激光增材制造(LAM)中逐层沉积形成独特的循环热输入,能对沉积材料产生原位热处理(IHT)效应,具有调整微观结构和提高材料力学性能的潜力。本文针对LAM中循环热输入现象进行了详细阐述,分析了工艺参数、沉积方向、层间延时、基板预热、激光重熔等对循环热输入的影响行为。不同的循环热输入能对晶粒取向、相组成、第二相析出等微观组织产生明显的影响,进而影响其力学性能。循环热输入产生的IHT效应,为改善材料性能和研发新材料提供了契机。因此本文提出了理解和建立成分-工艺-IHT效应-组织结构-力学性能之间关系的理论,进而为基于IHT效应的LAM专用新材料的研究和发展提供启示。

连铸结晶器内高温熔体多相流的运动状态强烈地影响高品质钢的洁净化、均匀化和精细化。该高温熔体多相流为非稳态湍流,同时耦合传热、传质、相变、反应、电磁力等诸多过程,形成了十分复杂的非稳态、非线性、非平衡多物理场,很难通过现场测试对其内部的各种物理量进行在线测量。在确保流动和凝固过程相似的情况下,开展物理模拟实验以及对其多尺度传输现象的数值模拟,已成为阐述连铸坯各类缺陷形成机理的首选。然而,与传统流体力学问题相比,冶金高温熔体多相流的突出特点是物性变化大、本构关系式复杂、相界面影响因素多及边界物理量梯度大等,且连铸结晶器内多物理场存在连续相大界面变形、离散相颗粒输运以及连续相-离散相转变等复杂多变的多尺度界面现象,以及多尺度的湍流涡结构,这些都给高温熔体多相流模型化研究带来极大困难。相比于单相流,多相流具有相界面拓扑形状变化的特征,本文从离散流界面尺度分布性、混合流界面跨尺度性、凝固界面多尺度性、以及湍流在揭示多尺度相界面结构中的作用等4方面回顾了连铸结晶器内高温熔体多相流模型化的研究进展,并展望了未来可能的研究方向。

如何在保持高温优异力学性能的同时,还能兼顾优异的室温塑性和加工成型能力,一直是超高温难熔合金设计的难点。本工作设计并利用真空电弧熔炼制备了W含量(原子分数)分别为10%、20%、30%、40%和50%的Ta-W合金。这些合金形成了Ta和W均匀互溶的具有bcc结构的单相固溶体,其晶粒尺寸随着W含量的增加而减小。测试了Ta-W合金在室温(25℃)和高温(2000℃)下的压缩应力-应变曲线,结果表明,室温和高温下Ta-W合金的压缩强度均随着W含量的增加而提高,提高的幅度在W含量超过20%后趋于平缓。值得注意的是,Ta-W合金在2000℃下具有优异的高温强度,例如,Ta-20%W合金的屈服强度可达236 MPa,并同时具有超过40%的室温压缩应变和较好的(机)加工成型能力。现有理论模型较好地预测了合金室温和高温的压缩强度,其主要强化机制均为固溶强化。该合金体系有望作为新型超高温材料应用于航空航天的关键承载结构部件。

在前期真空脱锰、湿氢脱碳的表面相变控制技术制备强{100}织构工艺优化工作的基础上,考察4种3%Si电工钢中成分变化对{100}织构中的立方织构、25°旋转立方织构和旋转立方织构的影响,并通过计算相图考察具有立方织构脱锰层合金的相图特点,为定量控制成分、优化织构奠定理论基础。实验结果及相图计算结果表明,在通常有利于立方织构形成的50%中等压下量下,4种合金中具有低C、低Mn的高相变点合金较快形成较强立方织构的脱锰层,该合金在真空下1100℃、30 min保温后,脱锰层中{100}晶粒的面积分数可达77.3%。

通过热处理成功获得了等轴、片层和双态3种组织结构的TC4合金,并研究了其动态力学性能及变形机制。通过对比硬化-软化转变临界剪切应变率、最大抗剪切强度、萌发绝热剪切带的临界剪切应变速率和承载时间4个指标评估了3种组织合金的动态力学性能。结果表明,片层组织TC4合金具有较高的抗剪切强度和临界剪切应变速率以及最低的绝热剪切敏感性,其动态力学性能最佳。进一步的微观结构分析表明,3种组织合金中所形成的绝热剪切带均为脆性剪切带,且剪切带宽度随剪切应变速率的增大而减小。当剪切应变速率相同时,3种组织合金的剪切带宽度由大到小依次为：片层组织、双态组织、等轴组织。

采用选区激光熔化技术制备了含锆Al-Cu-Mg合金,研究了不同方式添加Al₃Zr形核剂对试样显微组织和力学性能的影响。结果表明,直接添加Al₃Zr和原位生成Al₃Zr均能抑制该合金试样的热裂纹,当激光能量密度为370 J/mm³时,试样的平均晶粒尺寸分别由15.69 μm细化至1.88和1.28 μm。原位生成Al₃Zr提供的形核剂均为亚稳态Al₃Zr立方相(L1₂-Al₃Zr),形核能力高于直接添加Al₃Zr获得的Al₃Zr颗粒和L1₂-Al₃Zr形核剂。原位生成Al₃Zr的Al-Cu-Mg合金综合力学性能更为优异,T6热处理态试样抗拉强度达(485 ± 10) MPa,伸长率比直接添加Al₃Zr的合金高出30%。原位生成Al₃Zr几乎无需通过高的激光能量密度增强Marangoni对流来实现晶粒细化剂的分散,可使Al-Cu-Mg合金适用于较高速率成形。

