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高熵合金自2004年被提出以来, 由于其表现出比传统合金更为优异的综合性能, 在航空航天、石油化工等领域具有潜在的应用前景, 逐渐成为金属材料领域的研究热点。在高熵合金基体中引入合适的增强相形成高熵合金基复合材料(HEAMCs), 已成为改善高熵合金综合性能的方法之一。本文综述了近年来国内外关于高熵合金基复合材料的研究现状, 就其增强相选择、制备工艺、相结构和组织进行系统的介绍, 并归纳了包括强塑性、硬度以及耐磨耐蚀性等高熵合金基复合材料性能的演变规律以及强化机制, 最后指出了当前高熵合金基复合材料面临的挑战并展望了未来的研究方向: 增强相和基体之间的润湿性严重影响大尺寸复合材料的制备及性能, 寻找一种高效简易的方法制备大尺寸复合材料是目前高熵合金基复合材料需要解决的一个问题; 增强相颗粒会导致塑性下降, 金属基复合材料强度与塑性之间的平衡也有待研究。
β-Ga2O3是一种超宽禁带半导体材料, 对应太阳光谱的深紫外波段, 可用于制备日盲紫外探测器。日盲紫外探测器抗干扰能力强、探测灵敏度高、背景噪声低, 在军事和航空航天领域具有极大的应用前景。本文主要介绍Ga2O3材料的基本性质, 包括不同的晶相结构及其制备方法, 并总结不同结构的Ga2O3器件在日盲紫外探测领域的研究进展。其中, 金属-半导体-金属(MSM)结构的Ga2O3器件最为普遍, 特别是基于薄膜材料的器件已具备了商业化参数, 有望实现产业化应用。基于Ga2O3的异质结和肖特基结日盲紫外探测器也表现出优异的性能, 并呈现出自供电特性。此外, 薄膜晶体管结构Ga2O3器件结合MSM结构和晶体管结构的工作机制, 可获得更大的光增益, 适用于微弱信号的探测, 成为一种极具潜力的日盲紫外探测器件。
连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料(Al2O3f/Al2O3陶瓷基复合材料)具备高熔点、高强度、抗氧化等特点, 提升了现有航空航天热端部件自身抗氧化性能, 是高温有氧环境应用的理想候选材料。本文首先分析了Al2O3f/Al2O3陶瓷基复合材料的组成部分——氧化铝纤维、氧化铝基体和常见界面相的种类及其作用。其次, 总结了目前Al2O3f/Al2O3陶瓷基复合材料所采用的制备工艺如浆料浸渍法、溶胶-凝胶法、前驱体浸渍-裂解法, 并讨论了不同制备技术路线对氧化铝陶瓷基复合材料性能的影响、列举了部分国内外学者的工作现状及成果。最后, 对于制备在中高温负载下达到较高强度和断裂韧度、能够实现长时间服役的Al2O3f/Al2O3陶瓷基复合材料提出了可行的优化方案。
以单晶高温合金CMSX-4为研究对象, 设计制备一种含5层平台的单晶试板铸件, 研究其在不同温度下进行固溶热处理后的再结晶行为。结果表明: 经固溶热处理后除最下层平台外, 其余每层平台的截面突变处均有再结晶产生, 再结晶面积随平台所处高度的增加先增大后减小; 铸件外侧平台比内侧平台更容易产生再结晶。固溶热处理温度TH对铸件平台再结晶形核和长大的影响非常显著, 当TH从1303 ℃提升到1315 ℃时, 再结晶面积从9.7 mm2增加到293 mm2, 增幅高达30倍。由于截面突变, 铸件平台部位会在凝固及冷却过程中产生较大的塑性变形并积聚大量的变形能, 在后续热处理时截面突变处易成为再结晶的起源; 同时, 因凝固过程中换热条件、冷却速率和变形速率的差异, 导致铸件各部位的应力分布不均, 在固溶热处理后表现出不同的再结晶行为。此外, 提高TH能够有效促进γ/γ'共晶组织和粗大γ'相的溶解, 减少γ/γ'共晶组织及粗大γ'相对再结晶晶界迁移过程中的钉扎作用, 显著增加再结晶缺陷区域。
