钨(W)具有高熔点(3410 ℃)、高密度(19.35 g/cm³)、高硬度、高弹性模量、高热导率以及低膨胀系数、低蒸气压等优异的性能,在国防军工、航空航天和核工业等领域中有着重要的作用。但同时,W及其合金的缺点,如低温脆性(韧脆转变温度通常在400 ℃以上)、室温抗拉强度低,再结晶脆性、高热负荷开裂及辐照脆化等问题,又严重影响了其加工及服役性能。针对上述问题,国内外开展了碳化物/氧化物弥散强化的钨合金研究,通过纳米级碳化物/氧化物弥散强化及微结构优化,提高了W的力学性能及其它服役性能。本文主要从核聚变第一壁用碳化物、氧化物弥散强化钨基材料的设计、制备、组织与性能调控及服役性能评价等方面进行综述,并介绍了作者研发团队的最新进展,展望了未来发展趋势及待解决的问题。

采用分子动力学方法研究了金属Ti熔体的凝固过程,通过径向分布函数、H-A键型结构以及最大原子团簇方法分析了Ti的凝固组织。结果表明,金属Ti熔体的凝固过冷度随过热温度的升高而增大,且过冷度与过热温度的变化曲线上出现2次转折：T₁=2100 K和T₂=2490 K,分别对应于形核团簇的原子键破坏起始温度和破坏终了温度。在此温度区间,过热熔体中微观晶核团簇随温度升高而减少。当过热温度增大到一定程度(大于T₂),其过冷度将维持定值;同时,金属Ti熔体的过冷度也随冷速的增大而增大,直到非晶结构形成;金属Ti形成非晶的临界冷速为1.0×10¹³ K/s。

引入时间序列自回归移动平均模型法,从固有周期和阻尼率2个方面对高碳钢连铸方坯拉坯方向上偏析C元素含量分布的波动特征进行定量化分析。结果表明,固有周期和阻尼率可以定量描述C元素时间序列的固有波动特征(周期和极值)。强冷使柱状晶区C元素时间序列的平均固有周期和平均阻尼率均变小,对应波动程度增加,则偏析程度增大;同时使等轴晶区C元素时间序列的平均固有周期和平均阻尼率均变大,对应波动程度降低,则偏析程度降低。柱状晶区的周期和阻尼率分别主要受枝晶间距和温度梯度影响,而等轴晶区的周期和阻尼率分别主要受凝固过程液相流动(V形偏析)和局部冷却速率影响。本工作能为连铸坯拉坯方向元素分布均匀性的精细控制以及类似质量波动问题的定量分析提供新的理论参考。

利用EBSD、TEM和XRD等手段研究了退火温度对冷轧中锰钢7%Mn-0.3%C-2%Al (质量分数)组织和力学性能的影响,并借助具物理冶金意义的本构模型探讨了冷轧中锰钢退火后的拉伸和加工硬化行为。实验结果表明,随着退火温度的上升,逆转变奥氏体的机械稳定性逐渐降低,使得应变诱导马氏体的转变速率快速上升。在700 ℃退火时,逆转变奥氏体的稳定性适中,此时材料的综合力学性能最优。模拟结果表明,奥氏体稳定性对材料的拉伸行为有决定性的影响。退火温度偏低则奥氏体稳定性过高,材料的加工硬化率和均匀延伸率都较低;若退火温度适中则奥氏体稳定性也适中,变形时能持续地产生TRIP效应硬化基体,使材料的加工硬化率和均匀延伸率均较高;退火温度偏高会导致奥氏体稳定性过低,应变诱导马氏体会在短期内大量形成,致使材料的抗拉强度较高但均匀延伸率降低。

使用连续截面法结合三维电子背散射衍射(3D-EBSD)技术研究了316L不锈钢的三维显微组织,重点分析了晶粒和晶界的三维形貌特征及各特征参数的分布规律,包括晶粒尺寸、晶粒表面积、晶粒的晶界面数、晶界尺寸和晶粒的平均晶界尺寸,并统计分析了各特征参数之间的关系。结果表明：316L不锈钢的三维晶粒和三维晶界的形貌特征参数均服从对数正态分布,各参数与晶粒尺寸之间的关系符合幂函数。另外,由于存在大量孪晶,造成316L不锈钢的三维晶粒形貌十分复杂,且尺寸越大的晶粒形貌越复杂,晶界面数越多,表面积越大,与等轴晶的偏离也越大。

