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创刊于1956年,月刊

ISSN:1001-4381

   CN:11-1800/TB

 主管:中国航空发动机

          集团有限公司

 主办:中国航发北京航

          空材料研究院

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2024年, 52卷, 第2期 
刊出日期:2024-02-20
  
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    . 目录[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 0-0.
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  • 金属增材制造专栏
  • 金属增材制造专栏
    祝国梁, 罗桦, 贺戬, 田雨生, 卫东雨, 谭庆彪, 孔德成
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    祝国梁, 罗桦, 贺戬, 田雨生, 卫东雨, 谭庆彪, 孔德成. 镍基高温合金增材制造研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 1-15.
    Guoliang ZHU, Hua LUO, Jian HE, Yusheng TIAN, Dongyu WEI, Qingbiao TAN, Decheng KONG. Advances in additive manufacturing of nickel-based high-temperature alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 1-15.

    镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注, 被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述, 总结了当前存在的问题, 提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能, 能实现复杂构件精密成形, 且制备过程中材料浪费少, 有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等, 粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件, 但制造速度相对较慢, 且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高, 可用于制备功能性梯度材料, 但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本, 适用于大型零件的快速制造, 但其制备的合金表面粗糙度较差, 需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625, Hastelloy X等固溶强化型和IN718, CM247LC, IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比, 增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织, 还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是, 通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理, 对晶粒组织、析出相等进行调控, 从而影响合金的力学性能。此外, 增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备, 但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题, 将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。

  • 金属增材制造专栏
    刘宏杰, 刘文才, 孙家伟, 王茜瑶, 邝思羽, 吴国华
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    刘宏杰, 刘文才, 孙家伟, 王茜瑶, 邝思羽, 吴国华. 镁合金电弧增材制造研究现状及展望[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 16-30.
    Hongjie LIU, Wencai LIU, Jiawei SUN, Xiyao WANG, Siyu KUANG, Guohua WU. Research progress and prospect in wire arc additive manufacturing magnesium alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 16-30.

    电弧增材制造由于其高沉积速率、高材料利用率、低成本以及具有制造大尺寸构件的能力而得到研究人员的广泛关注, 有望广泛应用于镁合金的快速成形。本文概述了电弧增材制造用镁合金丝材的种类及其对丝材的要求, 总结了现今适合于镁合金电弧增材制造用丝材的制备方法, 重点论述了镁合金电弧增材制造工艺的制备技术、基本原理、微观组织及力学性能, 讨论了不同电弧增材制造工艺制备不同镁合金的影响因素, 分析了镁合金电弧增材制造目前可用丝材种类少以及增材制造构件形性尚不可控等问题, 并且在优化电弧增材制造镁合金构件性能和推进应用方面进行了展望。

  • 金属增材制造专栏
    韩远飞, 方旻翰, 张亮, 孙中刚, 黄光法, 吕维洁
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    韩远飞, 方旻翰, 张亮, 孙中刚, 黄光法, 吕维洁. 增材制造TiB/Ti复合材料网状组织形成与力学性能[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 31-39.
    Yuanfei HAN, Minhan FANG, Liang ZHANG, Zhonggang SUN, Guangfa HUANG, Weijie LYU. Network formation and mechanical property of additive manufactured TiB/Ti composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 31-39.

    采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金, 形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites, TMCs)粉体, 并采用激光增材制造技术, 制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料, 系统分析和讨论增材制造TMCs超常凝固网状组织形成机制与力学特性。研究发现:增材制造TiB/Ti复合材料网状组织(约9 μm)主要由原位自生纳米TiB晶须组成, 呈现B27和Bf两种晶体结构;B元素的直接引入, 易于在凝固界面形成成分过冷, 不仅促使交替形成等轴网状组织和柱状网状结构, 也同步细化基体晶粒尺寸, 实现基体合金片层α相的等轴化。经原位力学观察分析发现, 增材制造形成的原位自生纳米TiB网状组织结构, 不仅能够抑制裂纹偏转并钝化裂纹, 还将大量滑移迹线聚集于网络结构内部, 并在晶界诱发高密度位错, 限制材料的塑性变形, 大幅度提高了复合材料的强度, 增材制造TiB/Ti复合材料抗拉强度提高42%, 伸长率保持在约10%。

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    徐荣, 王文军, 祝弘滨, 李瑞迪, 折洁, 袁铁锤
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    徐荣, 王文军, 祝弘滨, 李瑞迪, 折洁, 袁铁锤. 激光定向能量沉积Al-Mg-Sc-Zr修复5083-H112铝合金的组织和性能[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 40-49.
    Rong XU, Wenjun WANG, Hongbin ZHU, Ruidi LI, Jie SHE, Tiechui YUAN. Microstructure and properties of repaired 5083-H112 aluminum alloy by laser direct energy deposited Al-Mg-Sc-Zr[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 40-49.

