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2022年 27卷 1期
出版日期：2022-02-15
工艺技术
理论研究
综合评述
综合评述
1
粉末冶金法制备协同增强铜基复合材料的研究进展
鲍瑞, 张文府, 易健宏, 郭圣达
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021091
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。
2022 Vol. 27 (1): 1-12 [
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理论研究
13
Fe-Nb-Si三元体系相平衡研究
聂玉崧, 闻安东, 章立钢, 邓子旋, 刘立斌
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021086
硅钢具有高矫顽力、低磁导率、大电阻系数等优点,被广泛应用于制造变压器和电机的铁芯材料。添加Nb元素可以提升硅钢的电磁性能,同时细化晶粒,提高力学性能。对Fe-Nb-Si三元合金研究应用的基础是三元相图的研究,本工作通过X射线衍射分析(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和电子探针显微分析(EPMA/WDS)等表征手段,对Fe-Nb-Si三元体系1 173 K和1 073 K下的相平衡进行了分析研究。两个温度下均测得了11个三相平衡区,发现三种三元化合物τ
2
(FeSi
2
Nb
2
)、τ
5
(Fe
4
Si
7
Nb
4
)、τ
6
(FeSiNb)。1 173 K和1 073 K下,Nb在η相(Fe
5
Si
3
)中的最大固溶度分别约为1.6%(摩尔分数,%,下同)和0.5%,Fe在αNb
5
Si
3
的最大固溶度分别约为5.8%和4.9%,Si在Fe
2
Nb中的最大固溶度分别为24.3%和25.2%,Si在μ(FeNb)中的最大固溶度分别为13.4%和11.3%。本工作完善了Fe-Nb-Si三元体系的相图信息,为后续开发新型硅钢提供了理论依据。
2022 Vol. 27 (1): 13-23 [
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工艺技术
24
放电等离子体烧结Al-4.5Cu合金的组织与性能
穆迪琨祺, 曹磊, 张震, 梁加淼, 张德良, 王俊
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021088
利用放电等离子烧结制备Al-4.5Cu(质量分数,%)合金,并对其进行固溶、淬火和时效处理。通过 X 射线衍射、扫描电镜和透射电镜进行结构表征以及拉伸力学性能测试,研究颗粒界面结构和界面析出行为及其对力学性能影响。结果表明：放电等离子烧结Al-4.5Cu合金颗粒界面由Al
2
O
3
纳米颗粒、粗大CuAl
2
相和纳米微孔组成。热处理后,Al-4.5Cu合金颗粒界面附近析出尺寸为150~600 nm的CuAl
2
相,同时形成宽度为 40~60 nm 的无析出区。屈服强度和抗拉强度分别从95 MPa 和229 MPa增加至280 MPa和378 MPa,断后伸长率从11.8%下降为6.0%。强度增加主要归因于热处理过程中析出相的弥散分布,以及材料的致密化;塑性下降主要是由于拉伸变形过程中,无析出区率先发生塑性变形,导致位错从无析出区向颗粒界面附近的 CuAl
2
相堆积,造成应力集中,促使裂纹沿颗粒界面扩展,材料伸长率下降。
2022 Vol. 27 (1): 24-33 [
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34
Cr含量对微波烧结ZK30-0.2Cu-Cr合金组织与性能的影响
徐燕, 张志珍, 季洁, 贾韵熠, 吴佳妮, 裴莺萝, 姬海瑞, 赵明纯
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021073
以ZK30粉末、Cu粉和Cr粉为原料,采用微波烧结法制备Cr含量(质量分数,下同)为0~0.40%的ZK30-0.2Cu-Cr合金。用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪观察和分析合金的显微组织,并测定合金的力学性能、降解性能、抗菌性能和生物相容性,研究Cr含量对ZK30-0.2Cu-Cr合金组织与性能的影响。结果表明,随Cr含量增加,由于Cr在基体中的固溶度增大,合金硬度提高。随Cr含量增加,合金的生物降解速度呈波动变化,在
w
(Cr)为0.1%时,合金表面形成Cr
2
O
3
氧化膜,对基体产生保护作用,合金的生物降解速度最低,但当
w
(Cr)超过0.1%时,固相扩散不完全,残留的Cr单质增加电偶腐蚀,对合金的耐腐蚀性能产生不利影响,生物降解速度增大。此外,所有ZK30-0.2Cu-Cr合金均具有良好的细胞相容性和抗菌能力(抗菌率>93%),其中ZK30-0.2Cu-0.05Cr合金的抗菌性能最好,抗菌率高达99.38%。综合考虑,ZK30-0.2Cu-0.1Cr合金具有良好的力学性能、合适的降解速率、优异的细胞相容性和抗菌性能,是一种有潜力的抗菌生物植入材料。
2022 Vol. 27 (1): 34-44 [
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45
激光定向能量沉积增材修复5083铝合金组织与力学性能
祝弘滨, 华倩, 李瑞迪, 徐荣, 林泽恒, 牛朋达, 袁铁锤
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021095
