借助热力学理论计算, 设计了固液两相区保温凝固和连续冷却凝固实验, 采用OM, SEM, EDS和EPMA等方法, 研究了中碳Cr-Mo耐磨钢中TiN的析出行为及其对凝固组织的影响. 结果表明, 随着Ti, N含量的增加, TiN在固液两相区的析出温度逐渐升高. 当钢中Ti的质量分数为0.090%, N为0.014%时, TiN直接在液相区析出. 在液固两相区内不同温度保温并水淬凝固后, TiN主要分布于凝固组织的粗大枝晶间、枝晶前沿和剩余液相区域的等轴晶晶界处. 此外, 少量TiN分布在粗大枝晶和等轴晶内. 在连续冷却凝固过程中, TiN析出相的形成温度是影响凝固组织粗细的主要因素. 随着Ti含量的增加, TiN析出相的形成温度升高, 钢液实际凝固温度增高, 凝固区间增大, 局部凝固时间延长, 凝固组织的二次枝晶臂间距不断增大; 当Ti的质量分数超过0.066%后, TiN析出相的形成温度与液相线接近或高于液相线, 钢液实际凝固温度变化不大, 二次枝晶臂间距趋于稳定.

对3.55C-1.95Si-0.36Mn-3.58Ni-0.708Cu-0.92Mo-0.65Cr (质量分数, %)低合金贝氏体球墨铸铁实施等温淬火及不同温度的回火热处理工艺, 采用OM, EPMA, SEM, TEM以及XRD研究了回火温度对等温淬火低合金贝氏体球墨铸铁的组织演变过程的影响, 并对力学性能和耐磨性进行了测试与分析. 结果表明, 回火过程组织演变的物理机制包括孪晶马氏体及其位错亚结构的回复与再结晶软化、残余奥氏体分解、马氏体中过饱和碳的脱溶与相变以及共晶渗碳体的转变等过程. 随着回火温度的升高, 等温淬火低合金贝氏体球墨铸铁基体的显微硬度和宏观硬度及抗压强度逐渐降低. 在450 ℃回火后, 共晶渗碳体的显微硬度出现最低值, 其原因是, 在此温度下共晶渗碳体的亚片层有α相析出, 此时, 低合金贝氏体球墨铸铁的压缩率最高, 塑性提高; 在600 ℃回火时, 其力学性能明显恶化. 在干砂/橡胶轮磨损条件下, 450 ℃回火后的等温淬火低合金贝氏体球墨铸铁具有较好的耐磨性. 磨损形貌观察表明, 其磨损机制为塑性变形疲劳磨损和显微切削, 塑性变形疲劳机制对耐磨性的贡献大于切削破坏机制, 在450 ℃回火析出的弥散Mo₂C对耐磨性也有一定贡献.

通过调整焊接热输入研究了Q460低合金高强钢CO₂气体保护药芯焊接接头的组织及其对不同温度下动态断裂韧性(J_Id)的影响规律, 探究了影响接头动态断裂行为的机理. 结果表明, 低热焊接输入的接头熔合区(FZ)柱状晶界面处存在仿晶界型铁素体; 随热输入增加, FZ柱状晶形态特征逐渐减弱、仿晶界铁素体消失, FZ以针状铁素体组织为主, 且随热输入的增加针状铁素体平均尺寸增大. 在室温至-70 ℃范围内, 中等热输入的焊接接头均表现出优异的动态断裂韧性, 而低热输入的接头动态断裂韧性值最低. 随温度由室温降低至-70 ℃, Q460钢焊接接头动态断裂机制发生了由延性断裂逐渐向解理脆性断裂的转变. 低热输入焊接接头FZ柱状晶界面具有平面生长特征的仿晶界铁素体, 易诱发低温下裂纹沿晶快速扩展. 研究发现, 在低温动态断裂过程中, 细小针状铁素体组织由于可有效地阻碍裂纹扩展, 成为其维持高动态断裂韧性的要因.

