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2023年 28卷 3期
出版日期：2023-06-15
工艺技术
理论研究
理论研究
203
过渡金属掺杂TaN硬质涂层的力学性能和电子结构的第一性原理研究
代唯可, 汪炯
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023018
通过第一性原理计算,研究过渡金属(transition metal, TM)元素掺杂氮化钽(Ta
7
TMN
8
,TM=Ti、V、Cr、Y、Zr和Hf)的结构稳定性、力学性能和电子结构。根据对结构和稳定性的计算结果可知,所有的掺杂化合物均能量稳定,Ta
7
TiN
8
在能量上比其他掺杂化合物更有利;Y、Zr和Hf的掺入使得TaN晶格和体积膨胀,而Ti、V和Cr则相反。通过对力学性能的计算可知,Ti和V的掺入对TaN的剪切模量、弹性模量和理论硬度有较明显的提升,掺Cr对TaN的体积模量有一定的提升,但是会大幅降低理论硬度。基于Ta
7
TMN
8
总态密度和分态密度计算结果,费米能级附近存在态密度,表明所有化合物都具有金属性质,由于Ti-3d、V-3d和Cr-3d轨道在费米能级上的贡献比其他TM原子大得多,使得Ta
7
TiN8、Ta
7
VN
8
和Ta
7
CrN
8
具有更高的金属性。
2023 Vol. 28 (3): 203-211 [
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212
近β钛合金Ti-55511热塑性变形的流变应力分析与Arrhenius本构方程研究
罗登, 胡斌, 王振, 周文浩, 孔玢, 张晓泳
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023027
主要研究Ti-55511钛合金在变形温度为700~850 ℃、应变速率为0.01~10 s
-1
、真应变为0.6条件下的热压缩变形行为。结果表明,Ti-55511钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著,峰值应力随变形温度降低和应变速率升高而升高。为消除热压缩过程中的温升效应,提高模型的准确性,本文采用新的温度修正方法,即通过Arrhenius方程推导,并利用数学外推法,对实验流变应力曲线进行温度修正,修正结果表明,变形温度越低、应变速率越高,温升和流变应力增量越大。在温度修正的基础上,建立基于应变补偿的Arrhenius本构方程,用该本构方程预测的流变应力与实测流变应力之间的相关系数(
R
2
)和平均绝对相对误差(average absolute relative error, AARE)分别为0.991和6.65%,表明用本构方程能够精确地预测不同热变形条件下的流变应力。
2023 Vol. 28 (3): 212-222 [
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工艺技术
223
溶胶凝胶、碳热/硼热还原法制备ZrB
2
-SiC-LaB
6
超细复相粉体
周哲, 夏大旺, 李智, 廖桓毅, 金鑫
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023005
以氧氯化锆(ZrOCl
2
∙8H
2
O)、硼酸(H
3
BO
3
)、水合氯化镧(LaCl
3
∙7H
2
O)、正规酸乙酯(TESO)和葡萄糖(C
6
H
12
O
6
)为主要原料,以聚乙二醇(PEG)为分散剂,采用溶胶凝胶法和碳热/硼热还原工艺制备ZrB
2
-SiC-LaB
6
超细复相粉体。利用X射线衍射、扫描电镜、红外光谱和差示扫描量热分析等对ZrB
2
-SiC-LaB
6
粉体进行表征,研究烧结温度、原料配比对复相粉体合成过程的影响。结果表明,当原料中
n
(Zr)∶
n
(B)∶
n
(Si)∶
n
(La)∶
n
(C)=1∶3∶0.7∶0.16∶8时,在氩气气氛中1 500 ℃保温2 h,可合成高纯ZrB
2
-SiC-LaB
6
超细复相粉体。颗粒平均粒径为300 nm,其中ZrB
2
相为六方晶系,SiC相和LaB
6
相为立方晶系,三元微晶平均尺寸为33.2 nm。
2023 Vol. 28 (3): 223-232 [
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233
印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能
申鹏, 蔡颜玻, 王德志, 刘新利, 段柏华
