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2018年 23卷 5期
出版日期：2018-10-20
理论研究
445
AlTiN涂层合金划痕测试的失效形式及其失效机理的有限元分析
张华栋, 张立, 陈宜, 罗国凯, 肖桥平, 钟志强
为了研究硬质合金基体中硬质相和粘结相对涂层内聚失效抗力(
L
C1
)和膜基结合力(
L
C2
)的协同作用,设计制备了具有硬质相+粘结相两相结构的WC-10Co-0.65Cr
3
C
2
-0.35VC(10Co)、无金属粘结相WC-6Mo
2
C- 0.68Cr
3
C
2
-0.37VC(bWC)和无硬质相85.1Co-9.2W-4.7Cr
3
C
2
-1.0VC(CoW)合金。采用直流磁控溅射技术,在上述合金基体表面分别沉积了厚度约5 μm的Al
0.55
Ti
0.45
N薄膜。通过划痕测试获得的
L
C1
和
L
C2
及其差值,对涂层的失效形式进行了表征。通过划痕测试过程中涂层应力分布的有限元分析,研究涂层合金划痕失效形式所对应的形成机理。在此,
L
C1
对应涂层首次被剥离或基体首次被暴露时所对应的载荷,与涂层的内聚失效抗力呈正相关关系;
L
C2
对应涂层被完全从基体剥离时的载荷,表征涂层合金的膜基结合强度。在此基础上,进一步研究WC-Co合金基体中WC晶粒度和Co含量对涂层合金划痕测试过程中涂层中应力分布的影响。结果表明,采用软质CoW合金基体,涂层的
L
C1
和
L
C2
均为最低;采用硬质bWC合金基体,涂层的
L
C2
最大,但
L
C1
和
L
C2
差值也最大;采用10Co合金基体,涂层的
L
C1
最大,
L
C1
和
L
C2
差值最小。涂层与基体的杨氏模量比和基体硬度是影响
L
C1
和
L
C2
的关键因素。降低硬质合金基体的晶粒度,选择适中的Co含量,均有利于
L
C1
和
L
C2
的同步改善。
2018 Vol. 23 (5): 445-453 [
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工艺技术
454
TiC含量对Mo-10W-TiC合金组织与性能的影响
熊刚, 成会朝, 范景莲, 姚松松, 李鑫
采用粉末冶金法,在Mo-W基体中添加TiC,制备Mo-10W-TiC合金(TiC的质量分数为0.5%~6%),研究TiC含量对合金组织与拉伸性能的影响。结果表明,在烧结过程中TiC颗粒与基体相互扩散,在颗粒内部形成 (Mo,Ti)
x
C
y
及少量(W,Ti)
x
C
y
固溶体。在Mo-W基体合金中添加TiC颗粒可有效地抑制晶粒长大,合金晶粒尺寸随TiC含量增加而减小。在1 920 ℃烧结温度下,随TiC含量增加,合金的相对密度与抗拉强度先增加后减小,当TiC含量为4%时,Mo-10W-TiC合金具有最高的相对密度及抗拉强度,分别为99.7%和497 MPa,过量TiC的添加会导致合金强度降低。随TiC含量增加,合金的断裂模式由单纯的沿晶断裂转变为沿晶断裂和穿晶断裂的混合模式。
2018 Vol. 23 (5): 454-459 [
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460
Cr
3
C
2
添加量对WC-10Co硬质合金组织与性能的影响
唐启佳, 李重典, 王雁洁, 张勇
采用传统粉末冶金法制备Cr
3
C
2
添加量(质量分数)为0~4%的WC-10Co硬质合金,通过光学显微镜、扫描电镜与能谱仪对合金微观组织进行观察与分析,测试硬质合金的矫顽磁力、钴磁、密度、横向断裂强度、维氏硬度和断裂韧性,研究Cr
3
C
2
添加量对WC-10Co硬质合金常规性能的影响,并着重探讨Cr
3
C
2
对WC晶粒尺寸与均匀性的影响。结果表明：添加Cr
3
C
2
能有效细化WC-Co硬质合金晶粒,随Cr
3
C
2
添加量增加,WC晶粒均匀性增加。随Cr
3
C
2
添加量增加,合金的钴磁呈线性下降,合金密度和断裂韧性降低,维氏硬度和矫顽磁力升高,合金横向断裂强度先升高后降低。Cr
3
C
2
添加量为0.5%合金钴磁为9.0%,矫顽磁力为19.0 kA/m,密度为14.45 g/cm
3
,维氏硬度HV
30
为1 600,抗弯强度和断裂韧性分别为3 920 MPa和10.5 MPa∙m
1/2
