区的峰值温度超过β相转变温度,完全转变为由层片α相形成的魏氏体组织,并伴随着由于元素扩散不充分而形成的阴影结构。对包含基材区和增材区的结合试样进行拉伸测试发现,在设定的能量密度范围内,断裂位置均远离结合区,表明增材区与基材区结合良好,结合区强度超过基材区及增材区强度。此外,对比不同能量密度复合制造Ti-6Al-4V试样的拉伸测试结果发现,线能量密度为100 J/mm时,结合区以及增材区α相特征尺寸较小,复合制造试样的屈服强度和抗拉强度最大。随线能量密度的增大,复合制造试样屈服强度和抗拉强度均减小,而延伸率增加。

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AZ31镁合金表面苯丙氨酸、甲硫氨酸和天冬酰胺诱导Ca-P涂层耐蚀性能比较
王雪梅, 殷正正, 于晓彤, 邹玉红, 曾荣昌
金属学报. 2021, 57 (10): 1258-1271.   DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00058
摘要   HTML   PDF (5915KB)

为澄清氨基酸基团对成膜的影响,采用苯丙氨酸(Phenylalanine,Phe)、甲硫氨酸(Methionine,Met)和天冬酰胺(Asparagine,Asn) 3种氨基酸调控AZ31镁合金的降解速率,采用恒温水浴法(60℃)在其表面制备了3种氨基酸Ca-P涂层(Ca-PPhe、Ca-PMet和Ca-PAsn),并使用SEM、EDS 、XRD、FTIR及 XPS对涂层的形貌、成分分布和物相结构进行分析,利用电化学极化和交流阻抗及析氢腐蚀实验对涂层在模拟人体体液(Hank's)中的耐蚀性能进行研究。探讨了氨基酸添加剂在AZ31镁合金表面诱导Ca-P涂层成膜的作用机制。Ca-P、Ca-PPhe、Ca-PMet和Ca-PAsn涂层的厚度分别为(3.47 ± 0.47)、(6.06 ± 0.77)、(7.63 ± 1.70)和(8.23 ± 1.37) μm。涂层主要组成物相为CaHPO4及Ca10(PO4)6(OH)2 (HA)。电化学和析氢实验结果表明,氨基酸提高了Ca-P涂层耐蚀性能。这主要归因于氨基酸分子的缓蚀作用,并在AZ31镁合金表面发生化学吸附。氨基酸中的氨基吸附主要是通过N原子的孤对电子与镁合金表面耦合来实现的;羧基是通过羰基中的O原子与Mg2+结合。此外,氨基酸中的杂原子亦能与镁合金的空位分子轨道共享其孤对电子。最后,提出了氨基酸诱导Ca-P涂层的成膜机理。

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45CrNiMoVA钢脉冲磁处理的强化机理
栾晓圣, 梁志强, 赵文祥, 石贵红, 李宏伟, 刘心藜, 祝国荣, 王西彬
金属学报. 2021, 57 (10): 1272-1280.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00402
摘要   HTML   PDF (2023KB)

采用脉冲磁场对珠光体态和回火马氏体态45CrNiMoVA钢分别进行了磁化处理,基于纳米压痕实验结果,分析了脉冲磁处理对残余应力、硬度和弹性模量的影响规律;基于磁滞回线的测量和磁力显微镜的观察结果,分析了脉冲磁处理对磁畴微观组织结构的影响。结果表明,脉冲磁处理能够引起试样表面残余压应力增加;脉冲磁处理后珠光体态和回火马氏体态45CrNiMoVA钢硬度分别增加1.85%和1.84%;脉冲磁处理对珠光体态下的弹性模量影响较小,但对回火马氏体态下的弹性模量影响较大,脉冲磁处理后回火马氏体态的弹性模量增加4.48%;磁化过程中,磁畴运动引起微区材料的应力应变是导致材料力学性能强化的主要机制。

