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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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。

基于高斯热源模型、热传导模型及Flow-3D软件,建立煤矸石、聚醚砜(polyethersulfone, PES)粉末颗粒模型及煤矸石/PES (coal gangue/PES, CPES)复合材料粉末床三维模型,对CPES复合材料选区激光烧结过程进行温度场数值模拟。研究激光功率、扫描速度和扫描间距对单道和双道烧结层成形的影响规律,对烧结工艺参数的取值进行预测,并通过实验进行验证。结果表明：当激光功率为15 W时,熔池平均温度为596 K,烧结件冲击强度为179.4 MPa,熔道较平直,球化现象消失,与粉末结合良好,形成高质量的熔道;当扫描速度为1 800 mm/s时,熔池平均深度为99 μm、平均宽度为200 μm,烧结件冲击强度为173.5 MPa,熔化区域近乎圆形,熔池长度最短,熔道热量累积明显,未发现偏转现象;当扫描间距为100 μm时,熔道搭接率为60.8%,烧结件冲击强度为176.2 MPa,两条熔道之间的搭接区域表面过渡光滑且连续,无孔洞和球化现象发生。仿真结果与实验结果一致,可为复合材料烧结件烧结质量的稳定性提供保障。

3D打印球形金属粉末的粒度粒形特征对于成形后的零件性质有很大影响。因此探索恰当的粒度粒形参数指标以对3D打印球形金属粉末进行质量控制至关重要。3D打印球形金属粉末粗细粒级按一定的比例混合能够有效地提高产品强度和表面质量,但是传统的激光衍射法不能准确地表征多粒群粉体的粒度分布,而图像法则能够轻易地解决这个问题。3D打印球形金属粉末的球形度和卫星化程度是粒形研究的重点,但球形度实际是一组具有宏观形状、介观形状和微观形状的多层级表征参数,不能用某一个参数来完整表征。本文针对3D打印球形金属粉末,提出图像法测量粒度的仪器(Occhio 500nano XY)和方法,并与传统激光衍射法进行了比较。提出两个微观形状定量参数——钝度和赘生物指数是3D打印金属粉末球形度的最适用评价参数,并阐述了这些参数的含义和区分度。指出了钝度是最灵敏的球形度表征参数之一,赘生物指数则可以反映球体颗粒的卫星化程度,而GB/T 39251—2020中建议的圆形度参数,对颗粒的形状变化极不灵敏,不宜作为3D打印球形粉末的质量控制 参数。

采用传统模压方法一体化成形电感时,成形压力大,成形的电感易发生短路、绝缘阻抗突变、包覆层破裂剥落等问题。本文提出一种新型的电感成形方法?模塑成形,通过有限元软件对电感模塑成形的完整过程进行模拟分析,研究模具温度与固化时间对固化度的影响,以及充填速度对充填时间与气孔大小的影响,从而得到优化的成形工艺参数,然后进行电感模塑成形实验,测试电感感值(L)、直流电阻(direct current resistance, DCR)与损耗(full load inductance, FLL)。模拟结果表明：随模具温度升高或固化时间延长,固化度增大;随充填速度增大,充填时间缩短,气孔的数量和尺寸先减小后增大。模塑成形电感的最佳工艺参数为：模具温度175 ℃、充填速度3 mm/s和固化时间150 s。在该工艺参数下成形的FeSiAl/环氧树脂电感,平均感值为46.58 μH、直流电阻为116 mΩ、在2.6 A电流下通电30 min,感值下降率为33.25%,电感的关键指标都优于传统模压工艺制备的电感。表明模塑法一体化成形电感可行,为提高电感质量和生产效率提供了新途径。

