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2022年 27卷 2期
出版日期：2022-04-15
工艺技术
理论研究
综合评述
综合评述
121
3D打印铜及铜合金的研究进展
吴谊友, 丁柔, 陈超, 李瑞迪, 周科朝
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021084
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。
2022 Vol. 27 (2): 121-128 [
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理论研究
129
三种制动环与铜基摩擦材料配副的摩擦温度场研究
赵恒阳, 林雪杨, 刘如铁, 陈洁, 李政舟, 熊翔, 廖宁
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021110
基于MM-1000摩擦磨损试验机,结合试验和仿真模拟,评估不同配副摩擦组件的温度场和热量分配情况。利用Workbench仿真平台,按照样品实际尺寸建立模型,用有限元分析方法研究不同制动初速度下,碳陶环、合金钢环、铸钢环分别与自制粉末冶金铜基摩擦材料配副时的摩擦温度场,对比分析3组摩擦副在制动过程中热量的分配情况。结果表明：碳陶环的温度场与铸钢环、合金钢环的温度场存在较大差异,碳陶环摩擦表面的温升远高于合金钢环和铸钢环,轴向也表现出较大的温升和温度梯度;在热流分配中,与合金钢环和铸钢环配副时对比,粉末冶金铜基摩擦材料与碳陶环配副时分配的热量更多,表现出更大的温升,这对与碳陶材料配副的对偶材料的高温摩擦磨损性能提出了更高的要求。
2022 Vol. 27 (2): 129-139 [
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工艺技术
140
粉末热挤压7075铝合金的显微组织与力学性能
井萃汝, 张建涛, 温利平, 肖志瑜
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021092
采用粉末热挤压法制备7075铝合金棒材,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和 X射线衍射仪(XRD)分析材料的显微组织,测定材料的拉伸性能,研究挤压比对7075铝合金棒材组织与力学性能的影响,并对强化机制进行理论计算。结果表明：在500 ℃、挤压比分别为9、16、25、36条件下进行热挤压,挤压过程中有大量第二相MgZn
2
脱溶析出。随挤压比增大,粉末颗粒间的冶金结合更加充分,合金的抗拉强度与伸长率提高,挤压比为36的合金抗拉强度达到492 MPa,伸长率为27.6%,断裂方式为韧-脆性混合断裂,强化机制为细晶强化、位错强化、第二相强化与固溶强化共同作用。
2022 Vol. 27 (2): 140-150 [
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151
浆料注射法制备C
f
/SiC-ZrC复合材料的力学和抗氧化性能
姜毅, 李国栋, 于士杰, 王洋
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021096
以SiC粉和ZrC粉为原料,配制固含量体积分数为30%的水基陶瓷浆料,分别采用浆料注射法和真空浸渍法将浆料引入到密度为0.2 g/cm
3
的碳纤维预制体中,结合化学气相渗透和反应熔渗工艺制备C
f
/SiC-ZrC复合材料。观察分析素坯和C
f
/SiC-ZrC复合材料的形貌与组织结构,测定复合材料的密度、开孔率、抗弯强度和抗氧化性能等。结果表明,相比真空浸渍法,浆料注射法能一次将SiC粉和ZrC粉均匀引入碳纤维预制体中,坯体体积一次填充率为37.3%。注射法制备的复合材料平均密度为2.91 g/cm
3
,中心和外层的抗弯强度相差较小,分别为41.12 MPa和43.90 MPa,材料的断裂方式均表现为假塑性断裂。样品在空气中氧化120 min后,表面形成较连续致密的氧化层,氧化趋于平衡稳定,表现出较好的抗氧化性能。
2022 Vol. 27 (2): 151-160 [
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161
Mo
2
C增强M2高速钢球磨粉末的致密化及力学性能
陈楠, 龙学湖, 滕浩, 李志友
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021100
采用高能球磨对M2高速钢粉末进行破碎,然后添加含量(质量分数,下同)为0~10%的碳化钼(Mo
2
C)粉末,混合均匀后将混合粉末冷压成形,在真空下烧结得到M2钢与Mo
2
C增强M2钢,研究烧结样品的致密化行为和力学性能,分析Mo
