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2023年 28卷 2期
出版日期：2023-04-15
工艺技术
理论研究
理论研究
93
石墨烯-碳纳米管/WC陶瓷刀具材料的裂纹扩展与力学性能预报模拟
赵文龙, 孙加林, 皇志富, 赵乐, 李晓
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022069
计算机模拟技术的迅猛发展,为陶瓷刀具材料的性能预报和高通量制备提供了理论和技术支持。本文基于Python软件构建含有石墨烯(graphene, 缩写为G)和碳纳米管(carbon nanotube, CNT)的WC陶瓷刀具材料微观结构的参数化模型与力学性能预报模型,研究G-CNT对WC刀具材料微观组织与裂纹扩展行为的影响规律。结果表明：与单一G相比,三维G-CNT空间结构可进一步提升WC陶瓷刀具材料的性能,G-CNT的质量分数为0.4%时,刀具材料的综合力学性能最优。强韧化机理主要包括G-CNT强弱界面超混杂分布、材料断裂模式转变和裂纹偏转等。
2023 Vol. 28 (2): 93-112 [
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工艺技术
113
基于粉末床技术放电等离子烧结Si
3
N
4
陶瓷圆柱体
蔡培彬, 顾乾坤, 郭伟明, 罗嗣春, 林华泰
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022083
将平均粒径分别为150 μm和50 μm的SiC粉体与平均粒径分别为150 μm和50 μm的石墨粉体混合,得到粗粉末床(150 μm SiC+150 μm石墨)与细粉末床(50 μm SiC+50 μm石墨),粉末床中SiC与石墨的体积分数均为50%。采用粉末床技术对圆柱形Si
3
N
4
陶瓷预烧体进行放电等离子烧结,研究粗、细粉末床、预烧温度(1 400 ℃和1 500 ℃)和粉末床回收对等离子烧结Si
3
N
4
陶瓷圆柱体的变形程度、致密度、物相组成和显微结构的影响。结果表明,采用粗粒径粉末床、1 500 ℃预烧温度和回收使用一次的粉末床制备的Si
3
N
4
陶瓷圆柱体,横截面形状保持度最高,达到93%,维氏硬度和断裂韧性分别为(18.73±0.24) GPa和(3.64±0.23) MPa∙m
1/2
。Si
3
N
4
陶瓷的主相为α-Si
3
N
4
,晶粒形貌为等轴状。通过引入粉末床可克服放电等离子烧结制备Si
3
N
4
陶瓷制品的形状限制,有望实现高性能异形Si
3
N
4
陶瓷的制备。
2023 Vol. 28 (2): 113-119 [
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120
TaC对SiC涂层高温耐烧蚀性能的影响
罗骁, 陈晔松, 康盼, 方家, 杨鑫, 黄启忠
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022090
以Si粉和Ta
2
O
5
粉为原料,采用包埋反应工艺在C/C复合材料表面制备SiC涂层和SiC-TaC复合涂层,通过X射线衍射、扫描电镜和高温等离子火焰(2 300 ℃左右)烧蚀实验,研究TaC对SiC涂层微观结构、高温耐烧蚀性能的影响和影响机理。结果表明：TaC可有效提升SiC涂层的高温耐烧蚀性能。经30 s等离子火焰烧蚀后,SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为(0.189 2±0.080 0) mg/s和(1.386 7±0.120 0) μm/s,而SiC-TaC复合涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为(0.062 7±0.050 0) mg/s和(0.893 9±0.070 0) μm/s,比SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率分别降低66.86%和35.54%。SiC-TaC复合涂层的高温耐烧蚀性能提高主要与涂层的高温稳定性增强及烧蚀过程中熔融Ta
2
O
5
相的自愈合作用有关。
2023 Vol. 28 (2): 120-128 [
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129
磁响应光子晶体四氧化三铁的制备及磁致变色
田兆霞, 吴志生, 肖威, 许高杰, 刘丰华
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023001