利用Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质(YSZ)管集成构建Pt, O₂(air)|YSZ作为参比、辅助电极的三电极新型电化学池,在完全无碳和1323 K条件下采用Ir丝作工作电极对Na₃AlF₆-5%SiO₂ (质量分数)熔盐体系进行循环伏安(CV)及恒电位电解测试,并结合热力学理论计算、SEM观察及EDS分析,研究了熔盐中有关金属在阴极上的析出电位及电沉积规律。结果表明,Si单质在Ir电极上可一步沉积得到,其在CV曲线上的峰电位在-1.65 V,而Al、Na (Zr)等合金化沉积电位负于-1.8 V,且沉积电位依次负向增大。在-1.8 V或-2.0 V电位下电解,还发现有Zr₅Si₄金属化合物颗粒生成,其生成电位在-1.7~-1.8 V之间。沉积的Si、Al、Na金属(合金)主要来源于Na₃AlF₆-SiO₂熔盐本身产生的含氧化合物,而沉积的Zr源于Na₃AlF₆基熔盐对YSZ管的侵蚀产生的ZrO₂。有关金属(或金属化合物)相对于Pt, O₂(air)|YSZ参比电极的析出电位与热力学计算较为吻合。

基于Ag-45CuO (骨架Ag-CuO)和Ag-20CuO (岛状Ag-CuO)触点材料的微观结构特征,利用物相识别结合显微结构分析重建了Ag-CuO材料的三维尺度模型,采用计算流体动力学(CFD)方法模拟了侵蚀作用下CuO微观结构的动态演变和重构过程。实验和模拟结果表明,反复的热冲击导致岛状Ag-CuO熔池表面形成火山口状凹坑,而骨架Ag-CuO熔池表面较为光滑。这是由于骨架Ag-CuO触点局部间隙作为CuO骨架重构的驱动力,可使重构后的CuO呈现出更明显的各向异性,从而有效束缚熔池中Ag的蒸发与偏析；而岛状Ag-CuO触点开断过程并未发生明显的CuO重构现象,其基体内岛状CuO结构易使触点在反复侵蚀作用下失效。随后,利用视觉识别技术结合有限元法,逆向重建了骨架Ag-CuO和岛状Ag-CuO触点表层局部的三维模型,进一步研究了CuO微观结构对触点表层力学性能的影响。结果表明,相比于岛状CuO结构,骨架CuO结构的相界面处不易产生应力和应变集中,该结构可有效分散熔池表面局部冲击力,显著提高触点的抗侵蚀性能。

针对典型的U₆₀Fe_27.5Al_12.5非晶合金,利用差示扫描量热仪进行了非等温晶化与等温晶化过程的动力学研究,并采用不同的理论方法进行了数据分析。发现该合金的玻璃化转变激活能略高于270 kJ/mol,熔体脆度接近22,证实了其属于强金属玻璃体系材料。基于第一放热晶化峰,由非等温晶化方法得到其晶化激活能位于205~275 kJ/mol范围,而由等温晶化方法得到的结果位于280~390 kJ/mol区间,前者明显低于后者,与一般的非晶合金表现一致,其原因是前一种方法的测试过程中温度不断升高,更易于激发晶化反应。前一种方法获得的动力学因子大都位于3~4之间,略高于后一种方法得到的动力学因子主体区间2.5~3,这既证明该非晶的晶化以形核为主,也说明升温过程更易于促使形核发生。

针对Al-Li合金中的复合沉淀相δ'/θ'/δ'存在的不同位相关系,采用第一性原理方法计算了不同界面结构的形成焓、界面能、解理功和理想解理强度,获得δ'/θ'/δ'在不同生长过程中的稳定界面结构。当θ'相包含奇数Cu层时,δ'/θ'采取反相(anti-phase) a / 2[110]结构；包含偶数Cu层时,δ'/θ'采取同相(in-phase) #2结构。且随着θ'相生长,2种位相通过沿界面[110]方向滑移a / 2实现。同时,δ'相将自发在θ'相上异质形核实现该稳定的δ'/θ'界面结构。基于Rose断裂模型,稳定界面结构拥有最高的黏合强度和理想解理强度。最后,基于界面间键合原子的晶体轨道重叠布居及键长分析,揭示了电子成键和结构稳定性的关系。表明界面间Al—Al键对结构稳定性起主导,且主要源自Al原子3p—3p轨道成键态贡献。

基于MSC. Marc有限元软件平台,针对SUS316马鞍形管-管焊接头的焊接残余应力预测,开发了2种能同时兼顾精度与效率的计算方法。第1种方法建立了与实际接头尺寸一致的全模型,采用移动热源与瞬间热源混合使用的方法,即采用移动热源模拟打底与盖面焊道的热输入,采用瞬间热源模拟填充焊道热输入；第2种方法利用接头几何形状的对称性,建立了1/4局部模型,并采用瞬间热源模拟全部焊道的热输入。由于SUS316加工硬化效应显著,在材料模型中采用各向同性硬化准则来考虑加工硬化,同时采用阶跃式退火模型来模拟材料的退火软化。比较计算结果和实验结果可知,不论是典型位置的焊接热循环还是接头的残余应力分布,数值模拟结果与实验结果均吻合较好。采用全模型既可以得到整个接头的残余应力分布也可以获得始终端位置应力分布特征。局部模型也能准确预测稳定区域应力的大小和分布,并可以大幅节省计算时间和存储空间。