2
C对M2钢粉末烧结致密化的影响。结果表明,高能球磨对原料粉末的细化可提高粉体的烧结活性,促进压坯在烧结中期的致密化。通过1 180 ℃固相烧结获得近全致密(相对密度>98%)的M2钢与Mo
2
C增强M2钢。烧结过程中,Mo
2
C在950 ℃基本完全与Fe基体反应转变为M
6
C相,由此带来的反应烧结与活化烧结促进了烧结中期坯体致密度的提高。烧结中后期形成的大量弥散分布的M
6
C与M
2
C碳化物可抑制基体晶粒长大,提高烧结体的硬度和抗弯强度。添加10%Mo
2
C烧结所得M2钢的抗弯强度达到3 135 MPa,硬度(HRC)达到59.6。通过原料粉末细化、Mo
2
C的反应扩散以及金属颗粒的氧化还原反应能有效提高M2高速钢的烧结性能和力学性能,有望为其他难烧结高速钢的制备提供技术参考。
2022 Vol. 27 (2): 161-170 [
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171
约束氢致密化处理对粉末冶金Ti-6Al-4V合金致密度与力学性能的影响
段中元, 陈奏君, 祝贤智, 刘彬, 刘咏, 梁霄鹏, 周承商
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021104
以氢化钛粉和6Al-4V预合金粉为原料,采用真空烧结法制备Ti-6Al-4V合金,然后在高纯氢气气氛中进行约束氢致密化处理,再真空退火去除合金中残余的氢。用光学显微镜观察Ti-6Al-4V合金的显微组织与形貌,测定合金的密度和拉伸性能,并用MTS-810液压伺服疲劳试验机进行疲劳性能测试。结果表明：约束氢致密化处理可使粉末冶金Ti-6Al-4V合金的残余孔隙率从2.5%降低至1.3%,致密度达到(98.7±0.3)%。约束氢致密化处理后,合金的抗拉强度从(936±18) MPa提高到(959±10) MPa,伸长率从(6.7±1.6)%提升到(12±1.1)%。同时疲劳性能得到改善,在0.5%循环应变幅条件下循环周次达到4 670周次。
2022 Vol. 27 (2): 171-179 [
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180
真空热压时间和压力对CoCrCuFeNi高熵合金组织与力学性能的影响
赵振国, 朱和国
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021102
采真空热压法在900 ℃下制备CoCrCuFeNi高熵合金,研究热压时间和压力对合金微观组织及力学性能的影响。结果表明：烧结压力为10 MPa时,所有CoCrCuFeNi高熵合金均含双FCC相和少量富Cr相。随热压时间延长,富Cr相的尺寸增大,合金的抗压强度和硬度先升高后降低。热压时间为1.5 h时,随热压压力从10 MPa升高至30 MPa,合金中富Cu的FCC相与贫Cu相分离现象消失。随热压压力增大,高熵合金的抗压强度先升高后降低,但硬度无明显变化。当热压时间为1.5 h、压力为20 MPa时,合金的抗压强度最高,达到1 229 MPa,硬度(HV)为3136 MPa。
2022 Vol. 27 (2): 180-186 [
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187
C/C-SiC-Cu复合材料的弯曲性能
白凯伦, 张欢, 尹健, 熊翔, 张红波, 谢冯旻煜
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021106
以炭纤维无纬布/网胎针刺整体毡为增强体,先采用化学气相渗透法(chemical vapor infiltration, CVI)沉积热解炭制备C/C多孔体,之后使用CVI沉积SiC和压力熔渗Cu制备C/C-SiC-Cu复合材料。研究C/C多孔体密度和SiC含量(体积分数
φ
,下同)对C/C-SiC-Cu复合材料弯曲性能的影响。结果表明,随着C/C多孔体密度和SiC含量增加,热解炭和SiC在炭纤维周围形成具有较高结合强度的界面,二者的增强作用得以充分发挥,C/C-SiC-Cu复合材料的抗弯强度显著增加。弯曲断裂时,热解炭和SiC基体对炭纤维的拔出有抑制作用,C/C-SiC-Cu复合材料的载荷-位移曲线呈起伏台阶式下降,表现出明显的假塑性断裂特征。
2022 Vol. 27 (2): 187-195 [
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196
激光熔覆马氏体/铁素体涂层的组织与抗磨耐蚀性能
张磊, 陈小明, 霍嘉翔, 张凯, 曹文菁, 程新闯
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021090
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
9.7
Mo
