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2020年 25卷 2期
出版日期：2020-04-15
工艺技术
理论研究
理论研究
91
不同温度下晶面衍射弹性常数的两相模型计算
许海峰, 祝昌军, 陈康华, 刘力
将镍基高温合金看成基体相γ相(Ni相)和夹杂相γ′相(Ni
3
Al相)的两相材料(忽略少量的其他相),利用Eshelby夹杂理论和自洽方法,建立计算两相材料晶面衍射弹性常数的两相模型。再通过准谐德拜理论和第一性原理计算,获得高温下两相单晶体的弹性刚度系数,代入模型计算镍基高温合金相关晶面在不同温度下的衍射弹性常数。计算结果与文献报道的实验测量值误差较小,验证了模型的准确性。
2020 Vol. 25 (2): 91-97 [
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98
Ti
2
AlNb基合金高温氧化初期热力学分析
杨家俊, 刘立斌, 赵云, 章立钢
运用相图计算技术,研究Ti-22Al-
x
Nb(
x
=0~30%,摩尔分数)合金在1 000 ℃氧化的初始氧化产物,并预测Ti-22Al-27Nb和Ti-22Al-15Nb合金在此温度下氧化初期的各相质量分数及相组成的变化。结果表明：随氧分压增大,基体中的Bcc_B2相向Hcp_A3相转变以溶解增加的O(氧)。合金中元素的氧化顺序为Al,Ti,Nb。Al
2
O
3
,Halite(TiO)和NbO分别在氧分压为4.72×10
-32
,4.11×10
-30
和5.53×10
-25
MPa时出现。随氧分压增大,Ti与Nb的氧化产物均往含氧量更高的方向发展。与Ti-22Al-27Nb相比,Ti-22Al-15Nb合金中NbO和NbO
2
的质量分数明显减小,而Al
2
O
3
的质量分数显著增加。
2020 Vol. 25 (2): 98-103 [
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工艺技术
104
流延制备有序排列石墨烯增韧氧化锆陶瓷的结构与力学性能
蔡伟金, 李青, 刘耀, 刘绍军
采用流延成形与放电等离子烧结制备有序排列石墨烯纳米片(graphene nanosheets, GNS)增韧四方氧化锆多晶体(tetragonal zirconia polycrysta, TZP) 陶瓷,研究石墨烯含量(体积分数,下同)对GNS/TZP陶瓷相组成、显微结构以及硬度与断裂韧性的影响,并进一步分析有序排列石墨烯TZP对陶瓷的增韧机制。结果表明：添加少量石墨烯可显著提高陶瓷的断裂韧性。添加0.25%石墨烯的氧化锆陶瓷断裂韧性提升幅度最大,从4.39 MPa∙m
0.5
提升至7.21 MPa∙m
0.5
,提升64.1%,硬度(HV
20
)下降不到1%,为1 345.3。石墨烯在基体材料内平行有序排列,增韧氧化锆陶瓷的机理为以裂纹偏转为主,多种机制协同作用。
2020 Vol. 25 (2): 104-111 [
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112
S275铁素体钢板窄间隙激光焊的缺陷形成机理及影响因素
章鸿
针对30 mm厚的S275铁素体钢板开展窄间隙多道激光焊研究,旨在深入了解激光焊接缺陷的形成机理和影响因素,以期优化焊接工艺,避免形成裂纹、未熔合、气孔等缺陷。结果表明：适当提高热输入,可降低熔池冷却速度,抑制焊接裂纹产生。在热输入为0.9 kJ/mm时,接头处存在2.3 mm深的纵向表面裂纹,当热输入增加到1.05 kJ/mm时,纵向表面裂纹的深度降低为0.8 mm;当热输入达到1.2 kJ/mm时,接头处未发现裂纹。选择较小的光丝间距可以保证熔融金属与焊接熔池接触,避免侧壁未熔合缺陷;当光丝间距为1 mm时,坡口侧壁未发现未熔合及飞溅情况;当光丝间距为3 mm时,发现存在侧壁未熔合现象;当光丝间距为5 mm时,在焊接坡口侧壁上方发现熔敷金属。采用直径15 mm的管道在坡口顶端输送保护气体时,可以避免产生大量气孔,采用6 m/min的送丝速度可以获取力学性能更好的焊接接头。
2020 Vol. 25 (2): 112-117 [
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118
HfB
2
-ZrB
2
-SiC改性C/C复合材料的制备及性能
向秋玲, 汤振霄, 彭可, 易茂中
将HfB
2
和ZrB
2
陶瓷粉按体积比1:1混合制成高固相含量的浆料,通过料浆浸渍结合聚碳硅烷先驱体的浸渍裂解,制备密度为3.37 g/cm
3
的C/C-HfB
2
-ZrB
2
-SiC复合材料,研究材料的显微组织、力学性能及抗烧蚀性能。结果表明：料浆浸渍法引入的HfB
2
和ZrB
2
陶瓷颗粒主要分布在C/C多孔复合材料的网胎层及针刺区,聚碳硅烷裂解产生的SiC主要分布在陶瓷颗粒及纤维束间,这3种陶瓷相都均匀地填充于材料内部。C/C-HfB