,该合金具有良好的综合力学 性能。
2018 Vol. 23 (5): 460-466 [
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467
CCF300-3K炭纤维和KD-II碳化硅纤维的微观结构与力学性能
胡光敏, 杨丰豪, 何昊源, 易茂中
针对国产的CCF300-3K炭纤维和KD-Ⅱ碳化硅纤维,测定单丝拉伸性能,用SEM和AFM观察纤维的表面和拉伸断口形貌,通过TEM观察纤维内部结构,利用XPS确定KD-II碳化硅纤维中无定形相的成分,用XRD分析纤维的结晶度和微晶尺寸,为纤维的制备与应用提供一定的数据参考。结果表明：CCF300-3K炭纤维表面粗糙度过大,有较多的沟槽,内部的石墨微晶沿纤维轴向分布,结晶度较低,无定形碳填充在石墨微晶的间隙中,纤维拉伸断裂源为纤维表面的沟槽。KD-Ⅱ碳化硅纤维表面光滑,粗糙度过低,结晶度较好的碳化硅晶粒随机分布在由非晶态SiO
x
C
y
和游离碳组成的基体中,拉伸断裂源为内部的孔洞或夹杂。Weibull统计分析表明,CCF300-3K炭纤维的抗拉强度为3.08?0.02 GPa,形状参数
m
为6.46;KD-Ⅱ碳化硅纤维的抗拉强度为2.36?0.03 GPa,
m
为9.27,表明它们具有良好的组织结构与较高的力学性能和稳定性,完全满足工程应用要求。
2018 Vol. 23 (5): 467-474 [
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475
再结晶分布对316L不锈钢力学性能的影响
卢嘉欣, 陈查坤, 方铁辉
对大应变量冷轧316L不锈钢分别进行电阻炉等时退火和电磁感应加热处理,获得2种不同的再结晶分布,观察与测试等时退火与电磁感应加热后合金的组织与力学性能,研究再结晶分布对316L不锈钢力学性能的影响。结果表明,等时退火后的合金,再结晶总体上随机均匀分布;而电磁感应加热获得了再结晶由表及里逐渐减少的梯度分布。这两类退火结构具有相同的再结晶体积分数和类似的强塑性匹配,再结晶的分布对316L不锈钢的强塑性没有显著影响。退火后316L不锈钢中的再结晶和纳米孪晶形成的应变传递网络是拉伸塑性的主要来源。该网络协调塑性变形的能力对再结晶的分布不敏感,从而消除再结晶分布对合金性能的影响。
2018 Vol. 23 (5): 475-481 [
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482
退火温度对包套挤压FeCoCrNiMo
0.1
高熵合金组织与摩擦性能的影响
田彦文, 任俊业, 黄千里, 李清湘, 周少强, 刘银, 吴宏
以气雾化FeCoCrNiMo
0.1
高熵合金粉末为原料,采用包套挤压法制备成高熵合金棒材,然后对挤压棒材分别在350,500,650 ℃下退火4 h,通过扫描电镜和XRD观察与分析合金的微观组织和物相组成,并测定合金的硬度和耐磨性能。结果表明：气雾化FeCoCrNiMo
0.1
合金粉末的球形度较高,挤压态及退火态合金均为单相FCC结构,不同温度下退火的合金硬度相差不大,微观组织的变化主要体现在晶粒大小以及孪晶的种类和数量。与挤压态合金相比,350 ℃退火后,变形孪晶数量减少,合金的耐磨性和屈服强度略有下降,摩擦界面出现颗粒粘附,合金的摩擦因数降低。随退火温度升高,孪晶数量增加,合金的耐磨性和屈服强度提高,磨损机理以黏着磨损为主,摩擦因数增大。
2018 Vol. 23 (5): 482-487 [
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488
SPS工艺制备镍基高温合金的微观组织
秦子珺, 刘锋, 江亮
以氩气雾化法制备的镍基高温合金FGH96粉末为原料,采用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)工艺制备FGH96高温合金,同时在与SPS工艺相同条件下对原料粉末进行热处理,并采用热等静压(hot isostatic pressing, HIP)工艺制备FGH96高温合金,通过分析在不同SPS温度或不同保温时间下合金的微观组织与晶粒尺寸以及对比热处理后的粉末和热等静压合金的晶粒取向与晶粒尺寸,研究SPS镍基粉末高温合金的组织特征。结果表明,合金在SPS 40 min后达到高度致密。烧结温度为1 070 ℃时,合金的显微组织为细小的胞晶和枝晶组织,碳化物析出相主要分布在晶粒内部、少量分布在晶界上,未观察到明显的原始颗粒边界(prior particle boundaries, PPBs)。烧结温度为1 170 ℃时,合金的显微组织为等轴晶晶粒,碳化物析出相沿PPBs分布,且存在明显的PPBs。放电等离子烧结工艺能在一定程度上消除原始颗粒边界,但改善合金晶粒尺寸的作用不明显。
