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2021年 26卷 3期
出版日期：2021-06-15
工艺技术
理论研究
理论研究
189
Ti-Al-Cr体系高温BCC相扩散及原子移动性
吴晨剑, 白伟民, 高宁, 刘立斌, 章立钢
针对钛及其合金的扩散研究有助于预测钛合金在热处理过程中的相组成及微观结构的演变。本文采用扩散偶法研究Ti-Al-Cr三元系BCC相中的扩散行为,制备的一系列扩散偶分别在1 373 K和1 473 K下退火8 h。通过EPMA获得成分-距离曲线,并使用ERFEX函数拟合。利用Whittle-Green和Hall方法获得互扩散系数和杂质扩散系数,发现在Ti-Al-Cr体系BCC相中Al原子的扩散明显比Cr原子快,同时Al原子的主扩散系数和杂质扩散系数均随Al和Cr浓度升高而增大,Cr则正好相反。使用实验测得的扩散系数评估原子移动性,建立Ti-Al-Cr体系BCC相的原子移动性数据库,通过DICTRA软件模拟得到的成分-距离曲线、扩散通道和主扩散系数的计算值与实验结果的对比吻合性较好,验证了数据库的准确性。
2021 Vol. 26 (3): 189-201 [
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工艺技术
202
烧结工艺对涂覆法制备Y-Ce-La-TZP陶瓷微观结构与力学性能的影响
吴飞, 刘允中, 朱康乐
采用新型涂覆法,将Y(NO
3
)
3
、Ce(NO
3
)
3
和La(NO
3
)
3
混合溶液涂覆于ZrO
2
表面,制备多元稀土共掺杂的ZrO
2
陶瓷粉体,再通过无压烧结制备1.5Y-5.5Ce-0.3La-TZP(摩尔分数,%)块体材料,研究烧结温度、保温时间和升温速率对ZrO
2
陶瓷相对密度、显气孔率、线收缩率、相变转化、力学性能以及显微组织的影响。结果表明：随烧结温度升高,单斜相ZrO
2
含量减少,当烧结温度为1 550 ℃时,单斜相含量几乎为0,四方相的稳定化程度达到最大;在1 200~1 450 ℃烧结温度下,降低升温速率有利于陶瓷的烧结致密化。在1 550 ℃保温90 min的ZrO
2
陶瓷的相对密度、抗弯强度、硬度(HV
10
)以及断裂韧性均达到最大,分别为98.8%、1 001.3 MPa、1 124.3和10.81 MPa·m
1/2
。
2021 Vol. 26 (3): 202-210 [
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211
温压固化结合CVI增密制备石墨基复合材料的微观结构与性能
张洋, 李国栋, 韩前武, 姜毅, 王洋
以天然鳞片石墨粉、中间相沥青粉以及短炭纤维为原料,采用温压固化结合化学气相渗透(chemical vapor infiltration, CVI)的方法制备石墨基复合材料。通过X射线衍射分析、扫描电镜和偏光显微镜以及力学性能与导热性能测试等手段,研究CVI沉积热解炭(pyrolytic carbon,PyC)对石墨基复合材料微观结构与性能的影响。结果表明：与单纯掺杂短炭纤维的石墨基复合材料相比,通过CVI增密在复合材料内部引入PyC,材料的抗弯强度从22.5 MPa显著提高到55.9 MPa,同时复合材料的微晶尺寸增大,石墨化度提高,从而使材料的导热性能提高,热导率由213.24 W/(m·K)提高到242.80 W/(m·K)。
2021 Vol. 26 (3): 211-218 [
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219
氮掺杂碳包覆多孔硅微球的制备及电化学性能
柏凌鸿, 白玉婷, 雷霆
以铝硅合金(AlSi)粉末为原料,采用脱合金法获得多孔硅(porous silicon, P-Si)微球。再采用原位化学聚合法在P-Si微球表面包覆聚吡咯(PPy),得到PPy包覆的P-Si微球(P-Si@PPy),最后将P-Si@PPy置于Ar气氛中在800 ℃下煅烧3 h得到氮掺杂碳包覆多孔硅(nitrogen-doped carbon-coated porous silicon, P-Si @NC)微球。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及电化学测试等手段对材料的形貌、结构及电化学性能进行表征。结果表明,多孔硅微球直径在1 μm左右,氮掺杂碳层的厚度约为18 nm。将P-Si@NC复合材料应用于锂离子电池负极,在0.1 A/g电流密度下首次放电比容量高达2 609.2 mAh/g,首次库伦效率达87.52%,充放电循环50次后放电比容量仍能达到1 574.8 mAh/g,展示出优异的电化学性能。P-Si@NC微球的多孔结构为嵌/脱锂过程中硅的膨胀/收缩提供了缓冲空间,氮掺杂碳层既作为保护层维持颗粒的完整性,又加速了锂离子和电子转移。
