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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

采用高能球磨对M2高速钢粉末进行破碎,然后添加含量(质量分数,下同)为0~10%的碳化钼(Mo₂C)粉末,混合均匀后将混合粉末冷压成形,在真空下烧结得到M2钢与Mo₂C增强M2钢,研究烧结样品的致密化行为和力学性能,分析Mo₂C对M2钢粉末烧结致密化的影响。结果表明,高能球磨对原料粉末的细化可提高粉体的烧结活性,促进压坯在烧结中期的致密化。通过1 180 ℃固相烧结获得近全致密(相对密度>98%)的M2钢与Mo₂C增强M2钢。烧结过程中,Mo₂C在950 ℃基本完全与Fe基体反应转变为M₆C相,由此带来的反应烧结与活化烧结促进了烧结中期坯体致密度的提高。烧结中后期形成的大量弥散分布的M₆C与M₂C碳化物可抑制基体晶粒长大,提高烧结体的硬度和抗弯强度。添加10%Mo₂C烧结所得M2钢的抗弯强度达到3 135 MPa,硬度(HRC)达到59.6。通过原料粉末细化、Mo₂C的反应扩散以及金属颗粒的氧化还原反应能有效提高M2高速钢的烧结性能和力学性能,有望为其他难烧结高速钢的制备提供技术参考。

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。

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。

为提高液压活塞杆的耐腐蚀和抗磨损性能,在45号钢表面采用激光熔覆技术在不同激光功率下制备具有马氏体/铁素体组织的Fe基合金熔覆层。利用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线能谱仪等手段表征涂层的物相组成、微观形貌和元素分布,采用维氏硬度计和干滑动摩擦试验机对涂层的显微硬度和抗磨损性能进行测试,并通过电化学工作站研究熔覆层的耐腐蚀性能。结果表明：Fe基合金熔覆层的主要物相为α-Fe、Ni-Cr-Fe、γ-(Fe,C)和Fe_9.7Mo_0.3等,主要组织为马氏体、铁素体和少量残余奥氏体。熔覆层的枝晶态组织均匀致密,无裂纹和孔隙缺陷,涂层与基体呈冶金结合。涂层的硬度与耐磨性能随激光功率增大而提高,当功率为2.4 kW时,涂层的平均显微硬度(HV)为647.64,耐磨性能为45号钢的9.37倍,磨损机制为磨粒磨损。随激光功率提高,Fe基合金熔覆层的耐腐蚀性能先升高后降低,当激光功率为2.0 kW时涂层具有最佳耐腐蚀性能,显著高于活塞杆常用碳钢、不锈钢以及电镀硬铬等材料,可在相关领域替代电镀铬。