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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2010年, 第46卷, 第5期 刊出日期:2010-05-11 上一期    下一期
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综述
高温合金在能源工业领域中的应用现状与发展
郭建亭
金属学报. 2010, 46 (5): 513-527.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00860
摘要   PDF (1117KB)

高温合金在能源领域中有着广泛的应用. 煤电用高参数超超临界发电锅炉中, 过热器和再过热器必须使用抗蠕变性能良好, 在蒸汽侧抗氧化性能和在烟气侧抗腐蚀性能优异的高温合金管材; 在气电用燃气轮机中, 涡轮叶片和导向叶片需要使用抗高温腐蚀性能优良和长期组织稳定的抗热腐蚀高温合金; 在核电领域中, 蒸汽发生器传热管必须选用抗溶液腐蚀性能良好的高温合金; 在煤的气化和节能减排领域, 广泛采用抗高温热腐蚀和抗高温磨蚀性能优异的高温合金; 在石油和天然气开采, 特别是深井开采中, 钻具处于4-150 ℃的酸性环境中, 加之CO2, H2S和泥沙等的存在, 必须采用耐蚀耐磨高温合金. 本文简要介绍了国内外高温合金在上述领域中应用的现状与发展.

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论文
稀土元素Gd对NiAl-Cr(Mo)-Hf共晶合金的组织和压缩性能的影响
梁永纯 郭建亭 盛立远 周兰章
金属学报. 2010, 46 (5): 528-532.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00747
摘要   PDF (691KB)

采用真空电弧炉熔炼方法制备了添加稀土元素Gd的Ni-33Al-28Cr-5.9Mo-0.1Hf (原子分数, %)合金, 运用扫描电镜(SEM)、电子探针显微分析(EPMA)及透射电镜(TEM)分析了该合金的微观组织形貌和相组成, 采用Gleeble 1500进行了室温及高温压缩性能测试. 研究表明, 稀土元素Gd极少部分固溶于NiAl与Cr(Mo)相中, 大部分参与形成Heusler相. 适量Gd可细化共晶合金的组织, 即减小NiAl/Cr(Mo)共晶胞的尺寸及共晶层片的间距, 因此提高了合金的室温压缩屈服强度与压缩塑性, 但对1373 K时的压缩强度影响较小. 当Gd含量达到0.1 (质量分数, %)时, 共晶胞界宽化, 且胞界的Cr(Mo)相出现粗化及不规则分布现象, 导致室温和高温压缩性能降低.

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X80管线钢的冲击断裂行为
邓伟 高秀华 秦小梅 赵德文 杜林秀 王国栋
金属学报. 2010, 46 (5): 533-540.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00461
摘要   PDF (1001KB)

在$-$20和$-$60℃对X80管线钢进行Charpy冲击实验, 用SEM--EDS对断口进行形貌和夹杂物成分分析, 并将断口切开进行金相和EBSD
观察, 研究X80管线钢的冲击断裂行为. 结果表明: 温度对X80管线钢最大冲击载荷影响较小, 但随实验温度降低, 裂纹形成功、裂纹扩展功和止裂后吸收的能量显著减小. 在冲击断裂过程中强烈的拉应力作用使断口附近产生变形带, 晶粒沿与主裂纹垂直的方向被拉长, 原始奥氏体晶界几乎不变形, 因而产生应力集中, 并产生沿晶界的断裂. 同时, 钢中的脆性第二相粒子也是裂纹源. 在裂纹扩展过程中, 强烈的内应力使主裂纹附近的晶粒产生剧烈的变形, 拉长直至破裂, 并形成新晶粒; 新形成的晶界表现为大角晶界. 裂纹扩展区附近的晶粒尺寸较原始组织细小而大角晶界比例有所增加. -20 ℃冲击断口裂纹扩展区附近的晶粒尺寸比原始组织小得多, 而-60℃断口裂纹扩展区附近的晶粒尺寸与原始组织相差不大.

