铜及铜合金的延展性好,并具有优异的导电导热性能和耐腐蚀性能,受到业界的广泛关注。本文重点综述了近年来3D打印成形铜及铜合金的工艺、微观组织和性能等方面的研究进展。降低铜对激光的反射率是选区激光熔化成形和激光金属熔化成形铜及铜合金的难点,也是调控组织及提高成形件性能的基础;选区电子束熔化和黏结剂喷射技术可解决铜对激光高反射率问题,成功实现铜及铜合金的3D打印成形,但仍然存在致密度低和收缩率大等问题,相关工艺有待进一步完善。同时还介绍3D打印铜与铜合金的应用前景,并对3D打印铜及铜合金的研究进展进行总结与展望。

采用硬模板法与溶胶-凝胶法相结合的工艺,以自制的聚苯乙烯(PS)为模板,十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)为阳性表面活性剂,正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源制备SiO₂空心微球。重点研究升温速率及CTAB、TEOS、氨水用量等工艺参数对SiO₂空心微球形貌的影响规律。采用XRD、TEM、SEM、TG、FTIR对微球的物相、微观形貌及介孔结构等进行表征。结果表明：SiO₂空心微球粒径为2~5 μm、壁厚为117 nm;SiO₂空心微球壁会随着升温速率的增加而出现破损现象;随CTAB用量增加,纳米球数量增加且粒径减小;随TEOS用量增加,球壁变厚直至形成纳米球;氨水小于4 mL时,二氧化硅空心微球不能成形,氨水大于4 mL时,二氧化硅空心微球表面粗糙,有实心颗粒;当升温速率为0.5 ℃/min、CTAB用量为0.05 g、TEOS用量为0.3 mL、氨水用量为4 mL时,且经过抽滤清洗的SiO₂空心微球的形貌最佳。

多孔氧化铝陶瓷具有力学性能好、耐腐蚀、比表面积大以及化学性质稳定等优点,在耐火材料、电绝缘体、耐磨机械部件、过滤材料、催化支撑体等领域得到广泛应用。常见多孔氧化铝陶瓷的造孔方法主要有部分烧结法、复刻模板法、牺牲模板法与直接发泡法,合理的造孔方法有利于获得特定孔隙结构与孔隙率。氧化铝陶瓷的常规烧结工艺通常温度高、时间长、易形成粗化晶粒与残留气孔,先进烧结技术如振荡压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结等可有效克服上述缺点,综合提升材料的各项性能。本文从造孔方法与烧结技术两个方面综述多孔氧化铝陶瓷的研究进展,期望为新型多孔氧化铝陶瓷的研究、开发与应用提供参考。

铜材料在现代工业中占据着重要地位,但由于强度,耐磨性和高温稳定性等较差严重限制了其应用。因此通过粉末冶金技术将合适的增强体引入到铜基体中制备出综合性能优异的铜材料成为了该研究领域的热点,并开始将多组元,多尺度协同增强的设计思路引入铜基材料中,进而获得综合性能更加优异的铜基复合材料来满足更多应用领域的要求。本文综述了常见协同增强铜基复合材料的增强相,增强相的引入方法,协同增强效果评价和机制讨论等方面的研究进展,并展望了协同增强铜基复合材料的发展方向及需要解决的问题。

构筑4种不同梯度纳米结构的多晶铝原子结构模型,采用分子动力学方法对其进行结构弛豫与剪切变形的计算模拟,获得剪切形变过程中的位错演变和晶粒原子结构,研究在同一变形条件下不同梯度纳米结构多晶铝的晶粒形变机制和剪切变形过程中微观结构的变化,并研究其力学性能。结果表明,在剪切形变过程的初始及中间阶段,不同梯度纳米结构的形变机制基本一致,都发生大量位错运动并塞积在晶界处,而后穿过晶界,最终在晶粒表面释放。在变形过程的中后期,不同梯度纳米结构则表现不一样。其中剪切强度较大的结构,剪切形变后不存在贯穿多个晶粒的剪切带,且部分粗晶粒由于晶粒取向与剪切方向差异较大和晶粒旋转等原因分解为几个较小的晶粒,而细晶粒则无明显变化。剪切强度较小的结构在剪切形变过程中由于位错塞积与释放及晶界的相互连接而形成贯穿剪切带,严重影响剪切强度。

