Ti及钛合金作为人体硬组织的主要替代物之一,在生物医用领域应用广泛。为了更好地满足Ti及钛合金在人体中植入后的安全、舒适、耐久等需求,Ti及钛合金表面改性处理成为了研究的热点。本文基于Ti及钛合金的基础性能和存在的问题,从表面改性提高其力学性能、生物相容性、抑菌/抗菌性能等方面综述了Ti及钛合金表面改性在生物医用领域的研究进展,并提出了面临的挑战以及发展方向的建议。

选用SiC晶须骨架作为增强相,利用重力辅助沉降、压缩致密化、骨架烧结及无压熔渗的方法制备了具有微观三维互穿结构的SiC晶须骨架增强镁基复合材料,并对其微观组织结构与力学性能(特别是断裂韧性)进行了表征与分析。通过对SiC晶须骨架进行预氧化处理,提高了增强相与基体之间的润湿性,并通过调节预氧化温度控制析出相含量和孔洞等缺陷,优化了复合材料的弯曲强度与断裂韧性,获得了稳定的裂纹扩展行为(上升的R曲线)。相比于以纯Mg为基体的复合材料,以AZ91D镁合金为基体的复合材料中析出相含量高且发生粗化,使得材料强度提高的同时断裂韧性降低。

研究了1600℃温度下Al₂O₃、CaO、MgO、Y₂O₃稳定ZrO₂、CaO稳定ZrO₂和Y₂O₃共6种材料坩埚与镍基高温合金K417G熔体的界面反应。结果表明：熔体对Al₂O₃坩埚以物理侵蚀为主,但坩埚易剥落导致合金中含有Al₂O₃夹杂物；CaO坩埚与合金界面处生成了液相Ca₃Al₂O₆,促进熔体与CaO之间的润湿性,导致界面处粘连严重；MgO坩埚与熔体中Al反应生成MgAl₂O₄并进入合金生成夹杂物；Y₂O₃稳定ZrO₂坩埚与合金界面处生成Al₂O₃反应层,但是Al₂O₃层未对坩埚发生侵蚀,可见这种坩埚具有较强的抗Al₂O₃渣的能力；CaO稳定ZrO₂坩埚与合金界面处生成液相CaAl₂O₄,导致坩埚失稳,向合金内剥落溶解；Y₂O₃坩埚与合金界面处主要生成Al₂Y₄O₉反应层,并且Y₂O₃向合金内溶解较为严重。坩埚和熔体交互作用对K417G熔体杂质O含量有显著影响,CaO、Y₂O₃和Y₂O₃稳定ZrO₂坩埚熔炼合金中O含量没有增加,而CaO稳定ZrO₂坩埚熔炼后O含量由0.0007% (质量分数)增加至0.0011%,MgO和Al₂O₃坩埚熔炼后,合金O含量增加明显,由0.0007%分别增加至0.0034%和0.0135%。

探讨了MoNb改性FeCrAl不锈钢(C35MN)在800℃、400 h时效过程中以及1000~1200℃、1 h退火处理后的组织演变及力学性能变化。结果表明,C35MN合金在800和1000℃具有优异的高温组织稳定性,然而在1100℃以上Laves相大量回溶至基体,晶粒尺寸迅速长大至310 μm；C35MN合金的组织稳定性由Laves相的热稳定性决定,而Laves相热稳定性又与其成分密切相关,形成Laves相的组元在bcc结构Fe基体中的固溶度越低,Laves相越稳定；晶粒尺寸显著影响C35MN合金的力学行为,当晶粒尺寸小于50 μm时,合金表现出韧性断裂特征,晶粒尺寸大于130 μm时则表现出脆性解理断裂特征。

通过溶液调制的方法对C70S6非调质钢及其掺Ca、Mg样品进行了动电位极化曲线测试,并对测试前后的样品进行了SEM-EDS表征,揭示了夹杂物对非调质钢点蚀行为的影响。结果表明,MnS夹杂易作为活性位点诱发点蚀,而掺杂Ca、Mg元素使得夹杂物分布更弥散,MnS含量更低,相应的点蚀抗性也更高。

在290℃对固溶态Fe-1.3%Cu (原子分数)合金进行4 × 10¹⁶ ion/cm²注量氩离子辐照,用TEM观察样品微观组织,用原子探针表征溶质原子分布。结果表明,辐照层内形成大量黑斑缺陷,距辐照表面500~600 nm深度处存在直径1.3 nm的气泡。辐照层内存在富Cu团簇,随深度增加团簇尺寸和数量密度先增加后降低。这是由于高损伤剂量率与大尺寸级联碰撞共同作用抑制Cu原子偏聚,使近表面处富Cu团簇尺寸小、数量少,损伤剂量峰附近氩离子浓度增加,形成Ar-V团簇,长大过程中拖拽Cu原子进行迁移,促进富Cu团簇形成和长大。