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高Nb X80管线钢焊接热影响区显微组织与韧性
缪成亮 尚成嘉 王学敏 张龙飞 Mani Subramanian
金属学报. 2010, 46 (5): 541-546.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00803
摘要   PDF (863KB)

利用Gleeble-1500模拟不同热输入的单道次焊接热循环过程, 通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)对高 Nb X80管线钢焊接热影响区中的粗晶区(CGHAZ)显微组织、马/奥组元(M/A)形态和分布以及原奥氏体晶粒粗化情况进行研究. 结果表明: 高Nb X80管线钢的焊接热输入应不高于30 kJ/cm, 虽然在高Nb钢中, 原奥氏体晶粒的平均尺寸不会随热输入增加过于粗大, 但当热输入高于40 kJ/cm时, 会使得原奥氏体晶粒内粒状贝氏体的晶体取向选择过于单一, 大角晶界(≥15o)密度明显降低, 有效晶粒尺寸较大, M/A组元也由于热输入过大而明显粗化. 上述原因使高Nb X80管线钢在大于40 kJ/cm热输入条件下热影响区粗晶区韧性明显恶化.

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湿H2S环境中L360MCS钢焊接热影响区的应力导向氢致开裂行为
周成双 郑树启 陈长风
金属学报. 2010, 46 (5): 547-553.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00669
摘要   PDF (968KB)

利用裂纹面分离及SEM和EDS研究了L360MCS钢焊接热影响区(HAZ)在湿H2S环境中的应力导向氢致开裂(SOHIC)行为. 结果表明: 应力导向氢致开裂裂纹由轴向和纵向两种裂纹组成, 先形成轴向裂纹, 后形成纵向裂纹, 两种裂纹均独立形核. 裂纹带有明显的阶梯状氢致开裂特征, 裂纹面呈现准解理型断口形貌. 拉应力在裂纹形核和扩展方面起主要作用, 拉应力不仅增加了拉伸区的过饱和氢浓度, 而且直接推动纵向裂纹的扩展. 轴向裂纹在MnS和CaS夹杂以及析出相处形核, 以氢压为主要的裂纹扩展动力. 而纵向裂纹则主要在析出相处萌生, 裂纹扩展受拉应力和氢压双重控制, 拉应力为主导.

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压铸充型过程中卷气现象的数值模拟研究
李帅君 熊守美 Mei Li John Allison
金属学报. 2010, 46 (5): 554-560.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00683
摘要   PDF (825KB)

采用一种液-气两相耦合模型模拟了压铸充型过程中的卷气现象, 对卷入金属液中的每个气泡均单独计算其压力变化的趋势, 通过压力传递将液-气两相联系在一起. 为了验证模型的可靠性和准确性, 开展了专门针对压铸的高速水模拟实验, 并采用液-气两相耦合模型以及单相流模型分别进行了模拟, 通过比较可以证实两相耦合模型在模拟卷气方面比单相流模型具有更高的精确度.

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一步法制备含扩散阻挡层的多层体系及其界面结合强度
李伟洲 王启民 宫骏 孙超 姜辛
金属学报. 2010, 46 (5): 561-568.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00472
摘要   PDF (1202KB)

为抑制合金元素的互扩散, 在Ni-Cr-Al-Y-Si涂层和DSM11基体间通过电弧离子镀技术一步制备了含扩散阻挡层 (DB)和黏结层(BC)的多层体系Ni-Cr-Al-Y-Si/DB/BC/DSM11. 由恒温氧化、循环氧化和粘胶拉伸实验考察了涂层的抗氧化性、 DB阻挡元素扩散能力和体系的界面结合强度. 结果表明, 含扩散阻挡层的多层能很好地保护基体材料, 经过1050 ℃恒温氧化100 h后, 试样表面形成连续致密的Al2O3膜, 外层中仅检测到微量的来自基体的合金元素; 经过1050 ℃↔室温(RT)循环氧化100 cyc后, DB与两侧材料的结合保持良好. 退火多层体系的界面结合强度达到63.6 MPa, 比不连续法制备的Ni-Cr-Al-Y/Cr-O-N/DSM11体系提高了约20 MPa. 一步法制备能提高含扩散阻挡层多层体系的界面结合强度, DB在恒温和循环氧化过程中能保持很好的抑制元素扩散的能力.

