在航空航天和汽车工业领域,轻质高强耐高温的TiAl合金板材是重要的战略结构材料。然而,TiAl合金板材成形难度大,尤其是大尺寸高性能TiAl合金轧板的制备更是困难。本文从TiAl合金轧板制备方法研究现状出发,综述了近年来铸锭冶金轧制、粉末冶金轧制、铸锭直接热轧和叠轧法制备TiAl合金板材的工艺、尺寸、组织和力学性能,论述了上述制备方法的特点及存在的不足,提出了关于制备大尺寸高性能TiAl合金轧板的建议以及未来发展方向。

方钴矿热电材料具有优异的电输运性能,是热电器件核心部件最有前途的候选材料之一。热电器件需要性能相匹配的p型和n型方钴矿热电材料,然而p型方钴矿材料的热电性能和力学性能远低于n型方钴矿材料,因此提升p型方钴矿材料的热电性能和力学性能对于开发高效热电器件具有重要意义。本文总结了近年来在纳米-介观尺度调控p型方钴矿热电材料微结构的主要研究进展。通过微结构的调控可显著提升p型方钴矿材料的热电性能和力学性能,为热电器件的应用提供科学和技术支撑。

利用SEM、EBSD和TEM等实验技术研究了放电等离子烧结(SPS)和热压(HP)法制备的FGH4097粉末高温合金的微观结构、力学性能和氧化行为。结果表明：SPS态合金具有组织均匀、晶粒细小、碳化物析出少等优点,具有更为优异的拉伸性能和抗高温氧化性能,其室温屈服强度和抗拉强度分别为998和1401 MPa,延伸率达17.1%。而HP态合金的室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为951 MPa、1262 MPa和14.4%。在700℃下2种合金的屈服强度和抗拉强度相差不大,但SPS态的塑性比HP态提高约80%。2种合金在900℃下氧化100 h的氧化增重均遵循抛物线定律,但HP态的氧化速率约是SPS态的2.6倍,其主要原因是SPS态合金表面生成一层连续致密的Al₂O₃内膜,而HP态合金表面生成大量的非保护性的NiCr₂O₄和TiO₂,内部也发生了严重的内氧化。

研究了700℃恒温热暴露对β凝固Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金表面形貌与反应层组织的影响。结果表明：含有β₀相的β凝固γ-TiAl合金热暴露反应产物、表面形貌和反应界面组织随着时间不断变化,TiO₂-R、α-Al₂O₃、Ti₂AlN和Nb₂Al等反应产物含量持续增多,初期出现的κ-Al₂O₃在热暴露200 h后转变为α-Al₂O₃,而亚稳Ti₄O₇和TiAl₂O₅在200 h后出现。不同物相氧化行为差异导致反应界面组织明显不同,高Al含量γ相易局部氧化,形成连续Al₂O₃反应层,低Al含量β₀相易内氧化而形成TiO₂弥散分布组织,TiO₂颗粒持续长大成连续反应层,其与局部氧化交替作用而形成TiO₂-Al₂O₃交替的层状组织。相比弥散反应层,连续反应层可阻碍O元素向基体扩散,降低TiO₂生长速率,因此,γ相表面反应物细小致密,α₂相反应物先迅速长大后缓慢生长,而β₀相表面反应物不断长大。

研究了先进超超临界燃煤机组用新型奥氏体耐热钢C-HRA-5在700℃低周疲劳下退孪生行为,利用SEM、EBSD和TEM等对孪晶界(TBs)的演变、退孪生机制及残留TBs对疲劳裂纹的影响进行了分析。结果表明,C-HRA-5钢经高温固溶处理后,低Σ重合位置点阵(CSL)晶界比例达到69%,以Σ3型TBs为主。在高温低周疲劳下,出现了显著的退孪生现象,且退孪生程度随着应变幅的增加而增加。退孪生机制主要与位错-TBs交互作用和TBs上相析出有关。疲劳试样中塑性变形以平面滑移为主,形成了大量的位错滑移带结构。位错滑移带循环碰撞TBs,导致晶界共格关系消失并最终退孪生。位错-TBs交互作用诱导部分TBs析出M₂₃C₆相,析出相加剧TBs对位错的钉扎作用,强化位错-TBs的交互作用,加速退孪生过程。与C-HRA-5钢中随机晶界相比,残留TBs仍然具有较高的强度,抑制疲劳裂纹的萌生与扩展。

为明确液析碳化物的形成与工艺的关系和产生机制,以及受添加稀土元素的影响,对添加稀土元素和未添加稀土元素的GCr15系连铸高碳铬轴承钢进行了不同冷却速率下的重熔凝固实验。试样凝固完毕后,采用OM、EPMA、SEM和XRD等表征和分析了铸态轴承钢中的液析碳化物的数量、面积、平均尺寸和化学成分等与冷却速率的关系,以及添加稀土元素的影响效果。结果表明,GCr15系轴承钢液析碳化物的类型为M₃C型渗碳体,Cr含量较高,可达15% (质量分数)以上,并且随冷速增加,其数量明显增加。但是,当冷却速率较快时,初生奥氏体细化,同时因形成碳化物所需的C、Cr元素扩散时间减少,碳化物尺寸显著减小,且分布更加弥散均匀。通过对比分析添加稀土元素对凝固组织的影响,发现稀土元素有细化奥氏体进而细化液析碳化物的作用。根据不同冷速下液析碳化物的特点,提出了高碳铬轴承钢凝固过程一次碳化物形成的动力学机制。