2021 Vol. 26 (3): 219-226 [
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227
晶粒尺寸梯度分布对316L不锈钢耐腐蚀性能的影响
蔡锋, 方铁辉
采用表面机械碾压处理,在316L不锈钢表面制备出纳米晶-粗晶梯度过渡结构,对纳米晶、梯度区和粗晶区样品分别进行化学浸泡实验和电化学腐蚀实验,测试其腐蚀速率、腐蚀电位和点蚀电位等腐蚀性能参数,并对不同状态样品上钝化膜的形态、元素组成、织构及残余应力进行分析,研究晶粒尺寸梯度分布对316L不锈钢耐腐蚀性能的影响。结果表明,纳米晶和粗晶样品浸泡20 h出现稳定腐蚀坑,而梯度区样品浸泡50 h依然保持表面完整。腐蚀电位从纳米晶的-230 mV提高到梯度区的-4 mV,同时腐蚀电流从纳米晶的0.137 A/cm
2
下降到0.036 A/cm
2
。晶粒尺寸梯度分布不改变钝化膜形成动力学,梯度区表面钝化膜优异的耐蚀性能与其形成厚度较大、较完整致密且残余应力较小的钝化膜有关。
2021 Vol. 26 (3): 227-234 [
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235
N
2
气压对CrWN涂层结构及性能影响
何世斌, 陆惠宏, 田灿鑫, 刘怡飞, 李助军
采用电弧离子镀技术制备CrWN涂层,研究沉积N
2
气压对CrWN涂层的微观结构、形貌、沉积速率、硬度及摩擦学性能的影响。利用SEM,XRD和XPS检测/表征CrWN涂层的晶体结构、形貌及成分;利用硬度计、磨损仪和轮廓仪分别测试CrWN涂层的硬度、摩擦因数及磨损率。结果表明,CrWN涂层为面心立方结构,随着沉积N
2
气压的升高,CrWN涂层的(111)和(200)衍射峰强度明显增强,涂层表面大颗粒数量和尺寸逐渐减小,沉积速率最高1.13 μm/h;当N
2
气压由0.5 Pa升高到1.0 Pa时,CrWN涂层的显微硬度(HV)由1 900增大到2 010,随着N
2
气压进一步升高,CrWN涂层硬度有所降低;CrWN涂层平均摩擦因数稳定在0.5左右,在N
2
气压2.0 Pa时磨损率达到最大值5.4×10
-7
mm
3
/(N∙m),明显低于CrN涂层的摩擦因数0.7和磨损率6.7×10
-7
mm
3
/(N∙m)。
2021 Vol. 26 (3): 235-242 [
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243
TiH
2
粉末制备钛合金的组织与力学性能
陈奏君, 林泽华, 段中元, 祝贤智, 周承商
以TiH
2
粉末为原料,分别在1 100、1 150和1 200 ℃进行真空烧结,制备粉末冶金纯Ti以及Ti-6Al-4V与Ti-5Al-2.5Fe合金,研究烧结温度对合金密度、微观组织和力学性能的影响。结果表明：随烧结温度升高,钛和钛合金的密度均逐渐提高,拉伸性能明显提升。在1 200 ℃真空烧结后,纯Ti的相对密度达98.1%,抗拉强度和伸长率分别为501 MPa和11.3%;Ti-6Al-4V的相对密度为96.2%,抗拉强度和伸长率分别为968 MPa和8.1%;Ti-5Al-2.5Fe的相对密度为96.2%,抗拉强度和伸长率分别为867 MPa和6.7%。这3种材料的拉伸断口均出现大量韧窝,为韧性断裂的断口特征。以TiH
2
粉末为原料制备的钛合金强度和伸长率均达到钛合金的标准性能要求。
2021 Vol. 26 (3): 243-249 [
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250
氮化硅晶须/氮化铝颗粒/聚酰亚胺复合材料的制备及性能
吴运香, 雷霆, 高纪明, 杨阳
高导热聚酰亚胺复合材料因具有良好的综合性能,在集成电子电路、航空航天等领域具有较好的发展前景。采用导热系数较高的氮化硅晶须和氮化铝颗粒作为无机填料,用钛酸酯偶联剂进行表面改性,原位合成氮化硅晶须/氮化铝颗粒聚酰亚胺(AlN/Si
3
N
4