2
-ZrB
2
-SiC复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为382.6 MPa和11.2 MPa∙m
1/2
,表现出明显的假塑性断裂特征。C/C- HfB
2
-ZrB
2
-SiC复合材料在烧蚀过程中生成HfO
2
-ZrO
2
复相氧化膜阻止氧进入材料内部,提高抗烧蚀性能。在2 500 ℃/120 s的烧蚀条件下表现出优异的抗烧蚀性能,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.71 μm/s和0.53 mg/s。
2020 Vol. 25 (2): 118-124 [
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125
2055铝锂合金热拉伸的显微组织与流变应力行为
刘宁, 肖代红, 刘文胜
用Gleeble-1500热模拟机对2055铝锂合金进行高温拉伸,研究合金在温度为480~540 ℃、应变速率为0.000 1~0.1 s
-1
区间内的热变形行为,并通过光学显微镜(OM)、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)观察和分析合金的显微组织。结果表明：热拉伸过程分为3个阶段,各阶段的变形机制不同。热拉伸过程中表现出明显的流变稳态,合金的主要变形机制由动态回复向动态再结晶转变。在应变速率0.001 s
-1
下,变形温度为480 ℃时,很难观察到再结晶晶核,变形温度为510 ℃和540 ℃时出现锯齿状晶界,且温度越高,锯齿状晶界越明显,该现象属于典型的几何动态再结晶;温度一定时,应变速率越低,合金的峰值应力越小,表明2055铝锂合金具有正应变速率敏感性。采用Sellars和Tegart提出的包含变形激活能
Q
和温度
T
的双曲线正弦函数本构方程来描述合金的热激活行为,热变形激活能为226.783 kJ/mol。
2020 Vol. 25 (2): 125-132 [
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133
基于定向多孔SiC的浸渍-裂解法制备SiC陶瓷材料的结构与性能
黄玉娟, 熊慧文, 邹金住, 周科朝, 张斗
以冷冻浇注成形法制备定向多孔碳化硅做支架,然后采用含乙烯基液态聚碳硅烷为浸渍液,对多孔支架进行循环浸渍-裂解,得到碳化硅陶瓷材料。研究浸渍-裂解循环次数对SiC材料的密度、孔隙率、显微形貌与抗弯强度的影响。结果表明,冷冻浇注成形的多孔SiC支架为定向多孔的树枝状结构,支架的密度、孔隙率和抗弯强度分别为0.45 g/cm
3
,87.7%和8.53 MPa。最终碳化硅陶瓷材料的密度为2.08 g/cm
3
,孔隙率为5.9%,抗弯强度为157.43 MPa。采用该方法可制备密度较低、性能良好的碳化硅陶瓷材料。
2020 Vol. 25 (2): 133-139 [
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140
粉体表面改性对氧化锆光固化成形的影响
李青, 刘耀, 蔡伟金, 石原, 刘绍军
分别采用甲基丙烯酸(MAA),3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)和硬脂酸(SA)作为改性剂对ZrO
2
粉体进行表面改性,然后制成光固化浆料,通过红外光谱,结合粒度分析、沉降实验和流变测试等手段,研究改性剂对粉体粒度分布以及浆料的稳定性与粘度的影响和作用机制。结果表明,改性剂以化学吸附的方式存在于ZrO
2
粉体表面,可有效减少粉体团聚。对ZrO
2
粉体进行表面改性,可提高光固化浆料的稳定性,并降低浆料粘度。添加0.5%MAA(质量分数)的改性效果最好,在剪切速率为1 s
-1
下的浆料粘度由156.2 Pa·s降为47.1 Pa·s。固相含量(质量分数)为75%的ZrO
2
浆料经过光固化成形和1 500 ℃烧结3 h后,得到密度为6.02 g/cm
3
,硬度(HV
10
)为1 290的ZrO
2
陶瓷。
2020 Vol. 25 (2): 140-147 [
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148
化学镀镍(SCF-Ni)短炭纤维增强铝基复合材料的显微组织与力学性能
蒋文婷, 李国栋, 杨娟, 刘阳, 于士杰
利用化学镀技术在短炭纤维(short carbon fiber, SCF)表面镀镍,制备镍层包覆的炭纤维(SCF-Ni)。采用湿混法将不同含量的镀镍短炭纤维(SCF-Ni)与铝硅合金粉(Al-Si)均匀混合,用放电等离子烧结技术(SPS)制备镀镍炭纤维增强铝基复合材料(SCF-Ni/Al-Si复合材料)。通过SEM观察炭纤维和复合材料的组织与形貌;用XRD分析复合材料界面物相,探究SCF-Ni质量分数对复合材料微观结构及力学性能的影响。结果表明,随SCF-Ni含量增加,SCF-Ni/Al-Si复合材料密度下降,硬度增加,室温抗拉强度先升高后降低,在SCF-Ni质量分数为9%时达到最大值152 MPa,较Al-Si基体的抗拉强度(90 MPa)提升了68%。