采用扫描电镜、透射电镜和能谱技术, 详细分析DZ125和DZ22镍基高温合金中富Hf夹杂物的形貌、结构及成分, 开展不同Hf添加量的镍基合金凝固组织特征的模拟实验探究, 阐明Hf夹杂物的形成机理。结果表明: DZ125和DZ22合金铸件的边缘均存在不规则形态的夹杂物, 其中白亮夹杂物为HfO2, 与之伴生的灰色夹杂物中含有Al2O3。镍基高温合金中的Hf元素聚集倾向强, Hf含量较高时可形成百微米以上的大尺寸富Hf相, 随着Hf含量降低, 富Hf相减小且分布更为均匀。高温下Hf与熔体中的氧、陶瓷型壳/型芯氧化物具有高的自发反应驱动力, 当Hf分散不充分时, Hf倾向于向氧化物陶瓷相/熔体的界面聚集, 在高温下与陶瓷中的Al2O3和硅溶胶黏结剂中的SiO2发生反应, 从而导致铸件表层HfO2夹杂物的形成。
通过Nb, Hf和Ta元素复合添加改性, 利用氩气雾化法制备NiCoCrAlYNbHfTa粉末, 并与商用NiCoCrAlY粉末进行1200 ℃下24, 48 h和72 h的氧化性能对比。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对粉末物相、微观结构和元素分布进行分析, 通过等温氧化实验对比研究两种粉末的高温氧化性能。结果表明: 所制备的粉末具有较好的球形度, 球体中元素分布均匀。NiCoCrAlYNbHfTa粉末主要由β相和γ/γ'相组成, 商用NiCoCrAlY粉末由γ/γ'相组成。NiCoCrAlYNbHfTa粉末能够快速形成致密的氧化铝膜, 并且有效延缓Al的扩散与消耗, 而商用NiCoCrAlY粉末在等温氧化后, Al消耗较快。两种粉末氧化增重曲线总体变化趋势较为接近, 但商用NiCoCrAlY粉末经历的氧化初期时间较长, Al元素快速消耗殆尽。NiCoCrAlYNbHfTa粉末比商用粉末表现出更优的高温抗氧化性和抗高温烧结性能。
采用硬度测试和透射电镜研究Sn对不同Mg/Si比Al-Mg-Si合金时效硬化与析出行为的影响。结果表明: 添加Sn虽然增加了低Mg/Si比合金峰值时效的析出相密度, 但也降低了β″相的析出速度, 从而降低了低Mg/Si比合金峰时效前的硬化速度和峰时效硬度。过时效阶段, 含Sn合金的高析出相密度提高了低Mg/Si比合金过时效硬度。对于高Mg/Si比合金, 添加Sn不仅增加合金的析出相密度, 同时也提高了β″相的析出速度, 从而增加了合金的硬化速度和峰时效硬度。
通过多向锻造和退火处理对Al-Mg-Sc-Zr合金进行晶界优化, 对比研究混合晶界结构对合金板材力学性能各向异性行为的影响。结果表明: 均匀化状态合金以高角度晶界为主, 经过轧制变形后形成较多轧制剪切带和高强度的Brass, Copper和S织构, 轧制板材力学性能各向异性行为较为明显, 屈服强度IPAYS和抗拉强度IPAUTS指数分别为6.68%和5.85%;合金经过多向锻造和退火处理后, 基体为高/低角度晶界结构并存的混晶组织, 经过轧制变形后剪切带密度和织构强度明显降低, 合金轧制板材性能各向异性行为得到明显改善。
提出一种通过增加反应物中硫脲比例来合成层间距宽化的二硫化钼(E-MoS2)的一步合成方法。该方法中, 过量硫脲高温下转化为硫氰酸铵原位嵌入MoS2层间使层间距宽化, 避免传统E-MoS2的复杂合成过程和外来插层分子的引入。该方法合成的E-MoS2微米花展现出良好的析氢性能: 在电流密度为-10 mA/cm2时的析氢过电位为285 mV, 塔菲尔斜率为68.5 mV/dec, 远低原始MoS2的析氢过电位(588 mV)和塔菲尔斜率(122.2 mV/dec)。该E-MoS2析氢性能的提升可归因于: 层间距的宽化优化MoS2的电子结构, 从而提高导电性, 降低氢吸附自由能; 且合成过程中硫氰酸铵分子的原位嵌入抑制MoS2的生长, 减小其微米花尺寸, 使其暴露出更多的活性位点。因此, 该E-MoS2微米花有望成为一种有前景的非贵金属析氢电催化剂。
