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2024年 29卷 6期
出版日期：2024-12-15
工艺技术
理论研究
综合评述
综合评述
423
连续纤维增强陶瓷基复合材料3D打印：研究进展与挑战
李增产, 王文清, 王刚, 何汝杰
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024068
连续纤维增强陶瓷基复合材料(continuous fiber reinforced ceramic matrix composites, CFRCMCs)具有低密度、高强度、优异的高温稳定性与化学稳定性等性能,在航空航天、核工业、化工以及交通运输等领域都有着重要应用。近几年,3D打印技术的发展为复杂异形CFRCMCs构件的预制体成形提供了创新途径。然而CFRCMCs的3D打印技术仍处于起步阶段,面临着成形设备、成形工艺和成形原理等方面的重大挑战。因此,对CFRCMCs的3D打印研究进展与挑战进行归纳与分析具有重要意义。本文首先对常见3D打印技术进行简单介绍;其次,总结CFRCMCs的3D打印研究进展,具体包括基于热塑性原料的熔融沉积3D打印、基于水系浆料的墨水直写3D打印、机械辅助的墨水直写3D打印、基于光敏浆料的光固化3D打印等;最后,从纤维与陶瓷界面、缺陷表征与控制、陶瓷化与致密化、自动化与智能化制造、结构功能一体化、4D打印、自修复以及标准等方面对CFRCMCs的3D打印挑战进行分析。期望为CFRCMCs 3D打印相关的基础科学与关键技术研究提供一定参考与指导。
2024 Vol. 29 (6): 423-448 [
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449
黏结剂喷射打印技术研究现状与发展趋势
钱宇航, 罗霞, 陈靖禹, 范舟, 黄本生, 张亮, 黄若, 张卫正
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024077
黏结剂喷射(binder jetting, BJ)是一种将液态黏结剂喷射到粉末材料层上,选择性黏结粉末成形,随后进行致密化处理的增材制造技术。近年来,BJ技术因其高效率、低成本、适用材料范围广而受到广泛关注和研究。在BJ打印过程中,粉末特性、黏结剂及其与粉床的相互作用、打印参数等因素对生坯质量和性能有至关重要的影响。此外,烧结过程是影响最终部件质量的关键因素之一。本文总结了BJ打印的影响因素,提出可借助机器学习辅助坯体质量和烧结收缩预测,实现控形控性。目前,BJ技术正在推向汽车、医疗器械等行业。未来,BJ技术大规模应用的关键在于提高生坯质量和精度、增强黏结剂与坯体的结合强度、优化后处理工艺等方面。
2024 Vol. 29 (6): 449-463 [
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理论研究
464
晶体塑性模拟研究冷轧变形与热处理对7085铝合金织构及平面各向异性的影响
谭鑫, 张智晨, 唐赛, 肖代红, 刘文胜
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024075
本文采用XRD、EBSD和拉伸实验,结合晶体塑性模拟,研究冷轧变形量和热处理对7085铝合金织构组分和塑性应变比
r
的影响,分析5种理想织构对平均塑性应变比和平面各向异性指数|Δ
r
|的影响。结果表明：冷轧过程中变形量从50%增大至80%,S织构体积分数增幅最大(10.9%),Copper织构增幅最小(2.9%),再结晶织构变化不大。热处理后,合金的Brass、S和Copper织构均减弱,且变形量为80%时S织构减幅最大(15.9%),Copper织构减幅最小(2.4%);Cube织构有所增加,且变形量越大,增幅越显著;Goss织构变化不明显。冷轧态合金的|Δ
r
|值大于时效态的;随冷轧变形量增大,冷轧态合金的值逐渐增大,而时效态的值则逐渐减小,同时|Δ
r
|值均逐渐增大。轧制织构Δ
r
<0,而再结晶织构Δ
r
>0。Goss织构主要提供90°方向上的抗变形能力,Cube织构在3个方向上的
r
值差异较小。
2024 Vol. 29 (6): 464-476 [
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工艺技术
477
纤维质量比对纤维多孔陶瓷复合材料性能的影响
莫琛, 向阳, 罗萌, 彭志航, 文瑾, 刘平, 李海龙
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024072
纤维多孔陶瓷复合材料因其低密度、低热导率及相对较高的抗压强度,被广泛应用于飞行器的热防护领域。本研究采用氧化物纤维制备高效隔热材料,在不同烧结温度下制备不同纤维质量比(铝硅酸盐与超细石英纤维)的纤维多孔陶瓷复合材料,研究纤维质量比对材料微观结构和宏观性能的影响。引入X射线计算机断层扫描(X-CT)技术,对复合材料微观结构进行非破坏性表征,利用三维重构软件对材料结构进行交互式阈值分析,对纤维分布进行重构,并使用纤维追踪分析对纤维取向进行模拟。结果表明：烧结温度较低时(900~1 000 ℃),随铝硅酸盐纤维含量增加,复合材料的密度增大,孔隙率受纤维质量比的影响较小,抗压强度逐渐降低。烧结温度为900 ℃,铝硅酸盐纤维质量分数为20%时,复合材料抗压强度为1.99 MPa;而铝硅酸盐纤维质量分数为45%时,抗压强度降至0.8 MPa。烧结温度为1 200 ℃时,两种纤维的强度均出现较大损伤,导致复合材料的抗压强度降低。纤维在微区内的分布并不均匀,部分区域存在较大孔隙,这些区域为复合材料强度薄弱区,容易失效。
2024 Vol. 29 (6): 477-485 [
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486