采用激光高熵合金化技术在2Cr13不锈钢表面制备FeCoCrAlCuNiMo_x (x=0, 0.5, 1, 摩尔分数) 激光高熵合金化层. 利用XRD, SEM, EDS及显微硬度计对FeCoCrAlCuNiMo_x激光高熵合金化层的相转变机制、微观组织形貌及硬度进行研究. 结果表明, 2Cr13不锈钢基材主元素Fe, Cr在激光辐照条件下参与了表面合金化过程, 形成了FeCoCrAlCuNiMo_x激光高熵合金化层; 随着Mo含量的增加, 合金化层相结构逐渐由fcc+bcc双相固溶体结构转变为fcc+bcc+hcp三相共存, hcp相主要为Ni₃Mo和Co₇Mo₆, 且Ni₃Mo相含量高于Co₇Mo₆相; 熔池的凝固温度在激光高熵合金化层相选择过程中起到重要作用. 激光高熵合金化层显微组织为典型的枝晶组织; 随着Mo含量的增加, 枝晶内析出块状Ni₃Mo和Co₇Mo₆相. FeCoCrAlCuNiMo_x激光高熵合金化层的显微硬度在390~490 HV之间, 且Mo含量的增加显著提高高熵合金化层的硬度.

基于流体动力学原理, 同时考虑电弧压力、表面张力、电磁收缩力、浮力和重力等因素影响, 建立了随小孔深度增加热力作用二次变化的三维瞬态计算模型. 利用上部双椭球体下部锥体的组合式体积热源描述等离子电弧对焊接工件的热作用, 提出了可以维持小孔稳定的“孔内固体搅动式”计算方法. 为了提高计算效率, 建立了相对焊缝纵截面对称的计算区域; 计算过程利用流体体积函数(VOF)法追踪小孔边界, 基于FLUENT软件对穿孔型等离子弧准稳态焊接过程进行了数值模拟, 得到了准稳态焊接过程中小孔、熔池及流场的动态变化行为, 分析了穿孔型等离子弧焊接(K-PAW)准稳态过程的稳定性, 探讨了影响小孔稳定的工艺因素, 最后进行了计算模型的验证实验. 结果表明, 在设定的焊接工艺参数下, 3.0 s之后焊接过程达到准稳态, 准稳态焊接过程中小孔前壁熔池较薄, 平均厚度为0.6 mm, 且小孔前壁有一定倾斜现象, 使得背面小孔中心相对焊接中心向后偏移, 焊接不同时刻偏移量在0.46~0.97 mm之间波动. 在准稳态焊接过程中熔池内存在稳定的逆时针涡流, 计算所得的背面小孔宽度与实验结果吻合良好.

基于各种零部件对非稀土型低成本镁合金的需求, 选择低成本Bi添加镁合金作为研究对象, 对比研究了纯Mg及其添加6%Bi (质量分数)的Mg-6Bi合金的微观组织与力学性能. 结果表明, 2种样品在挤压后均发生了完全动态再结晶且表现出相似的挤压织构, 但Bi加入后可获得更为均匀细小的组织, 平均晶粒尺寸从未添加态的30 μm显著减小为4 μm. Mg-6Bi合金中未完全固溶的微米级Mg₃Bi₂相在挤压过程中被破碎并沿挤压方向呈条带状分布, 同时观察到大量动态析出的纳米级Mg₃Bi₂相弥散分布在基体中. 挤压态Mg-6Bi合金的力学性能较纯Mg显著提高, 其拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到189 MPa, 228 MPa和19.9%, 且未表现出拉压各向异性. 添加Bi后合金性能的提高主要归因于晶粒细化和弥散分布的微纳双尺寸Mg₃Bi₂相协同强化的共同作用.

研究了0.2%及0.4%Er的添加对2055 Al-Li合金T8态时效 (6%预变形+160 ℃时效)微观组织和力学性能的影响. 结果表明, 0.2%Er添加显著降低合金强度, 但延伸率略有增加. 微量Er添加未改变Al-Li合金中时效析出相的种类, 主要强化相仍然为T1相 (Al₂CuLi)及θ'相 (Al₂Cu), 但时效析出相的数量明显减少, 同时时效析出的响应速度减缓. 2055 Al-Li合金中添加微量Er, 凝固时可形成Al₈Cu₄Er相粒子, 这些粒子在后续均匀化及固溶处理时均难以完全溶解至固溶体中, 导致固溶基体中Cu含量降低, 因而时效时含Cu析出相T1相及θ'相含量减少, 合金强度降低.