    激光定向能量沉积增材修复技术具有时间短、效率高、成本低、力学性能好等优点, 具有很大的发展潜力。采用Al-7.5Mg-0.3Sc-0.28Zr作为修复材料对轨道交通用5083-H112铝合金进行激光修复实验, 得到了致密、无缺陷的修复试样, 并对其组织和性能进行研究, 探讨了激光修复铝合金的可行性。结果表明, 熔合线附近过渡区可划分为修复区、部分熔化区、热影响区和母材。修复区为完全等轴晶, 由平均晶粒尺寸为4.95 μm的细晶带和18.34 μm的粗晶区组成。从修复区到部分熔化区再到热影响区的过渡区域, Al元素含量逐渐升高, Mg元素含量逐渐下降, 硬度逐渐下降, 修复后母材未被软化。由于激光增材制造技术的快速凝固, 在熔合线附近的细晶带有较大的应力集中, 由于较小的热输入在部分熔化区、热影响区的残余应力较小。修复试样的屈服强度为(152±2)MPa, 为母材的89.4%;抗拉强度为(305±5)MPa, 为母材抗拉强度的100%;伸长率为(15.5±0.5)%, 为母材的85.2%;断裂发生在强度较弱的母材。高性能的激光修复铝合金是可实现的, 具有广泛的应用前景。

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    牛玉玲, 李晓峰, 赵宇霞, 张利, 刘斌, 白培康
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    牛玉玲, 李晓峰, 赵宇霞, 张利, 刘斌, 白培康. 激光粉末床熔融WC-12Co硬质合金温度场模拟[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 50-59.
    Yuling NIU, Xiaofeng LI, Yuxia ZHAO, Li ZHANG, Bin LIU, Peikang BAI. Temperature field simulation on WC-12Co cemented carbide formed by laser powder bed fusion[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 50-59.

    结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型, 利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟, 得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布, 研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度)对温度场分布及熔池特征的影响。结果表明:WC-12Co硬质合金在LPBF过程成形时, 利用有限元能够有效模拟其成形过程。位于热源前部的等温线比尾部更为密集, 温度梯度更大;而扫描路径终端边缘处熔池中心的温度最高。随着激光功率的增大和扫描速度的减小, 熔池宽度、深度和长度均相应增大。通过相关实验分析不同工艺参数对晶粒尺寸的影响, 发现晶粒尺寸随扫描速度的增加而减小, 随激光功率的增加而增大;但过高的激光功率会引起一定的热裂纹现象发生。

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    杨超, 廖雨欣, 卢海洲, 颜安, 蔡潍锶, 李鹏旭
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    杨超, 廖雨欣, 卢海洲, 颜安, 蔡潍锶, 李鹏旭. NiTi形状记忆合金的功能特性及其应用发展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 60-77.
    Chao YANG, Yuxin LIAO, Haizhou LU, An YAN, Weisi CAI, Pengxu LI. Functional properties of NiTi shape memory alloys and their application development[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 60-77.

    NiTi形状记忆合金(shape memory alloys, SMAs)作为一种智能材料, 具有良好的超弹性、形状记忆效应和生物相容性等功能特性, 被广泛应用于航空航天、医疗器械和工程建筑等领域。其中超弹性在宏观上表现为发生较大的变形仍能恢复原形状, 且其远大于常见金属可恢复的弹性应变。形状记忆效应则是温度激励下奥氏体和马氏体两相的相互转变, 根据宏观变形分为单程、双程和全程形状记忆效应。而NiTi SMAs的生物相容性体现在低弹性模量和低生物毒性等方面, 可应用于正畸、矫正、心血管支架等医疗器件。为充分发挥NiTi SMAs的功能, 研究者们不断开发NiTi SMAs相关的智能结构。本文简要综述了近年来研究和发展NiTi SMAs的不同功能特性及其对应的智能结构典型应用, 详细介绍和讨论了NiTi SMAs的功能特性、关注问题和应用领域。同时, 也对NiTi SMAs阻尼性能和储氢特性进行了阐述。最后, 展望了NiTi SMAs在各领域应用上尚需重点关注的问题:利用增材制造技术调控微观结构实现超弹性的稳定性提升;通过建立本构模型为形状记忆效应的稳定应用提供理论指导, 并进一步优化结构实现形状记忆效应的宏观放大;提高NiTi SMAs在生物环境里的耐腐蚀性和医疗应用推广。因此, 推动NiTi SMAs在不同应用领域的个性化和功能定制化, 尚需大量的跨学科研究。

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    陈晨, 李嘉夕, 聂磊
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    陈晨, 李嘉夕, 聂磊. 面向汗液的可穿戴柔性电化学传感器研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 78-91.
    Chen CHEN, Jiaxi LI, Lei NIE. Research progress of wearable flexible electrochemical sensors for sweat[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 78-91.