为解决类金刚石(DLC)薄膜与金属基材间的界面结合强度和厚膜化问题, 提出一种使用a-Si: C: H键合层和H-DLC过渡层的新工艺。利用直流等离子体增强化学气相沉积(DC-PECVD)方法, 在45钢基材上沉积不同负偏压条件下的复合DLC薄膜, 并对薄膜的厚度、表面粗糙度、结构成分、残余应力、膜基结合力以及摩擦学性能进行测定和分析。结果表明: 当顶层薄膜的制备负偏压从600 V增加至1200 V时, 薄膜表面粗糙度增大, 总膜厚增加, 最大达到16.3 μm; 薄膜中的残余应力呈增大趋势, 结合力减小; 薄膜的平均磨损率增大, 耐磨性逐渐下降。顶层薄膜制备负偏压为600 V时, 复合DLC薄膜的综合性能最优, 结合力达到了54.6 N, 平均磨损率为1.5×10-16 m3/(N·m), 使45钢的耐磨性提高了30倍。
为更科学有效地表征酚醛石英纤维混编织物的拉伸性能, 研究了混编织物拉伸试样的制样工艺及实验条件对拉伸性能测试结果的影响。分别通过优化试样裁剪拆边方式、调整涂胶方式及胶黏剂用量、改进加强片粘贴方式等获得新的制样工艺, 同时考察试样状态调节的环境相对湿度对拉伸性能的影响。实验结果表明, 相比于传统制样工艺, 新制样工艺制得的试样经向、纬向拉伸断裂强力测试结果均提高约72%, 且整体检测效率提高1倍, 分析其原因主要在于新制样工艺下试样端部加强片粘接更加均匀牢固, 使得试样中沿加载方向的纤维更能同时承载, 且拉伸对中性显著提高。另外, 试样状态调节的环境湿度在一定范围内对酚醛石英纤维混编织物拉伸断裂强力存在较大的影响, 即当环境湿度超过30%后, 试样经向、纬向拉伸断裂强力均显著下降, 相比于20%相对湿度, 60%相对湿度时试样经向、纬向拉伸断裂强力下降幅度分别达到11.1%和7.2%, 分析其原因主要是由于酚醛纤维作为有机纤维, 其分子结构中含有酚羟基、酰胺基团等亲水基团, 促使纤维长链分子间起滑移作用而导致纤维内部大分子聚合度降低, 从而导致断裂强力降低。因此, 本工作提出的新制样工艺能够更科学有效地表征酚醛石英纤维混编织物的拉伸性能, 并建议将其贮存与测试环境相对湿度控制在30%以内。
为解决电弧喷涂铁基非晶涂层氧化严重等问题, 采用等离子转移弧丝材喷涂(PTWS)在20NiCrMo基体上制备铁基非晶涂层, 通过响应曲面法设计四因素三水平工艺参数优化实验, 建立氩气流量、氢气流量、工作电流以及喷涂距离与孔隙率之间的数学模型关系。利用最佳工艺参数制备铁基非晶涂层, 采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、硬度测试仪(HV-1000A)和电化学工作站(IM6ex)对涂层进行微观形貌、相组织、硬度及极化分析。结果表明: 当工作电流不变时, 氩气增大、喷涂距离减小或是氩气减小、喷涂距离增大都会导致孔隙率呈下降趋势。在最优工艺参数下, 即QAr=115 L/min, QH2=4 L/min, I=300 A, D=150 mm, d=12 mm, Vwire=60 mm/s, 所获铁基非晶涂层的孔隙率为2.14%, 平均硬度为960HV0.1, 腐蚀电势为-0.4841 V以及腐蚀电流为3.716×10-5 A·cm-2, 表明涂层具有良好的耐腐蚀性能。
焊后热处理可以改善线性摩擦焊接头的组织与性能。对TC11钛合金线性摩擦焊接头进行双重退火(950+530) ℃处理, 利用光学显微镜、扫描电子显微镜等微观分析技术研究双重退火对焊接接头组织的影响。结果表明: 热处理后接头焊缝区的动态再结晶晶粒完全消失, 被粗针状、条状和球状α相取代。热力影响区组织变形程度减小, 晶粒长大, 部分α组织球化。母材中次生α相长大, 呈粗针及短棒状。接头焊缝区及热力影响区的晶粒取向在热处理后更加随机, 择优取向明显降低。力学性能测试表明, 焊后双重退火处理消除接头中心高硬度区, 接头中心硬度较焊态接头硬度下降约50HV, 热力影响区硬度较焊态接头硬度上升约30HV; 焊后热处理对接头拉伸强度没有显著影响; 热处理后接头冲击韧性达到61.3 J·cm-2, 相比焊态提高约80%, 与母材的冲击韧性接近。