研究了TC17钛合金电子束焊接接头的显微组织与力学性能. 研究表明, 焊接接头由熔合区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)组成. 焊态下, FZ由β柱状晶组成, HAZ由针状α/α'相、等轴α相和亚稳态β相组成. 在630~800 ℃范围焊后热处理后, FZ和HAZ中的亚稳态β相分解, 生成α相和β相, 随着焊后热处理温度的升高, FZ和HAZ中的α相板条厚度增加, 晶界α相发生粗化. 焊态和800 ℃, 2 h, A.C.焊后热处理条件下, FZ在450 ℃高温拉伸过程中会析出次生α相板条, 导致熔合区抗拉强度升高, 屈强比降低. 焊接接头的拉伸断裂优先发生于屈服强度低的区域, 接头各区域屈服强度相差不大时, 最终断裂发生在硬度较低的区域. TC17钛合金电子束焊接接头的最佳焊后热处理制度为630 ℃, 2 h, A.C., 此时焊接接头具有良好的拉伸强度和塑性匹配.

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末, 并对预合金粉末进行表征. 研究了热等静压参数对Ti-5Al-2.5Sn ELI粉末合金显微组织和力学性能的影响. 结果表明, 热等静压温度和压力的升高有助于提升粉末合金的致密度, 当粉末合金的致密度大于99.5%时, 粉末合金的力学性能可以达到锻造合金的水平. 综合考虑粉末合金的致密度、显微组织和力学性能, Ti-5Al-2.5Sn ELI预合金粉末优选的热等静压工艺成型窗口为温度890~940 ℃, 压力120 MPa以上, 保温保压3 h. 包套对热等静压压力有屏蔽作用, 设计不当会降低粉末压坯的致密度. 通过优化包套设计、热等静压参数和工艺途径可以有效抑制包套的屏蔽作用, 提升粉末合金的致密度.

采用SEM, EPMA和TEM等技术对不含Re (0Re)和含2%Re (2Re)的定向柱晶高温合金铸态和热处理态组织进行了系统的研究. 结果表明: Re促进了铸态共晶外围和晶界上μ相的析出; 合金热处理后, Re明显促进了MC碳化物周围和晶界上相的析出, 0Re合金MC碳化物周围只有少量的M₆C相析出, 晶界上有细小的M₂₃(C, B)₆硼碳化物析出, 而2Re合金MC碳化物周围和晶界上都有大量块状μ相析出, μ相的析出促进了γ′包层的形成. 0Re合金中B元素明显偏聚于晶界, 而2Re合金中B元素分布相对比较均匀. 并对热处理过程中μ相的析出机制进行了深入分析.

对Al-15%Y (质量分数)过共晶合金在1~100 μm/s的抽拉速率下进行定向凝固实验, 研究抽拉速率对组织演化及Al₃Y相生长规律的影响. 结果表明, 铸态Al-15%Y合金主要由Al₃Y先析出相和Al₃Y/Al共晶体组成. 在定向凝固过程中, 当抽拉速率为1 μm/s时, Al₃Y相为不规则形状且边界清晰, 为小平面的生长特性. 随着抽拉速率的增加, Al₃Y相的形貌逐渐转变为拉长的六棱柱形态, 其中少量的Al₃Y相具有中空形貌. 当抽拉速率为10和20 μm/s时, Al₃Y相按粗大的六棱柱形态生长. 进一步增加抽拉速率至100 μm/s时, 组织中出现“十”字形貌的Al₃Y相, 为2个六棱柱垂直交叉结构, 类似枝晶的生长形式. 在抽拉速率增加的过程中, 固/液界面前沿逐渐出现领先相, 且凝固速率越大, 领先距离越长.