利用定量逐层研磨和计算机辅助重建及可视化技术,并结合电子背散射衍射(EBSD)技术,研究了Hi-B钢二次再结晶退火中异常长大Goss取向晶粒的三维形貌,并探讨了其长大规律和特征。研究表明,在三维尺度上,异常长大Goss取向晶粒呈现“饼形”晶粒形貌,异常长大过程中遵循“饼形”长大规律,即处在次表层的二次再结晶晶核在中间层快速长大取得尺寸优势后,反向沿厚度方向长大到样品表面,并在表面能的作用下继续沿板面方向异常长大,最终使得在板面方向的尺寸远大于厚度方向的尺寸;在Goss取向晶粒异常长大过程中,一些基体大尺寸晶粒由于尺寸优势会阻挡Goss取向晶粒长大,从而暂时保留在晶粒内部形成“岛状”晶粒。而在长大前沿,由于基体晶粒尺寸的不均匀性,特别是遇到一些大尺寸晶粒无法在短期内被吞噬掉,或者是2个异常长大的Goss取向晶粒相遇后造成某些方向长大停止,而一些基体晶粒被包裹进来成为“岛状”或“半岛状”晶粒,还有可能是不同取向晶粒晶界迁移率存在明显的差异性等方面的影响,使得Goss取向晶粒在某些方向长大受阻,从而表现出晶界前沿参差不齐,长大呈现典型的各向异性特征。

通过室内模拟实验考察了大幅高压直流干扰电压下,X80钢在广东土壤中的干扰电流密度变化规律及腐蚀行为。结果表明,在50~300 V直流干扰电压下,电流密度随时间的变化呈现典型的3阶段特征：首先,在几秒内急剧上升到较高水平的峰值;然后,在几百秒内下降到较低水平的稳定值;最后,较长时间内维持在稳定值水平。结合干扰过程中试样附近土壤温度、含水率及电阻的测试分析表明,电流密度变化主要是由大幅干扰电压造成短时间内试片周围土壤温度升高,含水率降低,局部电阻率大幅增加所致。同时实验获得直流干扰电压分别为50、100、200及300 V时,1 h干扰实验中X80钢腐蚀速率分别为5.56、7.85、10.63及7.78 μm/h;腐蚀速率随直流干扰电压的升高呈现先增大后减小的趋势,该趋势不同于电流密度峰值随直流干扰电压的变化规律,但与电流密度稳定值的变化规律相似。此外,分析了高压直流干扰下试样腐蚀速率与使用3种形式电流密度计算得到的理论腐蚀速率之间的相关性。结果表明,利用干扰过程中电流密度曲线积分计算得出的理论腐蚀速率误差最小;利用电流密度稳定值计算得到的腐蚀速率误差次之;利用电流密度峰值计算得出的理论腐蚀速率误差最大,可达到实测腐蚀速率的若干倍。据此提出了实际高压直流干扰下参数监测与腐蚀速率的预测方法。

以Ar气为保护环境,对G115马氏体耐热钢进行了预氧化处理。通过循环蒸气氧化实验,研究了未预氧化处理和预氧化处理2种试样在650 ℃水蒸气中的高温氧化行为。采用分析天平测量氧化增重,得到了氧化增重动力学曲线。通过SEM及附带的EDS分析了氧化皮的形貌和结构,采用XRD结合EDS对氧化产物进行了相鉴定。实验结果表明,预氧化处理明显降低G115钢1800 h以内的氧化增重。预氧化处理后,G115钢的蒸气氧化动力学由立方型转变为直线型,氧化皮结构由典型的双层结构转变为多层结构。预氧化处理试样的氧化皮最外层为由Fe向外扩散形成的富Fe层,中层为Cr含量达46% (质量分数)的富Cr层,最内层由金属基体转变而成。其中氧化皮中层由于Cr含量高而具有良好的保护性,是整体氧化过程的控制步骤。另外该层厚度接近常数,使得预氧化处理试样的氧化动力学呈直线型。以氧化皮结构和氧化过程机制为根据,对预氧化处理的长期效果进行了评估。

采用LSCM、EIS和动电位极化曲线等测试手段研究了Co、Fe以及Ni对CoCrFeNi单相高熵合金体系在3.5%NaCl (质量分数)溶液中耐蚀性能的影响。结果表明,当Co、Cr含量相同时,增加Fe含量的同时减少Ni含量,能够降低该合金体系的维钝电流密度;当Fe、Cr含量相同时,增加Co含量的同时减少Ni含量,也能够降低该合金体系的维钝电流密度,从而提高其耐蚀性;当Cr含量相同时,减少Co含量,同时增加Fe和Ni的含量,能够提高合金的自腐蚀电位,降低合金发生腐蚀的倾向。

利用OM、EBSD对比分析了Zr的加入对Mg-Gd-Er合金凝固组织的影响,采用DSC测试了Mg-11Gd-2Er和Mg-11Gd-2Er-0.4Zr 2种合金熔体的过冷度,计算了Zr的加入对合金熔体润湿角及形核激活能的影响,利用HRTEM分析了Zr与Mg的界面关系及Zr的加入对界面能的影响。结果表明,Zr的加入能明显细化Mg-Gd-Er合金的晶粒尺寸,晶粒尺寸由大概率的1000 μm降到了50 μm,细化效果明显;Zr的加入使合金熔体的润湿角由18.3°降到了11.1°,熔体的形核激活能降低了44.4%;Mg的(1010)面与Zr的(1100)面完全共格,降低了Mg和Zr之间的界面能。熔体润湿角的降低和Mg与Zr的完全共格界面关系是细化Mg-Gd-Er合金晶粒尺寸的有效机制。