    汗液中含有人体诸多生理信息, 如电解质、代谢物、激素、温度等。基于汗液的可穿戴式传感器可对多模态生物指标实现分子层面上的实时、连续、非侵入式监测, 在运动感知、疾病预防以及健康管理等领域具有重大发展潜力, 而被广泛研究。本文阐述了可穿戴汗液传感器集成结构中基底、集汗、传感、电源和决策五大模块, 着重强调了纳米结构(如金属基、碳基等材料)在电化学传感敏感材料中表现出的优异性能及应用, 最后讨论了可穿戴汗液传感器在微量汗液收集及多参数传感中物理化学变量的可变性等方面存在的挑战。针对汗液收集和实时校准两个关键问题, 提出可穿戴汗液传感未来发展方向包括仿生微流控技术和多参数反馈调控方法, 实现微量汗液高效收集及精确检测, 将有效推动汗液传感在慢性重大疾病实时预警的应用和发展。

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    刘冬冬, 刘秀明, 房宽峻, 李政, 巩继贤, 李秋瑾
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    刘冬冬, 刘秀明, 房宽峻, 李政, 巩继贤, 李秋瑾. 织物基金属有机框架复合材料的制备及应用研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 92-101.
    Dongdong LIU, Xiuming LIU, Kuanjun FANG, Zheng LI, Jixian GONG, Qiujin LI. Research progress in preparation and application of fabric-based metal-organic frameworks composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 92-101.

    金属有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)材料作为第三代多孔材料, 因其高比表面积、高稳定性、化学可调性等功能特性而备受关注, 尤其在各种轻质和柔性基材上负载应用成为该领域的热点研究方向。本文综述了纺织基材作为载体, 负载MOFs的进展, 对以溶剂热法、逐层生长法、喷涂打印法等构建织物基MOFs复合材料的方式进行阐述, 且根据制备方式的差异性指出不同制备方式的应用场景;归纳了该类材料的复合机理;针对复合材料的使用耐久性总结了现有增强MOFs与基底材料结合牢固性的方法, 并介绍了该类复合材料在超疏水自清洁、自消毒纺织品等领域应用的最新研究成果。最后指出织物基MOFs复合材料的大规模生产方式以及在现实环境条件下的耐久性是迈向广泛应用的关键步骤, 其更多的一体化功能是未来研究的重点方向。

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    李团锋, 张璐瑶, 樊润林, 孟晓敏, 胡杨月, 刘聪, 温序晖, 郑俊生, 明平文
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    李团锋, 张璐瑶, 樊润林, 孟晓敏, 胡杨月, 刘聪, 温序晖, 郑俊生, 明平文. 复合石墨双极板材料及性能的研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 102-111.
    Tuanfeng LI, Luyao ZHANG, Runlin FAN, Xiaomin MENG, Yangyue HU, Cong LIU, Xuhui WEN, Junsheng ZHENG, Pingwen MING. Research progress in composite graphite bipolar plate materials and properties[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 102-111.

    质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的双极板起到传递电子、分配气体、电池内水管理、支撑膜电极组件等作用, 也是保证燃料电池堆低成本的关键部件。本文对双极板材料(金属、石墨和复合材料)、作用、优势及挑战进行了分析, 其中复合石墨双极板以其长寿命和耐腐蚀的特质, 具备与其他双极板竞争的优势, 近年来受到高度关注;对石墨形成导电网络的相关因素(涉及填料尺寸、形态, 辅助填料桥接石墨颗粒)、聚合物的成分与固化条件以及成型工艺条件对性能的影响规律进行了讨论。未来, 开发具有优异综合性能的复合石墨双极板, 掌握并优化聚合物结构及反应路径对其性能的平衡作用, 使现有配方及成型方法适应大规模生产, 将大大增强质子交换膜燃料电池在更多领域的大规模应用。

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    周鹏飞, 朱洪立, 李明俊, 张成军, 王兴一, 潘士兵
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    周鹏飞, 朱洪立, 李明俊, 张成军, 王兴一, 潘士兵. 超材料在军用隐身中的应用研究[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 112-121.
    Pengfei ZHOU, Hongli ZHU, Mingjun LI, Chengjun ZHANG, Xingyi WANG, Shibing PAN. Application research in metamaterials for military stealth[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 112-121.