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023011
以平均粒径为55~112 μm的电解树枝状铜粉为原料、用尿素作为造孔剂,添加有机成分黏结剂、溶剂等有机物制备成浆料,采用印刷工艺制备毛细芯生坯,然后脱脂烧结制备厚度为(0.2±0.02) mm的毛细芯,研究铜粉粒径、尿素的加入和浆料有机成分对毛细芯孔隙结构和毛细性能的影响。结果表明,造孔剂尿素的加入可提高毛细芯结构的孔隙率、平均孔径和渗透率,降低毛细力和分形维数。随铜粉粒径从112 μm减小到55 μm,毛细芯的孔隙率、平均孔径、孔隙的平均面积和平均周长、分形维数等孔结构参数、以及毛细芯的渗透率和毛细特性参数均下降,分形维数由1.39下降至1.20,但毛细力上升。分形维数与渗透率相关,随渗透率下降,分形维数逐渐减小;毛细特性参数与渗透率成正比,与毛细力成反比。用112 μm铜粉制备的毛细芯性能最优,其渗透率(
K
)为2.02×10
-10
m
2
,毛细力(Δ
P
c
)为1.29 kPa,毛细特性参数(Δ
P
c
∙
K
)达到2.61×10
-7
N。
2023 Vol. 28 (3): 233-243 [
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244
料浆烧结法制备铌基Y
2
O
3
涂层的组织及抗热震性能
蔺仕琦, 袁铁锤, 王飞
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023015
为推动核工业乏燃料回收再利用,满足熔炼核金属用坩埚的多轮次有效服役的要求,本文采用料浆烧结工艺在Nb-5W-2Mo-1Zr(Nb521)合金表面制备一系列双层复合Y
2
O
3
涂层,添加微量Si、Mo作增强剂,表面均为纯Y
2
O
3
涂层。借助有限元模拟、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪等手段分析涂层的组织及抗热震性能。结果表明：Nb/Y
2
O
3
涂层呈典型的层状结构,由不规则的粉末颗粒相互堆叠而成,基体区、扩散区、过渡层、纯Y
2
O
3
层结构分明;有限元模拟计算及实验结果均证明双层梯度涂层可改变应力分布并有效减缓热冲击时材料内部应力的产生,其中,70%Y
2
O
3
+22%Nb+6%Si+2%Mo(7022)涂层的最大主应力为163.2 MPa,相较单层Y
2
O
3
涂层(313.4 MPa)下降47.93%。60次热循环后,7022-Y
2
O
3
涂层显微组织致密,无明显缺陷产生,形貌受损最少。
2023 Vol. 28 (3): 244-253 [
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253
MgF
2
掺杂对0.95MgTiO
3
-0.05CaTiO
3
陶瓷结构与微波性能的影响
冉文, 刘凡, 李昊, 刘绍军
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023022
采用传统固相合成法制备MgF
2
掺杂0.95MgTiO
3
-0.05CaTiO
3
(95MCT)微波陶瓷,结合X射线衍射谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜及矢量网络分析等表征技术,系统研究MgF
2
掺杂对95MCT陶瓷烧结温度、晶体结构、微观形貌与微波性能的影响。结果表明：少量MgF
2
掺杂能够促进陶瓷晶粒均匀生长,抑制Ti
4+
离子向Ti
3+
离子转变,增强[TiO
6
]八面体中Ti—O键的结合强度,从而使95MCT陶瓷的品质因子由30 335 GHz提高至89 470 GHz。1 225 ℃烧结的MgF
2
质量分数为1%的95MCT陶瓷具有优异的综合微波性能：相对介电常数
ε
r
约为19.74,品质因子
Q
×
f
值约为89 470 GHz,谐振频率温度系数
τ
f
约为-10.2×10
-6
℃
-1
。
2023 Vol. 28 (3): 253-261 [
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262
B
4
C改性Cu基刹车片配对C/C-SiC的摩擦学行为及机理
罗勇, 李专, 吴佳琦
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023026
Cu基刹车片在高速循环制动过程中存在基体软化和摩擦膜破裂的问题。采用粉末冶金法制备碳化硼(B
4
C)质量分数为0~6%的Cu基刹车片,并选取C/C-SiC制动盘作为对偶件,研究制动过程中形成的B
2
O
3
摩擦膜对摩擦磨损性能的影响,并分析磨损机制。结果表明,通过B
4