利用送粉式激光熔化3D打印工艺,研究了外加横向稳恒磁场对3D打印Al-12%Si合金构件凝固组织的影响。结果表明,在有/无横向稳恒磁场下,激光熔化单道薄壁试样的宏观凝固组织未发生明显改变,其主要以白亮带(以α-Al相为主)和灰暗区(以Al-Si共晶相为主)为基本单元叠加构成。而微观组织分析表明,无磁场时灰暗区内的初生α-Al相呈柱状枝晶形态,施加了0.35 T横向稳恒磁场后,试样灰暗区内的初生α-Al相全部转变为等轴枝晶形态,且枝晶臂发达。基于热电磁力及其Hartman无量纲数(用于表征稳恒磁场对金属熔体流动抑制作用的参数)估算分析表明,0.35 T稳恒磁场下,作用于初生α-Al枝晶上的热电磁力可达10⁵ N/m³量级;Hartman数远大于10,表明激光熔化微小金属熔池中强烈的Marigoni以及热溶质对流一定程度上被抑制。分析认为,稳恒磁场下凝固组织灰暗区内α-Al相柱状枝晶向等轴枝晶的转变是固相中热电磁力(约10⁵ N/m³)对枝晶的破碎作用导致,而等轴枝晶发达的枝晶臂则是横向稳恒磁场抑制熔体流动的结果。

自主研发了双脉冲磁控溅射技术,提出在一个脉冲周期内电流呈阶梯式上升的双脉冲电场设计理念,通过对2个脉冲阶段持续时间和峰值靶电流密度的调配,既满足提高镀料粒子动能与离化率以制备高性能薄膜的工艺要求,又达到增加脉冲持续时间以提高薄膜沉积速率的效能目标。采用双脉冲磁控溅射技术,在后期脉冲阶段的不同峰值靶电流密度下制备4组TiN薄膜,研究了峰值靶电流密度对薄膜微观结构和力学性能的影响。结果表明,将峰值靶电流密度提高至0.87 A/cm²时,所制备的TiN薄膜呈现出颗粒细小且致密的组织,平均晶粒尺寸为17 nm。同时,薄膜的显微硬度和膜基结合力可分别达29.5 GPa和30.0 N。

基于第一性原理计算方法研究了厚度对(00l)和(012)取向Bi薄膜稳定性、相变及导电性的影响。计算结果表明,随着厚度的增加,(00l)取向Bi薄膜稳定性增强,且薄膜偶数层稳定性优于奇数层;(012)取向Bi薄膜稳定性随着厚度的增加而降低,且在层数为4时,表面能与偶数层(00Ɩ)取向的薄膜相当,预示二者在该厚度时较易发生相变,分析认为与薄膜加厚过程中表面态的影响有关。随着厚度的增加,(00Ɩ)和(012)取向的Bi薄膜表现出从半导体转变为金属的特性。

利用多弧离子镀技术在Ti6Al4V表面沉积纯Mg薄膜,研究了工作气压对纯Mg薄膜表面质量及性能的影响,研究了纯Mg薄膜的体外降解等性能、抗菌性及生物安全性能。结果表明：多弧离子镀方法可将纯Mg薄膜制备于钛合金表面,薄膜颗粒均匀致密,未见明显缺陷。体外浸泡实验结果表明：由于Ti6Al4V与Mg发生电偶腐蚀而使Mg薄膜迅速降解,1周时间内薄膜基本降解完毕。抗菌实验结果表明：纯Mg薄膜样品对金黄色葡萄球菌具有强烈的杀灭作用,表现出良好的抗细菌感染功能。细胞毒性实验结果表明：纯Mg薄膜可促进骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖。

为了便于分析镁合金在高速变形过程中的变形机制,计算了4种滑移方式(基面滑移、柱面滑移、锥面<a>滑移和锥面<c+a>滑移)和2种孪晶方式({10\stackrel{\text{?}}{1}2}拉伸孪晶和 ＜\({10 \bar{1} 1}\)＞压缩孪晶)的Schmid因子。结合电子背散射衍射(EBSD)技术,获得了轧制态AZ31镁合金原始样品的Schmid因子实验值,并将理论计算值与实验值进行了比较。采用Hopkinson压杆对AZ31镁合金轧制板材在1600 s^-1的应变速率下进行了高速冲击实验,对所获得的样品进行了金相组织观察。结合Schmid因子计算结果,讨论了不同方向样品在不同加载方向下的主要变形机制。结果表明,Schmid因子的理论计算值与实验值可以很好吻合。Schmid因子计算简单、表达方便,可以有效分析镁合金中主要的变形方式和解释应力-应变曲线特征。镁合金中不同变形方式的Schmid因子值及其变化规律均不相同,其计算结果可为镁合金中织构所引起的各向异性现象的分析提供理论依据。