WC含量对钴基合金复合熔覆层组织结构与性能的影响
粟亮, 仝永刚, 胡永乐, 方靖中, 王开明, 伍鹏飞
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024073
为探究WC含量对Co基合金复合熔覆层组织结构及高温摩擦行为的影响规律,采用等离子熔覆工艺制备不同WC含量WC/Co基合金复合熔覆层,系统研究复合熔覆层的显微组织、硬度和摩擦磨损性能。结果表明：WC添加量较低时,熔覆层显微组织由胞状晶区、线状晶区和树枝晶区组成。随WC含量增加,复合熔覆层内部形成大量形状不规则且细小的(Co,W)C碳化物以及未溶解的WC颗粒,显著提高了复合熔覆层的硬度和摩擦磨损性能。复合熔覆层的显微硬度随WC含量增加而提高,
w
(WC)=40%的复合熔覆层硬度(HV)最高,达到752,较未添加WC的熔覆层提升了76%。WC强化复合熔覆层具有优异的耐磨性,其摩擦因数先减小后增大再减小,体积磨损量随WC含量的增加先减小后增大,
w
(WC)=20%的熔覆层具有最优的高温磨损性能,600 ℃的平均摩擦因数为0.235,体积磨损量为25.13×10
8
μm
3
,磨损形式为氧化磨损与疲劳磨损。
2024 Vol. 29 (6): 486-495 [
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496
激光粉末床熔融制备高强度Al-Mg-Sc-Er-Zr合金的组织与力学性能
王阳波, 李瑞迪, 支盛兴, 袁铁锤, 柯林达, 侯亚平
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024071
采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion, LPBF)技术成形的Al-Mg-Sc-Zr合金不易开裂、力学性能好,但Sc价格昂贵,因此寻找能替代Sc的元素十分必要。本文以气雾化粉末为原料,采用LPBF技术制备Al-Mg-Sc-Er-Zr合金。通过流体静力天平测量密度和使用金相显微镜观察缺陷,以优化激光工艺参数;采用维氏硬度计测量硬度和使用万能力学试验机进行拉伸实验,以优化时效工艺参数;采用扫描电镜、透射电镜对合金组织进行表征并研究其强化机理。结果表明：优化的LPBF工艺参数为：激光功率300 W,扫描速度900 mm/s;优化的时效工艺参数为：时效温度325 ℃,时效时间4 h。LPBF制备的Al-Mg-Sc-Er-Zr合金呈典型双峰晶粒结构,熔池边界为细小等轴晶,熔池内为粗大柱状晶。经325 ℃/4 h时效处理后,合金的抗拉强度达565 MPa,屈服强度达520 MPa,伸长率为14.5%,硬度(HV)由时效前的118提升至163。时效处理后形成的Mg
2
Si粒子和纳米Al
3
(Sc,Zr)粒子能够协同钉扎晶界,提高合金强度。
2024 Vol. 29 (6): 496-504 [
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505
多孔石墨烯/SiC基复合材料的直写3D打印制备
唐润, 刘洪军, 李亚军, 李亚敏
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024074
以石墨烯和SiC粉末(SiC powder, SiC
p
)为填料,聚碳硅烷(polycarbosilane, PCS)为陶瓷前驱体,制备石墨烯/SiC
p
/PCS浆料,通过直写3D打印和高温热解得到多孔结构的轻质导电石墨烯/SiC基复合材料。研究浆料成分和打印工艺对3D打印成形性的影响,并表征复合材料的结构和性能。结果表明：通过控制固相含量、石墨烯/SiC
p
复合粉末中的石墨烯含量和分散剂含量,使浆料黏度在32.0 Pa·s左右时,挤出丝成形性良好;打印速度为360 mm/min、打印层高为0.48 mm时,点阵网格结构的3D打印成形性最佳;打印素坯在1 100 ℃保温2 h后,PCS热解为陶瓷。多孔复合材料的平均抗压强度和电导率分别为11 MPa和8 S/m。本研究为多孔石墨烯/SiC基复合材料的制备提供了一条新路径。
2024 Vol. 29 (6): 505-513 [
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514
Cr
3
C
2
掺杂Ni-P-PTFE化学复合镀层制备及性能
王建刚, 许美琦, 王雪, 孙逸涵, 王玉江
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2024083
为提高以铁素体不锈钢为基体的医疗器械零部件表面的耐蚀性和硬度,本研究采用化学复合镀的方法在铁素体不锈钢表面制备
x
Cr
3
C
2
/Ni-P-PTFE(聚四氟乙烯,polytetrafluoroethylene)镀层,研究Cr
3
C
2
质量浓度(10、15、20 g/L)对化学复合镀Ni-P-PTFE镀层热处理前后硬度、表面形貌、物相以及耐蚀性的影响。结果表明：在一定质量浓度下,Cr
3
C
2
颗粒的掺杂使Ni-P-PTFE镀层表面更加平整光滑,降低表面粗糙度的同时提高硬度和耐蚀性。Cr
3
C
2
质量浓度为15 g/L时,Ni-P-PTFE-Cr
3
C
2
镀层表面均匀平整,粗糙度最小,硬度(HV
0.1
)为354;表面腐蚀电流密度从0.05 μA/cm
2
下降到0.02 μA/cm
2
,降低了60%,表现出较好的耐蚀性;热处理(300 ℃、2 h)后,由于Ni
3
P硬相和Ni相的析出,镀层硬度(HV
0.1
)达到527,提高了约49%。Ni-P-PTFE-Cr
3
C
2
镀层能有效改善医疗器械零件用钢基体的性能。
2024 Vol. 29 (6): 514-521 [
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