    随着探测手段的发展, 智能化与高精化的军用隐身探测技术对隐身材料的性能提出了更高的要求, 传统材料受限于本身的性能很难实现轻量、宽频、强吸收等隐身要求, 而超材料由于其可以按人的意志设计、调整结构并获得相关性能, 在隐身领域具有极强的发展潜力, 因此超材料在军用隐身领域中的相关研究受到了极大关注。本文综述了超材料的发展、特殊性能及应用, 着重讨论了雷达隐身超材料、红外隐身超材料、雷达/红外兼容隐身超材料以及激光/红外兼容隐身超材料的研究与发展, 指出目前超材料在军用隐身方面的研究多数停留在实验阶段, 难以适应复杂多变的实际环境, 今后应将研究集中在低成本制备与应用、宽频多波段兼容以及高耐温、高耐蚀性与高户外稳定性等方面。

  • 综述
    周博鑫, 沈姿伶, 江京辉, 漆楚生, 戴璐
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    周博鑫, 沈姿伶, 江京辉, 漆楚生, 戴璐. 木质素分离及主要物理和力学性能的研究进展[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 122-134.
    Boxin ZHOU, Ziling SHEN, Jinghui JIANG, Chusheng QI, Lu DAI. Research progress in isolation, main physical and mechanical properties of wood lignin[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 122-134.

    木质素是木材细胞壁的重要组成成分, 其吸湿特性、热特性、力学特性等在木材的微宏观尺度相互影响, 并对其高值化应用起决定性作用。本文从分子结构、分离方法、吸湿特性、热特性、力学特性五个方面综述了木材木质素的研究进展。木材木质素是高异质、不规则的三维网状高分子结构, 相比原位木质素, 不同分离方法的分离木质素有不同程度的解聚缩合, 导致分离木质素分子结构、吸湿性、热特性、力学特性存在差异性。木材木质素具有近似S型等温吸附曲线且存在吸湿滞后现象, 平衡含水率在20%(质量分数)以下, 可用BET, GAB理论定性描述和定量分析单层水分子吸附量。木材木质素在低温时具有高分子塑性特征, 玻璃化转变温度为90~160 ℃, 高温度时具有热固性特性并发生热分解, 先后发生α-O-4、β-O-4、脂肪烃碳碳键、5-5、4-O-5键断裂, 类原位木质素活化能为82~150 kJ/mol。木质素在力学特性上各向同性, 弹性模量总体随含水率的增大而减小, 弹性模量为2.8~9.0 GPa, 剪切模量为1.1~2.3 GPa, 但研究范围局限在弹性阶段。在原位木质素绿色高效分离方法、木质素分子结构序列和木质素弹塑性力学性能等方面有待进一步深入研究。

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    金宇晨, 李志超
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    金宇晨, 李志超. 典型特殊制备技术对无取向电工钢织构的影响规律[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 135-145.
    Yuchen JIN, Zhichao LI. Impact law of typical special preparation techniques on texture of non-oriented electrical steel[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 135-145.

    电工钢又称硅钢, 是一种重要的特殊钢, 常被称作特殊钢中的“艺术品”, 这主要是因为其加工制备流程复杂、性能影响因素繁多。其中无取向硅钢主要应用于旋转电磁场环境, 为了获得优良的软磁性能, 需要形成较多的{100}等有利织构, 为此研究人员进行了大量探索, 近年来发现一些特殊制备技术在形成大量{100}等有利织构方面有显著效果。本文综述二次轧制、斜轧、异步轧制及双辊薄带连铸四种典型特殊制备技术对无取向硅钢再结晶织构的影响规律, 发现二次轧制与双辊薄带连铸均能增强λ与高斯织构, 并削弱γ织构, 斜轧也会增强λ织构, 但对γ织构影响不大, 异速异步轧制能增强η织构, 而异径异步轧制对再结晶织构却基本没有影响。最后, 总结目前各项特殊制备技术存在的缺陷, 并提出一些发展方向, 如借助斜轧原理在常规冷轧中产生更多剪切带、利用异步轧制进行二次加工以均匀化磁感等, 为后续无取向硅钢的工业生产提供更多参考。

  • 研究论文
  • 研究论文
    陈华, 丁灿灿, 胡斌, 罗海文
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    陈华, 丁灿灿, 胡斌, 罗海文. 铌微合金化和淬火速率对热成形钢组织与力学性能的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 146-154.
    Hua CHEN, Cancan DING, Bin HU, Haiwen LUO. Effects of Nb microalloying and quenching rate on microstructure and mechanical properties of hot formed steels[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 146-154.