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Sn-3.5Ag/Cu体系早期界面反应及凝固过冷行为
周敏波 李勋平 马骁 张新平
金属学报. 2010, 46 (5): 569-574.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00566
摘要   PDF (749KB)

利用差示扫描量热分析法结合焊点回流过程, 研究了无Pb钎料Sn-3.5Ag与Cu基底构成的Sn-3.5Ag/Cu体系模拟焊点中早期界面反应及焊点形成过程中钎料熔化和凝固特性. 结果表明, 加热过程中Cu向钎料合金侧的固态原子扩散导致界面生成低熔点Sn-Ag-Cu三元合金, 使焊点界面在低于Sn-3.5Ag钎料熔点温度近4 ℃时即开始熔化; 早期界面反应促使润湿过程提早发生并生成了一定厚度的扇贝状Cu-Sn型金属间化合物(IMC), 原体系转变为 Sn-Ag-Cu/Cu体系;转变后的焊点体系在IMC的非均匀形核作用下具有较低的过冷度.

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Mg-Zn合金时效过程中GP区析出的热力学分析
王晓亮 李长荣 郭翠萍 杜振民 何维
金属学报. 2010, 46 (5): 575-580.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00708
摘要   PDF (822KB)

利用显微硬度、XRD及TEM分析了Mg-1.9Zn (原子分数, %)二元合金时效硬化现象及GP区的形态和出现的温度范围. 研究结果表明: 在343和383 K时效过程中, 过饱和固溶体中发生Zn原子偏聚, 形成形态不同的GP区; 在423 K时效, 硬化峰值出现较早, 没有典型GP区出现. 利用本文优化获取的镁基固溶体相的热力学参数, 给出镁基过饱和固溶体存在亚稳态溶解度间隙和溶质原子偏聚GP区时Gibbs自由能曲线的特征形式, 确定了具有GP区析出效应的Mg-Zn体系的合金成分范围和时效温度区间.

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固溶处理后冷轧变形7050铝合金时效工艺研究
王东 马宗义
金属学报. 2010, 46 (5): 581-588.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00723
摘要   PDF (849KB)

7050铝合金固溶处理后经67%冷变形, 在120 ℃一级时效时, 冷轧引入的大量位错增加了样品强度, 时效4 h样品的强度比T6状态样品提高12.6%. 随时效时间增加, 位错导致的不均匀形核的析出相粗化, 样品的拉伸强度逐渐降低. 但时效32 h样品的强度仍高于T6状态样品. 冷轧后时效样品的晶界析出相与T6状态相比分布较为分散, 并且随时效时间的增加逐渐粗化. 120 ℃时效4 h的样品, 经165 ℃二级时效处理, 随时效时间的增加, 样品中残留位错大量湮灭, 晶内、晶界析出相尺寸均逐渐增大, 导致样品的强度逐渐降低, 而延伸率逐渐升高, 165 ℃时效6 h样品的强度与T76样品相似. 在135-180 ℃二级时效1 h的样品中的位错密度随温度的升高而减小, 同时晶内、晶界析出相尺寸随温度的升高而增大, 导致样品强度逐渐下降.

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铝合金/镁合金搅拌摩擦焊接界面处Mg/Al反应及接头力学性能
王东 刘杰 肖伯律 马宗义
金属学报. 2010, 46 (5): 589-594.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00802
摘要   PDF (742KB)

采用搅拌针置中(M4A4)、向镁合金侧偏置2 mm (M6A2)和向铝合金侧偏置2 mm (A6M2) 3种焊接方式, 研究了6 mm厚6061--T651铝合金和AZ31镁合金轧制板材的搅拌摩擦焊接. SEM及XRD分析表明, 3种焊接方式均在焊接界面处发现Mg17Al12相的生成和由于共晶相熔化和随后冷却所形成的孔洞. 在M4A4和M6A2样品中, 少量的Al搅入到镁合金侧形成金属间化合物Mg17Al12, 而在A6M2样品中, 少量的Mg搅入到铝合金中也形成金属间化合物Mg17Al12, 在Mg17Al12与基体的界面处存在微小孔洞. 由于焊核区仅有少量的Mg17Al12生成, 其硬度变化并不显著. 焊接界面处生成的金属间化合物及孔洞显著降低接头的拉伸性能.