对Al-53%Y (质量分数)包晶合金在1~100 μm/s的抽拉速率下进行定向凝固实验, 研究了合金组织演化及包晶合金中两相的竞争和生长行为. 结果表明, 铸态Al-53%Y合金的显微组织主要由初生Al₂Y相、包晶Al₃Y相和Al₃Y/Al共晶体组成. 在低速1 μm/s定向凝固过程中, 初生相与包晶相均连续生长, 出现了平行于固/液界面的近似带状组织. 随着凝固距离的增加, 固/液界面处的领先相由初生Al₂Y转变为包晶Al₃Y, 固/液界面为粗大条形Al₃Y相, 而无初生相. 在较高抽拉速率的定向凝固过程中, 随着抽拉速率的增加, Al₂Y相由平界面生长转变为胞状形态, 后又转变为枝晶状. 包晶相Al₃Y最初以锯齿状包裹在初生相表面, 同时在液相中以细针状直接析出, 抽拉速率越大, 包晶相Al₃Y数量越多且尺寸越细小. 随着凝固距离的延长, 包裹初生相的包晶相厚度增加, 体积分数增大. 另外, 从液相中直接析出的Al₃Y相逐渐长大, 由细针状变为短棒状、块状, 均匀分布在包晶组织周围并与之相连接.

采用新型Ni-Co-Cr-W-B+DD99混合粉末钎料焊接DD5单晶高温合金, 分析钎料成分对接头显微组织演变和接头力学性能的影响, 探讨Ni-Co-Cr-W-B钎料/DD99合金粉的界面形成机制与接头形成机理. 结果表明, 在钎焊过程中, Ni-Co-Cr-W-B钎料/DD99合金粉的界面上首先形成了γ-Ni初生相, B偏析并析出细小颗粒状的M₃B₂ 型硼化物, 在冷却过程中残余液相形成块状M₃B₂相、γ+γ′共晶相和γ-Ni+Ni₃B+CrB共晶相. 提高混合粉末钎料中DD99合金粉的配比, 可有效抑制焊缝中的硼化物和低熔点共晶相的形成, 提高焊缝成分和组织均匀性. 当DD99合金粉的配比增加至70% (质量分数)时, B可均匀扩散至DD5母材和DD99合金粉中, 未观察到低熔点共晶相, 界面处脆性化合物相显著减少, 接头高温性能提高. 接头经过固溶处理和时效处理后, 在870 ℃的高温拉伸性能可提高至1010 MPa.

研究了753 K时Nd在W和Al电极上LiCl-KCl-AlCl₃-Nd₂O₃体系中的电化学行为, 同时研究了AlCl₃对Nd₂O₃的氯化作用, 并直接以Nd₂O₃为原料, 在W和Al电极上电解提取Nd, 获得Al-Nd合金. 在W电极上, LiCl-KCl-Nd₂O₃体系中的循环伏安曲线中并未观察到Nd还原的信号. 加入AlCl₃后, 观察到Nd在预先沉积Al基体上欠电位沉积形成3种Al-Nd金属间化合物的电化学信号. 在Al电极上LiCl-KCl-AlCl₃-Nd₂O₃体系中观察到2种Al-Nd金属间化合物的形成信号. 测量结果表明, AlCl₃能有效地氯化Nd₂O₃. 在-2 A下, W电极上恒电流电解提取Nd, 获得了Al-Nd合金, XRD分析结果表明, 形成的合金含Al₂Nd相. 而在活性Al阴极上电解提取Nd, 获得的Al-Nd合金含Al₃Nd相.

采用自行研究开发的一种新型药芯焊丝, 通过实验室大热输入焊接实验, 研究分析了热输入量对焊缝熔敷金属组织与冲击韧性的影响规律. 结果表明: 在大热输入焊接条件下, 熔敷金属中形成了大量细小、弥散分布的夹杂物, 夹杂物周围诱导生成的大量相互交叉互锁的针状铁素体晶粒, 这是焊缝熔敷金属具有较高低温冲击韧性的主要原因; 随着焊接热输入量的增加, 尺寸为1 μm以下的夹杂物数量减少, 1 μm以上夹杂物分布无显著变化, 针状铁素体形核点减少, 熔敷金属中针状铁素体晶粒尺寸略有增加、低温冲击韧性略有降低.