在FeCoCrNiMo_0.15高熵合金(high entropy alloy, HEP)粉末中分别添加WC和WC-Co硬质相球粒,然后采用激光熔覆法在304不锈钢基材上制备2种以FeCoCrNiMo_0.15高熵合金为基体的硬质复合涂层WC/HEA和WC-Co/HEA,研究这2种复合涂层的微观组织、硬度、耐磨与耐蚀性能,并与真空扩散焊制备的Ni60/WC复合涂层性能进行对比。结果表明,WC-Co/HEA涂层中WC颗粒的球形度高,涂层内气孔和裂纹较少,添加Co元素可有效避免激光熔覆过程中WC发生分解。WC/HEA和WC-Co/HEA复合涂层的平均显微硬度(HV)都在800 MPa以上,其中WC-Co/HEA涂层的平均显微硬度(882.55 MPa)高于WC/HEA涂层的硬度(817.27 MPa),且其平均摩擦因数(0.40)略低于WC/HEA涂层(0.46)。与Ni60/WC涂层相比,HEA基涂层对WC的保持性和润湿性更好,能降低涂层与WC之间的界面反应,因此WC-Co/HEA复合涂层的显微硬度、摩擦磨损性能、耐蚀性能均优于Ni60/WC和WC/HEA涂层。

本文采用电弧熔炼法制备具有单一C14 Laves相结构的Ti_xZr_1-xMnFe(x=0、0.25,摩尔分数)吸气合金,在660~700 ℃下用自制的简易Sieverts型恒容设备对ZrMnFe进行CO₂气体吸附反应测试,研究其吸附性能及其吸附CO₂气体的行为。结果表明：随温度升高,CO₂吸附量先增大后减小,在680 ℃时的最大吸附量为3.869 mmol/g,此时吸附性能最好。进行Ti掺杂获得Ti_xZr_1-xMnFe吸气合金后,吸附量较掺杂前提升19.2%,但前8 h的吸附速率从0.301 mmol/(g∙h)降低到0.119 mmol/(g∙h)。结合第一性原理对吸附机理进行研究,通过吸附能比较得出最佳吸附位置为ZrMnFe (110)表面水平取向的空位,吸附能为5.531 eV。对态密度进行研究发现,ZrMnFe (110)表面和CO₂气体分子之间的相互作用主要由O的2s轨道和Zr原子的4p、4d轨道的杂化导致。

用三氯化铁(FeCl₃)提供铁源,分别以2种不同化学结构的聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)(poly styrene sulfonic acid-co-maleic acid PSSMA)钠盐作为表面活性剂,采用溶剂热法制备磁响应四氧化三铁(Fe₃O₄)纳米颗粒。研究不同结构的PSSMA表面活性剂和反应条件对Fe₃O₄纳米颗粒形貌、粒径与光学性能的影响。结果表明,在强碱环境下,以n(SS)∶n(MA)=1∶1的PSSMA作表面活性剂制备的Fe₃O₄粒子表面粗糙,为近球形,粒径随水量增加而增大;在弱碱条件下,以n(SS)∶n(MA)=3∶1的PSSMA为表面活性剂制备的Fe₃O₄粒子表面光滑,为规则球形,粒径随Fe³⁺含量增加而增大。在弱碱环境下,由于PSSMA(3∶1)表面含有更丰富的磺酸基,更适合生成粒径均一、单分散性好且具有优异超顺磁性的Fe₃O₄纳米颗粒。该Fe₃O₄纳米颗粒分散体系在外磁场作用下可快速形成有序光子晶体纳米颗粒群,获得优异的可调结构色。

对陶瓷施加一定的约束和预应力,可以改变陶瓷对冲击的破坏响应,延迟界面击溃,从而提高复合装甲的抗侵彻性能。本文介绍了陶瓷复合装甲的抗弹机理,综述了常见约束模式(轴向约束、径向约束和三维约束)对其抗弹性能的影响,以期对陶瓷复合装甲的结构设计、抗弹机理研究及应用扩展提供一定的 参考。