用三氯化铁(FeCl
3
)提供铁源,分别以2种不同化学结构的聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)(poly styrene sulfonic acid-co-maleic acid PSSMA)钠盐作为表面活性剂,采用溶剂热法制备磁响应四氧化三铁(Fe
3
O
4
)纳米颗粒。研究不同结构的PSSMA表面活性剂和反应条件对Fe
3
O
4
纳米颗粒形貌、粒径与光学性能的影响。结果表明,在强碱环境下,以
n
(SS)∶
n
(MA)=1∶1的PSSMA作表面活性剂制备的Fe
3
O
4
粒子表面粗糙,为近球形,粒径随水量增加而增大;在弱碱条件下,以
n
(SS)∶
n
(MA)=3∶1的PSSMA为表面活性剂制备的Fe
3
O
4
粒子表面光滑,为规则球形,粒径随Fe
3+
含量增加而增大。在弱碱环境下,由于PSSMA(3∶1)表面含有更丰富的磺酸基,更适合生成粒径均一、单分散性好且具有优异超顺磁性的Fe
3
O
4
纳米颗粒。该Fe
3
O
4
纳米颗粒分散体系在外磁场作用下可快速形成有序光子晶体纳米颗粒群,获得优异的可调结构色。
2023 Vol. 28 (2): 129-140 [
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141
挤出式3D打印工艺制备WC-10Co硬质合金的显微结构与力学性能
祝贤智, 成会朝, 周承商, 刘咏
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023009
传统方法制备复杂构件的硬质合金产品难度大,成本高,影响了硬质合金的持续发展。采用挤出式3D打印成形硬质合金打印样,经溶剂脱脂、热脱脂和气压烧结制备WC-10Co硬质合金样品,研究打印参数、脱脂工艺和烧结温度对样品的显微组织与力学性能的影响。结果表明,采用不同的喷嘴尺寸,可调节打印样的表面粗糙度与尺寸精度,使用溶剂-热脱脂两步法脱脂后脱脂坯形状与尺寸稳定,烧结后该合金的组织分布均匀,在1 450 ℃烧结后合金硬度为87.3 HRA,抗弯强度超过3 500 MPa,性能媲美常规粉末冶金方法制备的合金。
2023 Vol. 28 (2): 141-150 [
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151
Sm
3+
/Ce
3+
共掺杂B
2
O
3
-Al
2
O
3
-SiO
2
玻璃的结构和激光吸收性能
吕雪娟, 苏玉长, 王丽容, 卢庆叶
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023012
在硼铝硅酸盐玻璃(43B
2
O
3
-25Al
2
O
3
-32SiO
2
)中进行Sm
3+
/Ce
3+
共掺杂,采用固相熔融法制备(B
2
O
3
-Al
2
O
3
-SiO
2
)-20Sm
2
O
3
-
x
CeO
2
(
x
为0~6%,摩尔分数)玻璃,借助X射线衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见-近红外分光光度计等表征方法研究玻璃的结构和激光吸收性能。结果表明,所有样品均为玻璃状,Sm
3+
和Ce
3+
均匀分布。随CeO
2
的摩尔分数从0增加到2%,玻璃中桥氧的摩尔分数从60.12%增加到63.82%,而当CeO
2
的摩尔分数增加到6%时,桥氧的摩尔分数下降到59.41%。CeO
2
摩尔分数为2%时玻璃的激光吸收性能最好,漫反射吸收峰位为1 076 nm,漫反射率为48.10%。Sm
3+
/Ce
3+
共掺杂的硼铝硅酸盐玻璃是一种很有前景的1.06 μm波长激光的吸收材料。
2023 Vol. 28 (2): 151-159 [
摘要
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160
用于凝胶注模成形的SiC/炭黑浆料的黏度控制
郭金玉, 倪振涛, 刘鹏, 杨小乐, 李远兵, 杨现锋
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022093
制备用于凝胶注模成形的SiC/炭黑浆料,采用旋转黏度计和Zeta电位测量仪表征浆料的黏度及稳定性,研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和浆料制备工艺参数对炭黑浆料分散性的影响,分析影响SiC/炭黑凝胶注模浆料黏度的主要因素。结果表明：PVP在炭黑颗粒表面的吸附可增大炭黑在水中的Zeta电位绝对值,同时提高炭黑颗粒之间的空间位阻斥力,从而改善炭黑颗粒在水中的分散。PVP在炭黑浆料中的最佳添加量为2.25 mg/m