2018 Vol. 23 (5): 488-494 [
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495
石墨表面镀镍对石墨/铜复合材料微观结构和力学性能的影响
赖远腾, 甘雪萍, 肖柱, 李志友, 李周, 周科朝
采用化学镀的方式预先在石墨表面镀镍,再镀铜,制备了具有双镀层的铜/镍包覆石墨复合粉末,并通过放电等离子烧结(SPS)方式制备高性能的石墨/铜复合材料。通过SEM、EDS、TEM和XRD分析手段对复合材料的形貌和微观结构进行观察和分析,并研究镀层的镍含量对复合材料力学性能的影响。结果表明：在石墨表面镀镍可改善石墨与铜的界面结合状态,使得界面结合紧密,石墨与铜基体的界面由Cu/graphite界面转变为Cu/ (Ni+Ni
3
P)界面和graphite/(Ni+Ni
3
P)界面,而且有助于石墨颗粒在复合材料中均匀分布。石墨表面化学镀镍还可显著地提高石墨/铜复合材料的致密度、硬度和抗压强度,而且随镍含量增加,其力学性能逐渐提高。当在复合材料中镍含量为10%时,复合材料的致密度、硬度和抗压强度分别达到99.68%、64.58 HB和281.04 MPa。
2018 Vol. 23 (5): 495-502 [
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503
氧化时间对铝合金微弧氧化膜层结构及耐腐蚀性能的影响
方雷, 马运柱, 刘文胜, 刘阳, 刘超, 颜焕元
在硅酸盐体系(Na
2
SiO
3
+KOH)电解液中,采用微弧氧化技术在5052铝合金表面原位生成微弧氧化膜层。并利用SEM、EDS和XRD等仪器设备,分析微弧氧化膜层形貌、元素分布和相组成,着重分析氧化时间对膜层厚度、表面孔隙率和最大孔洞直径及膜层耐腐蚀性的影响。结果表明：微弧氧化膜层表面有典型的“火山堆积”形貌生成,且膜层厚度、表面孔隙率和最大孔洞直径随氧化时间的增加而增大;膜层主要元素为O和Al,相组成为γ-Al
2
O
3
和α-Al
2
O
3
,且主要为γ-Al
2
O
3
;微弧氧化处理可显著提高试样的耐腐蚀性能,腐蚀电流密度至少下降2个数量级,电化学阻抗模值|Z|至少增加2个数量级,随氧化时间从10 min延长到50 min试样的耐腐蚀性能先提升后降低,氧化时间为20 min的试样耐腐蚀性能最好。
2018 Vol. 23 (5): 503-510 [
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511
基板温度对选择性激光熔覆法制备M2高速钢组织与性能的影响
丁焕, 刘如铁, 熊翔, 徐杰, 陈洁, 廖宁
采用选择性激光熔覆法,在基板温度分别为100,150,和200 ℃条件下制备M2粉末高速钢合金,分析基板温度对合金组织结构与力学性能的影响。结果表明,基板温度升高有利于提高M2粉末高速钢的致密度和整体组织的均匀性。当基板温度为200 ℃时,高速钢组织均匀致密,各元素固溶程度高,且碳化物含量高,组织中柱状晶不再沿Z轴方向单一生长,同时合金的显微硬度(HV
0.1
)达到最高,HV
0.1
为1 150,相比基板温度为100 ℃时的合金提高近40%。随基板温度从100 ℃升高到200 ℃,沿
Z
轴打印的M2高速钢室温抗拉强度从865.23 MPa降低到443.85 MPa,主要原因是合金中单一方向的柱状晶数量减少。
2018 Vol. 23 (5): 511-517 [
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518
石墨烯增强铝基复合材料的制备及性能
王禹, 朱传平, 雷霆
