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2023年 28卷 4期
出版日期：2023-08-15
工艺技术
理论研究
理论研究
305
掺杂溶质晶界偏析和溶质拖拽效应对纳米氧化铝生长行为影响的相场法模拟
石杰, 唐赛, 姚树伟, 伍超众, 马运柱, 刘文胜
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023020
采用相场模拟结合烧结实验,研究溶质元素晶界偏析影响下的纳米氧化铝晶粒生长行为及其动力学规律。通过在氧化铝多晶晶粒生长的相场模型中引入溶质拖拽效应,并将溶质拖拽强度与晶内溶质原子浓度和原子平衡偏聚比联系起来,研究不同溶质原子在晶界上的平衡偏聚比和初始晶内溶质原子浓度时氧化铝晶粒的长大行为,并定量分析不同溶质拖拽强度下氧化铝晶粒的异常长大现象。通过比较晶粒的平均尺寸和形貌演变,证明相场模拟结果与实验中氧化镧掺杂的纳米氧化铝晶粒长大行为相吻合。结果表明：在极强溶质拖拽效应下,氧化铝晶粒的生长受到明显抑制,晶粒生长缓慢,而低溶质拖拽效应对氧化铝晶粒生长的抑制效果不明显。从模拟的微观组织演变结果上看,晶界偏析也有可能引发少数氧化铝晶粒的异常长大,特定晶粒在生长过程中可能克服溶质拖拽效应从而快速长大,造成材料性能的损失。
2023 Vol. 28 (4): 305-314 [
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工艺技术
315
树脂包覆石墨/铜复合材料的高温和载流摩擦磨损性能
方华婵, 孙振, 许永祥, 张茁, 汪家瑜, 朱佳敏, 陈卓
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023025
以酚醛树脂粉末、石墨粉、镀铜石墨粉和电解铜粉为原料,采用冷压-加压烧结工艺分别制备树脂包覆石墨/铜和镀铜石墨/铜复合材料,研究两种石墨/铜复合材料的室温、高温以及载流条件下的摩擦磨损性能,并与国外Roland接地电刷进行对比;结合高温(200~600 ℃)下铜基体晶体结构与材料导电和力学性能的变化规律,分析树脂持续分解对复合材料导电、力学和摩擦磨损性能的影响规律。结果表明：树脂包覆石墨/铜复合材料的高温力学性能优于镀铜石墨/铜复合材料,环境温度达到600 ℃时,树脂包覆石墨/铜复合材料的剪切强度仅降低6%,而镀铜石墨/铜复合材料的降幅达到24%。树脂包覆石墨/铜复合材料的高温(250 ℃)耐磨性和摩擦稳定性远优于镀铜石墨/铜复合材料和Roland电刷,载流摩擦因数低于Roland电刷。石墨的树脂包覆能改善铜基复合材料的高温和载流摩擦磨损性能,由于树脂层的保护,石墨即使在高温和载流条件下,也能形成连续完整且稳定的润滑膜,减少摩擦接触的微间隙;摩擦时炭化的树脂破碎成细小硬质颗粒,阻碍材料与对磨盘的黏着磨损;高温下铜基体软化不明显,可减少电弧的发生。
2023 Vol. 28 (4): 315-328 [
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329
微量Y和Si掺杂对MoAlB陶瓷显微组织和力学性能的影响
刘亚坤, 坚永鑫, 孔寒冰, 齐泓钧, 黄国胜, 何培培
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023024
以MoB粉、Al粉、Y粉和Si粉为原料,利用干磨和真空热压方法,制备掺杂微量Y和Si的MoAlB陶瓷块体,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等对其物相组成和显微组织进行表征,进而测试陶瓷的硬度、断裂韧性、抗弯强度及抗压强度,研究不同掺杂元素对MoAlB陶瓷显微组织和综合力学性能的影响。结果表明：MoAlB陶瓷主要由MoAlB、Al
8
Mo
3
和Al
2
O
3
相组成,掺杂微量Si和Y元素后,均有新相产生。掺杂Si元素可有效细化MoAlB晶粒,而掺杂Y元素后MoAlB晶粒尺寸略微增大。MoAlB陶瓷具有良好的抗损伤容限,掺杂Si元素有利于提高MoAlB陶瓷的硬度,而掺杂Y则会导致其硬度略微降低。掺杂Si元素有利于提高MoAlB陶瓷的断裂韧性和抗弯强度,而掺杂Y元素会略微降低陶瓷的抗弯强度和断裂韧性;掺杂Y和Si均对提高MoAlB陶瓷的抗压强度发挥积极作用,掺杂Si元素强化效果更好。
2023 Vol. 28 (4): 329-337 [
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338
超声冷冻干燥混粉工艺对WC-6Co-GO/Al
2
O
3
硬质合金组织及性能的影响
张振, 苏武丽, 孙兰
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023030
分别采用机械球磨法和球磨-超声-冷冻干燥法制备WC-6Co-GO/Al
2
O
3
混合粉末,并通过冷压成形-烧结制备块体硬质合金,研究混粉工艺和GO/Al
