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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2020年, 第56卷, 第1期 刊出日期:2020-01-11 上一期    下一期
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综述
新型钴基高温合金多尺度设计的研究现状与展望
刘兴军, 陈悦超, 卢勇, 韩佳甲, 许伟伟, 郭毅慧, 于金鑫, 魏振帮, 王翠萍
金属学报. 2020, 56 (1): 1-20.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00159
摘要   HTML   PDF (24999KB)

近年来,材料基因组工程以及多尺度材料设计理论和计算方法的发展,为新型钴基高温合金的研发提供了新的思路。本文基于国内外新型钴基高温合金多尺度设计方面的成果以及本研究室多年来在该领域的研究工作,系统总结了材料多尺度计算方法在新型钴基高温合金领域的研究现状,总结了包括第一性原理、CALPHAD、相场法和机器学习方法在合金成分筛选、工艺设计和组织优化领域的多尺度耦合设计。在此基础上,针对各个研究方法的优势,展望了多尺度材料设计在新型钴基高温合金领域的发展趋势。

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高Fe、Cr含量多相Ni3Al基高温合金组织与性能研究进展
吴静,刘永长,李冲,伍宇婷,夏兴川,李会军
金属学报. 2020, 56 (1): 21-35.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00137
摘要   HTML   PDF (26034KB)

Ni3Al基高温合金因其较高的承温能力、优异的高温抗氧化/耐蚀性、较低的密度及生产成本,拥有广阔的应用前景而受到了大量的关注。Ni3Al基高温合金进一步的推广应用迫切需要在确保可焊性的同时提高其热强性,在此背景下,本文首先简要阐述了在Ni3Al基高温合金的成分设计中,Fe、Cr组元的添加可有效改善Ni3Al基高温合金的相组成及焊接性能。针对可焊性优异的合金成分调整,进一步分析了一种高Fe、Cr元素添加Ni3Al基高温合金凝固过程的多相转变特征,对其在不同高温冷却、高温退火、长期时效工艺下的多相组织(γ'+γ两相、枝晶间β相、γ'包覆层等)演变规律进行了总结,并探讨了复杂组织变量(初生γ'相尺寸、β相形态、β内相演化、γ'包覆层宽化)对其蠕变行为的影响。最后,总结了多相Ni3Al基高温合金连接工艺的最新研究进展,并对多相Ni3Al基高温合金的进一步发展进行了展望。

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激光增材制造成型马氏体时效钢研究进展
谭超林,周克崧,马文有,曾德长
金属学报. 2020, 56 (1): 36-52.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00129
摘要   HTML   PDF (26345KB)

本文较全面地综述了国内外激光增材制造成型马氏体时效钢(MS)的研究和应用现状。分析了选区激光熔化(SLM)制备MS特有的优势,并从SLM成型MS参数与性能优化、成型各向异性、时效强化机理、梯度材料和模具应用5个方面进行了系统介绍。研究表明,SLM成型MS的工艺窗口较宽,易获得成型致密度>99%的试样;经过激光和热处理工艺参数优化后,其力学性能可达标准锻件水平。MS时效强化遵循Orowan位错绕过机制,成型方向对MS力学性能影响较小。此外,SLM能够制备高结合强度MS基梯度材料(MS-Cu和MS-H13等)零件,为制备梯度材料功能件开辟了新途径。最后,介绍了SLM成型MS面向随形冷却模具的应用,并提出了今后的研究展望。

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(9~12)%Cr马氏体耐热钢中微量B元素的择优分布行为及其对微观组织与力学性能的影响
杨柯,梁烨,严伟,单以银
金属学报. 2020, 56 (1): 53-65.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00146
摘要   HTML   PDF (4425KB)

(9~12)%Cr钢中添加微量B元素可显著抑制M23C6碳化物的熟化,从而提高蠕变强度,增加蠕变断裂寿命。钢中B元素的择优分布行为是其充分发挥积极作用的关键,也是深入研究其作用机理的前提,一直是(9~12)%Cr马氏体耐热钢领域的研究热点。本文简述了B元素对钢力学性能的影响,介绍了表征钢中微量B元素分布的常用实验手段。在阐述B元素在钢中的物理冶金学原理以及固溶与扩散机制的基础上,重点讨论了B元素在(9~12)%Cr马氏体耐热钢中的择优分布行为及其影响因素。最后对目前微量B元素抑制马氏体耐热钢中M23C6碳化物熟化的2种机理进行了梳理,系统地阐述了B元素的择优分布行为与其抑制M23C6碳化物熟化、提高蠕变性能的积极作用之间的关系,深化对B元素在(9~12)%Cr马氏体耐热钢中的作用机理的认识。

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金属诱导晶化基础与应用研究进展
王祖敏,张安,陈媛媛,黄远,王江涌
金属学报. 2020, 56 (1): 66-82.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00187
摘要   HTML   PDF (16411KB)

将非晶半导体与金属相接触,可以诱导非晶半导体在极低的温度下结晶,这一现象被称为金属诱导晶化。薄膜状态的晶体半导体是用于众多先进技术中的关键材料,被广泛应用于微电子、光电子、显示技术和光伏技术等领域。金属诱导晶化为低温晶体半导体器件的制造、纳米多孔金属材料的合成以及金属材料界面工程提供了一种崭新的途径,引起了学术界和工业界的广泛关注。本文综述了金属诱导晶化的研究进展,对不同金属/非晶半导体体系中存在的金属诱导晶化现象进行了归纳分类总结,对其热力学原理和动力学机制进行了详细的计算与分析,突出了界面热力学在薄膜体系的固→固相变中的作用,最终阐明了金属诱导晶化过程的内在机理,并对金属诱导晶化过程未来的研究趋势进行了展望。