借助模拟铸轧区流场, 并采用SEM、EPMA、DSC、电导率和常温拉伸性能测试手段, 详细研究了不同工艺参数对下注式双辊铸轧2624铝合金偏析行为和性能的影响, 分析了铸轧过程中偏析的产生机理。结果表明: 下注式双辊铸轧的2624铝合金边部出现大尺寸带状偏析, 溶质元素呈现宏观反偏析现象; 浇注温度和铸轧速率的降低可以增强涡流的峰值速率, 减弱宏观偏析程度; 冷却速率的增强可以减弱微观偏析程度, 降低电导率; 此外, 铸轧板的屈服强度、抗拉强度和伸长率随着浇注温度和铸轧速率的降低逐渐增高, 合金的力学性能得到改善。
采用粉末冶金法制备6061铝合金, 利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜及硬度测试、拉伸测试等方法, 研究了球磨时间和挤压态合金固溶时效处理对材料微观组织和力学性能的影响。结果表明: 随着球磨时间的延长, 粉末形貌由球形逐渐变为扁平片状, 并且粉末粒径逐渐增大。球磨2 h时, 烧结态合金具有较好的致密度和综合力学性能, 但较长的球磨时间将导致材料致密度和力学性能降低。烧结态合金经过热挤压后较优的固溶时效工艺为530 ℃×1 h+180 ℃×8 h, 此时合金中析出弥散分布且细小的β″相, 合金具有较高的强度(442 MPa)和硬度(125HV)以及合适的伸长率。其优良的力学性能主要是由弥散强化、细晶强化、固溶强化共同作用的结果。
耐热型低损耗取向硅钢是制造超高能效立体卷铁心变压器的理想材料。采用OM, SEM和EBSD技术研究0.20 mm耐热型激光刻痕和机械刻痕取向硅钢的微观组织及刻痕线晶粒取向特征, 采用任意波形磁场激励测量系统研究两种耐热型取向硅钢去应力退火后在正弦及复杂工况下的电磁性能, 基于MagNet有限元软件开展10 kV/400 kVA超高能效变压器铁心和绕组建模、仿真分析及实验验证。结果表明: 耐热型激光刻痕和机械刻痕取向硅钢磁畴细化机制完全不同, 前者依赖于在原始厘米级大尺寸Goss晶粒表面形成由金属氧化物填充的平行沟槽, 后者通过在基体表层形成等距离分布的直径40~50 μm随机取向晶粒, 其与原始晶粒之间的大角度晶界及亚晶界可细化磁畴降损; 在850 ℃退火0~8 h过程中, 两种耐热型取向硅钢样品的铁损均先下降、后小幅上升或趋于平稳, 谐波和直流偏磁工况下的损耗变化规律基本相当; 在完成铁心截面级数优化、磁场和损耗仿真的基础上, 研制的国产耐热型激光刻痕取向硅钢10 kV/400 kVA立体卷铁心变压器空载损耗、负载损耗分别较国标GB 20052—2020能效1级变压器限定值大幅降低了17.3%和7.9%, 具有超高能效特征。
等离子弧直接沉积技术因热输入集中, 材料易产生较大的残余应力, 发生不均匀形变, 极大影响成型零件的质量。采用生死单元技术、瞬态热模型和热弹塑性模型对增材制造过程中的热过程和残余应力进行数值模拟计算, 研究不同沉积路径对等离子弧增材制造中TC4叶片热循环特性和残余应力分布规律的影响。同时通过热实验验证了模型的有效性, 模拟的热曲线与实验结果吻合。结果表明, 等离子弧直接沉积截面为"月牙"形的叶片零件, 两种路径在沉积层与基板的连接区域都会产生较之其余区域更高的残余应力, 轮廓偏移路径有较之全光栅式路径更好的散热情况, 轮廓偏移路径沉积层的残余应力明显低于全光栅式路径。多层零件的新层开始沉积时, 先前沉积层会经历复杂的热循环, 峰值温度由底层向中间层逐渐升高。随着新层不断地沉积在顶部, 零件瞬态应力分布进行着规律的变化, 较大应力位于接近顶层中部区域和底部与基板相接区域, 然后保持并逐渐转化为零件内的残余应力。