    基于传统22MnB5钢设计了一种新型含Nb热成形钢, 研究在不同淬火速率下Nb对热成形钢显微组织与力学性能的影响。新型Nb微合金化热成形钢与广泛应用的22MnB5商业钢种均经900 ℃保温3 min的固溶处理后分别水淬和油淬至室温, 检测两种钢在两个淬火条件下的力学性能, 并通过扫描电镜、背散射电子衍射仪、X射线衍射仪和透射电镜等分析合金组织。结果表明:油淬时Nb微合金化热成形钢与22MnB5钢能发生较明显的自回火, 但前者的屈服强度高于后者约130 MPa, 且伸长率也略有改善, 对强化机制的定量计算表明这是由于含Nb钢晶粒细化形成的细晶强化以及位错强化和沉淀强化的共同作用;而在水淬条件下, 两种钢的屈服强度与伸长率均相似, 推测是由于冷却速率高抑制了自回火, 使得马氏体相变产生的残余应力成为影响屈服强度的主导因素, 而当水淬样品在170 ℃回火减轻内应力后, 此时含Nb钢屈服强度再次高于22MnB5钢。

  • 研究论文
    唐鹏钧, 闫泰起, 陈冰清, 郭绍庆, 李沛勇
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    唐鹏钧, 闫泰起, 陈冰清, 郭绍庆, 李沛勇. 固溶处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金显微组织、拉伸性能和残余应力的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 155-163.
    Pengjun TANG, Taiqi YAN, Bingqing CHEN, Shaoqing GUO, Peiyong LI. Effect of solid solution treatment on microstructure, tensile properties and residual stress of selective laser melted AlSi10Mg alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 155-163.

    利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验和拉曼光谱仪研究固溶处理对激光选区熔化AlSi10Mg合金的显微组织、拉伸性能和残余应力的影响规律。结果表明:沉积态合金组织细小, 强度较高, 但存在明显的各向异性和较大的残余拉应力。直接人工时效后, 抗拉强度和屈服强度均明显提升, 但熔池和共晶硅的形貌与沉积态合金基本相同。固溶处理可以显著改善组织和拉伸性能的各向异性, 彻底消除残余拉应力, 但导致组织粗化, 合金的抗拉强度和屈服强度仅为沉积态的50%左右。在固溶处理的基础上进行人工时效, 合金的组织特征、各向异性和残余应力情况无明显变化, 抗拉强度和屈服强度分别达到330 MPa和270 MPa, 断后伸长率约为10%~11%。人工时效后强度的提升主要得益于GP区的析出。

  • 研究论文
    林国标, 朱付虎, 赵斯文
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    林国标, 朱付虎, 赵斯文. Ti预处理的SiCf/SiC与镍基高温合金复合铸件的界面组织与强度[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 164-171.
    Guobiao LIN, Fuhu ZHU, Siwen ZHAO. Microstructure and strength of composite casting interface between Ti pretreated SiCf/SiC and Ni-based superalloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 164-171.

    由SiCf/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件, 冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100 ℃下对SiCf/SiC表面进行预处理, 并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造, 成功实现SiCf/SiC与K403镍基高温合金的一体化成形和界面的牢固结合。结果表明:Ti预处理层平均厚度为17 μm左右, Ti向SiCf/SiC渗透、扩散和反应, 形成含TiC, Ti3SiC2, Ti5Si3Cx, SiC相的显微组织;经过与高温镍基金属液复合铸造后, 预处理层演变成厚约120 μm的界面反应层, 其典型界面组织为Ni2Si+C+Al4C3+ MC(M主要含Ti及少量的Cr, Mo, W)。预处理层的存在减轻Ni与SiC的有害石墨化反应, 缓解高温金属液对SiCf/SiC的热冲击, 形成的界面反应层降低热膨胀系数失配造成的热应力, 使得SiCf/SiC与K403一体化铸件结合界面的室温剪切强度达到63.5 MPa。

  • 研究论文
    刘继文, 胡朝辉, 王君阳, 林雅婷, 张璐
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    刘继文, 胡朝辉, 王君阳, 林雅婷, 张璐. NiCoCrFeAlTiMoW合金长期时效过程中γ′相粗化对拉伸性能的影响[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 172-179.
    Jiwen LIU, Zhaohui HU, Junyang WANG, Yating LIN, Lu ZHANG. Effect of γ′ phase coarsening on tensile properties during long-term aging of NiCoCrFeAlTiMoW alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 172-179.