2
O
3
复合粒子含量对混合粉末的分散性以及合金的微观形貌、致密度和力学性能的影响。结果表明：超声-冷冻干燥可以有效地解决GO/Al
2
O
3
复合粒子的团聚问题,获得细小均匀的粉末颗粒。采用球磨-超声-冷冻干燥法混粉时,所制备的GO/Al
2
O
3
复合粒子质量分数为0.15%的硬质合金中,复合粒子均匀分布在WC晶粒间使细化晶粒的效果较显著,而且合金的相对密度较高,合金的强度提高至2 723.6 MPa,比普通机械球磨的合金提高约600 MPa,硬度(HV
30
)和断裂韧性分别提高约200.0和1.0 MPa∙m
1/2
。
2023 Vol. 28 (4): 338-346 [
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347
氧化镁、碳酸钙矿化剂对多孔氧化铝陶瓷性能的影响
陈广, 王威, 梁力行, 彭勇慧, 周文韬, 欧阳静, 王志国
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023028
选用TiO
2
、MgO、CaCO
3
作为矿化剂,在空气气氛下采用常压烧结工艺制备多孔氧化铝陶瓷。研究MgO、CaCO
3
含量以及保温时间对氧化铝陶瓷室温抗弯强度、烧结收缩率、显气孔率、密度和溶解效率的影响。结果表明：添加MgO、CaCO
3
矿化剂均能降低陶瓷的收缩率、室温抗弯强度和密度,提高显气孔率和溶解效率。含有MgO的样品在1 320 ℃/3 h烧结后的收缩率从1.75%降至0.21%,显气孔率由33.49%升至36.86%;在1 320 ℃/6 h烧结后的收缩率从1.88%降至0.38%,显气孔率从32.94%升至35.46%。含有CaCO
3
的样品在1 320 ℃/3 h烧结后的收缩率从0.55%降至-0.50%,显气孔率由35.47%升至41.26%;在 1 320 ℃/6 h烧结后的收缩率从1.16%降至-0.21%,显气孔率从35.96%升至42.44%。终烧保温时间由3 h延长至6 h,含有MgO、CaCO
3
矿化剂的样品收缩率提高,室温抗弯强度变化不明显,含有MgO的样品显气孔率降低,含有CaCO
3
的样品显气孔率提高。MgO、CaCO
3
能明显提高陶瓷样品的溶解效率,仅含有TiO
2
矿化剂的样品碱煮(加助溶剂LiF)72 h后质量几乎未变;含有MgO矿化剂的样品碱煮(未加助溶剂)24 h均能完全溶解;含有CaCO
3
矿化剂的样品碱煮(加助溶剂)72 h后完全溶解。
2023 Vol. 28 (4): 347-360 [
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361
压制压力对放电灯用阴极钨骨架孔隙结构和性能的影响
张育宁, 王德志, 吴壮志, 刘新利, 段柏华
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023036
孔隙结构均匀的钨骨架是制备高性能电子阴极及放电灯的关键材料。本文系统研究了压制压力对钨骨架孔隙结构、力学性能及放电灯性能的影响。结果表明,随压制压力增大,钨骨架的孔隙率和平均孔径减小,显微硬度及抗压强度提高,孔隙分布均匀性指数先增大后减小。压制压力为500 MPa时,钨骨架的孔隙结构和力学性能最佳,孔隙率为26.29%,平均孔径为1.24 μm,孔隙分布均匀性指数为4.17,显微硬度为1 506 MPa,抗压强度为810 MPa。该钨骨架作为阴极基体制备的氙气灯在连续闪烁50万次的情况下没有出现漏闪,阴极发射性能稳定,且未达到寿命极限,与现有阴极相比寿命显著提升。
2023 Vol. 28 (4): 361-367 [
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368
稀土Y对再生6061铝合金微观组织和性能的影响
全翔, 韦启荣, 李佳斌, 王斌
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023041
推广再生铝合金能减少能源消耗和碳污染,但Fe杂质的超标不利于合金的高效回收。本文通过熔炼铸造法制备不同Y含量(质量分数分别为0、0.15%、0.30%和0.60%)的再生6061铝合金,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析合金的显微组织和物相组成,并测试合金的拉伸和耐腐蚀性能。结果表明,含Y再生铝合金中形成了三元Al
2
Si
2
Y相,且α-Al枝晶和α-Al
15
(Fe,Mn)
3
Si
2
(α-Fe)相显著细化,其中
w
(Y)为0.30%的合金细化效果最佳。Y的添加可显著提升合金的力学性能,
w
(Y)为0.30%的合金抗拉强度(199.2 MPa)最高,
w
(Y)为0.60%的合金伸长率(14.5%)最大。除此之外,添加Y还能提高6061铝合金的腐蚀电位,降低腐蚀电流密度,提高合金的耐腐蚀性。在晶间腐蚀实验中,腐蚀时间相同时,
w
(Y)为0.60%的合金腐蚀深度最小。总的来说,
