激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术用于解决恶劣环境下零件的磨损和腐蚀问题,具有良好的发展前景。本文简要介绍了激光熔覆技术的发展历史;重点综述了国内外激光熔覆工艺对制备耐磨耐蚀涂层影响的研究进展,以及激光熔覆熔池变化与激光熔覆工艺参数和熔覆层组织性能之间联系的研究进展;并阐述了激光熔覆制备耐磨耐蚀涂层技术在具体应用零件和工况的研究进展,包括：水利工程装备零部件、航天航空装备零部件、石油开采装备零部件等;最后总结了目前制约该技术全面工业应用的关键问题,以及工艺、设备等方面亟需开展的研究方向。

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。

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。

采用类沸石咪唑酯骨架化合物ZIF-67(zeolitic imidazolate framework-67)和六水合硝酸钴为原料制备金属-有机物框架材料(metal organic frameworks, MOF),经过高温煅烧及磷化,得到碳包覆磷化钴(CoP/C)粉体。用X射线衍射仪、扫描电镜及透射电镜对CoP/C粉末进行表征与分析,并进行电催化析氢实验。结果表明,高温煅烧后,ZIF-67的有机组分转化为导电炭骨架,钴离子转化为单质钴纳米颗粒嵌于炭骨架中,形成金属有机框架。经进一步磷化后,得到纯相CoP/C粉体。CoP/C粉末表现出良好的电化学析氢性能,其过电位为64 mV,塔菲尔斜率为66 mV/dec,历经15 h电催化析氢后仍保持高催化活性。

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。

分别以Fe(NO₃)₃∙9H₂O和Na₂S∙9H₂O作为Fe源和S源,用镍网(nickle mesh, NM)作为Ni源与支撑基底,采用两步水热法合成Ni₃Fe/Ni₃S₂析氧催化剂,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜和透射电镜分析催化剂的显微组织与形貌,用电化学工作站进行电化学性能测试。结果表明：两步水热法合成的Ni₃Fe/Ni₃S₂催化剂为丰富立体的纳米花形貌,这种形貌可提升催化剂的空间利用率。Ni₃S₂暴露出高折射率的$\{\bar{2}10\}$晶面,与Ni₃Fe的(111)晶面产生协同效应,从而提升了催化活性。在1 mol/L的KOH溶液(25 ℃)中,10 mA/cm²电流密度下Ni₃Fe/Ni₃S₂/NM的析氧过电位为229 mV,在5.35 mol/L的KOH溶液(80 ℃)中,600 mA/cm²电流密度下的过电位为335 mV,且经6 000圈循环伏安法循环后,过电位衰减率仅为2.39%,说明该催化剂具有良好的析氧性能和稳定性。

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。

以硝酸铜和均苯三甲酸为原料,水热合成八面体结构的金属有机物框架(HKUST-1)前驱体,前驱体在Ar保护下煅烧发生热分解和碳热还原,得到Cu/C纳米颗粒,再与氯铂酸钾通过置换反应得到Cu@Pt/C催化剂。利用扫描电镜、X射线衍射仪以及X射线光电子能谱仪对Cu@Pt/C催化剂的形貌与结构进行表征,并测试其对甲醇溶液的电催化氧化性能。结果表明,Cu@Pt/C催化剂保留了前驱体HKUST-1的八面体结构,Pt包覆在Cu表面形成核壳结构。根据Cu@Pt/C催化剂在H₂SO₄溶液中的循环伏安曲线,计算出其电化学活性面积为74.3 m²/g,约为商业Pt/C的1.47倍,并且Cu@Pt/C催化电极在H₂SO₄与甲醇混合溶液中的循环伏安扫描曲线的正扫过程中的峰值电流密度(J_f)与负扫过程中的峰值电流密度(J_b)的比值(J_f/J_b)为2.18,远高于商业Pt/C电极,表现出优异的对甲醇的电催化氧化活性和抗CO中毒性能。

采用电沉积法在镍丝网上合成Ni、Co共掺杂的无定形硒化物NiCoSe作为析氢催化剂电极,利用扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪等观察和分析NiCoSe电极的形貌与结构,通过电化学实验测试电极的电催化析氢性能。结果表明,NiCoSe电极表面镶嵌着球形NiCoSe颗粒,无明显裂纹。NiCoSe化合物为无定形状态,能提供更多的低能垒空穴。适当比例的Ni、Co共掺杂可对Se的电子结构进行调控,使催化剂的电子结合能发生偏移,进而增强催化剂对H原子的吸附能力,使NiCoSe析氢催化剂电极具有较高的本征催化活性。在1 mol/L KOH溶液中10 mA/cm²电流密度下,NiCoSe阴极的过电位为83 mV,塔菲尔斜率为108.98 mV/dec,控制反应速率的步骤为催化剂对H原子的吸附过程。在60 h电解后电流密度衰减率小于5%。