氧化物弥散强化铜合金作为先进铜合金之一,被广泛地应用于轨道交通、国防工业和核反应堆等领域。本文综述了Al₂O₃、Y₂O₃、ZrO₂等氧化物弥散强化铜合金复合材料,概述了它们的制备方法、组织特征和相关物理特性。在此基础上指出了氧化物弥散强化铜合金开发应用中所存在的问题,并对它们的发展趋势进行了分析和展望。

以气雾化预合金粉末为原材料,采用选区激光熔化(selective laser melting, SLM)成形制备Al-Mg-Sc-Zr合金。采用光学显微镜、扫描电子显微镜及室温拉伸实验等研究激光功率对合金缺陷、微观组织及力学性能的影响。结果表明,SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金具有细等轴晶和粗柱状晶交替出现的混晶组织,在细等轴晶区存在明显的元素偏析和部分Al₃(Sc,Zr)析出粒子钉扎晶界。当激光功率由260 W增大到380 W时,试样的孔隙率呈现先减少后增加的趋势,力学性能的变化趋势相反。在最佳激光功率300 W下,试样相对密度达99.4%,仅存在少量因液态金属供应不足造成的小尺寸圆形孔隙;抗拉强度、屈服强度与断裂伸长率分别为429.7 MPa、363.5 MPa和17.7%。经325 ℃时效处理10 h后,合金的抗拉强度、屈服强度与断裂伸长率分别达到530.1 MPa、506.4 MPa和9.0%。

设计一种梯度时效方法及装置，采用不同的时效工艺参数，对7075铝合金棒材进行梯度时效处理，测试合金棒材沿轴向的温度以及抗拉强度与伸长率，通过FLUENT软件模拟，获得梯度时效温度场并建立等温云图和抗拉强度云图。结果表明：7075铝合金棒材梯度时效处理时，其温度沿轴向的分布近似于一维稳态分布；当时效温度从66 ℃升高到121 ℃时，合金的抗拉强度从517 MPa提高至599 MPa，伸长率从12%降低至8%。FLUENT模拟不同时效工艺参数下7075铝合金的温度场分布，模拟温度与实测温度的误差ε(K)＜2%，等温云图和抗拉强度云图与实验结果误差较小，可为梯度时效传热参数的选择提供有力的依据。

一维碳化物纳米材料具有高强度、高硬度、高化学稳定性、低电阻率及强抗氧化腐蚀性等优点,在超导材料、高温涂层材料、切割工具材料、超强增韧材料等领域得到广泛应用。根据现有一维碳化物纳米材料的研究进展,本文重点综述了该种材料的合成方法、生长机理、微观结构、性能特点等方面的研究进展,并对该领域的发展空间进行了展望,期望为一维碳化物纳米材料的研究、开发与应用提供参考。

通过第一性原理计算,研究过渡金属(transition metal, TM)元素掺杂氮化钽(Ta₇TMN₈,TM=Ti、V、Cr、Y、Zr和Hf)的结构稳定性、力学性能和电子结构。根据对结构和稳定性的计算结果可知,所有的掺杂化合物均能量稳定,Ta₇TiN₈在能量上比其他掺杂化合物更有利;Y、Zr和Hf的掺入使得TaN晶格和体积膨胀,而Ti、V和Cr则相反。通过对力学性能的计算可知,Ti和V的掺入对TaN的剪切模量、弹性模量和理论硬度有较明显的提升,掺Cr对TaN的体积模量有一定的提升,但是会大幅降低理论硬度。基于Ta₇TMN₈总态密度和分态密度计算结果,费米能级附近存在态密度,表明所有化合物都具有金属性质,由于Ti-3d、V-3d和Cr-3d轨道在费米能级上的贡献比其他TM原子大得多,使得Ta₇TiN8、Ta₇VN₈和Ta₇CrN₈具有更高的金属性。