2
,浆料的最佳球磨时间为9 h。在SiC粗细颗粒级配为2∶1,炭黑质量分数为6%,单体质量分数为15%的优化工艺条件下,得到黏度适中的高固相含量浆料,适应于凝胶注模成形。
2023 Vol. 28 (2): 160-169 [
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170
选区激光熔化成形Al-Ce-Sc-Zr合金的工艺优化与组织性能
杨紫微, 陈超, 吴谊友, 周科朝
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023004
以气雾化Al-10Ce-0.4Sc-0.2Zr(质量分数)预合金粉末为原料,采用选区激光熔化(selective laser melting, SLM)法制备Al-Ce-Sc-Zr合金。通过光学显微镜和室温拉伸实验等研究激光功率和扫描速度对合金致密度与力学性能的影响,优化工艺参数;并采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等研究最佳工艺参数下SLM成形的合金共晶组织形貌、物相组成和晶粒尺寸等。结果表明,激光功率和扫描速度跟合金致密度和力学性能之间呈非线性关系;随激光能量密度升高,合金致密度和力学性能先上升后下降。在激光功率为350 W、扫描速度为2 000 mm/s的最优参数下成形的Al-Ce-Sc-Zr合金,致密度达到99.92%,抗拉强度和屈服强度分别为(441±3) MPa和(370±18) MPa,伸长率为(9.4±0.9)%。SLM成形Al-Ce-Sc-Zr合金具有柱状晶和等轴晶交替分布的晶粒组织,晶粒取向较随机,不存在明显的织构。合金由α-Al和Al
11
Ce
3
相组成,Sc、Zr原子主要以固溶的形式存在于α-Al中,共晶Al
11
Ce
3
相为不规则的条带状,平均宽度为35 nm,排列成不连续的复杂网络,共晶组织十分精细,且分布均匀。
2023 Vol. 28 (2): 170-179 [
摘要
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180
硬质合金晶粒度对其表面金刚石涂层的影响
花腾宇, 夏鑫, 马莉, 魏秋平, 石鹏程
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023013
采用热丝化学气相沉积法在不同晶粒度(0.4、0.6、1.0和2.0 μm)的YG6硬质合金表面沉积硼掺杂金刚石涂层,通过扫描电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪及洛氏硬度计对金刚石涂层的形貌、结构、成分、结合性能等进行分析,研究硬质合金晶粒度对金刚石涂层生长和结合性能的影响。结果表明,随硬质合金的晶粒度从0.4 μm增大到2.0 μm,金刚石的晶粒尺寸逐渐增大且均匀性更好,金刚石拉曼峰和石墨拉曼峰的峰强比(
I
D
/
I
G
)从4.74增加到6.53。膜基结合性能与涂层的内应力、金刚石的半峰宽之间都有较好的相关性,均受基体合金晶粒错配度的影响,涂层的内应力还受掺硼的影响。当硬质合金晶粒度为2.0 μm时,金刚石涂层的
I
D
/
I
G
比值最大,为6.53;涂层的内应力最小,仅为1.588 GPa;膜基结合性能最优,在600 N压力下达到HF1级。
2023 Vol. 28 (2): 180-191 [
摘要
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192
氩气雾化Sc、Y微合金化René104镍基高温合金粉末的组织与性能
曹镔, 刘祖铭, 王建川, 魏冰, 周欢, 张亚洲
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2022054
采用氩气雾化法制备Sc、Y微合金化René104镍基高温合金粉末,分析粉末的粒径分布、形貌、显微组织与性能。结果表明：氩气雾化粉末球形度高,卫星粉和异形粉少,粒径小于53 μm的粉末收得率(质量分数)高达52.52%。粉末内部结构致密,显微组织为等轴晶+树枝晶,晶界处出现Ti、Nb、Ta、Mo元素的偏析。经过Sc、Y微合金化的René104镍基高温合金雾化粉末性能得到改善,流动性好,松装密度高,显微硬度、纳米硬度(HV)和弹性模量分别达到360±6、(6.5±0.4) GPa和(102.1±10.6) GPa。
2023 Vol. 28 (2): 192-202 [
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