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电弧增减材复合制造精度控制研究进展
卢振洋,田宏宇,陈树君,李方
金属学报. 2020, 56 (1): 83-98.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00053
摘要   HTML   PDF (23268KB)

电弧增减材复合制造技术是一种将产品设计、软件控制以及增材制造与减材制造相结合的新兴技术。丝材电弧增材制造(WAAM),因其在金属增材制造中具有制备成本低、沉积效率高、材料利用率高等优势而备受推崇;又因其热输入高、成型精度相对较低而存在一定局限性。因此,亟待研发既能保证成形效率,又可以精确控制传热、传质、传力的增材复合制造技术。电弧增减材复合制造对于大型框架构件上肋板或类似薄壁墙体、筋板等构件的加工十分适合,可以实现降低制造成本和提高生产效率的目的。除增材制造精度和应力控制等问题外,增材后控形减材制造的切削问题不同于传统的去除加工,也受增材沉积表面不均匀性、增材余热和残余应力等因素影响。为解决上述问题,近年来为实现高速高效成形、精确控形控性的多种增减材复合制造方法不断涌现。本文对目前增材制造成形误差、增材后应力变形控制,以及增材后减材切削加工的相关研究进行综述,旨在探索金属构件增材复合带温减材制造的可行性,寻求合理利用增材余热,在保证最佳加工精度的前提下追求较小残余应力、良好材料微观性能和较高生产率的新型制造工艺。

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外延膜的高分辨X射线衍射分析
李长记,邹敏杰,张磊,王元明,王甦程
金属学报. 2020, 56 (1): 99-111.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00006
摘要   HTML   PDF (7818KB)

广泛应用于半导体、铁电和光电材料中的外延结构特征以及应变和缺陷会影响外延膜的物理/化学性能。高分辨X射线衍射是对外延结构进行无损准确表征的关键技术。本文从高分辨X射线衍射与外延结构倒易空间的关系出发,重点阐述高分辨X射线衍射与普通X射线衍射的联系与区别,以强调高分辨X射线衍射特征。以铁电外延膜与衬底结构高分辨X射线衍射为例,系统分析它们的高分辨X射线衍射斑特征,包括共格生长、非共格生长、倾斜生长下衍射斑特征,以及外延膜的尺寸、外延膜的倾斜扭转和外延膜的应变对衍射斑的影响等。结合Si1-xGex(x=0.1)等外延膜结构的具体分析阐述如何通过高分辨X射线衍射谱来获取外延膜结构参数,包括外延膜晶格常数、晶格错配度以及厚度和超晶格等信息。本文还系统介绍了高分辨X射线衍射中的倒易平面图的作法,以及相关的理论和实验方法,并据此获得了PbTiO3外延膜的应力状态、畴结构、相变等结构信息。

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研究论文
立方晶体弹性常数和EAM/FS势函数的关系
段灵杰,刘永长
金属学报. 2020, 56 (1): 112-118.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00257
摘要   HTML   PDF (1397KB)

为了确定bcc和fcc晶体的EAM/FS势函数参数,研究了EAM/FS势函数与弹性常数的关系。对bcc和fcc结构晶体,分别导出压强(P)和体积弹性模量(B)、弹性常数(C44)和剪切弹性模量(Cp=(C11-C12)/2)的利用嵌入函数、对势函数和电子密度分布函数的表达式。发现C44Cp的大小不仅取决于所考虑的原子和周围原子的距离,还受近邻原子排列状况的影响。将关于结合能(utot)和PBC44Cp的5个拟合方程转化为求最小值的优化模型,给出了5种典型bcc结构晶体(V、Mo、Nb、Ta、W)和3种典型fcc结构晶体(Cu、γ-Fe、Ni)的结合能中待定参数的值。采用上述参数计算得到的最小结合能与实验结果一致,此时所对应的原子间距与晶格常数相同,表明了方法的有效性。

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合金元素对铝合金在泰国曼谷地区初期腐蚀行为的影响
王力,董超芳,张达威,孙晓光,Thee Chowwanonthapunya,满成,肖葵,李晓刚
金属学报. 2020, 56 (1): 119-128.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00217
摘要   HTML   PDF (27368KB)

在泰国曼谷地区对5083、6063和7020 3种铝合金进行为期1 a的暴晒实验,采用SEM、电化学实验、XPS和扫描Kelvin探针显微镜(SKPFM)对3种铝合金初期腐蚀形貌及腐蚀机理进行研究。结果表明:6063铝合金中Mg、Si、Fe等合金元素含量较少,腐蚀电位相对较高,约为-0.66 V (vs SCE),腐蚀产物膜较为致密,耐蚀性较好,在泰国曼谷地区的腐蚀速率约为0.7 g/(m2·a)。7020铝合金含有较多Mg、Zn等合金元素,腐蚀电位约为-0.78 V (vs SCE),腐蚀最为严重,腐蚀速率约为3.26 g/(m2·a)。3种铝合金均含有Mn、Si、Fe等合金元素,从而形成Fe-Si-Al或Fe-Si(Mn)-Al第二相,第二相表面电位高于基体225~280 mV,在大气环境中第二相作为阴极相,周围的基体Al优先溶解脱落,成为点蚀坑。

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