研究了6101铝合金单股导线的表面粗糙度对其疲劳性能的影响。结果表明,随着表面粗糙度参数(轮廓最大高度R_z)的增加,铝合金导线的疲劳强度逐渐降低,当R_z从57.9 μm增加到161.7 μm时,疲劳极限下降了约36.4%。分析认为,R_z的增加引起理论应力集中系数 K_{\mathrm{t}}的增加,导致疲劳裂纹更易于萌生,致使样品的疲劳强度较低。结合有限元分析研究了R_z对 K_{\mathrm{t}}的影响,将表面粗糙度等效成尺寸为 a_{\mathrm{0}} = \frac{\sqrt[]{\mathrm{\pi }L{R}_{\mathrm{z}}}}{\mathrm{2}} (L为平均缺口宽度)的初始裂纹,基于能量理论和Pairs公式提出了不同表面粗糙度铝合金导线疲劳寿命预测模型,有效地预测了铝合金导线疲劳服役可靠性。

基于选区激光熔化(SLM)技术熔体急冷的特点,通过同时增加(Mn + Mg)和(Sc + Zr)合金化元素的含量,设计了SLM专用Al-(Mn, Mg)-(Sc, Zr)合金,系统研究了时效温度对合金组织和力学性能影响。结果表明,合金表现出良好的SLM成形性,不同激光扫描速率下制备样品的致密度均超过99.0%。样品具有典型的熔池状显微结构,熔池边界为等轴晶,熔池内部包含少量的柱状晶,晶粒的平均尺寸约为4 μm。经低温(≤ 350℃)时效处理后,由于Al₃Sc纳米颗粒的大量析出,使得样品的力学性能大幅提升。样品的最大Vickers硬度为(218 ± 5) HV,最大压缩屈服强度和抗压强度分别达到(653 ± 3)和(752 ± 7) MPa,所有样品的压缩延伸率均超过60%。合金的强度超过现有报道的大多数SLM成形铝合金及经T6处理的AA7075铝合金。多种强化机制共同作用使得SLM成形Al-(Mn, Mg)-(Sc, Zr)合金具有高强度。

以新型模具材料为应用背景,首先从多主元合金设计的角度,预测了CrMoTi中熵合金成分,并在实验中验证了其单相bcc结构。对CrMoTi中熵合金的硬度和热学性能进行了测试。结果表明,电弧熔炼样品在室温下硬度为520.6 HV_0.3,在600℃时硬度为356.0 HV_0.3；在室温下比热容为371 J/(kg·K),热导率为14.0 W/(m·K)。随后以金属元素粉为原材料,对比研究了直接激光沉积(DLD)和选区激光熔化(SLM) 2种增材制造技术在原位合金化成型CrMoTi中熵合金的加工适性。其中DLD样品在打印态密度最高达7.46 g/cm³,硬度达到634.6 HV_0.3。SLM的原位合金化加工适性相对较差,样品密度最高为7.27 g/cm³,硬度为605.9 HV_0.3,且在其内部残留有未熔Mo粉。相比较而言,在作为模具的性能方面,CrMoTi合金表现出略优于H13钢的硬度和高温热导率。在原位合金化方面,CrMoTi合金的原料包含了熔沸点差异较大的金属元素,且形成相为硬脆bcc结构相,对增材制造技术而言有较大的加工难度,而DLD技术相对SLM表现出更好的原位合金化加工适性。

利用XRD、OM、SEM、TEM、电子万能力学试验机以及电化学工作站对Cu-13Al-4Ni-xY (x = 0.2、0.5,质量分数,%)高温形状记忆合金进行组织观察和性能测试。研究结果表明,加入Y元素后,Cu-13Al-4Ni-xY合金的室温组织主要为18R马氏体基体,以及具有六方结构的(Cu, Al, Ni)₄Y第二相。随着Y元素含量的提高,Cu-13Al-4Ni-xY合金的力学性能大幅提升。当Y含量为0.5%时,压缩断裂应变与断裂强度从未添加Y时的10.5%和580 MPa分别提升到了19.3%和1185 MPa,且合金的断裂形式由沿晶断裂变为穿晶断裂。电化学实验结果表明,Y元素的添加使合金耐蚀性稍有下降。

实验考察了Pb-Al液-固分相合金的定向凝固行为,建立了Pb-Al合金定向凝固模型,结合实验模拟分析了凝固组织形成过程。研究表明,在Pb-Al合金液-固分相过程中,凝固界面前沿存在一过冷区,富Al (弥散相)粒子在此区间内形核,并在向凝固界面移动过程中进行扩散长大,随着凝固速率的提高,弥散相粒子形核率升高、数量密度增大、平均半径减小。富Al粒子Stokes运动的方向与合金凝固方向相同,导致粒子在凝固界面前富集；熔体的对流运动导致弥散相粒子的形核率及数量密度沿试样径向不均匀分布。在弥散相粒子Stokes运动和熔体对流作用下,形成弥散型凝固组织的必要条件为合金的凝固速率足够高,能保证凝固界面前沿液-固分相区间内所有尺寸粒子均向凝固界面迁移。

以CB2钢为基体,设计并制备了一种新型无机硅酸盐复合涂层。使用高温水蒸气模拟装置对比研究了CB2钢与涂层试样在650℃高温水蒸气条件下服役1000 h的氧化行为。结果表明,与无涂层的CB2钢样品相比,施加防护涂层的CB2钢的氧化速率减缓30倍,涂层起到了良好的保护作用。CB2钢经氧化1000 h后,氧化层表层疏松且有明显空隙等缺陷,氧化产物以Fe₂O₃为主；无机硅酸盐复合涂层显著提高了CB2钢的抗氧化性能,经过长期服役(1000 h)后,涂层试片没有出现剥落和开裂的现象。