    采用真空电弧熔炼炉制备一种γ′相强化型NiCoCrFeAlTiMoW合金, 利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及拉伸试验机研究合金在750, 850, 950 ℃下, 经200 h长期时效后γ′相的粗化行为与力学性能的演变规律及机制。结果表明:随时效时间的延长, γ′相在时效过程中始终为球形, γ′相尺寸逐渐增大, 且在750, 850, 950 ℃均发生凝并现象。合金具有较高的扩散激活能, 其值为357 kJ/mol, 这主要是由于基体为成分复杂的高熵固溶体, 受迟滞扩散效应影响, Al, Ti原子在基体中的扩散变得困难。合金经750 ℃时效后屈服强度逐渐提高, 经850 ℃时效后的屈服强度先升高后降低, 经950 ℃时效后的屈服强度逐渐降低, 合金屈服强度的改变是由γ′相尺寸增加导致合金的沉淀强化机制发生转变所引起的。

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    王璐颖, 邱越洺, 张睿, 许平凡, 刘以凡, 林春香, 刘明华
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    王璐颖, 邱越洺, 张睿, 许平凡, 刘以凡, 林春香, 刘明华. 光响应纤维素基印迹吸附材料的制备及光再生性能[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 180-189.
    Luying WANG, Yueming QIU, Rui ZHANG, Pingfan XU, Yifan LIU, Chunxiang LIN, Minghua LIU. Preparation and photo-regeneration properties of photo-responsive cellulose based imprinted adsorption materials[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 180-189.

    光响应性吸附材料对污染物的光控释放性能, 对发展吸附材料的绿色再生具有重要的意义。以纤维素为原料, 偶氮苯衍生物为功能单体, 以典型农药残留2, 4-D为模板, 采用表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)制备光响应纤维素印迹吸附剂(Cell-AB-MIP)。通过单因素实验对材料的制备条件进行优选, 采用多种表征手段对材料结构和性能进行分析。结果表明:Cell-AB-MIP表面含有丰富的官能团(—COOH, N=N等), 对2, 4-D具有较高的特异性识别作用;偶氮苯基团的引入使得Cell-AB-MIP具备优异的光再生性能。经过紫外光照射后, Cell-AB-MIP上的偶氮苯基团将从反式构型转变为顺式构型, 从而改变吸附剂对污染物的吸附亲和力, 实现光控条件下的清洁脱附。在甲醇介质中光照解吸效率可达72.22%, 经过5次光循环后对2, 4-D的吸附百分比仍可达到83.47%;SEM及EA分析结果证实了吸附剂经紫外光照射后污染物可从吸附剂表面脱离, 完成吸附剂的再生过程。

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    李仲博
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    李仲博. Ti3AlN/ZrYN纳米多层膜力学性能、抗氧化及疏水性能[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 190-197.
    Zhongbo LI. Mechanical properties, oxidation resistance and hydrophobicity of Ti3AlN/ZrYN nanomultilayers[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 190-197.

    利用物理气相沉积(PVD)技术交替沉积Ti3AlN和ZrYN纳米层, 制备一系列具有不同ZrYN纳米层厚度(l)的Ti3AlN/ZrYN纳米多层膜, 并通过XRD, SEM, 纳米压痕仪, 显微硬度计及接触角测量仪等研究不同l对Ti3AlN/ZrYN纳米多层膜力学、抗氧化以及疏水性能的影响。结果表明:当Ti3AlN和ZrYN纳米层厚度分别为10 nm和1 nm时, 纳米多层膜具有高硬度(H=26.8 GPa) 和优异的断裂韧度(Kf= 4.21 MPa∙m1/2)。硬度和断裂韧度的提高可能是因为, 当l较小时, 纳米层间形成良好的c-Ti3AlN/c-ZrYN共格外延结构, 可以有效阻碍位错的产生和滑移。高密度的异质界面可使微裂纹发生连续偏转, 有效延长裂纹扩散路径的同时消耗裂纹传播能量, 从而提高断裂韧度。同时, 较小的l也易于获得优异的抗氧化性能, l较小时Ti3AlN纳米层占主导地位, Al倾向于在表面形成致密的Al2O3层, 阻碍氧气向薄膜内部扩散。此外, Ti3AlN/ZrYN纳米多层膜表面形成的结瘤缺陷增加表面粗糙度, 使得薄膜的疏水性能得到提高, 从而使其在潮湿环境中不易快速发生腐蚀。

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    苏超群, 邓龙辉, 刘若愚, 蒋佳宁, 云海涛, 李归, 苗小锋, 陈文博, 易出山, 刘俐, 董淑娟, 曹学强
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    苏超群, 邓龙辉, 刘若愚, 蒋佳宁, 云海涛, 李归, 苗小锋, 陈文博, 易出山, 刘俐, 董淑娟, 曹学强. 碳化硅陶瓷基复合材料表面环境障涂层结合强度[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 198-206.
    Chaoqun SU, Longhui DENG, Ruoyu LIU, Jianing JIANG, Haitao YUN, Gui LI, Xiaofeng MIAO, Wenbo CHEN, Chushan YI, Li LIU, Shujuan DONG, Xueqiang CAO. Bonding strength of environmental barrier coatings on surface of SiC-based ceramic matrix composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 198-206.