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热镀锌TRIP钢中马氏体对力学性能的影响
定巍 唐荻 江海涛 黄伟
金属学报. 2010, 46 (5): 595-599.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00773
摘要   PDF (699KB)

利用SEM, TEM, XRD, 相变实验和拉伸实验等方法, 分析测试了3种热处理工艺下热镀锌TRIP钢的微观组织、相变产物和力学性能, 并运用碳扩散平衡理论分析了不同热处理工艺下实验用钢的马氏体量, 研究了马氏体量对力学性能的影响. 研究表明: 贝氏体等温相变时间影响组织中的马氏体量, 当贝氏体转变时间由20 s增加到60 s时, 试样中马氏体量由7.08%减少到1.18%; 马氏体量对力学性能有显著影响, 马氏体量多, 马氏体强化效果占主导, 使试样拥有类似双相钢的力学性能, 同时拥有比双相钢更好的延伸率; 随着马氏体量下降, 马氏体强化效果逐渐下降, 当马氏体量减少到1.18%, 实验用钢逐渐呈现出典型的TRIP钢的力学特性.

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电弧离子镀CrN涂层盐雾腐蚀行为
万先松 师玉英 马军 李海庆 宫骏 孙超
金属学报. 2010, 46 (5): 600-606.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00759
摘要   PDF (895KB)

采用电弧离子镀技术在38CrA调制钢上制备CrN涂层, 分析了涂层的组织及结构, 研究了工艺参数对CrN涂层中性盐雾腐蚀性能的影响. 结果表明: 3组不同工艺的CrN涂层均由fcc-CrN, hcp-Cr2N以及bcc-Cr相组成; 在N2压强较低时, CrN相表现为{100} 择优取向, N2压强较高时, 则表现为{110} 择优取向. 在高偏压低N2压强下沉积的 CrN涂层结构致密, 残余应力和孔隙率最小, 具有最佳的抗盐雾腐蚀性能. 通过扫描电子显微镜分析盐雾腐蚀后样品的表面腐蚀产物, 并结合极化曲线测量结果, 对其盐雾腐蚀机理进行了探讨.

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室温多向多道次压缩变形制备亚微米和纳米级镁合金
杨续跃 孙争艳 张雷
金属学报. 2010, 46 (5): 607-612.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00785
摘要   PDF (788KB)

室温下对AZ31镁合金进行多向多道次变形, 制备亚微米和纳米级细晶镁合金. 通过OM, SEM/EBSD及TEM观察研究不同累积应变量的显微组织及取向演化. 发现低应变多向多道次压缩变形可避免镁合金室温变形下的迅速失稳断裂, 能够累积很大的真应变; 变形初期晶粒中产生大量{1012} c轴拉伸孪晶, 随后$c$轴压缩孪晶的密度逐渐增加且均匀分布于晶粒内, 孪晶分割细化原始晶粒的同时, 压缩孪晶诱发的动态再结晶开始沿孪晶密集与交叉处产生, 将组织进一步细化; 细晶区随着变形道次的增加逐渐增多, 15个道次后整个组织被均匀细化至80-150 nm; 且单道次变形量Δε在0.05-0.1之间取值越大, 晶粒细化效果越显著, 细晶分布越均匀.

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汽车车身用Al-Mg-Si-Cu合金薄板应变强化行为的研究
田妮 赵刚 左良 刘春明
金属学报. 2010, 46 (5): 613-617.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00799
摘要   PDF (712KB)

针对汽车车身用Al-0.9Mg-1.0Si-0.7Cu-0.6Mn合金薄板, 通过固溶、T4及退火处理控制其合金相组态, 采用拉伸实验结合TEM/EDS观察研究了薄板在拉伸变形过程中的应变强化指数$n$值的变化规律及其应变强化行为. 结果表明, Al-0.9Mg-1.0Si-0.7Cu-0.6Mn合金薄板的拉伸真应力-真应变不完全满足Hollomon公式, 其对应于不同应变阶段的强化指数n各不相同; 塑性变形早期, 退火态合金薄板的应变强化效应最显著, 塑性变形后期, 固溶态合金薄板的应变强化效应最显著; 拉伸变形任意应变范围内, 固溶态合金薄板的应变强化指数n均高于T4态, 其原因是固溶态合金薄板位错滑移的切应力明显小于T4态合金薄板.