C改性可降低Cu基摩擦材料的密度,
w
(B
4
C)为4%和6%时,材料密度显著降低,强度大幅提高,并分别获得最优的抗热衰退性能和最低磨损率。制动过程中B
4
C氧化形成的B
2
O
3
具有类似于MoS
2
和石墨的层状晶体结构,在滑动界面处容易剪切,从而提高平均摩擦稳定系数并降低磨损率。在B
4
C表面形成的B
2
O
3
与Cu基体结合良好。当B
4
C质量分数超过4%时,Cu基刹车片的磨损机制从分层磨损为主转变为氧化磨损为主。
2023 Vol. 28 (3): 262-275 [
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276
电沉积法制备自支撑Ni-Sn-B电极的显微结构与电催化析氢性能
阳刚, 何捍卫
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023031
为开发高效稳定的析氢电催化剂,采用恒电流电沉积法在镍网基底上制备自支撑的Ni-Sn-B析氢电极,通过扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪和电化学工作站等对电极的形貌结构、元素组成与电催化析氢性能进行表征和测试。结果表明,Ni-Sn-B电极表面由粗糙的胞状颗粒紧密堆积而成,具有非晶态特征结构。在碱性电解质中,Ni-Sn-B电极表现出优异的催化析氢活性和稳定性,在10 mA/cm
2
电流密度下过电位仅为63 mV,比Ni-Sn和Ni-B电极的过电位分别降低38.2%和59.1%。电极的电荷转移电阻为1.56 Ω,经过5 000次CV循环和72 h电解后,仍保持非常高的析氢活性。粗糙的表面形貌及非晶态结构使电极的电化学活性表面积和催化活性位点显著增加,同时B和Sn对Ni电子结构的调控,可有效降低电荷转移阻力,从而提升电极的电催化析氢性能。
2023 Vol. 28 (3): 276-287 [
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288
烧结温度对Ti-Al金属间化合物黏结剂金刚石磨块力学性能和磨削性能的影响
唐洲, 贺跃辉, 陈帅鹏
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023032
用金属间化合物作为黏结剂的金刚石砂轮在磨削蓝宝石、碳化硅等领域应用广泛。黏结剂与金刚石之间的结合状态直接影响金刚石砂轮的力学和磨削性能。为了研究黏结剂和金刚石的界面结合情况,采用热压法制备Ti-Al金属间化合物黏结剂金刚石磨块,通过多种材料表征方法和摩擦磨损实验研究黏结剂与金刚石之间的界面结合状态和磨块的磨削性能。结果表明：经热压后黏结剂中生成了Ti-Al金属间化合物,且Al在金刚石表面富集从而提高黏结剂对金刚石颗粒的把持力。当烧结温度为900 ℃时,黏结剂对金刚石颗粒的把持力最高,磨块的力学性能和磨削性能最优,强度和硬度(HRB)最大,分别为160.48 MPa和114.4,磨削蓝宝石的磨耗比为22.3,蓝宝石表面粗糙度为1.37 μm。但随着温度的进一步升高,黏结剂的过度氧化会降低磨块的磨削性能。
2023 Vol. 28 (3): 288-295 [
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296
合金添加剂对WC基硬质合金氧化行为及其关联特性的影响
王春光, 张立, 黄祥, 聂仁鑫, 钟志强, 龙佳威
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023042
为了同步改善合金的高温抗氧化性能及物理与力学性能,设计WC-6Co-6Ni、WC-6Co-6Ni-1Cr
3
C
2
、WC-6Co-6Ni-1CeO
2
和WC-12Co-1CeO
2
等4组WC基硬质合金,分别对应1
#
~4
#
合金,对比研究合金的微观结构、物理与力学性能和700 ℃连续16 h的氧化行为。结果表明,CeO
2
弥散相的存在不会导致WC基硬质合金强度降低,合金硬度遵循复合材料硬度及晶粒度和各相体积分数的耦合作用规律。4组合金中,4
#
合金的硬度最高,其次为2
#
合金,Co、Ni黏结金属对硬质合金硬度的影响显著。Cr
3
C
2
和CeO
2
添加剂均可显著改善700 ℃下合金的抗氧化性能,但Cr
3
C
2
的改善效果明显优于CeO
2
。在WC基硬质合金中添加适量的Cr
3
C
2
和CeO
2
,并用Ni部分替代Co,可实现对合金高温抗氧化性能及物理与力学性能同步改善。
2023 Vol. 28 (3): 296-304 [
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