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。

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。

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。

易脆这一固有特性极大限制了高性能陶瓷材料在工业领域的广泛应用。本文通过电场辅助动态热锻制备超高韧3YSZ陶瓷,研究在电场和动态力场耦合作用下3YSZ陶瓷的微结构演化和力学性能。结果表明：在1 000 ℃的恒定炉温、20 V/cm的电场强度、140 mA/mm²的电流密度和(50±10) MPa的动态压力下热锻10 min后,3YSZ陶瓷的维氏硬度和断裂韧性分别达到了(12.40±0.58) GPa和(10.69±0.33) MPa·m^1/2,相较传统烧结陶瓷分别提高了11.5%和54.9%。韧性的显著提升主要是由于电场辅助动态热锻降低了3YSZ陶瓷中四方相的稳定性,使其在外力诱导时更易发生相变,从而有效抑制裂纹的扩展。电场辅助动态热锻技术具有无需添加增强相和增韧效果显著的优势,为高性能3YSZ陶瓷材料的增韧提供了新路径。

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。

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NiCrFeAl预合金粉为原料,采用选区激光熔化技术制备NiCrFeAl合金。通过光学显微镜对样品孔隙进行分析,从而优化扫描工艺参数,采用扫描电子显微镜对合金组织形貌进行表征,并使用EBSD进行缺陷分析,用UTM 5105型电子万能实验机测试合金力学性能。结果表明：选区激光熔化的最优工艺参数为扫描功率240 W、扫描速度1 000 mm/s,扫描间距0.12 mm,层厚0.03 mm。最优工艺参数下合金的抗拉强度为535 MPa,伸长率为5.8%。合金中存在固态裂纹,水平和垂直截面上均表现为沿晶断裂,裂纹存在于取向差较大的相邻晶粒之间。合金水平截面上的平均晶粒尺寸为35 μm,低角度晶界占37.0%;竖直截面上的平均晶粒尺寸为56 μm,低角度晶界占41.0%。

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。

Si₃N₄陶瓷因其强共价键特性而具有优异的力学性能,但这一特性也使其难以进行二次加工,严重制约了其在工业领域的广泛应用。本研究采用动态热锻(dynamic hot forging, DHF)技术对商用Si₃N₄陶瓷 进行加工处理,研究热锻温度对材料微观结构和力学性能的影响。结果表明：在(60±5) MPa的动态压力和1 800 ℃的热锻温度下,Si₃N₄陶瓷展现出最佳力学性能,其硬度达到13.84 GPa,断裂韧性为6.88 MPa·m^1/2,抗弯强度高达925 MPa,各项性能指标均显著优于原始试样。这种性能提升主要归因于两个关键因素,一是热锻过程中气孔等缺陷的消除,二是动态压力诱导产生的结构织构化效应。本研究开发的DHF技术为高性能难加工陶瓷材料的二次加工与强化提供了一种有效的新方法。

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。

在硼铝硅酸盐玻璃(43B₂O₃-25Al₂O₃-32SiO₂)中进行Sm³⁺/Ce³⁺共掺杂,采用固相熔融法制备(B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂)-20Sm₂O₃-xCeO₂(x为0~6%,摩尔分数)玻璃,借助X射线衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见-近红外分光光度计等表征方法研究玻璃的结构和激光吸收性能。结果表明,所有样品均为玻璃状,Sm³⁺和Ce³⁺均匀分布。随CeO₂的摩尔分数从0增加到2%,玻璃中桥氧的摩尔分数从60.12%增加到63.82%,而当CeO₂的摩尔分数增加到6%时,桥氧的摩尔分数下降到59.41%。CeO₂摩尔分数为2%时玻璃的激光吸收性能最好,漫反射吸收峰位为1 076 nm,漫反射率为48.10%。Sm³⁺/Ce³⁺共掺杂的硼铝硅酸盐玻璃是一种很有前景的1.06 μm波长激光的吸收材料。