    SiC陶瓷基复合材料(SiC-based ceramic matrix composites, SiC-CMC)是发展高推重比航空发动机理想的高温结构材料。为了防止发动机服役环境下燃气(富含H2O和O2)对SiC-CMC的腐蚀, 需要在其表面制备抗水氧腐蚀、抗燃气冲刷和抗热冲击性能优异的环境障涂层(environmental barrier coatings, EBCs)。在评价EBCs性能的诸多因素中, 其与SiC-CMC基体之间的结合强度是一个重要技术指标, 但结合强度的极限值一直未被探究清楚。本工作研究影响结合强度的主要因素, 包含SiC-CMC基体状态、单晶Si的拉伸强度极限, 以及Si黏结层的制备工艺等, 获得了制备最高结合强度的有效途径。在EBCs与SiC-CMC组成的体系中, 基体内部SiC纤维布之间的界面是结合强度最薄弱的部位, 其次是EBCs的Si层。整个体系的结合强度极限值是15 MPa, 它是单晶Si在[400]晶向的拉伸强度极限。采用大气等离子喷涂或者超音速火焰喷涂的Si黏结层结合强度相似, 均低于同样工艺制备的莫来石或Yb2Si2O7涂层。

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    沈明禄, 赵连红, 何卫平, 崔中雨, 崔洪芝
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    沈明禄, 赵连红, 何卫平, 崔中雨, 崔洪芝. 起落架用高速火焰喷涂WC涂层覆盖高强钢海水环境腐蚀与开裂行为[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 207-217.
    Minglu SHEN, Lianhong ZHAO, Weiping HE, Zhongyu CUI, Hongzhi CUI. Corrosion and cracking behavior of high strength steel covered with high-velocity oxygen-fuel spraying WC coating in marine environment[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 207-217.

    为探究水陆两栖飞机用起落架材料海洋环境适应性及其失效机制。通过在热轧300M高强钢表面制备高速火焰喷涂WC涂层, 使用电化学测试、盐雾实验、拉伸实验、疲劳实验, 并通过SEM, EDS, XRD以及CLSM表征, 开展其在人工海水环境中的腐蚀行为研究。研究结果表明, 在pH值为8.2的人工海水环境中, WC涂层发生明显的钝化, 具有较好的耐蚀性, 这与在碱性环境下涂层中的Co发生钝化有关。长周期电化学阻抗结果表明, 浸泡28天后, 涂层耐蚀性上升, 这与表面黏结剂形成的氧化物有关。与300M基材相比, 喷涂后的材料抗拉强度略微升高, 这与涂层内部的残余应力释放有关, 其在人工海水中的开裂主要受阳极溶解过程控制。随着预腐蚀时间的增加, 材料的疲劳寿命发生明显降低, 在预腐蚀过程中, 环境中的腐蚀性介质进入涂层内部, 增加了缺陷的数量, 使得涂层提前发生失效, 导致材料断裂敏感性增加。WC涂层有较好的耐蚀性, 拉伸过程中残余应力的释放使材料的抗拉强度略微升高, 经过预腐蚀后涂层提前发生失效, 使得材料疲劳寿命降低。

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    隆小芹, 哈万·阿仁, 王展, 梁玉卿, 平特伍沙, 王子强, 孙翼飞, 余飞, 袁欢
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    隆小芹, 哈万·阿仁, 王展, 梁玉卿, 平特伍沙, 王子强, 孙翼飞, 余飞, 袁欢. ZnO:Na纳米晶室温表面光电压气敏机理的研究[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 218-226.
    Xiaoqin LONG, Aren HAVAN, Zhan WANG, Yuqing LIANG, Wusha PINGTE, Ziqiang WANG, Yifei SUN, Fei YU, Huan YUAN. Gas sensing mechanism of ZnO: Na nanocrystals at room temperature using surface photovoltage spectroscopy[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 218-226.