/PI)复合材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、Hot Disk试验仪和拉伸试验机对复合材料进行结构和性能表征。结果表明：当AlN/Si
3
N
4
体积比为4:2时,复合填料在基体中可形成较好的导热网络,当填料的体积分数达到30%时,复合材料的导热系数最大,为0.84 W/(m·K)。复合材料的力学性能随填料含量的增加而降低,耐热性能随填料含量的增加而提高。
2021 Vol. 26 (3): 250-256 [
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257
ZrN掺杂对热压-热变形制备钕铁硼磁体磁性能和电阻率的影响
白杨, 王梓良, 李雅婧, 左思源, 方以坤, 朱明刚, 黄光伟, 郑立允
以NdFeB粉和ZrN粉为原料,通过真空热压烧结与热压变形,制备ZrN掺杂量(质量分数)为0~5%的NdFeB磁体,研究ZrN掺杂对NdFeB磁体密度、电阻率与磁性能的影响。结果表明,随
w
(ZrN)增大,热压烧结态磁体的密度先增加后降低;热压变形后的NdFeB磁体,中心部位的磁性能最佳,沿径向逐渐变差,并且随
w
(ZrN)增加,磁体的电阻率增大,但磁性能整体下降较明显。
w
(ZrN)为1%的热变形磁体具有较好的磁性能,剩磁为1.362 T,矫顽力为865.5 kA/m,最大磁能积为349.6 kJ/m
3
,同时电阻率达到250 μΩ∙cm,比未掺杂NdFeB磁体的电阻率(230 μΩ∙cm)提高8.7%,达到作为稀土永磁电机中转子的使用要求。
2021 Vol. 26 (3): 257-262 [
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263
Ni含量对Cu-Ni-Ag合金固溶强化行为的影响
王靖瑛, 吕信群, 陈仕奇, 高阳, 刘咏
设计不同Ni含量的Cu-Ni-Ag合金成分,将空气熔炼加气雾化法制备的合金粉末经热压制备成合金块体,随后进行轧制及退火。结果表明：通过成分和组织优化,成功制备了具有较高强度和良好塑性的Cu-Ni-Ag合金。Cu-Ni-Ag合金的强化机制以固溶强化和位错强化为主。Ni导致Ag在合金中的固溶度降低,但固溶强化作用显著;富Ag析出相的数量随Ni含量增加而增加;Ag析出相可在晶界钉扎和阻碍位错运动,从而提高合金的室温强度。
2021 Vol. 26 (3): 263-271 [
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272
碱热处理对Ti-Ta复合材料表面组织结构的影响
陈曼可, 刘咏, 徐圣航, 黄千里
Ti-Ta复合材料具有比强度高、模量低和生物相容性好等特点,在生物医疗和化工等领域具有重要应用。本文选用Ti和Ta两种粉末为原料,通过放电等离子烧结与热变形方法制备高致密的Ti-20%Ta(摩尔分数)复合材料。通过表面喷砂和碱热处理改性材料表面状态,对材料进行显微组织分析。结果表明：Ta颗粒均匀分布在Ti基体中,Ta与Ti的界面具有一定的成分梯度,但扩散范围较小。相较于喷砂处理的Ti-Ta复合材料表面,经过喷砂与碱热双重处理的Ti-Ta复合材料具有更好的细胞相容性。改性后Ti-Ta复合材料生物学性能改善的原因可能是表面形成的纳米孔隙结构有助于蛋白质吸附,以及表面生成的钛酸钠与钽酸钠对蛋白质有更好的吸附性。因此,表面碱热处理是提高Ti-Ta复合材料生物相容性的有效手段。
2021 Vol. 26 (3): 272-277 [
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278
料浆刷涂针刺法制备C
f
/C-ZrB
2
复合材料及其力学性能
史琦, 李国栋, 王洋, 姜毅
以天然石墨粉、ZrB
2
粉末、醇溶性酚醛树脂粉末及炭纤维毡、炭纤维无纬布为原料,采用料浆刷涂、针刺、温压固化、高温碳化工艺,结合化学气相沉积工艺,制备C
f
/C-ZrB
2
复合材料。通过阿基米德排水法测试密度及孔隙率,采用扫描电镜分析及力学性能测试等手段,研究料浆固含量对C
f
/C-ZrB
2
多孔坯体中基体粉末分布的影响,以及对C
f
/C-ZrB
2
复合材料力学性能的影响。结果表明：料浆固含量增加,坯体中基体粉末分布的均匀性提高,材料力学性能随浆料固含量的增加呈现先升后降的趋势,当料浆固相体积分数为15%时,材料抗弯强度达到121.86 MPa。
2021 Vol. 26 (3): 278-284 [
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