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齿轮钢铸态点状偏析及其在热轧棒材中的演变
张壮, 李海洋, 周蕾, 刘华松, 唐海燕, 张家泉
金属学报. 2021, 57 (10): 1281-1290.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00482
摘要   HTML   PDF (3720KB)

对齿轮钢铸坯中的点状偏析和轧材中的带状偏析缺陷进行了实验研究以探究其相关性。利用低倍侵蚀、枝晶侵蚀、电子探针和特征参数统计计算等方法,研究了点状偏析和带状缺陷的形貌特征、位置分布及元素分布规律,分析了2者之间的演变规律和差异,并讨论了带状缺陷的成因及其热处理消除的可能性。实验结果表明,起源于凝固过程的点状偏析主要分布在铸坯中心等轴晶区域,偏析点内合金元素表现为显著的正偏析。带状缺陷表现为单条型带和聚合型带,轧材中心区域的带状缺陷在位置及元素分布规律上都与铸态点状偏析具有对应性。统计与扩散计算表明,枝晶偏析和相互独立的点状偏析在轧制过程中被压延形成单条型的带状缺陷;一种相互连接的复杂形貌点状偏析经轧制塑性变形后将形成聚合型带,从而导致轧材带状缺陷的条数多于点状偏析的数量。对于带宽约40 μm以下的带状缺陷,1200℃保温热处理工艺可以减轻其中的偏析程度;但对于约40 μm以上的粗大带状缺陷,后续热处理改善效果有限,必须从连铸源头铸态组织控制着手。

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FeCrNiMo激光熔覆层组织与摩擦磨损行为
赵万新, 周正, 黄杰, 杨延格, 杜开平, 贺定勇
金属学报. 2021, 57 (10): 1291-1298.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00320
摘要   HTML   PDF (2665KB)

为满足马氏体不锈钢熔覆层的高效制备需求,在合金成分优化基础上,采用激光熔覆技术制备了单层厚度超过2 mm的FeCrNiMo合金熔覆层,并对其微观组织结构与摩擦磨损行为进行了研究。结果表明,熔覆层厚度均匀,无明显裂纹等缺陷,组织从表面沿厚度方向依次为等轴晶、树枝晶、胞状晶,枝晶内为马氏体,晶间为富Cr、Mo元素的铁素体。在环-块摩擦磨损形式下,随着施加载荷加大,摩擦系数和磨损量逐渐增加;熔覆层以磨粒磨损和氧化磨损机制为主,但在高载荷下黏着磨损倾向增大。在球盘往复摩擦磨损形式下,随温度升高,摩擦系数下降,熔覆层发生热软化,磨损量增加;熔覆层以氧化磨损和疲劳磨损机制为主。

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Al19.3Co15Cr15Ni50.7高熵合金的热变形行为
刘庆琦, 卢晔, 张翼飞, 范笑锋, 李瑞, 刘兴硕, 佟雪, 于鹏飞, 李工
金属学报. 2021, 57 (10): 1299-1308.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00349
摘要   HTML   PDF (2788KB)

为研究铸态Al19.3Co15Cr15Ni50.7高熵合金的热变形行为,利用Gleeble-3500热模拟试验机对试样进行热压缩实验,获得了在应变速率为0.001~0.1 s-1和变形温度为973~1273 K条件下的真应力-真应变曲线。根据 Arrhenius模型构建该合金应变为0.1~0.7的流变应力下的本构方程,得出不同应变条件下的变形激活能和材料参数,以应变ε为自变量将材料常数进行6次多项式拟合,并对本构方程进行验证。基于动态材料模型的功率耗散理论和失稳判据构建功率耗散图和失稳图,并将2者叠加,得到应变为0.3~0.7的热加工图。结果表明,1273 K时的流变应力曲线呈现明显的动态回复的特征,其他温度下的流变应力曲线呈现动态再结晶的特征,并且流变应力随变形温度的下降或应变速率的提升而提升。建立本构方程并进行验证,判定系数R2 = 0.956,较高的判定系数表明建立的流变应力本构模型能够比较精确地预测合金的流变应力。高温压缩后的SEM结果显示:相比于铸态微观组织,合金经历热变形之后,组织中出现一些空隙与局部塑性流动,长条状的B2相发生了弯折、断裂,且断裂处的长条状B2相被撕裂成连续的片层状。最后基于动态材料模型(DMM)理论计算出热加工图,从而得到优异的热加工区间。