改善铝金属基体与石墨烯增强相的界面结合,是提高铝基复合材料力学性能的关键。本文以化学镀铜石墨烯为增强相,采用粉末冶金和放电等离子烧结(SPS)技术制备镀铜石墨烯增强铝基复合材料,研究镀铜石墨烯的添加量对铝基复合材料力学性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：通过对石墨烯的敏化活化预处理和化学镀工艺, 能够获得石墨烯表面铜颗粒尺寸均一、分布均匀、膜层完整,并具有良好结合力的铜镀层;镀铜石墨烯作为增强相可以改善石墨烯与铝基体的浸润性和界面结合,复合材料中石墨烯质量分数为0.2%时综合性能最优,其致密度达到99.63%,硬度、抗拉强度、弯曲强度分别为60.13 HV,152.88 MPa,659.47 MPa,与纯铝相比,分别提高48.95%,149.48%和470.08%;但是由于复合材料中石墨烯的炭与铝基体构成腐蚀微电偶,使其耐腐蚀性能降低。
2018 Vol. 23 (5): 518-526 [
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527
航天发动机用GH4586镍合金表面含镍金属陶瓷涂层的结合与抗氧化性能
高波, 曾凡浩, 古一, 李漪
为了使航天发动机中镍合金在高温,高压,富氧条件下安全高效地工作,以镍粉及玻璃相为原料制成料浆,采用流涂法在航天发动机用镍基合金GH4586表面制备高温含镍的B
2
O
3
-A1
2
O
3
-BaO-CeO
2
-ZrO
2
(Ni/BACZ)金属陶瓷涂层。通过扫描电镜和X射线衍射分析涂层的表面和截面组织形貌以及相组成,采用拉伸实验、氧化试验和热震实验分析涂层性能。结果表明：Ni/BACZ涂层结构致密,主要物相为Ni、Al
2
O
3
和CeBO
3
。涂层与基体结合牢固,结合强度大于55 MPa。900 ℃氧化条件下,涂层的抗氧化性能相比无涂层基体提高7倍以上。Ni可减少涂层高温热应力产生的裂纹,增加涂层韧性,使其具有良好的抗热震性能。
2018 Vol. 23 (5): 527-533 [
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354
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534
粉末冶金Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金的制备与力学性能
向泽阳, 许荣君, 刘彬, 刘咏
以Ti粉、Al-V合金粉及Mo粉为原料,通过冷等静压和真空烧结制备Ti-3Al-5Mo-4.5V(TC16)合金,并对该合金的组织与力学性能进行研究。结果表明,粉末冶金TC16合金具有由α相和β相组成的网篮组织,相对密度约为93.5 %,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1062 MPa,973 MPa和2.3%,关键性能(屈服强度)达到铸造TC16合金水平。
2018 Vol. 23 (5): 534-538 [
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539
高固相含量浆料浸渗法制备C/C-SiC复合材料及其性能
尹欢, 彭可, 饶菲, 易茂中
采用高固相含量浆料浸渗法制备C/C-SiC复合坯体,通过先驱体浸渍裂解工艺(PIP)增密制得C/C-SiC复合材料。对浸渗浆料的流变行为以及C/C-SiC复合材料的微观结构、力学性能和抗烧蚀性能进行研究。结果表明：用体积分数为5%乙醇水溶液制备SiC浆料,当浆料pH值为6,聚乙烯亚胺(PEI)质量分数为0.7%,固相体积分数为40%时,浆料具有良好的流动性和渗透性。浆料浸渗后的坯体中,SiC颗粒主要分布在网胎层及针刺纤维区域。C/C-SiC复合材料具有优良的力学性能,其抗弯强度和断裂韧性分别为335.7 MPa和16.2 MPa·m
1/2
。在2 000 ℃氧乙炔焰烧蚀条件下,SiC被氧化生成的SiO
2
可填充气孔、裂纹等缺陷,防止材料进一步氧化,使得C/C-SiC复合材料表现出良好的耐烧蚀性能。
2018 Vol. 23 (5): 539-546 [
摘要
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412
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