通过组织观察和差热分析,研究TB17钛合金由单相区匀速降温(5 K/min)至两相区过程中初生α相,包括晶界α相(α_GB)与魏氏体α相(α_WGB)的析出行为和析出温度范围,确定两种α相析出的温度范围分别为1 120~992 K和920~895 K。随后采用Avrami-Johnson-Mehl准则计算得出晶界α相的激活能Q_αb= 253.236 kJ/mol,魏氏体α相析出的激活能Q_αi=503.188 kJ/mol,明确两种α相的析出动力学方程,并在此基础上构建了两种α相析出的TTT曲线。结果显示,两种α相的TTT曲线均呈C形,晶界α相析出的鼻尖温度在1 023 K附近,魏氏体α相的鼻尖温度在905 K附近。

液态共晶Ga_91.6Sn_8.4可作为锂离子电池的负极。本文采用第一原理分子动力学方法对Ga_91.6Sn_8.4和嵌锂10%(摩尔分数,%,下同)的Ga_91.6Sn_8.4(10Li-Ga_91.6Sn_8.4)的结构和动力学特性进行对比分析。结果表明,Ga_91.6Sn_8.4与10Li-Ga_91.6Sn_8.4在结构上没有明显差异,为短程有序,但Li的嵌入使得10Li-Ga_91.6Sn_8.4径向分布函数的第二峰出现“劈裂”,表明体系有序度增加,熔化温度提高。10Li-Ga_91.6Sn_8.4中,Li的嵌入使得体系中各原子的扩散系数减小,Li-Sn原子间相互吸引力明显强于Li-Ga,充电过程中,Ga_91.6Sn_8.4液态金属锂离子电池呈现液体向固体转变的趋势。

采用粉末热挤压法制备7075铝合金棒材,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和 X射线衍射仪(XRD)分析材料的显微组织,测定材料的拉伸性能,研究挤压比对7075铝合金棒材组织与力学性能的影响,并对强化机制进行理论计算。结果表明：在500 ℃、挤压比分别为9、16、25、36条件下进行热挤压,挤压过程中有大量第二相MgZn₂脱溶析出。随挤压比增大,粉末颗粒间的冶金结合更加充分,合金的抗拉强度与伸长率提高,挤压比为36的合金抗拉强度达到492 MPa,伸长率为27.6%,断裂方式为韧-脆性混合断裂,强化机制为细晶强化、位错强化、第二相强化与固溶强化共同作用。

采用相场模拟结合烧结实验,研究溶质元素晶界偏析影响下的纳米氧化铝晶粒生长行为及其动力学规律。通过在氧化铝多晶晶粒生长的相场模型中引入溶质拖拽效应,并将溶质拖拽强度与晶内溶质原子浓度和原子平衡偏聚比联系起来,研究不同溶质原子在晶界上的平衡偏聚比和初始晶内溶质原子浓度时氧化铝晶粒的长大行为,并定量分析不同溶质拖拽强度下氧化铝晶粒的异常长大现象。通过比较晶粒的平均尺寸和形貌演变,证明相场模拟结果与实验中氧化镧掺杂的纳米氧化铝晶粒长大行为相吻合。结果表明：在极强溶质拖拽效应下,氧化铝晶粒的生长受到明显抑制,晶粒生长缓慢,而低溶质拖拽效应对氧化铝晶粒生长的抑制效果不明显。从模拟的微观组织演变结果上看,晶界偏析也有可能引发少数氧化铝晶粒的异常长大,特定晶粒在生长过程中可能克服溶质拖拽效应从而快速长大,造成材料性能的损失。

计算机模拟技术的迅猛发展,为陶瓷刀具材料的性能预报和高通量制备提供了理论和技术支持。本文基于Python软件构建含有石墨烯(graphene, 缩写为G)和碳纳米管(carbon nanotube, CNT)的WC陶瓷刀具材料微观结构的参数化模型与力学性能预报模型,研究G-CNT对WC刀具材料微观组织与裂纹扩展行为的影响规律。结果表明：与单一G相比,三维G-CNT空间结构可进一步提升WC陶瓷刀具材料的性能,G-CNT的质量分数为0.4%时,刀具材料的综合力学性能最优。强韧化机理主要包括G-CNT强弱界面超混杂分布、材料断裂模式转变和裂纹偏转等。