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GH4720Li合金毫米级粗大晶粒热变形获得均匀等轴晶粒的可行性及工艺控制
刘超, 姚志浩, 江河, 董建新
金属学报. 2021, 57 (10): 1309-1319.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00415
摘要   HTML   PDF (3699KB)

为了阐明GH4720Li合金毫米级粗大晶粒再结晶和塑性协调的可行性,对毫米级晶粒的GH4720Li试样在不同的变形参数下(变形温度为1130、1160和1190℃,应变速率为0.001、0.01、0.1和1 s-1,工程应变为50%)的热变形行为进行研究,并与细晶GH4720Li合金的热变形行为进行对比。结果表明,具有毫米级粗大晶粒的GH4720Li试样对变形温度更加敏感,且在1160~1190℃、0.001~0.01 s-1的范围内可以获得完全再结晶组织,但综合考虑再结晶和热变形塑性的控制范围后,确定毫米级粗晶GH4720Li合金应在适中的变形温度下以较低的应变速率进行热变形才能获得均匀的等轴晶组织且不开裂,较好的变形工艺为1160℃、0.01 s-1

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含有化合物相的共晶转变理论模型
许军锋, 张宝东, Peter K Galenko
金属学报. 2021, 57 (10): 1320-1332.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00373
摘要   HTML   PDF (1463KB)

在经典理论Jackson-Hunt模型的基础上,导出有化合物相参与时的共晶生长模型表达式,补充了共晶生长扩散方程求解过程,以及溶质分配系数的确定和模型使用方法,进而类比给出其他共晶生长模型在有化合物相参与时的使用步骤。模型计算发现:同样过冷度下,共晶生长速率随着化合物相浓度(CB)减小而增大,这一参数变化弥补了化合物相因溶质分配系数小而生长阻力大的不足。由此可得:有化合物相参与的共晶转变,相图两端跨度一般会变窄;共晶两相溶质分配系数较小时,相图两端跨度一般比较窄。

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渐进法向力对金属材料微米划痕响应的影响
刘明, 严富文, 高诚辉
金属学报. 2021, 57 (10): 1333-1342.   DOI: 10.11900/0412.1961.2020.00400
摘要   HTML   PDF (1887KB)

通过Rockwell C 120°金刚石压头对16种金属材料进行微米划痕测试,研究渐进法向力对材料划痕响应的影响。结果表明:随着法向力从5 mN线性增大到30 N,压入深度和残余深度均线性增加;弹性回复率先迅速增大,然后趋于一个常数。当压入深度小于压头的球锥转变深度时,仅有压头顶端的圆球与材料接触,残余划痕宽度非线性增加;当压头的圆锥部分与材料接触时,残余划痕宽度线性增大。稳定弹性回复率和划痕硬度随屈服强度的增加而线性增大。纯Mo、纯W和40Cr的划痕摩擦系数随法向力的增加始终非线性增大,其余金属的划痕摩擦系数先非线性增加,之后趋于稳定;划痕摩擦系数的变化趋势可通过几何接触模型进行解释。在较大法向力下,QT500的摩擦机制中黏着摩擦和犁沟摩擦起到几乎相同的作用,其余材料的摩擦机制主要为犁沟摩擦。稳定划痕摩擦系数随稳定划痕硬度及其与弹性模量比值的增加而线性减小。

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