以硫酸镍、次亚磷酸钠、钨酸钠、钼酸钠等为原料,采用一步恒电流电沉积法在泡沫镍基底上合成Ni-P-W-Mo析氢电极,借助X射线衍射、扫描电镜、能谱仪、X射线光电子能谱以及电化学测试等手段研究材料的表面形貌、元素组成以及电化学析氢性能。结果表明,Ni-P-W-Mo析氢电极在碱性溶液中析氢催化时有出色的催化活性和稳定性,仅需92 mV的过电位即可达到10 mA/cm²的电流密度,比Ni-P电极降低67 mV,电极的双层电容为42.98 mF/cm²,经过2 000次循环伏安(cyclic voltammetry, CV)测试后,析氢活性略微下降。Ni-P-W-Mo电极优异的催化性能可能是由于W、Mo的添加使电极的表面形貌更粗糙,电化学活性表面积和活性位点显著增加,同时自支撑电极结构可以有效降低界面传输电阻,提高电荷传输效率。

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%。

采用铸锭冶金法制备Cr、Zr微合金化Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金。通过电化学测试和静置腐蚀实验,结合X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电镜和透射电镜研究Cr、Zr微合金化Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金中凝固结晶相的析出特征,及其对铸态合金腐蚀行为的影响机理。结果表明：3种铸态Al-Zn-Mg-Cu-Yb合金中的枝晶主要由Al₂CuMg(S相)、Al₈Cu₄Yb和Mg(Zn,Cu,Al)₂(Sigma相)组成,而Cr或Zr的添加导致Sigma相中Cu含量增多,Sigma相电位提高,枝晶与铝基体之间的电位差减小,从而改善了铸态合金的耐腐蚀性能。与Al-Zn-Mg-Cu-Yb和Al-Zn-Mg-Cu-Yb-Cr合金相比,Al-Zn-Mg-Cu-Yb-Zr合金具有更高的耐蚀性,腐蚀形式由沿枝晶腐蚀转变为均匀腐蚀。

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。

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。

针对分别掺杂Ni、Co、Al的尖晶石LiMn₂O₄,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分析反铁磁层和铁磁层沿[001]方向交替排列的磁性构型的合理性。结果表明,此磁结构下表现出Mn³⁺/Mn⁴⁺沿[001]方向交替排列的价态分布。Ni、Co、Al三种掺杂原子都倾向于替换Mn³⁺层上的Mn,占据16d位后价态表现为Ni²⁺、Co³⁺和Al³⁺。Al与Ni掺杂均能抑制掺杂点位的Jahn-Teller畸变,且Ni掺杂后其最近邻的Mn³⁺被氧化为Mn⁴⁺,使结构更稳定,而Co掺杂可能导致更严重的Jahn-Teller畸变。Al³⁺和Co³⁺可显著降低Li离子的两条路径扩散能垒,Ni²⁺在Mn⁴⁺的协同作用下可进一步降低低能垒路径的能垒。

以α-Al₂O₃和氧化钇稳定氧化锆粉体为原料,无压烧结制备致密Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷,在临界电场下进行热处理后,对Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷的微观结构和力学性能进行研究。结果表明：在900 V/cm的电场下,烧结致密Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷的闪烧起始炉温为308 ℃。在炉温为1 200 ℃、电场为700 V/cm的条件下,闪烧致密Al₂O₃-ZrO₂复相陶瓷原位合成Al₂O₃-ZrO₂共晶结构。闪烧陶瓷主要分为复相区、过渡区和共晶区3个区域。复相区的微观结构与烧结陶瓷相似,形状不规则的Al₂O₃和ZrO₂相均匀分布;过渡区晶粒异常长大,粗大的Al₂O₃和ZrO₂相均匀分布;共晶区则呈现典型的Al₂O₃-ZrO₂共晶结构。共晶区的维氏硬度和韧性分别为17.94 GPa和3.51 MPa·m^1/2,与采用定向凝固技术制备的Al₂O₃-ZrO₂共晶陶瓷的力学性能相当。