以Al-Mg-Sc-Zr合金粉末作为修复原料,采用激光定向能量沉积法对开槽5083铝镁合金进行增材修复,用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、室温拉伸试验及显微硬度测试等手段,研究5083铝合金试样修复前后的微观组织与力学性能,同时对不同修复体积占比的试样力学性能进行对比。结果表明：修复区熔合线附近柱状晶呈树枝状,垂直于熔合线方向向基体呈外延生长。修复区为典型的熔池分布,晶粒尺寸为4~9 μm,存在较多孔洞,熔合线和扫描轨道附近析出大量Al
3
(Sc,Zr)颗粒。5083基体材料与开槽修复件的抗拉强度相差不大,分别为190.80 MPa和197.73 MPa,但修复试样的伸长率显著降低。从基体至修复区的2 mm范围内,硬度均值(HV)从50逐渐提高至100。
2022 Vol. 27 (1): 45-55 [
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56
基于高通量的原位制备网状结构TiC增强TC4复合材料的组织与性能
杜康鸿, 柳中强, 张建涛, 温利平, 肖志瑜
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021070
以不同粒度的TC4合金粉末为基体材料,以VC作为碳源,采用高通量热压烧结工艺,原位制备具有不同网状结构尺寸和不同TiC体积分数(分别为2%、4%和6%)的TiC/TC4钛基复合材料,研究TiC含量和TC4粉末粒度对复合材料组织与性能的影响。结果表明,TiC/TC4复合材料中的TiC增强颗粒呈网状分布。与TC4合金相比,TiC/TC4复合材料的组织明显细化。随TiC含量增加,TiC网状结构的厚度增大,材料的抗拉强度与伸长率先升高后下降,TiC含量为2%的复合材料综合性能最优。随TC4粉末粒度减小,TiC/TC4复合材料中的基体组织逐渐细化,基体的连通性提高,材料抗拉强度与伸长率同时提高。采用粒度为40~80 μm的TC4合金粉末为原料制备的2%TiC/TC4复合材料,网状结构尺寸小,综合性能最优,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为946 MPa、1058 MPa和18.1%,较TC4合金分别提高29.6%、31.6%和118.1%。
2022 Vol. 27 (1): 56-65 [
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66
Cu-Cr-Nb合金选区激光熔融工艺参数优化
任亚科, 刘祖铭, 张亚洲, 艾永康, 叶书鹏, 李建, 彭伟才
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021052
采用选区激光熔融(SLM)对氩气雾化Cu-1.93Cr-0.74Nb(摩尔分数)合金粉末进行成形,研究激光功率、扫描速率和扫描间距等工艺参数对试样相对密度、熔池形貌和微观结构的影响。结果表明,SLM工艺参数对Cu-1.93Cr-0.74Nb合金相对密度、冶金缺陷和显微组织的影响呈现非线性关系。当激光功率由300 W上升至400 W时,或扫描速率由500 mm/s上升至1 100 mm/s时,成形件相对密度先升高后降低,孔洞数量和尺寸也呈现出类似的变化规律。相对密度与熔池道的连续性、孔洞数量和尺寸等密切相关。最优参数为激光功率330 W、扫描速率800 mm/s和扫描间距0.1 mm,所制备的Cu-1.93Cr-0.74Nb合金的相对密度达到99.3%,具有以大尺寸晶粒为中心,边缘分布着细小晶粒构成的双峰尺寸晶粒核壳结构和强{110}织构。织构指数和织构强度分别为9.319和7.812。
2022 Vol. 27 (1): 66-76 [
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77
Ni/Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
热电材料的界面性能
况志祥, 马燕, 徐晨辉, 孔栋, 冯波, 樊希安
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021085
Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
热电材料和金属电极之间的阻挡层是热电器件稳定服役的控制性因素,本文以不同温度下退火后的高致密Ni箔和Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
合金为原料,采用放电等离子烧结扩散焊连接法在Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
表面制备Ni层作为Ni/ Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
电极接头的阻挡层。采用X射线衍射仪对阻挡层进行物相分析,用扫描电镜及能谱仪观察和分析电极接头的界面形貌与元素分布。结果表明,在700 ℃退火后的Ni箔具有优良的防扩散效果,扩散厚度为9 μm,用700 ℃退火后的Ni箔与Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
扩散焊结合,获得13.19 MPa的结合强度。随Ni箔的退火温度升高,Ni/Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
界面裂纹明显改善,这是由于随Ni箔退火温度升高,Ni与Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