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。
2022 Vol. 27 (2): 196-204 [
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205
选区激光熔化增材制造高强度Al-Mg-Sc-Zr合金的微观组织与力学性能
朱溪, 袁铁锤, 王敏卜, 黄岚, 李瑞迪, 吕亮, 易出山, 罗强
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021103
以气雾化预合金粉末为原材料,采用选区激光熔化(selective laser melting, SLM)成形制备Al-Mg-Sc-Zr合金。采用光学显微镜、扫描电子显微镜及室温拉伸实验等研究激光功率对合金缺陷、微观组织及力学性能的影响。结果表明,SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金具有细等轴晶和粗柱状晶交替出现的混晶组织,在细等轴晶区存在明显的元素偏析和部分Al
3
(Sc,Zr)析出粒子钉扎晶界。当激光功率由260 W增大到380 W时,试样的孔隙率呈现先减少后增加的趋势,力学性能的变化趋势相反。在最佳激光功率300 W下,试样相对密度达99.4%,仅存在少量因液态金属供应不足造成的小尺寸圆形孔隙;抗拉强度、屈服强度与断裂伸长率分别为429.7 MPa、363.5 MPa和17.7%。经325 ℃时效处理10 h后,合金的抗拉强度、屈服强度与断裂伸长率分别达到530.1 MPa、506.4 MPa和9.0%。
2022 Vol. 27 (2): 205-214 [
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215
湿法成形梯度孔隙结构炭纤维纸的结构与性能
王钰彦, 詹振翔, 谢志勇, 雷霆
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021108
以短切炭纤维为原料,采用湿法成纸技术制备具有不同面密度的炭纤维毡片,再经双层和多层铺叠成形、树脂浸渍和热处理,获得具有梯度孔结构的炭纤维纸,用扫描电镜观察各层的孔隙结构,采用压汞法分析炭纤维纸的孔隙度和孔径分布,应用多孔分析仪测试炭纤维纸的透气率。结果表明,炭纸具有梯度层级结构,石墨化度达到93.14%,多层炭纸的平均孔隙率为75.5%,双层炭纸的平均孔隙率为81.4%。多层炭纸的透气率为5 272 m/(kPa·h)、面内电阻率为11.78 mΩ·cm、抗拉强度和抗弯强度分别为20.62 MPa和60.88 MPa,均优于商业炭纸。此外,梯度孔结构炭纸在酸性介质中表现出优于商业炭纸的耐腐蚀性能。
2022 Vol. 27 (2): 215-223 [
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224
外交变磁场对碳纸原位负载MOFs衍生氮掺杂多孔碳OER性能的影响
李玉玲, 王垣力, 李冬云, 覃航, 郭文明, 刘小磐, 高朋召, 肖汉宁
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021094
采用溶剂热法在碳纸(carbon paper, CP)表面分别原位负载2种金属有机框架(metal organic frame, MOFs)前驱体(记为Zn-MOF-74和ZIF-8),经900 ℃高温热处理后前驱体衍生为氮掺杂多孔碳,得到氮掺杂多孔碳@CP电催化剂材料,分别记为CP-Zn-MOF-74-900-N
2
和CP-ZIF-8-900-N
2
。研究CP的组成、孔结构以及外磁场强度对电催化剂OER(oxygen evolution reaction,析氧反应)性能的影响。结果表明,原位负载的ZIF-8在CP的纤维表面形成致密的棱形十二面体颗粒层,热处理后在纤维表面形成均匀的纳米级氮掺杂碳材料。ZIF-8-900-N
2
的比表面积为1 559 m
2
/g,孔径为0.57 nm,孔容为1.59 cm
3
/g,具有最佳的磁性能和磁致发热性能。碳纸和氮掺杂多孔碳@CP材料中,CP-ZIF-8-900-N
2
具有最小的OER过电势和Tafel斜率,分别为334 mV(电流密度为10 mA/cm
2
,经过iR矫正)和187 mV/dec (decade,十进)。当存在外磁场时,随磁场强度增大,催化剂的OER过电势先降低然后稳定不变,当外磁场强度为5.54×10
-3
T时,CP-ZIF-8-900-N
2
的过电势达到最小值,为316 mV(没有经过iR矫正),比未引入磁场时下降约20.4%,这主要归因于磁流体动力学效应导致气泡尺寸减小、气泡聚结增强,使得气泡从电极表面的解吸得到改善。
2022 Vol. 27 (2): 224-236 [
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