以玻璃微珠(glass beads, GB)和玻璃纤维(glass fiber, GF)为增强填料,与聚酰胺(Polyamide, PA)1212粉末机械混合,采用选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)技术制备GB/GF/PA1212复合材料。用万能力学实验机和摩擦磨损实验机测试和分析GB/GF/PA1212复合材料的力学性能和摩擦磨损行为,研究GB含量对材料性能的影响。结果表明,添加适量GB填料可提高复合材料的拉伸性能和耐磨性能,尤其是能显著改善耐磨性能。其中,GB和GF质量分数分别为40%和10%时,复合材料的摩擦因数和磨损率最低,分别为0.23和1.1×10^-3 mm³/(N·m)。

作为电镀和热喷涂的替代技术,超高速激光熔覆技术自问世以来备受瞩目。通过与常规激光熔覆技术对比,阐明超高速激光熔覆的技术原理;与电镀、热喷涂、常规激光熔覆等技术对比,分析其技术特点和优势。从设备、材料、工艺、组织和应用等方面综述超高速激光熔覆技术的研究现状,分析该技术的不足,并对其研究及应用发展提出建议。

本文结合实验和模拟,系统研究了放电等离子体烧结(spark plasma sintering, SPS)制备自钝化钨合金(self-passivation tungsten alloys, SPTAs)块体时的温度场、电流场对其组织均匀性的影响,建立烧结温度、时间、电流密度与块体微观组织的关系。结果表明：不同尺寸SPTAs块体在SPS固结时的温度沿径向分布不均,致使测量温度远低于样品实际温度。结合显微组织表征,发现提高样品烧结时的电流密度可缩短烧结时间,对获得细晶、均质结构样品有积极作用,但需要考虑样品因径向温度梯度引起的晶粒尺寸差异。本研究可为大尺寸SPTAs块体的SPS制备工艺设计提供参考。

采用熔炼铸造法制备复合添加Zr、Cr及复合添加Zr、Cr和Yb的2种Al-Zn-Mg-Cu合金。采用金相显微镜、透射电镜和扫描电镜观察合金的显微组织,并进行力学性能和抗腐蚀性能测试。结果表明：AlZnMgCu-Zr-Cr-Yb合金经固溶处理后始终保持以小角度晶界为主的纤维状组织,这归因于合金中析出的大量细小(10~20 nm)、弥散分布的(Al,Cr)₃(Zr,Yb)相,阻碍了位错和晶界迁移,明显抑制基体再结晶。由于Yb元素的加入,合金的硬度、强度、伸长率和断裂韧性提高,断裂韧性由24.2 MPa·m^1/2提高到32.4 MPa·m^1/2。同时,合金的抗应力腐蚀、晶间腐蚀和剥落腐蚀性能提高,应力腐蚀开裂临界应力强度因子(K_ISCC)由10.6 MPa·m^1/2提高到17.0 MPa·m^1/2,晶间腐蚀深度减小,剥蚀敏感性降低,剥蚀等级由EB+降为EA。

以不同粒度的TC4合金粉末为基体材料,以VC作为碳源,采用高通量热压烧结工艺,原位制备具有不同网状结构尺寸和不同TiC体积分数(分别为2%、4%和6%)的TiC/TC4钛基复合材料,研究TiC含量和TC4粉末粒度对复合材料组织与性能的影响。结果表明,TiC/TC4复合材料中的TiC增强颗粒呈网状分布。与TC4合金相比,TiC/TC4复合材料的组织明显细化。随TiC含量增加,TiC网状结构的厚度增大,材料的抗拉强度与伸长率先升高后下降,TiC含量为2%的复合材料综合性能最优。随TC4粉末粒度减小,TiC/TC4复合材料中的基体组织逐渐细化,基体的连通性提高,材料抗拉强度与伸长率同时提高。采用粒度为40~80 μm的TC4合金粉末为原料制备的2%TiC/TC4复合材料,网状结构尺寸小,综合性能最优,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为946 MPa、1058 MPa和18.1%,较TC4合金分别提高29.6%、31.6%和118.1%。