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。

采用溶剂热法在碳纸(carbon paper, CP)表面分别原位负载2种金属有机框架(metal organic frame, MOFs)前驱体(记为Zn-MOF-74和ZIF-8),经900 ℃高温热处理后前驱体衍生为氮掺杂多孔碳,得到氮掺杂多孔碳@CP电催化剂材料,分别记为CP-Zn-MOF-74-900-N₂和CP-ZIF-8-900-N₂。研究CP的组成、孔结构以及外磁场强度对电催化剂OER(oxygen evolution reaction,析氧反应)性能的影响。结果表明,原位负载的ZIF-8在CP的纤维表面形成致密的棱形十二面体颗粒层,热处理后在纤维表面形成均匀的纳米级氮掺杂碳材料。ZIF-8-900-N₂的比表面积为1 559 m²/g,孔径为0.57 nm,孔容为1.59 cm³/g,具有最佳的磁性能和磁致发热性能。碳纸和氮掺杂多孔碳@CP材料中,CP-ZIF-8-900-N₂具有最小的OER过电势和Tafel斜率,分别为334 mV(电流密度为10 mA/cm²,经过iR矫正)和187 mV/dec (decade,十进)。当存在外磁场时,随磁场强度增大,催化剂的OER过电势先降低然后稳定不变,当外磁场强度为5.54×10^-3 T时,CP-ZIF-8-900-N₂的过电势达到最小值,为316 mV(没有经过iR矫正),比未引入磁场时下降约20.4%,这主要归因于磁流体动力学效应导致气泡尺寸减小、气泡聚结增强,使得气泡从电极表面的解吸得到改善。

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。

利用管式炉在300、400和500 ℃对TiO₂光催化剂(P25)进行低压快速氢化处理,研究氢化温度对样品物相结构、光电化学性能及催化降解活性的影响。结果表明：随氢化温度升高,P25氧空位浓度、光生载流子分离效率、可见光吸收性能、载流子浓度以及光催化活性均先增大后减小,400 ℃氢化处理1 h的P25具有最佳上述性能。P25的BET (Brunauer-Emmett-Teller)比表面积对氢化温度的变化不敏感,说明低压快速氢化可在避免比表面积损失的同时引入氧空位,抑制电子空穴对的复合,提高光吸收性能和载流子浓度,从而提升P25的光催化性能。400 ℃氢化处理1 h后,P25的反应速率常数是未处理P25的1.63倍。

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%。

主要研究Ti-55511钛合金在变形温度为700~850 ℃、应变速率为0.01~10 s^-1、真应变为0.6条件下的热压缩变形行为。结果表明,Ti-55511钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,峰值应力随变形温度降低和应变速率升高而升高。为消除热压缩过程中的温升效应,提高模型的准确性,本文采用新的温度修正方法,即通过Arrhenius方程推导,并利用数学外推法,对实验流变应力曲线进行温度修正,修正结果表明,变形温度越低、应变速率越高,温升和流变应力增量越大。在温度修正的基础上,建立基于应变补偿的Arrhenius本构方程,用该本构方程预测的流变应力与实测流变应力之间的相关系数(R²)和平均绝对相对误差(average absolute relative error, AARE)分别为0.991和6.65%,表明用本构方程能够精确地预测不同热变形条件下的流变应力。

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。

采用选区激光熔化成形法制备AlSi10Mg合金,然后分别进行退火、固溶以及T6处理,研究热处理工艺对合金显微组织与力学性能的影响,优化其热处理工艺。结果表明：选区激光熔化成形AlSi10Mg合金的物相主要为α-Al基体和共晶Si。共晶体组织[α-Al+单质Si]在α-Al基体上呈连续网络状分布。XOY和XOZ截面的组织均有粗晶区、细晶区和热影响区。经退火处理后,连续网络状分布的共晶Si发生部分溶解和断裂,合金的强度降低,但硬度略微升高。经T6处理后,共晶体呈规则几何形状零散地镶嵌在α-Al基体上,合金的抗拉强度下降,但屈服强度略有提升,塑性明显增强。综合比较,T6处理更适合作为选区激光熔化成形AlSi10Mg合金的后续热处理。

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。

文献中Al₂O₃-MgO二元体系的热力学参数在外推至多元系时与实验数据存在偏差,本工作基于热力学数据的严格评估,采用CALPHAD(calculation of phase diagram)方法对该体系进行热力学重新优化,并在此基础上进一步完善Al₂O₃-MgO-SiO₂体系的热力学描述。优化过程中,采用离子双亚点阵模型描述液相,用CEF(compound energy formalism)化合物能量模型描述固相。所得Al₂O₃-MgO体系和Al₂O₃-MgO-SiO₂体系的相图热力学计算结果与绝大部分实验数据相吻合,是构建Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO-Fe₂O₃-Na₂O六元体系热力学数据库的基础,并可为大宗铝硅酸盐固废材料化设计与高值化应用提供理论依据。