之间的晶格失配得到改善,从而使Ni层与Bi
0.4
Sb
1.6
Te
3
的连接性能提高。
2022 Vol. 27 (1): 77-82 [
摘要
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83
双位点配位聚合物改性的无钴富锂锰基正极材料电化学性能研究
张思玉, 陈敏健, 马骋, 张春晓, 韦伟峰
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021077
以无钴Li
1.2
Mn
0.53
Ni
0.27
O
2
材料、有机单体乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯(Acetoacetate ethylene glycol methacrylate,AAEM)为原料,采用溶液原位聚合法在无钴Li
1.2
Mn
0.53
Ni
0.27
O
2
材料表面形成有机物包覆层,得到一种高循环稳定性和界面稳定性的层状正极材料。借助透射电子显微镜、X射线光电子能谱、电化学阻抗谱等测试手段,研究AAEM对富锂锰基层状正极材料的影响。结果表明,与原始材料相比,经过AAEM改性的Li
1.2
Mn
0.53
Ni
0.27
O
2
材料在2~4.7 V的电压区间,以1C倍率经300圈循环后,容量保持率可达82%,高于原始材料经300圈循环后的67%。因此借助双位点螯合聚合物包覆层上的配位基团能够与过渡金属离子络合,提高电极/电解质之间的界面稳定性,使正极材料的循环稳定性增加,提高材料的电化学性能。
2022 Vol. 27 (1): 83-91 [
摘要
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92
快速制备C
f
/SiC复合材料的组织与力学性能
王洋, 李国栋, 于士杰, 姜毅
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021083
以SiC粉末、醇溶性酚醛树脂粉末以及炭纤维毡、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,在料浆中酚醛树脂的体积分数分别为10%和15%、温压固化压力分别为8 MPa和20 MPa条件下制备C
f
/SiC多孔预制体,然后通过化学气相渗透法沉积SiC,快速制备C
f
/SiC陶瓷基复合材料。观察和分析复合材料的形貌和组织结构,测定材料的密度、孔隙率、抗弯强度和断裂韧性等性能。结果表明：料浆中的酚醛树脂体积分数较低时,C
f
/SiC复合材料的性能较好,并且随固化压力增加而提高。在酚醛树脂体积分数为10%、温压固化压力为20 MPa条件下得到开孔隙率为13.1%的高致密C
f
/SiC复合材料,该材料的基体较致密,且纤维束和基体之间基本没有孔隙;当材料受到外加载荷时,通过纤维拔出、纤维脱粘和裂纹偏转来提高复合材料的强度和韧性,断裂方式为假塑性断裂,抗弯强度和断裂韧性都较高,分别为570 MPa和18.6 MPa∙m
1/2
。
2022 Vol. 27 (1): 92-101 [
摘要
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102
注射成形生物可降解Fe-Mn合金的制备及性能
章也, 李东阳, 李益民, 罗丰华, 舒畅, 李松
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021089
作为生物可降解材料,Fe-Mn合金具备良好的力学性能和生物相容性,受到广泛关注。本文采用注射成形制备Fe-
x
Mn (
x
=25,30,35,质量分数,下同)合金,研究烧结时间对Fe-Mn合金显微组织、力学性能和体外静态降解性能的影响。研究表明：烧结时间对Fe-Mn合金相组成无明显影响,而Mn含量影响合金的相组成,Fe-35Mn合金主要由奥氏体组成。注射成形Fe-Mn合金平均晶粒尺寸约为10~20 μm,表面Mn损失约为5.8%~10.82%。烧结时间为7 h时,Fe-35Mn合金力学性能最佳,抗拉强度达到358 MPa,伸长率为10.83%,体外静态浸泡降解实验显示,该合金浸泡一天降解速率为1 mm/y,且随腐蚀产物堆积而逐渐降低。
2022 Vol. 27 (1): 102-110 [
摘要
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111
Al-Mg-Sc合金粉末激光定向沉积修复Al-Zn-Mg-Cu铝合金基板的组织及力学性能
唐皓州, 李瑞迪, 祝弘滨, 袁铁锤, 支盛兴, 袁晓星
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021101
激光增材修复技术对节约成本、提升材料服役性能具有重大战略意义,本文采用能量沉积方法对预设槽的Al-Zn-Mg-Cu铝合金基板进行激光修复研究。借助扫描电镜、电子背散射衍射、力学万能试验机等设备对Al-Zn-Mg-Cu铝合金试样修复后组织演化、冶金缺陷、力学性能的变化进行研究。结果表明：激光扫描间距增大易产生裂纹;激光能量输入增大,修复区的孔洞数量增多,且孔洞的形成与Mg的蒸发有关。在部分熔化区和修复区内部熔池边界析出的Al
3
(Sc,Zr)粒子起到晶粒细化的作用。修复区内部与修复区边界处晶粒取向有明显的差别,修复区内部晶粒取向随机而修复区边界处晶粒取向较为一致。拉伸试样大多断裂于受激光热循环影响的母材区域,在扫描速率为600 mm/min,扫描间距为0.8 mm时拉伸样断裂于修复区内部,试样断口存在一定数量的 孔洞。
2022 Vol. 27 (1): 111-120 [
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