2020 Vol. 25 (2): 148-156 [
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157
ZrB
2
含量和烧结温度对ZrC-ZrB
2
复合材料组织与性能的影响
王圆圆, 范景莲, 陆琼, 郝亚楠, 高银
以ZrC和 ZrB
2
粉末为原料,采用放电等离子烧结法在1 750 ℃和1 850 ℃烧结制备ZrB
2
含量(质量分数)分别为5%,10%,15%的ZrC-ZrB
2
复合陶瓷材料,研究ZrB
2
含量对材料组织与性能的影响。结果表明： ZrC-ZrB
2
复合材料表面形貌呈鳞片状, 随ZrB
2
含量增加,晶粒变细。当烧结温度为1 750 ℃时,随ZrB
2
含量增加,材料密度降低,但断裂韧性提高,ZrB
2
含量为15%时断裂韧性达到11.972 MPa·m
1/2
,而ZrB
2
含量为10%时,材料硬度最大,为16.868 GPa。与1750℃烧结的ZrC-ZrB
2
复合材料相比,烧结温度为1 850 ℃时材料发生再结晶与晶粒长大,整体力学性能下降,随ZrB
2
含量增加,材料密度降低,但仍有晶粒细化与力学性能升高的趋势。
2020 Vol. 25 (2): 157-163 [
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164
高温刻蚀硼掺杂金刚石电极材料的形貌与电化学性能
刘婷, 苗冬田, 魏秋平, 马莉
采用热丝化学气相沉积法在硅表面制备硼掺杂金刚石电极薄膜,在800 ℃热处理氧化刻蚀后,得到表面具有不规则孔隙结构的多孔硼掺杂金刚石薄膜电极,研究热处理刻蚀时间对电极表面形貌及材料内sp
3
相碳与sp
2
相碳的比例(sp
3
/sp
2
)的影响。结果表明,热处理的最佳时间为30 min,热处理后电极的电化学活性面积是未经热处理电极的2.14倍。用硼掺杂金刚石电极对以活性蓝19作为目标有机物废水进行降解,经过热处理的电极对活性蓝19色度移除率是未经热处理电极的2.43倍,废水中的化学需氧量移除率是未经热处理电极的1.89倍,且达到相同化学需氧量移除率的能耗低于未处理电极的能耗。该刻蚀技术未造成硼掺杂金刚石电极表面污染,适用于大面积刻蚀以提高电极比表面积,在水处理领域具有广阔的应用前景。
2020 Vol. 25 (2): 164-170 [
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171
新型浆料注射法制备C/C复合材料的显微组织及力学性能
胡姣, 李国栋, 张洋, 韩前武, 姜毅
采用浆料注射法将天然鳞片石墨粉添加到纤维预制体中,并结合化学气相渗透工艺(CVI)制备C/C复合材料。通过X射线无损检测、扫描电镜、偏光显微镜和材料力学性能测试,研究石墨浆料注射对C/C复合材料显微组织与力学性能的影响。结果表明：石墨浆料注射可将石墨引入到纤维预制体中,替代部分热解炭,并为热解炭提供新的形核位点和沉积表面,加速CVI致密化进程;且石墨的加入有利于粗糙层热解炭的形成,提高材料的可石墨化度。经80 h 等温CVI制得密度为1.68 g/cm
3
的C/C复合材料,抗弯强度为69.07 MPa,与传统等温CVI工艺相比,抗弯强度相近,平均增密速率提高近3倍;热解炭将纤维和石墨连成一个整体,材料表现出一定的假塑性断裂。
2020 Vol. 25 (2): 171-178 [
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179
碳纳米管对泡沫铜/石蜡复合相变材料热性能的影响
包胜友, 安俊杰, 马莉, 魏秋平, 柏振海, 周科朝
以泡沫铜(copper foam, CF)、碳纳米管(carbon nanotubes, CNT)和石蜡为原料,分别制备CF/混合CNT/石蜡和CF/催化CNT/石蜡两种复合相变材料(phase change material, PCM),CNT与石蜡的质量比均为1:99。采用SEM和Raman光谱表征材料的形貌和品质,用激光导热测试仪和差示扫描量热仪表征复合PCM的传热性能和相变行为。结果表明,所有PCM复合情况良好,且引入2种不同形式的CNT均能提高石蜡的热导率。虽然混合CNT的品质比催化CNT更好,但与CF/混合CNT/石蜡复合材料的热导率(3.28 W/(m∙K))相比,CF/催化CNT /石蜡复合材料的热导率仍达到3.94 W/(m∙K)。此外,两种形式的CNT均能有效改善石蜡的相变潜热和过冷度。
2020 Vol. 25 (2): 179-184 [
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