基于第一性原理,系统研究了不同层数Bi(111)薄膜的几何结构和能带性质,以及双轴应变对Bi(111)薄膜结构与电学性能的调控作用。研究结果表明：Bi(111)薄膜的几何结构以及能带性质具有厚度依赖性。随着厚度的增加,薄膜晶格常数增大,屈曲高度降低,表面能增加,带隙减小,并在3个双层时由半导体性质转变为半金属性质；对1个双层Bi(111)薄膜施加拉伸应变,可诱发间接带隙到直接带隙的转变以及能带反转；施加压缩应变可诱发半导体到半金属性质的转变,通过近带边电子轨道的成键性质分析,揭示了成键态和反键态对应变的不同响应速率,引起了导带底的转移,从而导致了半导体到半金属转变。类似的半导体到半金属转变也可在应变作用下的2~5个双层厚Bi(111)薄膜中预测到。应变也可调节Bi(111)薄膜的电子和空穴的有效质量,从而可能影响薄膜传输特性。

采用约束杆法和单螺旋流动性法研究分析了不同砂型3DP打印参数(呋喃树脂含量1.5% ~3.0% (质量分数,下同)、打印层厚0.28~0.32 mm)条件下ZL205A合金的铸造热裂倾向性和流动性。结果表明,ZL205A合金的铸造热裂倾向性随树脂含量的增加先增加后减小,随打印层厚的增加而减小,ZL205A合金的铸造热裂倾向性与3DP砂型强度显著相关。ZL205A合金的铸造流动性随着树脂含量的增加而减小,随打印层厚的增加而减小。通过理论回归和归一化方法,建立了砂型3DP打印参数与ZL205A合金铸造性能间的回归方程,确定了适合于ZL205A合金砂型铸造的较优砂型3DP打印参数：呋喃树脂含量1.5%,打印层厚0.28 mm。

采用热压缩实验、SEM、TEM以及EBSD技术研究了喷射成形Al25Si4Cu1Mg (质量分数,%)合金的热变形组织演变规律及动态再结晶形核机制。结果表明：喷射态组织主要由等轴α-Al相、粗大块状Si相、AlSiCuMg相和不同尺度的Al₂Cu相构成。在623~723 K和0.001~5 s^–1条件下,细小的Al₂Cu相随形变温度的升高而逐渐回溶。高应变速率(5 s^–1)热压缩时,位错塞积在粗大不溶初生相前沿产生应力集中,导致部分脆性初生相开裂,同时在初生相与α-Al相界面处出现局部裂纹。α-Al相则发生了完全动态再结晶。再结晶晶粒尺寸随着变形温度的下降和应变速率的提高而降低,晶粒内部的残留位错和形变亚结构随形变温度的升高而逐渐减少。随机织构表明,喷射成形Al25Si4Cu1Mg合金的动态再结晶机制为“粒子激发形核 (PSN)”机制。

基于约束弦方法和相场理论,对辐照条件下Fe-Cu合金中富Cu析出相的临界形核尺寸和最小能量路径进行了计算,得到了不同温度和不同Cu含量的富Cu团簇的最小能量路径、临界形核半径、空位浓度场分布等参数。计算结果表明：温度和Cu含量对Fe-Cu二元合金中富Cu相的析出过程的能量路径和临界形核团簇尺寸有很大影响。温度是影响形核能量路径方向的主要因素,Cu含量是影响团簇生长速率的主要因素。温度越高,Cu含量越高,形核达到临界形核尺寸所需要的时间越短,所需要翻越的能量势垒越低。Cu元素浓度场的分布对辐照空位浓度的分布有很大的影响。在富Cu团簇中的空位浓度比Fe-Cu基体中更低,而且Cu浓度越高,空位的浓度越低。上述计算结果与实验结果基本一致。

以核电安全端异种金属焊接接头(DMWJ)为研究对象,选用含中心裂纹三点弯曲(SENB)试样,分别在试样左右两面、上下两面、前后两面、左右上下前后六面施加不同载荷以在裂尖产生不同的应力,通过restart方法,将该应力作为残余应力引入SENB试样,系统研究考虑残余应力时不同拘束下DMWJ的断裂行为及残余应力与拘束效应的交互作用。结果表明：残余应力的变化对不同拘束下DMWJ的断裂行为有很大的影响。与低拘束试样相比,高拘束试样的J-R曲线对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖的Mises应力和三向应力有关。残余应力对不同拘束下DMWJ J-R曲线的影响也与残余应力的方向相关。