    采用简单溶胶凝胶法在溅射有Au/Ti叉指电极的PET柔性基底上制备出不同Na掺杂浓度的ZnO纳米晶。通过对样品的微结构和光学性质表征, 探究光辅助室温NO2气敏机理与表面光电压之间的联系。X射线衍射(XRD)结果显示所有样品均为六方纤锌矿结构, Na的掺杂并没有出现Na及其氧化物的衍射峰。室温气敏测试结果显示Na掺杂ZnO纳米晶具有优良的室温气敏性能, 能够检测到0.94 mg/m3浓度的NO2, 相对于纯ZnO纳米晶体气敏响应明显提高。表面光电压谱(SPV)和紫外可见分光光度计(UV-Vis)实验结果表明掺杂ZnO样品的室温气敏性可能与其表面缺陷含量和缺陷能级有关。Na掺杂能够显著增强光生电荷的分离, 同时也引入了更多的氧空位(Vo)和活性位点, 促进了NO2气体与表面吸附电离氧缺陷的反应。另外光学带隙的蓝移和新产生的缺陷能级也进一步提高了对NO2气体的灵敏度。

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    刘耀威, 黄坤, 张博君, 付维贵, 杜润红, 赵义平
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    刘耀威, 黄坤, 张博君, 付维贵, 杜润红, 赵义平. PVDF基超滤膜的制备及其切削液废水分离性能[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 227-234.
    Yaowei LIU, Kun HUANG, Bojun ZHANG, Weigui FU, Runhong DU, Yiping ZHAO. Preparation of PVDF-based ultrafiltration membranes and its wastewater separation properties of cutting fluid[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 227-234.

    切削液废水含有大量乳化油, 如未经处理直接排放, 会造成环境污染、水生态系统破坏等。为了实现水包油乳化废水的高效分离、降低膜污染, 以成膜性好、力学性能稳定、耐化学性能佳的聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜为基膜, 将胱胺的氨基引入到膜表面, 再与甲基丙烯酸的羧基发生酰胺化反应, 然后通过自由基聚合反应形成环状聚合物功能层, 从而得到亲水性好、通量大且油水分离率高的PVDF基复合膜。通过红外光谱(IR)、扫描电镜(SEM)、水接触角等测试对改性前后的膜样品的物化性能进行表征;采用自制错流过滤装置测试正己烷油水混合乳液、切削液废水的分离效果。研究结果表明, 原膜(M0)的水接触角(WCA)为91.95°, 改性后的膜M1, M2和M3的WCA分别降低至65.78°, 51.08°, 71.70°, 说明改性膜的亲水性提高。M0与M1, M2和M3在正己烷油水乳液分离中各自的渗透通量分别为37.34, 58.40, 81.57, 44.55 L·m-2·h-1;对切削液废水分离的渗透通量分别是7.41, 11.96, 24.36, 10.80 L·m-2·h-1。原膜和改性膜在分离高浓度的切削液废水时, 渗透通量都有所下降, 但改性膜的渗透通量明显高于原膜水渗透通量, 其中M2改性膜的分离通量最佳, 说明改性膜的亲水性和抗污染性最佳, 有望用于工业含油废水处理。

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    喻鹏祥, 孟扬, 史晨, 苏娟娟, 韩建, 叶华亦
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    喻鹏祥, 孟扬, 史晨, 苏娟娟, 韩建, 叶华亦. 抗芯吸涤纶织物/聚氯乙烯柔性复合材料的制备及其湿热老化行为[J]. 材料工程, 2024, 52(2): 235-244.
    Pengxiang YU, Yang MENG, Chen SHI, Juanjuan SU, Jian HAN, Huayi YE. Preparation of anti-wicking polyester fabric/polyvinyl chloride flexible composites and its hygrothermal aging behavior[J]. Journal of Materials Engineering, 2024, 52(2): 235-244.

    涤纶织物/聚氯乙烯(PET/PVC)柔性复合材料具有质轻、高强及良好的可加工性能, 被广泛应用于体育休闲、广告印刷等户外产品。然而, 在高温、高湿等极端环境中, PET/PVC极易因吸水而造成自身力学性能的下降。采用含氟丙烯酸酯嵌段共聚物对PET织物进行改性, 然后通过涂覆法得到抗芯吸PET织物增强PVC树脂基柔性复合材料(F-PET/PVC), 进而探究其耐湿热老化机理。结果表明:当抗芯吸剂浓度为20 g/L时, PET织物的水接触角从0°增大至114.5°, F-PET/PVC的芯吸高度降低了约94.29%, 且剥离性能降幅较小, 约为15.87%。此外, 湿热老化测试表明F-PET/PVC的耐湿热老化性能优于PET/PVC, 其界面剥离强度和拉伸强度损失率分别由7.41%和3.61%下降为3.08%和0.48%, 有望为环境用织物增强树脂基复合材料的耐久性设计提供参考。

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