挖补修理是一种常用的受损复合材料结构修复方法, 主要可分为干法(预固化补片)修理和湿法(湿铺贴)修理。通过开展静力拉伸实验, 研究了不同损伤尺寸的预固化补片挖补修理和湿铺贴挖补修理层合板的极限强度、破坏模式以及补片脱粘情况, 实验结果表明采用预固化补片修理的结构其强度恢复率更高, 补片提前脱粘概率更低, 修理效果更好。在力学实验的基础上, 通过有限元计算准确预测了挖补修理层合板的极限强度、应力应变分布和损伤演化过程, 计算结果表明预固化补片修理结构的胶层应力分布更加均匀, 应力水平和应力集中程度更低, 出现界面失效和胶层内聚失效的载荷也更高。
利用化学接枝的方法成功将碳纳米管(CNT)-聚醚酰亚胺(PEI)接枝到碳纤维(CF)表面, 构筑CF-g-CNT增强相。结果表明, CF-g-CNT纤维的构筑可以有效地改善复合材料的界面、抗冲击和弯曲性能。考虑增强相对复合材料力学性能的影响, 与双马来酰亚胺(BMI)复合后形成的CF-g-CNT/BMI复合材料的界面剪切强度、冲击强度、弯曲模量和弯曲强度分别较CF/BMI提高48.8%, 10.8%, 5.2%和14.6%;CF-g-CNT/BMI-PEI-CNT复合材料的界面剪切强度、冲击强度、弯曲模量和弯曲强度分别较CF/BMI-PEI-CNT提高56.9%, 27.1%, 12.5%和16.1%。综合考虑基体相和增强相对复合材料力学性能的影响, CF-g-CNT/BMI-PEI-CNT复合材料的界面剪切强度、冲击强度、弯曲模量和弯曲强度分别较CF/BMI提高57.7%, 33.7%, 20.0%和23.7%。CF-g-CNT中CNT-PEI可以有效地改变复合材料界面构成, 改变界面处水平应力和垂直应力的扩展路径, 有效避免应力集中, 进而提高复合材料的力学性能。
采用浆料直写打印(direct ink writing, DIW)技术对0.8%(体积分数, 下同)BNNSs/TC4浆料和TC4浆料进行双材料互嵌打印, 构建层间"互锁"界面。结合DIW和快速热压烧结(fast hot pressed sintering, FHPS)技术得到纳米TiB增强的层间"互锁"型致密层状TC4-TiB/TC4复合材料, 并对其力学性能进行研究。结果表明: 烧结后成功保留了层间"互锁"结构; 利用DIW制备的层间"互锁"型层状TC4-TiB/TC4复合材料与未作构型的增强相均匀分布的0.4%TiB/TC4复合材料相比, 强度提升了9.1%, 达到1206 MPa, 但韧性并未下降。分析发现, "互锁"的层间界面使裂纹发生极大的偏转, 阻碍裂纹扩展, 提升整体材料的韧性, 为成型复杂强韧复合材料构件提供了思路。
SiCp/AZ91D镁基复合材料在航空航天领域应用较为广泛, 但由于国内外对于超声波检测方法研究SiCp/AZ91D镁基复合材料中SiCp颗粒分布情况鲜见报道。本工作通过挤压铸造法, 制备体积分数分别为0%, 2%, 4%和6%的SiCp颗粒增强镁基复合材料。为了研究复合材料中颗粒分布情况, 本工作采用超声声速法、超声衰减法、超声波特征扫描成像检测及非线性超声检测方法对SiCp颗粒分散性进行研究。探索各种声学参量随SiCp体积分数的变化关系及不同的检测方法对SiCp颗粒分布情况检测能力的差异, 并进行实验验证。结果表明: 超声特征扫描检测及超声速度法能够定量检测SiCp宏观团聚, 超声衰减法对表征微观团聚和宏观团聚都能达到一个很好的效果, 非线性超声检测方法对于检测SiCp微观团聚更为敏感, 颗粒不均匀时对力学性能影响最为突出, 抗拉强度大大降低。