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Cu焊盘TiN/Ag金属化层超声键合性能及抗氧化性能
田艳红 王春青 赵少伟
金属学报. 2010, 46 (5): 618-622.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00807
摘要   PDF (843KB)

通过磁控溅射沉积TiN/Ag金属化层作为Cu焊盘的保护层, 非晶态的TiN膜作为阻挡层, 阻止Cu原子的向外扩散; 选择能够与Au丝形成固溶体的Ag薄膜作为键合层, 提高超声键合性能. 超声键合性能测试和抗氧化性能测试表明, TiN/Ag金属化层结构作为Cu焊盘保护层, 具有较好的键合能力, 其键合能力和焊点剪切强度在20-180 ℃的温度范围内随着温度的升高而升高, 在180 ℃时获得了100\%的键合能力, 剪切断裂发生在Au球与TiN/Ag键合面. TiN/Ag金属化层较相同厚度的Ag膜具有更强的抗氧化性能, 原因在于非晶态TiN层对Cu原子的扩散起到了很好的阻挡作用.

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Al-Sc合金相结构的第一原理研究
苏振兴 王雨晨 王绍青
金属学报. 2010, 46 (5): 623-628.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00827
摘要   PDF (709KB)

采用第一原理赝势平面波方法计算了Al-Sc合金固溶体、有序相和无序相结构对应的形成焓. 在无序合金的电子结构研究中, 引入了可以描述无序合金结构环境的小尺寸超单胞模型-SQS模型. 计算结果表明: 超饱和固溶体中的Sc原子具有偏聚产生L12结构的Al3Sc析出相和L10结构的AlSc析出相的趋势. 依据对各相的电子结构及电子密度分析结果, 初步探讨了时效处理导致超饱和固溶体Al(Sc)中偏聚产生L12结构Al3Sc析出相的形成机理.

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Ti36Zr40Ni20Pd4准晶的热稳定性与室温储氘性能
黄火根 陈亮 李嵘 罗德礼
金属学报. 2010, 46 (5): 629-633.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00821
摘要   PDF (754KB)

在Ti40Zr40Ni20准晶合金中掺Pd制备了Ti36Zr40Ni20Pd4准晶合金, 利用X射线衍射(XRD)、金相(OM)、光电子能谱(XPS)、气固反应等对其组织结构和吸氘特性进行了研究. 结果表明, 在吸铸态下该合金形成了二十面体准晶相, 准晶格常数为0.5174 nm. 其热力学稳定性较差, 约400 ℃时转变为tI-Zr2Ni与C14-TiZrNiPd晶体相. 室温下, 其吸氘能力为11.0 mmol/g(相当于 2.2%的吸氢质量分数), 吸氘速率达到0.030 s-1, 准晶结构不变但准晶格膨胀5.5%. 添加的Pd起到催化作用, 与初始合金相比, Ti36Zr40Ni20Pd4准晶合金的活化与储氘能力明显提高.

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电磁引流技术的出钢效率及其影响因素
高翱 王强 李德军 金百刚 王凯 赫冀成
金属学报. 2010, 46 (5): 634-640.   DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00848
摘要   PDF (803KB)

为了克服传统引流砂对钢水的污染, 提出一种采用与钢液成分相同或相近的Fe-C合金代替引流砂, 通过电磁感应加热使其熔化实现自动开浇的电磁引流方法. 利用实验和数值模拟研究了电磁引流装置中水口表面温度随时间的变化规律, 模拟结果与实验结果相吻合. 在此基础上, 考察了感应加热参数(电流强度、电源频率)和感应线圈直径对出钢效果的影响规律, 得出电流强度越大, 电源频率越高, 线圈直径越小, 加热到相同温度所需要的加热时间越短, 越有利于快速加热, 实现顺利出钢的结论. 各因素对出钢时间影响大小的顺序是: 电流强度、电源频率、线圈直径. 找出了可以满足出钢要求的最佳电流强度、电源频率和线圈直径参数, 实验验证了电磁引流技术可以在工艺要求的条件下完成出钢.

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