采用溶胶凝胶干法纺丝-高温烧结的方法制备连续氧化铝纤维,在对前驱体纤维进行预烧结和高温烧结时,利用自行设计搭建的加张烧结装置对纤维施加轴向张力,通过对氧化铝纤维的形貌、成分及组织结构进行表征,并与自由烧结(不加张力)的纤维进行对比,研究张力对烧结过程中氧化铝纤维的热分解、相变、组织结构演变以及性能的影响。结果表明：施加张力可显著提高预烧结纤维和烧结纤维的平直度,促进前驱体纤维中残留物质的分解和脱除;加张烧结可抑制纤维的轴向收缩,加大径向收缩,并促进γ-Al₂O₃向α-Al₂O₃转变;加张烧结还能改善纤维的晶粒形貌与孔洞分布,促进晶粒生长与晶间孔洞的收缩脱除,促进纤维致密化。相对于自由烧结,施加0.9 MPa轴向张力使得1 500 ℃烧结3 min的氧化铝纤维平均抗拉强度从0.35 GPa提高到1.16 GPa,提高231%。

通过电感耦合等离子体发射光谱仪、电子探针显微分析仪和X射线衍射仪研究铸态及400 ℃、650 ℃退火态Ag-Cu-Co合金的相组成。结果表明,铸态和退火态Ag-Cu-Co合金中均未观测到Ag-Cu-Co三元化合物。400 ℃退火态合金中,Cu和Co在FCC(Ag)中的最大溶解度分别为9.78%和0.88%(摩尔分数,%,下同),Ag和Co在FCC(Cu)中以及Ag和Cu在HCP(Co)中的最大溶解度则分别为2.37%和0.98%,以及0.22%和4.15%。而650 ℃退火态合金中,Cu和Co在FCC(Ag)中,Ag和Co在FCC(Cu)中以及Ag和Cu在FCC(Co)中的最大溶解度分别为15.74%和0.97%,3.69%和4.47%,以及0.15%和7.48%。采用CALPHAD(calculation of phase diagram)方法,基于文献报道的Ag-Cu、Ag-Co和Cu-Co二元系的热力学参数外推,获得了Ag-Cu-Co三元体系的热力学数据库。使用该数据库计算Ag-Cu-Co体系400 ℃和650 ℃等温截面、液相面投影图及三元合金的凝固路径,计算结果与实验数据一致,说明CALPHAD外推获得的三元体系热力学描述的准确性。

采用激光冲击加载技术对粉末冶金烧结态钨和熔炼态钨进行超高应变率下的动态加载,利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对冲击后的多晶钨进行损伤特征和微观组织表征,研究孔洞对冲击载荷下多晶钨的断裂失效行为和动态再结晶机制的影响。结果表明：在超高应变率下多晶钨的断裂失效模式仍以沿晶断裂为主,晶界孔洞和晶内孔洞均为动态加载下材料失效的起源。孔洞对冲击波的反射造成了在孔洞周围应力持续集中,位错大量形成并互相缠结,使得形变储存能迅速增加。在较高的冲击压强下,烧结态钨通过晶界弓出机制发生动态再结晶形核,冲击后存在大量的等轴状再结晶组织,并且由于冲击波随着深度的增加而衰减,再结晶程度随深度增加逐渐降低。

表面织构是陶瓷材料有效的减摩抗磨手段,能够降低陶瓷在滑动时的摩擦因数以及减少因磨损带来的损耗。本文从陶瓷表面织构的制备、类型、几何参数以及摩擦学机理出发,对其进行综合评述。首先,介绍陶瓷材料表面织构主要的制备方法(激光加工、反应离子刻蚀)。其次,讨论表面织构的类型(凸体、凹坑、凹槽、仿生织构等)以及几何参数(宽度、深度、面积占比等)对陶瓷摩擦学性能的影响。随后,分析表面织构在干滑动以及润滑条件下的摩擦学机理。在干滑动条件下,表面织构能困住磨屑以及减小陶瓷与对磨体的接触面积;在润滑条件下,表面织构能改善陶瓷在滑动时的流体动压和润湿性,这均能提升陶瓷的摩擦学性能。最后,总结与展望陶瓷表面织构目前面临的难题以及未来的研究方向。