w
(Y)为0.60%的再生铝合金兼具良好的力学和耐腐蚀性能,实现了高Fe含量6061铝合金的有效回收。
2023 Vol. 28 (4): 368-378 [
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379
无定形NiCoSe电极的碱性电解水析氢性能
彭振新, 何捍卫
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023045
采用电沉积法在镍丝网上合成Ni、Co共掺杂的无定形硒化物NiCoSe作为析氢催化剂电极,利用扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪等观察和分析NiCoSe电极的形貌与结构,通过电化学实验测试电极的电催化析氢性能。结果表明,NiCoSe电极表面镶嵌着球形NiCoSe颗粒,无明显裂纹。NiCoSe化合物为无定形状态,能提供更多的低能垒空穴。适当比例的Ni、Co共掺杂可对Se的电子结构进行调控,使催化剂的电子结合能发生偏移,进而增强催化剂对H原子的吸附能力,使NiCoSe析氢催化剂电极具有较高的本征催化活性。在1 mol/L KOH溶液中10 mA/cm
2
电流密度下,NiCoSe阴极的过电位为83 mV,塔菲尔斜率为108.98 mV/dec,控制反应速率的步骤为催化剂对H原子的吸附过程。在60 h电解后电流密度衰减率小于5%。
2023 Vol. 28 (4): 379-389 [
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390
碳纤维粉末改性铁基粉末冶金材料的组织与性能
汪家瑜, 方华婵, 张芊芊, 段志英, 方舟, 张茁, 陈卓, 许永祥, 任子安
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023047
采用还原Fe粉作为基体,分别添加长度约为20 μm的微米短碳纤维(micron short carbon fibers, MC
sf
)和粒径为1~4 μm的碳纤维颗粒(carbon fiber particles, C
fp
)作为弥散相,采用压制-真空烧结制备MC
sf
/Fe和C
fp
/Fe粉末冶金材料,并与平均粒度10 μm的天然石墨(natural graphite, NG)为原料制备的NG/Fe粉末冶金材料进行对比。研究微米短碳纤维、碳纤维颗粒对粉末冶金材料显微组织、物理性能、力学性能和尺寸变化的影响。结果表明：碳纤维颗粒的活性远高于石墨和脱胶短碳纤维(degummed short carbon fibers, DC
sf
),空气气氛下800 ℃的最大质量损失率为石墨的3.75倍,脱胶短碳纤维的16.6倍。与NG/Fe和MC
sf
/Fe粉末冶金材料相比,C
fp
/Fe粉末冶金材料在烧结过程中的尺寸稳定性大幅提高,最大径向膨胀率和收缩率分别为0.39%和0.14%,且强度和韧性最高,密度、抗弯强度、剪切强度和抗拉强度分别为6.91 g/cm
3
、736.9 MPa、205.7 MPa和334.8 MPa,伸长率达到10.5%,材料的断裂模式由脆性沿晶断裂向完全韧窝型断裂转变。
2023 Vol. 28 (4): 390-403 [
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404
籽晶种植及掺硼形核对硬质合金表面金刚石涂层的影响
余寒, 夏鑫, 朱俊奎, 王润, 张龙, 窦金杰, 李静, 马莉, 魏秋平
DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2023035
为改善硬质合金刀具金刚石涂层的质量,提高金刚石涂层的形核密度以提升涂层的均匀性,本文采用热丝化学气相沉积法,在YG8硬质合金基体表面沉积纳米金刚石,研究籽晶种植和形核阶段掺硼对金刚石涂层形核和生长的影响。结果表明：采用质量浓度为1.0 g/L的氢端基纳米金刚石悬浊液进行籽晶种植时,样品表面籽晶密度最高、分布最均匀,后续生长的金刚石晶粒更加细小均匀,改善了涂层的均匀性和平整度。掺硼形核可抑制金刚石涂层中石墨相的形成,提高金刚石涂层的纯度,但硼的掺入使金刚石峰(D峰)的半峰宽(full width at half maximum, FWHM)增大,对金刚石结晶产生不利影响。籽晶种植可使涂层D峰的FWHM从17.43 cm
-1
降低为10.91 cm
-1
,提升了掺硼形核阶段的结晶质量,削弱了掺硼的不利影响。将掺硼和籽晶种植相结合,所得金刚石晶粒尺寸最小约1~3 μm,此时金刚石与石墨的拉曼峰强度比(
I
D
/I
G
)高达12.83,涂层质量较好。此外在籽晶种植与掺硼形核共同作用下,金刚石涂层的结合性能显著提高,在600 N载荷下可达到HF1级别。
2023 Vol. 28 (4): 404-412 [
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